بخشی از مقاله
بررسی و شناخت خاک های مسئله دار و راه کارهای مقابله با آن
خلاصه
داشتن یک بنای مقاوم و پایدار خواسته مالکان و هدف اصلی طراحان و مهندسان صنعت ساخت و ساز می باشد. یکی از اصلی ترین فاکتورهای مهم در داشتن یک بنای ماندگار شناسایی بستری است که بنا بر روی آن ساخته می شود. در این بین شناخت و شناسایی خاک های مسئله دار امری است مهم . در این مقاله سعی بر شناخت و شناسایی خاک های مسئله دار و همچنین به ارائه راهکارهای مقاوم سازی آن پرداخته شده است.
۱. مقدمه
اصولا خاک ها در طبیعت انواع مختلفی داشته و به گونه های متفاوتی یافت می شوند. یکی از مشکلات اصلی نیز انجام ساخت و ساز بر روی مصالح خاکی به عنوان بستر است. با توجه به اینکه خصوصیات فیزیکی و مکانیکی خاک ها با هم متفاوت است انجام بررسی ژئوتکنیکی به منظور شناسایی خاک ها ضروری است. شناسایی خاک ها از مراحل اولیه ساخت بنا و یکی از مهم ترین و اصلی ترین مراحل آن نیز می باشد. در واقع ماندگاری و بقای یک سازه در برابر عوامل طبیعی و محیطی وابستگی زیادی به بستری دارد که بنا روی آن ساخته می شود. در این میان خاک های مسئله دار از اهمیت بیشتری برخوردار هستند. در ادامه به معرفی انواع خاک های مسئله دار و راهکارهای مقابله با آن پرداخته شده است.
۲. معرفی خاکهای مسئله دار (Difficult Soils)
اصولا از نظر مهندسی به تمامی خاکهایی که احداث سازه بر روی آنها مطمئن نبوده و نیز تحت تاثیر شرایط آب و هوایی قرار دارند خاکهای مسئله دار نامیده می شوند. خاکهای مسئله دار در گونه های مختلفی از جمله متورم شونده، واگرا، فروریزشی ، انحلال پذیر و .... یافت می شوند
3- خاک های واگرا (Dispersive Soils)
واگرائی پدیده ای است که طی آن خاکهای رسی در مجاورت آب چسبندگی خود را از دست داده و یکدیگر را دفع می کنند . دلیل اصلی فرسایش رسها بر اثر پدیده واگرائی ، فزونی نیروی دافعه بین ذرات بر نیروی جاذبه آنها می باشد. بر اساس مطالعات انجام شده مهمترین عامل موثر بر پدیده واگرائی غلظت یون سدیم در آب منفذی خاک و تک ظرفیتی بودن کاتیون مذکور می باشد . خاکهای حاوی کلسیم، منیزیم و آلومینیوم به دلیل بیشتر بودن ظرفیت کاتیون ها و کاهش نیروی دافعه واگرا نیستند . این پدیده در خاکهای غیر چسبنده ریز نیز بوجود می آید. ولی در ماسه و سیلت در اثر پدیده های مکانیکی می باشد، اما در خاکهای رسی در اثر تغییرات فیزیکی - شیمیائی خاک می باشد. معمولا فرم اصلی بروز خسارت در سازه های احداث شده بر روی خاکهای واگرا، فرسایش و مهاجرت شدید ذرات خاکی از بستر سازه، خالی شدن پشت پوشش سخت و خرد شدن قطعات بتنی ، فونداسیون سازه یا سایر پوشش های سخت بعلت عدم وجود تکیه گاه می باشد . که به واسطه ایجاد فضاهای بزرگ ناشی از فرسایش خاک واگرا، و بروز نشست های ناهمسان، سازه دچار ترک خوردگی شدید در جهات مختلف می گردد.
۳.ا. شناسایی خاکهای واگرا
خاکهای واگرا جزء خاکهای رسی میباشند و حداقل مقدار رس در آنها ۱۰ درصد است. این خاکها در طبقه بندی مهندسی خاک به روش یونیفاید در گروههای CL تا CH قرار می گیرند. در مناطقی که سطح زمین دارای شیب نسبتا تند است شناسایی خاکهای واگرا بسیار آسان است چرا که در این مناطق در اثر بارندگیها و فرسایش سریع، بریدگیهای بسیار عمیق و مشخصی در سطح زمین حاصل می شود که مشخصه اصلی اینگونه خاکها است. ولی در مناطق مسطح با شیب کم نمی توان به آسانی خاکهای واگرا را شناسایی کرد چون در اثر بارندگیها وقتی ذرات رس واگرا شسته می شوند لایه ای از ماسه لای دار و یا لای ماسه ای به صورت پوشش محافظی در سطح زمین باقی می ماند و روی لایه های عمیق را می پوشاند و در حقیقت مشخصه اصلی که فرسایش و آب بریدگیهای عمیق میباشد دیده نمی شود و در نتیجه خاک واگرا قابل تشخیص نمی باشد. از نظر رنگ خاکهای واگرا به رنگهای قرمز، قهوه ای، زرد، خاکستری و یا ترکیبی از این رنگ ها دیده شده است، خاکهای سیاه رنگ عموما حاوی مواد آلی بوده و واگرا نمی باشند. با توجه به این مطالب میتوان فهمید که شناسایی کامل و دقیق خاکهای واگرا در صحرا منوط به انجام آزمایشهای مخصوص میباشد که بدون آنها تشخیص خاکهای واگرا ممکن نیست، بهمین دلیل محققین زیادی در این زمینه به تحقیق و بررسی پرداخته اند. لازم به ذکر است که به علت اینکه واگرایی یک پدیده فیزیو شیمیایی است لذا تشخیص خاکهای واگرا با استفاده از نتایج طبقه بندی، دانه بندی و حدود اتربرگ خاک امکانپذیر نبوده و لذا باید آزمایشهای ویژه آن مورد استفاده قرار گیرد. آزمایشهایی که تابحال برای این منظور مورد استفاده قرار گرفته اند عبارتند از:
۱. آزمایش پین هول
۲. آزمایش شیمیایی (تعیین نمکهای محلول خاک)
۳. آزمایش هیدرومتری دوگانه
۴۔ آزمایش کرامب علاوه بر روشهای آزمایشگاهی گفته شده که میتواند در مقیاس منطقه ای و محدود در مورد نمونه های مورد آزمایش، نتایج واگرایی خاک را در اختیار ما قرار دهد، روشهای ساده تری نیز وجود دارد که از روی ماهیت روانگرایی و اطلاعات مربوط به آن می توانند احتمال روانگرا بودن خاک را در مقیاس ناحیه ای نشان دهند. در این روشها نیازی به استفاده از ابزار آزمایشگاهی خاص نیست و از بررسی های زمین شناسی، مورفولوژی و تاثیرات محلی استفاده میگردد که شامل مراحل زیر می گردد:
• شناسایی خاکهای ریزدانه رسی در منطقه
• شناسایی منابع یون سدیم در منطقه
• بررسی وضعیت اقلیمی منطقه
• بررسی مورفولوژی منطقه (۱)
4- خاک های رمبنده یا فروریزشی (Collapsible Soils)
رمبندگی به ریزش ناگهانی خاک در اثر از دست رفتن مقاومت عامل پیوند دهنده ذرات خاک اطلاق می شود و میزان رمبندگی ایجاد شده وابسته به نسبت تخلخل اولیه خاک است . تعدادی از نهشته های سیلتی تشکیل یافته تحت شرایط آب و هوایی خشک مستعد کاهش حجم قابل ملاحظه یا رمبندگی در هنگام اشباع شدن ( مرطوب شدن ) هستند. بنابراین، نفوذ آب سطحی ، که به شکل آبیاری ، نشت از لوله ها و بالا آمدن سطح آب زیرزمینی ممکن است موجب بوقوع پیوستن نشست های زیاد گردد. ویژگی های اصلی که باعث می شوند خاکها خصوصیات فروریزشی از خودنشان دهند، عبارتند از
تخلخل بالا (بیش از ٪۴۰)، درجه اشباع پایین (زیر ٪۶۰)، میزان لای ( بیش از ٪۳۰، گاهاً تا ٪۹۰) و نرم شدگی سریع آب
ایجاد خسارت ناشی از رمبندگی در سازه ها، که معمولا بر اثر جریان یافتن آب و اشباع شدن خاک بستر حادث می شود، عموما بصورت نشست بستر و ترک خوردگی بی نظم پوشش های بتنی و سخت کف و دیوارها و ..... بروز می نماید. نشست ناگهانی و قابل توجه در کف سازه بعنوان نمودهای امکان وجود خاک رمبنده در بستر تلقی می گردد.
۱.4.. شناسایی خاک های رمبنده
این پدیده در خاکهای با دانه بندی خاص و در شرایط تراکمی معینی حاصل می شود. بنابراین روش تشخیص آن نیز بر مبنای ارزیابی این دو عامل با انجام آزمایشهای زیر استوار است:
الف) ارزیابی دانه بندی خاکی
ب) ارزیابی تراکم خاک در جا
و همچنین از آزمایش تعیین قابلیت رمبندگی خاک ( _ ASTM 5333 D ) جهت تعیین پتانسیل رمبندگی خاک استفاده می شود. اساس این آزمایش بر مبنای آزمایش تحکیم است. همچنین مدل های تعریف شده توسط هولتز و هیلف نیز که بر اساس حد روانی ، تخلخل و وزن مخصوص خشک خاک نیز به این منظور استفاده شود.
بطور کلی خاکهای رمبنده دارای دانسیته طبیعی کم تا خیلی کم (بین ۱/۲ تا ۱/۶ گرم بر سانتی مترمکعب) بوده و تشخیص آن با انجام آزمایش های خاص صحرائی و آزمایشگاهی امکان پذیر است. حساسیت شدید این خاکها به افزایش رطوبت و فشار موجب می شود تا تشخیص آنها در آزمایشهائی مانند تحکیم به سهولت و سرعت صورت گیرد. در شرایط صحرائی نیز چنانچه غرقاب کردن سطح زمین موجب نشست قابل توجه سطح خاکی گردد، نشانه ای از احتمال وجود خاکی رمبنده خواهد بود.
خاک های متورم شونده ( Swelling Soils)
خاکهای متورم شونده ، خاکهایی هستند که بدلیل جذب آب ، ازدیاد حجم یافنه ، اصطلاحا متورم می شوند . تورم در تعریف عبارت است از واکنش فیزیکی - شیمیائی خاک و محیط، که مقدار تورم در آن بستگی کامل به شدت نیروهای جاذبه دافعه فیزیکی شیمیایی دارد . مقدار تورم ، تابع نوع کانی های رسی و پیوند ملکولی موجود در آن نیز می باشد . در حال حاضر کانی های مونتموریلونیت بعنوان متورم شونده ترین نوع کانی های رسی در مقایسه با ایلیت، کائولینیت و غیره شناخته شده اند. هر چه ذرات خاک انبوه تر و متراکم تر باشند ، پتانسیل تورم پذیری آن بیشتر است . فشار ناشی از تورم خاک ها می تواند موجب خرابی کامل ساختما های سبک نظیر پوشش کانالهای آبیاری ، کف سازه ها و جاده ها و ... گردد. خاکهای متورم شونده نسبت به تغییرات رطوبتی بسیار حساس می باشند از این رو با جذب رطوبت از آب تحت الارضی و یا آب نشتی و حتی رطوبت ناشی از آبیاری گل و گیاه مجاور سازه و ... سریعا متورم می شوند. و با توجه به سربار کم سازه های سبک، باعث بالا آمدن پوشش کف و بعضا جداره کانال ها ، پوشش آسفالتی جاده ها و بروز ترک در کف دال ها و دیوارهای ساختمانها و ... می شود و در مواردی که نیروی تورم خیلی زیاد نباشد باعث بروز ترک و شکستگی می شود که با گذشت زمان و عدم نگهداری و ترمیم صحیح به آسیب دیدگی سیستم ختم می شود.
۵. ۱. شناسایی خاک های متورم شونده
روش دقیق و موثر شناسائی خاکهای متورم اساساً بر مبنای آزمایشهای آزمایشگاهی استوار است. معهذا برخی از مشاهدات صحرائی می تواند در تشخیص سریع این خاکها موثر باشد. عمدتا هر خاکی که علائمی از انقباض و ترک خوردگی در شرایط خشکی از خود نشان می دهد، قابلیت تورم در اثر جذب رطوبت دارد. شناسایی خاک های متورم شونده عمدتا به دو روش مستقیم و غیر مستقیم انجام مس شود. در روش مستقیم اندازه گیری تورم در آزمایشگاه با استفاده از دستگاه تحکیم انجام می گردد که با روش تورم آزاد ، تورم با سربار و تورم با حجم ثابت ، (ASTM-D4546) انجام می شود . در روش غیر مستقیم ، تورم زایی خاکی با استفاده از رابطه های تجربی و سایر خصوصیات خاک بررسی می شود . از این روش ها می توان به روش USBR اشاره نمود . (۳)
همچنین اگر کانی های رسی متورم گشته باشند و یا اینکه تورم پذیر باشند، بوسیله یک سری مشاهدات صحرایی قابل شناسایی هستند:
- توپوگرافی : در زمین، بالارفتگی و فرورفتگی روی سطح رس های متورم شونده که در معرض هوازدگی در یک شرایط آب و هوایی نسبتا خشکی قرار دارند به صورت از هم گسیخته و ترکی خورده می باشند.
- سختی خاک : سختی این خاک ها در حالت خشک بسیار زیاد است.
- عمق آب زیرزمینی : در مناطقی که خاک متورم شونده مسئله ساز است، سطح آب زیرزمینی پایین می باشد و رطوبت بارندگی و نزولات جوی تامین کننده عدم بروز تورم در رس های تورم پذیر می باشد.
- نبود الگوی زهکش طبیعی : در این خاک ها پس از جذب رطوبت ترک ها بسته می شوند و نفوذ پذیری خاک بسیار کاهش و در نتیجه رواناب بوجود می آید و آب بدون الگوی خاصی به راه می افتد. (۴)
6. خاک های انحلال پذیر (Soluble Soils)
