شناخت خاک های ساختمانی

قبل از بررسی خاک های ساختمانی باید با خود معنی و مفهوم خاک آشنا شویم:

خاک محصول نهایی هوازدگی و نتیجه تخریب فیزیکی و شیمیایی سنگ‌ها همراه با تجمع باقی‌مانده‌های در حال فساد جانداران است.

• انواع خاک های ساختمانی:

همانطور که گفته شد خاک از ذرات مختلف با اندازه‌ها و شکل‌های گوناگون تشکیل شده است.

اندازه و شکل دانه‌های خاک در رفتار خاک‌ها تا حدودی مؤثرند.

بنابراین طبقه‌بندی خاک‌ها براساس اندازه دانه‌های آنها انجام می‌شود.

بعضی از دانه‌های خاک قابل رویت است و بعضی دیگر دانه‌ها را باید به وسیله ذره‌بین‌های قوی مشاهده کرد.

در مورد خاک‌هایی که دانه‌های آنها بسیار کوچک هستند از خاصیت پلاستیسیته خاک در طبقه‌بندی آنها استفاده می‌شود.

انواع مختلف خاک شامل شن، ماسه، لای و خاک رس هستند.

شن و ماسه خاک‌هایی هستند که اندازه دانه‌های آنها درشت بوده و به آسانی قابل رویت هستند.

اما اندازه دانه‌های لای و رس بسیار کوچک بوده و برای دیدن آنها نیاز به ذره‌بین‌های قوی خواهد بود.

همچنین اگر بتوان تک تک دانه‌های خاک را به طور معمولی دید آن را درشت‌‌دانه نیز می‌گویند.

بنابراین شن و ماسه را جزء خاک‌های درشت‌دانه و لای و رس را جزء خاک‌های ریزدانه می‌نامند.

تصویر زیر نمایش دهنده اندازه دانه‌بندی خاک که به وسیله الک می‌توان آنها را از یکدیگر جدا کرد.

• دانه‌بندی خاک های ساختمانی:

اندازه دانه‌های تشکیل دهنده خاک در دامنه وسیعی متغیر است.

برحسب اندازه دانه‌ها، خاک‌ها معمولاً شن، ماسه، لای و یا رس نامیده می‌شوند.

برای تشریح خاک‌ها، سازمان‌های مختلف حدود جدا کننده اندازه دانه‌های خاک را پیشنهاد می‌کنند.

در جدول زیرحدود پیشنهادی توسط چند سازمان مختلف ارائه شده است.

در حال حاضر، حدود پیشنهادی توسط سیستم طبقه‌بندی متحد خاک متداول‌ترین است.

شن: خرده سنگ همراه با دانه‌هایی از جنس کوارتز، فلداسپار و سایر کانی‌ها است.

ماسه: دانه‌هایی اکثراً از جنس کوارتز و فلداسپار است.

لای: ذرات ریز (میکروسکوپی) خاک است که از دانه‌های بسیار ریز کوارتز و ذرات پولکی شکل حاصل از متلاشی شدن کانی‌های میکادار حاصل می‌شود.

رس: ذرات بسیار ریز پولکی شکل میکا، کانی‌های رس و سایر کانی‌ها است.

رس‌ها ذراتی تعریف می‌شوند که اگر با مقدار محدودی آب مخلوط شوند، خاصیت خمیری از خود نشان می‌دهند.

حدود جداکننده اندازه‌ خاک های ساختمانی

• دانه‌بندی خاک‌ های ساختمانی :

دانه‌بندی خاک عبارتست از تعیین دامنه اندازه ذرات موجود در خاک و توزیع وزنی آنها که برحسب درصدی از وزن کل خشک خاک بیان می‌شود.

دانه‌بندی خاک در خاک‌های درشت‌دانه تأثیر زیادی بر خواص فیزیکی آن دارد.

معمولاً دو روش برای تعیین توزیع وزنی اندازه خاک مورد استفاده قرار می‌گیرد.

آزمایش دانه‌بندی برای ذراتی با قطر بزرگتر از 0/075 میلیمتر

آزمایش هیدرومتری برای ذراتی با قطر کوچکتر از 0/075 میلیمتر

• آزمایش دانه‌بندی:

آزمایش دانه‌بندی با قرار دادن یک سری الک به ترتیب از درشت به ریز بر روی هم، می‌توان ذرات خاک بزرگتر از الک شماره 200 (که برابر قطری در حدود 75 میکرون می‌باشد) را با تکان دادن نمونه خاک در الک‌ها و شستشوی نمونه خاک در الک‌های ریزتر (معمولاً از الک شماره 80 به بعد) از هم مجزا نموده و درصد وزنی هر قسمت را معین نمود.

در پایان آزمایش دانه‌بندی مقدار خاک باقی مانده بر روی هر الک را پس از خشک کردن در کوره و وزن کردن آن به دست آورده و درصد آن را نسبت به وزن کل نمونه خاک تعیین می‌کنند.

نتایج در نهایت برحسب درصد وزنی خاک‌های عبوری از هر الک بیان می‌شود، مانند مثال جدول که ذیلاً تصویر آن را مشاهده می‌نمایید.

• آزمایش هیدرومتری (دانه‌بندی به وسیله ته‌نشینی):

آزمایش هیدرومتری برپایه اصول ته‌نشینی دانه‌های خاک در آب قرار دارد و از این آزمایش برای دانه‌بندی ذراتی با قطر کوچکتر از 0/075 میلیمتر (دانه‌های عبوری از الک 200) استفاده می‌شود.

در این آزمایش فرض می‌شود که تمام دانه‌های خاک کروی هستند و سرعت ته‌نشینی آنها طبق قانون استوکس بیان می‌شود.

D= قطر ذرات معلق در عمق مؤثر برحسب میلیمتر.

L= عمق مؤثر برحسب سانتیمتر.

t= مدت زمان آزمایش که از آغاز ته‌نشین شدن اندازه می‌شود.

K= ثابتی که به دمای آزمایش و چگالی ذرات خاک بستگی دارد.

در آزمایشگاه آزمایش هیدرومتری در یک استوانه‌ی ته‌نشینی با 50 گرم نمونه خاک رد شده از الک 0/075 میلیمتر در کوره صورت می‌گیرد.

معمولاً از هگزا متافسفات سدیم به عنوان ماده پرکننده استفاده می‌شود.

جدول آزمایش دانه‌بندی (جرم نمونه خاک خشک= 450 گرم)

• منحنی دانه‌بندی خاک های ساختمانی:

نتایج تحلیل‌های مکانیکی (آزمایش هیدورمتری) معمولاً در روی یک کاغذ نیمه لگاریتمی رسم می‌شود که به آن منحنی دانه‌بندی می‌گویند.

منحنی دانه‌بندی نه تنها نشان دهنده دامنه اندازه دانه‌های موجود در خاک است، بلکه نوع توزیع اندازه مختلف دانه‌ها را نشان می‌دهد.

این موضوع در جدول، حدود جدا کننده اندازه دانه‌های خاک نشان داده شده است.

نمودار I نشان دهنده خاکی است که اکثر دانه‌های خاک دارای اندازه یکسانی هستند.

به این خاک، خاک بد دانه‌بندی شده می‌گویند.

منحنى II نشان دهنده خاکی می‌باشد که اندازه ذرات آن در دامنه وسیعی توزیع شده‌اند که به آن خاک خوب دانه‌بندی شده می‌گویند.

خاک‌های خوب دانه‌بندی شده دارای ضریب یکنواختی بزرگتر از 4 برای شن و 6 برای ماسه و ضریب خمیدگی 1 تا 3 می‌باشند (برای شن و ماسه ممکن است خاکی ترکیبی از 2 و یا چند خاک با دانه‎‌بندی یکنواخت باشد.)

از منحنی دانه‌بندی سه پارامتر پایه (اندازه مؤثر، ضریب یکنواختی و ضریب دانه‌بندی (خمیدگی) که از آنها برای طبقه‌بندی خاک‌های دانه‌ای استفاده می‌شود قابل تعیین است.

• سفتی (قوام) خاک (حدود اتربرگ):

وقتی در خاک‌های ریزدانه، کانی‌های رسی ظاهر شود با مرطوب کردن خاک حالت خمیری به خود می‌گیرد و آن را می‌توان بدون خرد شدن شکل داد.

این خاصیت چسبندگی به علت آب جذب شده‌ای است که ذرات را احاطه کرده است.

در میزان رطوبت خیلی کم، خاک مثل یک جسم جامد عمل می‌کند.

در رطوبت خیلی بالا، مخلوط آب و خاک می‌تواند به صورت یک مایع جاری شود.

بطور کلی همانند شکل حدود اتربرگ برحسب میزان رطوبت، طبیعت خاک به یکی از چهار حالت جامد، نیمه جامد، خمیری و مایع خواهد بود.

حدود اتربرگ

میزان رطوبت (برحسب درصد) در نقطه انتقال از جامد به نیمه جامد، حد انقباض و در نقطه انتقال از نیمه جامد به خمیری، حد خمیری و از خمیری به مایع، حد مایع یا حد روانی نامیده می‌شود.

حدود نامبرده، به حدود اتربرگ معروف هستند.

• ساختار خاک های ساختمانی :

ساختار خاک عبارت است از نظم هندسی قرارگیری ذرات آن نسبت به یکدیگر.

عواملی که ساختار خاک را تحت تأثیر قرار می‌دهند، عبارتند از شکل، اندازه، ترکیب کانی‌های ذرات خاک و طبیعت و ترکیب آب و خاک.

• طبقه‌بندی خاک های ساختمانی:

سیستم طبقه‌بندی خاک عبارتست از مرتب کردن خاک‌های مختلف با خواص مشابه به گروه‌ها و زیر گروه‌هایی برحسب کاربردشان.

سیستم‌های طبقه‌بندی، یک زبان مشترک برای بیان مشخصات خاک بطور خلاصه به وجود می‌آورند.

• طبقه‌بندی بافت خاک های ساختمانی:

خاک تحت تأثیر اندازه ذرات موجود در آن قرار دارد.

در طبقه‌بندی بافت خاک، ابتدا نام گروه اصلی و بعد نام گروه فرعی به صورت صفت ذکر می‌شود.

مثل رس ماسه‌دار، رس لای‌دار و غیره.

در شکل حدود اتربرگ طبقه‌بندی بافت خاک که توسط اداره کشاورزی ایالت متحده تدوین یافته، نشان داده شده است.

اندازه دانه‌ها در این سیستم به صورت زیر می‌باشد:

ماسه: قطر دانه‌ها بین 2 تا 0/05 میلیمتر

لای: قطر ذرات بین 0/05 تا 0/002 میلیمتر

رس: قطر ذرات کوچکتر از 0/002 میلیمتر

طبقه‌بندی بافت خاک طبق متد اداره کشاورزی ایالت متحده

• طبقه‌بندی خاک‌ های ساختمانی برحسب استفاده:

اگرچه طبقه‌بندی بافتی خاک نسبتاً ساده است، لیکن کاملاً متکی بر دانه‌بندی خاک می‌باشد.

مقدار کانی رسی که در خاک‌های ریزدانه ظاهر می‌شود، تأثیر بسیار عمده‌ای بر خواص فیزیکی خاک دارد.

بنابراین برای تفسیر خواص یک خاک باید به خواص خمیری آن توجه داشت.

از آنجایی که طبقه‌بندی‌های بافتی خاک توجه‌ای به خواص خمیری خاک ندارند.

بنابراین برای اغلب کاربردهای مهندسی کافی نیستند.

در حال حاضر استفاده از دو سیستم طبقه‌بندی پیچیده‌تر بین مهندسان خاک معمول است.

هر دو سیستم دانه‌بندی، حدود اتربرگ را در طبقه‌بندی منظور می‌کنند.

این دو سیستم عبارتند از سیستم طبقه‌بندی آشتو و سیستم طبقه‌بندی متحد.

• سیستم طبقه‌بندی آشتو (AASHTO):

در جدول (3-1) طبقه‌بندی آشتو که در حال حاضر مورد استفاده قرار می‌گیرد، نشان داده شده است.

طبق این سیستم، خاک به گروه‌های اصلی A-1 تا A-7 تقسیم می‌شود.

خاک‌های گروه‌های A-1، A-2، 3-A مصالح دانه‌ای هستند که درصد رد شده از الک نمره 200 آنها بیشتر از 35 درصد و یا کمتر است.

خاک‌هایی که درصد رد شده از الک نمره 200 آنها بیشتر از 35 درصد است، در گروه‌های A-4، A-5، A-6، A-7، قرار می‌گیرند.

این گروه‌ها اغلب مصالح لای و رس می‌باشند.

این سیستم طبقه‌بندی برمبنای زیر قرار دارد:

• الف: اندازه دانه‌ها:

شن: دانه‌هایی که از الک 75 میلیمتر (3 اینچ) رد شده و بر روی الک ۲ میلیمتر (نمره 10) باقی می‌مانند.

ماسه: دانه‌هایی که از الک 2 میلیمتر (نمره 10) رد شده و بر روی الک 0/075 میلیمتر (نمره 200) باقی می‌مانند.

لای و رس: ذراتی که از الک 0/075 میلیمتر (نمره 200) عبور می‌کنند.

• ب: خاصیت خمیری:

وضعیت لای‌دار به خاک‌هایی اطلاق می‌شود که نشانه خمیری ریزدانه‌های آنها مساوی و یا کوچکتر از 10 است.

صفت رس‌دار به خاک‌هایی اطلاق می‌شود که نشانه خمیری ریزدانه‌های آن مساوی و یا بزرگتر از 11 است.

پ: اگر قلوه سنگ (دانه‌ها با اندازه بزرگتر از 75 میلیمتر) در خاک یافت شود، هنگام طبقه‌بندی از نمونه حذف می‌شوند، لیکن درصد آنها ثبت می‌شود.

برای طبقه‌بندی یک خاک طبق جدول (31)، نتایج آزمایشگاهی از چپ به راست اعمال می‌شوند.

• سیستم طبقه‌بندی متحد:

شکل اولیه این سیستم در سال 1942 توسط كازاگرانده برای ساخت فرودگاه‌های نظامی به وسیله گروه مهندسان ارتش در اثنای جنگ جهانی دوم ارائه شد که در سال 1952 با همکاری اداره عمران ایالت متحده مورد تجدید نظر قرار گرفت.

در حال حاضر در تمام کارهای ژئوتکنیک مورد استفاده قرار می‌گیرد.

این سیستم، خاک‌ها را به دو طبقه بزرگ تقسیم می‌نماید:

خاک‌های درشت‌دانه با طبیعت شنی و یا ماسه‌ای و درصد عبوری کوچکتر از 50 درصد از الک نمره 200.

علامت گروه‌های این طبقه با حروف G یا S شروع می‌شود.

علامت برای شن یا خاک‌های شن‌دار و علامت که برای ماسه یا خاک‌های ماسه‌دار به عنوان حرف اول به کار می‌روند.

خاک‌های ریزدانه با درصد عبوری بزرگتر از 50 درصد از الک نمره 200 علامت گروه‌های این طبقه با حرف M برای لای غیر آلی و یا C برای رس غیر آلی و 0 برای لای‌ها و رس‌های آلی شروع می‌شود.

علامت PT برای تورب و ماک (خاک برگ) و یا سایر خاک‌ها درجه آلی بزرگ به کار می‌رود.

• علائمی که به عنوان حروف دوم در طبقه‌بندی به کار می‌روند، عبارتند از:

W= خوب دانه‌بندی شده

P= بد دانه‌بندی شده

L=  خاصیت خمیری کم (حد مایع کوچکتر از 50)

H= خاصیت خمیری زیاد (حد مایع بزرگتر از 50)

حروف فوق همیشه به عنوان حرف دوم قرار گرفته و صفت حرف اول می‌باشند.

خاک‌های درشت‌دانه با علائم گروه دو حرفی نظیر GW-GP-GM-GC-SW-SP-M و SC مشخص می‌شوند.

حرف اول نام خاک، حرف دوم صفت آن است مثلاً GW که خوانده می‌شود، شن خوب دانه‌بندی شده.

برای طبقه‌بندی کامل خاک های ساختمانی، عوامل زیر باید مورد توجه قرار گیرد:

• درصد عبوری از الک نمره 200 (ذرات ریز)
• درصد ذرات درشت عبوری از الک نمره 4
• ضریب یکنواختی و ضریب دانه‌بندی (ضریب انحنا) (برای خاک‌هایی با درصد عبوری 0 تا 12 درصد از الک نمره 200)
• حد مایع و نشانه خمیری برای ذرات عبوری از الک نمره 40 برای خاک‌های با درصد عبوری مساوی و یا بزرگتر از 5 درصد از الک نمره 200)

وقتی که درصد عبوری از الک نمره 200 بین 5 تا 12 درصد است، به استفاده از علائم مضاعف نظیر:

 SP-SC و SW- SM SP – SM SW – SC GW – GC GP – GC GW – GM احتیاج پیدا می‌شود.

با تعیین نقطه مربوط به حد مایع و نشانه خمیری مربوط به خاک در نمودار خمیری که در انتهای جدول سیستم طبقه‌بندی متحد نشان داده شده است، علائم گروه‌های مربوط به طبقه‌بندی خاک‌های ریزدانه نظیرCH ، MH ،OL ،CL ،ML و OH بدست می‌آید.

خط قطری در نمودار خمیری، خط A نامیده شده و با رابطه زیر نشان داده می‌شود:

PI = 0/73 (LL – 20)

علامت‌های مختلف برای نام‌گذاری خاک ‌های ساختمانی

سیستم طبقه‌بندی متحد

دنباله جدول قبلی

• مقایسه بین سیستم‌های طبقه‌بندی آشتو و متحد:

هر دو سیستم طبقه‌بندی خاک، آشتو و متحد برمبنای بافت و خاصیت خمیری خاک استوار است و با استفاده از الک نمره 200، خاک‌ها را به دو طبقه درشت‌دانه و ریزدانه تقسیم می‌کنند.

طبق سیستم آشتو، در صورتی که خاک ریزدانه در نظر گرفته می‌شود که بیشتر از 35 درصد آن از الک نمره 200 عبور نماید.

در سیستم آشتو الک نمره 10 به عنوان مرز بین ماسه و شن است در حالی که در سیستم متحد، این مرز الک نمره 4 می‌باشد.

در سیستم متحد، خاک‌های شن‌دار و ماسه‌دار به طور واضح از یکدیگر جدا شده‌اند، لیکن در سیستم آشتو اینگونه نیست.

طبقه‌بندی خاک‌های آلی نظیر OL, OH و PT در سیستم طبقه‌بندی متحد منظور شده است در حالی که در سیستم آشتو جایی برای خاک‌های آلی وجود ندارد.

گردآورنده: گروه آموزشی استوارسازان