بخشی از مقاله
چکیده
مقاومت برشی خاک از مهمترین ویژگیهای موثر بر روابط ماشین و خاک است. یکی از عوامل تأثیرگذار بر مقاومت برشی خاک، مقاومت خاکدانهها است که میتواند با تر و خشک شدن خاک تغییر کند. به همین منظور، اثر این فرآیند بر پارامترهای مقاومت برشی یک خاک ریز بافت مورد مطالعه قرار گرفت.
در این پژوهش نمونههای بزرگ خاک تهیه و برخی از آنها تحت تأثیر 5 چرخه تر و خشک شدن قرار گرفت. سپس نمونهها با یا بدون تر و خشک شدن تحت سه سطح بار متراکم کننده و در دو سطح رطوبتی متراکم گردید. سپس سه نمونه برای انجام آزمایش برش مستقیم و یک نمونه برای اندازهگیری چگالی ظاهری خاک تهیه گردید.
نتایج نشان داد که تر و خشک شدن با افزایش تحرک ذرات رس و رسوب آنها در بین ذرات درشت و بر روی باندهای آبی، موجب افزایش چگالی ظاهری و چسبندگی و کاهش زاویه اصطکاک داخلی گردید.
مقدمه
مقاومت برشی خاک یک ویژگی مهم خاک است - Arroyo et al., 2013 - که بر سایر ویژگیهای ذاتی آن از جمله فرسایش پذیری خاک - Zhang et al., 2001 - ، روابط ماشین و خاک - Imhoff et al., 2004 - و طراحی ابزارهای خاکورزی و کاشت - Sadek et al., 2011 - موثر میباشد. از عوامل تأثیر گذار بر مقاومت برشی خاک میتوان به نوع خاک، مقدار رطوبت خاک - Kemper and Rosenau, 1984 - ، مواد آلی خاک، چگالی ظاهری خاک - Mouazen, 2002 - و استحکام خاکدانهها - Freiet al., 2003 - اشاره کرد.
پژوهشها نشان داده است که تأثیر چرخههای تر و خشک شدن بر استحکام خاکدانهها بسیار متفاوت است و به نوع خاک بستگی دارد. بیان کردند که تر و خشک شدن خاکهای بدون ساختمان، تشکیل خاکدانهها را در پی دارد و برای بازسازی خاکهایی با ساختمان آسیب دیده مفید است.
- 2013 - Swanepoel et al. نیز یافتند که تر و خشک شدن خاکها میتواند تغییرات قابل توجهی بر خاکدانهها و ساختمان آنها داشته باشد. تغییرات فیزیکی خاک در اثر چرخههای تر و خشک شدن عبارتند از: تغییر شکل خاکدانهها - Telfairet al., 1975 - ، افزایش مقاومت کششی - Dexter et al., 1984 - و کاهش پایداری خاکدانهها.
تشکیل خاکدانهها را در دو نوع خاک مختلف با مقدار رس زیاد و کم مورد بررسی قرار داد و یافتند که چرخههای تر و خشک شدن سبب افزایش تخلخل خاکدانههای کوچک و مقاومت خاکدانهها میشود. تغییرات ایجاد شده در اثر تر و خشک شدن میتواند از نوع تغییر در درشت ساختار - شکل و اندازه خاکدانهها - و یا تغییر در ریز ساختار - میکرومرفولوژی و مقاومت داخل خاکدانهها - باشد
پژوهشهای - 2002 - Leij et al. نشان داد که خشک کردن خاک منافذ ساختمانی - منافذ درشت - را کاهش و منافذ ریز را افزایش میدهد. هنگامی که خاکهای غیراشباع تحت تنشهای داخلی و خارجی قرار میگیرند، در اثر جوش خوردن خاکدانهها و تبدیل آنها به واحدهای بزرگتر، منافد خاک و مقاومت آنها افزایش مییابد
مقاومت برشی خاک تحت تأثیر دو عامل چسبندگی و مقاومت اصطکاکی بین دانههای خاک است. کلمب - 1776 - رابطهای بین تنش عمودی و تنش برشی در صفحه گسیختگی بیان نمود:
در این رابطه تنش برشی، تنش عمودی، c چسبندگی و زاویه اصطکاک داخلی است
روشهای بسیاری از جمله آزمایش برش مستقیم، پره برشی، آزمایش تک محوری غیر محصور و آزمایش سه محوری برای اندازهگیریهای مقاومت برشی خاک وجود دارد - Hoyos et al., 2010 - که دو روش برش مستقیم و سه محوری متداولتر است
از آزمایش برش مستقیم برای ارزیابی مقاومت برشی خاک استفاده کردند.
در این پژوهش تأثیر چرخههای تر و خشک شدن بر پارامترهای مقاومت برشی یک نوع خاک ریز بافت - رس سیلتی - با استفاده از آزمایش برش مستقیم مورد ارزیابی قرار گرفت.
مواد و روشها ویژگیهای خاک مورد مطالعه
در این پژوهش، یک نوع خاک سطحی - عمق 0 تا 20 سانتیمتری - با بافت ریز از مزارع شرکت طرح توسعه نیشکر اهواز تهیه شد. بافت خاک به روش هیدرومتری - Sheldrick and Wang, 1993 - و حدود پایداری خاک، شامل حد روانی، حد خمیری و حد انقباض به روش استاندارد BS اندازه گرفته شد - . - McBride, 1993 درصد آهک و موادآلی به ترتیب به روشهای خنثی کردن با اسید و سوزاندن تر اندازهگیری شد . - Walkley and Black, 1934 - مقدار ظرفیت زراعی به روش صفحات فشاری در فشار 30 کیلو پاسکال و با سه تکرار تعیین شد. برخی از خواص فیزیکی و مکانیکی خاک مورد مطالعه در جدول 1 نشان داده شده است.
جدول -1 برخی خواص فیزیکی و مکانیکی خاک مورد مطالعه
روش تهیه نمونههای خاک
در ابتدا خاک سطحی هوا-خشک از الک 2 میلیمتری عبور داده شد. سپس با توجه به اینکه آزمایشها بر روی نمونههای بدون تر و خشک شدن و نمونههایی که تحت فرآیند تر و خشک شدن قرار گرفته انجام میشد، نمونهها به دو روش زیر آماده گردیدند. در نوع اول که بدون تر و خشک شدن بود، با توجه به حجم ظرف آزمایش - قطر 25/5 و ارتفاع 8 سانتیمتر - و چگالی ظاهری خشک معادل با 1/2 گرم بر سانتیمتر مکعب و نیز دو سطح رطوبتی 0/9 حد خمیری PL و 1/1PL، مقدار خاک و آب مورد نیاز محاسبه گردید. سپس خاک درون سینی فلزی ریخته شد و آب به کمک آب فشان به آن اضافه گردید و به مدت 45 دقیقه ورز داده شد. پس از آن خاک مرطوب به سینی کوچکتری منتقل گردید و روی سطح خاک با پارچه مرطوب و روکش پلاستیکی پوشانده شد و به مدت 24 ساعت باقی ماند تا رطوبت به طور یکنواخت در آن توزیع گردد. پس از گذشت 24 ساعت، خاک مرطوب به صورت لایه لایه، - سه لایه 2/66 سانتیمتر - در ظرف ریخته شد تا فشردگی یکنواختی با عمق نمونه به دست آید.
در نوع دوم که نمونهها با تر و خشک شدن همراه بود،مجدداً با توجه به حجم ظرف - قطر 25/5 و ارتفاع 8 سانتیمتر - و چگالی ظاهری خشک برابر با 1/2 گرم بر سانتیمتر مکعب مقدار خاک مورد نیاز تعیین گردید. پس از آن مقدار خاک محاسبه شده به درون ظرف ریخته شد. سطح خاک صاف گردید و با یک روکش پلاستیکی که سوراخهایی روی آن قرار داشت پوشانده شد. سپس مقدار آب مورد نیاز برای رسیدن خاک به رطوبت FC محاسبه گردید و روی سطح پلاستیک ریخته شد، پس از فرو رفتن کامل آب به درون خاک روکش پلاستیکی برداشته و ظرف پس از وزن شدن به درون آونی با دمای 40 درجه سانتیگراد - میانگین دمای فصل رشد نیشکر - منتقل گردید.
پس از گذشت 24 ساعت نمونههامرتباً وزن گردید تا زمانیکه رطوبت آن به مقدار 0/7 ظرفیت زراعی - FC - - مقدار رطوبت خاک در موقع آبیاری - رسید. در این موقع رطوبت نمونهها به منظور یکنواخت مرطوب شدن آنها و نیز کم بودن مقدار آب مورد نیاز برای رسیدن نمونهها به رطوبت FC نسبت به مرحله اول مرطوب کردن، آب با استفاده از آبفشان به نمونهها اضافه گردید و ظرفمجدداً درون آون قرار گرفت. مراحل مرطوب و خشک کردن هر ظرف خاک تا 5 مرتبه و در مدت 15-20 روز انجام گرفت. در آخرین چرخه، خشک کردن نمونهها تا زمانی که رطوبت نمونههای خاک به 0/9PL یا 1/1PL برسد، ادامه یافت. سپس نمونهها با پارچه مرطوب و روکش پلاستیکی پوشانده شد و به مدت 24 ساعت باقی ماند تا رطوبت به طور یکنواخت در آن توزیع گردد.
پس از تهیه نمونه، آزمایشها به دو صورت ادامه یافت. در برخی از آزمایشها پس از تهیه نمونه سطح خاک بارگذاری شد و در برخی دیگر بدون اعمال پیش بار مراحل بعدی انجام گرفت. سپس یک نمونه استوانهای - با قطر و ارتفاع 5 سانتیمتر - برای اندازهگیری چگالی ظاهری خاک و سه نمونه - به ترتیب با قطر و ارتفاع 63 و 20 میلیمتر - برای آزمایش برش تهیه گردید. سپس بارهای عمودی15/5، 31/5 و 63 کیلوگرم - برابر با سه سطح تنش 75، 125 و 225 کیلو پاسکال - انتخاب گردید. جابجاییسنجهای افقی و عمودی در هر 30 ثانیه قرائت گردید و قرائتها تا 9 دقیقه ادامه یافت. سپس با رسم نمودار تنش-تغییر مکان برشی - افقی - در هر آزمایش، تنش برشی بیشینه تعیین گردید. با رسم تنش برشی در برابر تنش عمودی 75 - ، 125 و 225 کیلوپاسکال - و برازش یک خط به آن نقاط، پارامترهای چسبندگی - c - و زاویه اصطکاک داخلی تعیین گردید.
در این پژوهش تأثیر دو سطح رطوبتی 0/9PL - و - 1/1PL، سه سطح بار متراکم کننده 0 - ، 100 و 200 کیلوپاسکال - در شرایط با و بدون تر و خشک شدن، بر پارامترهای مقاومت برشی خاک با آزمایش فاکتوریل و در قالب طرحکاملاً تصادفی با سه تکرار بررسی گردید. در صورت معنیدار بودن اثر هر عامل و برهم کنش آنها، میانگین آنها با آزمون حداقل تفاوت معنیدار - LSD - در سطح احتمال 5 درصد با هم مقایسه شدند.
نتایج و بحث چگالی ظاهری خاک
نتایج تجزیه واریانس دادههای حاصل از تعیین چگالی ظاهری خاک نشان میدهد که اثر متقابل تر و خشک شدن، رطوبت و مقدار بار متراکم کننده بر چگالی ظاهری در سطح احتمال 1 درصد معنیدار بود. همانگونه که در شکل 1 مشاهده میشود در حالت بدون بار چگالی ظاهری نمونههای بدون تر و خشک شدن 1/2 تن بر متر مکعب و برای نمونههای با تر و خشک شدن تقریباً 1/3 تن بر متر مکعب میباشد، یعنی با تر و خشک شدن خاک چگالی ظاهری افزایش مییابد.
در حالت بدون تر و خشک شدن با اعمال بار 100 کیلو پاسکال چگالی ظاهری افزایش یافته یعنی ذرات خاک در هم فرو رفتهاند، اما از 100 کیلو پاسکال به بعد به دلیل افزایش سطح تماس، ذرات کمتر نسبت به هم جابجا شده و کمتر در هم فرو میروند و همین امر باعث میشود که چگالی ظاهری در 200 کیلو پاسکال تغییر زیادی نسبت به 100 کیلو پاسکال نداشته باشد.
در حالت با تر و خشک شدن، خاک در برابر بارهای خارجی مقاومتر گردیده و همانگونه که مشاهده میشود در رطوبت 0/9PL با اعمال بار 100 کیلو پاسکال چگالی ظاهری تغییر نکرده زیرا این فرآیند موجب شده که ظرفیت باربری معادل با 100 کیلو پاسکال به خاک داده شود - خاک پیش تحکیم شد - . مقاوم شدن این خاک به تراکم در اثر فرآیند تر و خشک شدن به علت نقش رس در ایجاد پیوندهای سیمانی است
اما در رطوبت 1/1PL به دلیل اینکه نمونهها رطوبت بالاتری داشته با اعمال بار 100 کیلو پاسکال ذرات تا حدودی جابجا شده و در هم فرو میروند و همین امر باعث افزایش چگالی ظاهری خاک گردیده است. اما در هر دو رطوبت با اعمال بار 200 کیلو پاسکال چون خاک به حالت اشباع نزدیک میشود حرکت ذرات و در هم فرو رفتن آنها بیشتر شده و با توجه به اینکه آب یک ماده روان کننده است به ذرات خاک کمک میکند به راحتی در هم فشرده شده و چگالی ظاهری افزایش مییابد.
