up
Search      menu
عمران :: مقاله مکانيک خاک PDF
QR code - مکانيک خاک

مکانيک خاک

مکانيک خاک مکانيک خاک از دو کلمه Soil به معنيخاکو Mechanics به معنيمکانيکگرفته شده است. درعلوم مهندسي، خاک مخلوط غير يکپارچه‌اي ازدانه‌هاي کانيها ومواد آليفاسد شده مي‌باشد که فضاي خالي بينآنها توسط آب و هوا (گازها) اشغال شده است. خاکبه عنوان مصالح ساختماني در طرح‌هاي مهمي درمهندسيعمرانبکار گرفته مي‌شود و همچنين شالوده اکثر سازه‌ها بر روي آن متکياست.بنابراين مهندسان عمران بايد بخوبي خواص خاک از قبيل مبدا پيدايش ،دانه بندي،قابليتزهکشي آب، نشست ،مقاومت برشي، ظرفيت باربري و غيره رامطالعه نمايند. مکانيک خاک شاخه‌اي از علوم مهندسي است که به مطالعه مشخصات فيزيکيو رفتار توده خاکي تحت بارهاي وارده مي‌پردازد. مهندسي پي، کاربرد اصول مکانيک خاک درمسائل عملي است. در ادامه مطلب عناويني زير به طور خلاصه براي آشنايي با اين رشته ارايه مي شود :
1) تاريخچه
2) کاربرد مکانيک خاک
3) اندازه گيري ويژگيهاي خاک
4) چگونگي تشکيل خاک
5) روشهاي اندازه گيري ويژگيهايخاک
6) خواص مکانيکي خاکها
تاريخچه
مکانيک خاک از سال 1925 ميلادي به صورت يک شاخه مهم شناخته شد. تزراقي (پدر علم مکانيک خاک) با کتاب اصول مکانيک خاک بنيانگذار اين علم است.
در ايران نيز تحت عنوان مکانيک خاک به عنوان يک رشته مستقل در مقطع کارشناسيارشد مهندسي عمران و به عنوان يک درس اختياري و اصلي در مقاطع مختلف کارشناسي وکارشناسي ارشد زمين شناسي ارائه مي شود.
تاريخچه عمليات خاکي را مي‌توان به دوره‌هاي دور تاريخ بشري نسبت داد و آن را باقدمتپيدايش شهرنشينييکي دانست. حفر قناتها، کانالهاي آبرساني ، ايجاد پلهاو سدهاي محکم و ساير بناهايي که آثار آنها در کشورهاي دنيا از ده‌ها قرن قبل تاکنون به يادگار مانده است، همه از مواردي است که به نحوي با عمليات خاکي ارتباطدارد. توجه به بررسي و مطالعه خاک با يک ديدگاه مهندسي و به منظور تحليل رياضي خواص آن، از قرن 18 ميلادي آغاز شد و در واقع اولين بار در عين حال مهمترين رابطه ساده درزمينه مکانيک خاک ، در سال 1773 توسط کولمب يک مهندس ارتشي فرانسه ارائه گرديد. اينرابطه ساده ، که يک رابطه اساسي در بررسي مقاومت يا عدممقاومت خاکاست عبارت است از:
τ=c+bntan(φ)
کارهايبوسينسکدر مورد تئورياجسام الاستيککه در سال 1885 انتشار يافتبه ارائه راه حل‌هاي دقيق در محاسبه تنش‌ها و تغيير شکل‌هاي درون محيط خاکي منجرگرديد و توانست در تحليل بخش مهمي از مبحث مکانيک خاک ، پاسخگو باشد. دانش مکانيکخاک به صورت مدرن ، در ابتداي قرن حاضر گسترش روز افزوني يافت و مانند ساير علوممهندسي مورد تجزيه و تحليل قرار گرفت بطوري که در سال 1925کارل ترزاگي، استاددانشگاه هاروارد، نتيجه تحقيقات خود را بهصورت مقاله‌اي ارائه داد و در سال 1943 کتاب «اصول نظري مکانيک خاک» را تدوين و منتشرکرد.
کارل ترازگي (1963-1883) را به حق بنيانگذار دانش مکانيک خاکناميده‌اند. در اينجا شايسته است از سهم محققين روسي نيز يادآور گردد، چهپژوهشگراني چونسيتوويچدر کشور روسيه به موازات دانشمندانغربي در توسعه دادن مبحث مکانيک خاک کارهاي زيادي ارائه دادند. نامبرده نيز در سال 1934 کتاباصول علم مکانيک خاکرا منتشرنمود.
امروزه اهميت دانش مکانيک خاک مانند علوم ديگر روز به روز رو به فزونياست و اين بويژه به اين علت است که تجربه‌هاي گذشته در اين زمينه بدون گسترشتئوري‌هاي مطمئن‌تر و راه حل‌هاي اقتصادي‌تر تکافوي حل مسائل جديد را در عملنمي‌نمايد. به علاوه ، بسط مسائل مبحث مکانيک خاک همراه با توسعه روش‌ها وديدگاههاي جديد در زمينه مکانيک محيط دانه‌اي ، گسترش و افزايش دقت در تحليل‌هايرياضي و مدل سازي‌ها را در هر دو زمينه الزامي نموده و نيز به نتيجه رسانده است.
طرح تئوريهايي که نشان دهنده رفتار توده خاکي در برابر عوامل بيروني ، مثلنيروهاي مختلف ، باشد.
کاربرد معلومات تئوري و تجربي در موارد و مسائل اجراييمباحث کلي مکانيک خاک مي باشد .
کاربرد مکانيک خاک
خاک از يک طرف به عنوان مصالح مورد توجه مهندسين و طراحان قرار مي‌گيرد و از سويديگر به عنوان يک محيط طبيعي که در اختيار آدمي قرار گرفته است مورد توجه و استفادهاست. جايي که به عنوان مصالح مورد نظر است مانند خاکريزها ، سراي خاکي ،روسازي راه و فرودگاه، پشتديوار حايل، زهکش‌ها ، و به عنوان بخشي ازبتن، ماده اصلي تهيهآجروسراميک، ماده اصلي تهيهچينيوکاشي، و... حالت انتخابي و اختياري دارد، ودر جايي که به عنوان محيط مورد توجه است.
مانند زير پي‌ها ، زير پايه پل‌هاو زيربناي جاده‌ها و محل حفر تونل‌ها و محل قرار دادن لوله‌ها و تاسيسات مکانيکي والکتريکي (کابل هاي تلفن و برق ولوله کشي گازوفاضلابو محل احداث قناتها و محل حفر چاهها و کانال‌ها و ... همه حالت غير انتخابي (يعنياجباري) دارد. به هر حال در تمام موارد ذکر شده ، شناخت خواص فيزيکي و مکانيکي خاکضرورت غير قابل اجتناب دارد. مثلا در يکپروژه راه سازي، چه نوع خاکي با چه نوعدانه بنديبايد انتخاب شود و لايه‌هاي آن باچه ضخامتي و با چه رطوبتي و تا چه حد بايد کوبيده شود تا جايي حاصل بتواند در برابرنيروهاي وارد بر آن مقاوم باشد و وجود آبهاي سطحي و بارندگي بر دوام آن اثر مخربنداشته باشد و در برابر يخ‌زدگي وفرسايش و تغييرات جوينيز پايداربماند.
در ايجاد يکسد خاکي، شيب‌ها چه مقدار باشد که همپايدار باشد و هم اقتصادي ، در صورتي که سد همگن بازهکشياست، لايه‌هاي زهکشي با چه ابعادي و با چه دانه بندي و چه مقدار نفوذپذيري بايدباشد؟سرعت حرکت آبو .... زه چه مقدار است؟ تورميا نشست خاک چه مقدار باشد؟ ميزان تراکم و درصد رطوبت و ضخامت لايه‌ها براي کمپاکتکردن خاک چه مقدار بايد باشد؟ روش‌هاي حفاظت دامنه‌ها و تاج سر به چه عواملي بستگيدارد؟ و بسياري پرسش‌هاي ديگر که مهندس طراح بايد براي آنها جواب دقيق داشته باشد. به اين ترتيب درمورد هرگونه پروژه ساختماني و راه سازي وسد سازيمسائل متعددي ازفيزيکو مکانيک خاک بايد پاسخ داده شود. اهميت دقت بيشتر و نياز به تئوريهاي دقيق‌ترهنگامي بيشتر مي‌شود که حجم کارها و اهميت پروژه بيشتر باشد.
رابطه مکانيک خاک با ساير علوم
مبحث مکانيک خاک دانشي است که در آن خواص فيزيکي و مکانيکي خاکها ، ارتباط اينخواص با عوامل بيروني ،مقاومت خاک در برابر نيروها، تغيير شکل خاکدر اثر نيروها ، مسايل مربوط به حرکت يا سکون آب در خاک ، چگونگي و مقدار فشرده شدنخاکها و چگونگي و مقدار تنش‌ها و تغيير شکل‌هاي هر نقطه از محيط خاکي در اثر عملکرديک نيروي خارجي و ... بحث مي‌شود.
در اين راستا گاهي نياز به مطالعه خواصشيميايي وکانيشناسيدانه‌هاي خاک است و گاهي نياز به بررسيپيدايش و منشا خاکهاو گاهي نياز به استفادهاز دانش هيدروليک و دانش‌هاي ديگر است. از اينرو ارتباط اين مبحث با ديگر مباحثعلمي چونفيزيک،شيمي،زمينشناسي،کانيشناسي،هيدروليکومکانيکسيالاترا نبايد از نظر دور داشت.
اندازه گيري ويژگيهاي خاک
خاک مخلوطي منفصل از کانيها و سنگ دانه ها و بقاياي مواد آلي (گياهي- جانورزي) است که فضاهاي خالي آن توسط آب و هوا پر شده است و معمولا قسمتسطحي زمين را ي پوشاند. و معادل لاتين Soil مي باشد.
اندازه گيري ويژگيهاي خاکبر عهده علممکانيکخاکاست که هدف از اندازه گيري ويژگيهاي خاک کاربرد اين ويژگيها براي مقاصد واهداف خاص است براي اين منظور ويژگيهاي فيزيکي و شيميايي خاک را به کمک آزمايشات ويا محاسبات رياضي مختلف اندازه گيري و ارزيابي مي کنند. از جمله اين ويژگيها ميتوان، حجم، وزن، رطوبت،تخلخل،چگالي ومقاومت برشي)شکست)،مقاومت کششيومقاومت فشاريو... را نام برد که هر يک رابه اختصار بررسي مي کنيم:
چگونگي تشکيل خاک
فرض کنيم که يک تو.ده سنگي، مثلا گرانيت روي سطح زمينقرار گرفته است. اين توده سنگي در اثر عوامل فيزيکي و شيميايي مثل تاثير دما، آبهاي جوي، باد و ... هوازده شده و به قسمت هاي کوچک و بزرگ خرد مي شود و بعد ازتاثير ديگر فرآيندها و سپري شدن زمان زياد، به خاک تبديل مي شود. نرخ توليد خاک بهصورت طبيعي خيلي کم بوده و در حدود 1 سانتيمتر در هر 100 سال است.
خاک داراي سهفاز (حالت) است:
1-جامد (ذرات خاک) 2- مايع (آب) 3- گاز (هوا)
روشهاي اندازه گيري ويژگيهاي خاک:
خواص فيزيکي و شيميايي خاک :شناخت خواص فيزيکي ، شيميايي وکانيشناسيخاکها در بسياري از بررسي‌ها و مطالعات و تصميم گيري‌ها در عمليات خاکينقش مهمي دارد. خواص فيزيکي و شيميايي خاکها را بايد عمدتا در عوامل زير جستجو کردهو مربوط به آنها دانست.
حجم خاک:
با حرفV نمايش مي دهند. براي اندازه گيري حجم خاکهايچسبنده، روشهاي مختلفي وجود دارد:
روش اول:وارد کردن نمونه در داخلاستوانه مدرج حاوي مقداريجيوهکه نمونه را وارد آن مي کنيم و اختلاف ارتفاع جيوه، حجم نمونه را نشان مي دهد.
روش دوم: موم اندود کردن نمونه و قرار دادن در استوانه مدرج حاوي آب، کهاختلاف ارتفاع آب در استوانه بيانگر حجم نمونه خاک است (دليل موم اندود کردن روشدوم اين است که آب وارد درز و شکافهاي نمونه نشود چون خاصيت مويينگي آب ، موجب نفوذآن به درون اين درزه ها ميشود ولي در مورد جيوه چنين نيست)
وزن خاک:
با (W) نمايش مي دهند. که مي توان جرم خاک را توسط ترازوي دقيقياندازه گرفت که وزن را مي توان طبق رابطه مقابل بدست آورد. ( شتاب گرانشزمين9.81m s2 =g )W =m.g
تخلخل:
که با n نمايش م دهند و عبارت است از نسبت حجم فضاهاي خالي (Vr) به حجمکل خاک (V) که به درصد بيان ميشود.
درصد رطوبت:
که باωنمايش مي دهند و عبارت است از نسبت وزن آبموجود در خاک (Ww) به وزن خشک خاک (Ws) . درصد رطوبت در خاکهايي که مقدار زياديرسي وارد گاها به 300% نيز مي رسد.
چگالي ويژه ذرات جامد خاک Gs
ديگر ويژگيهاي فيزيکوشيميايي خاک را با روشها وروابط پيچيده ديگري مي توان اندازه گيري کرد که در حد پيشرفته و تخصصي است، از جملهاين ويژگيها مي توان، مقاومت برش، مقاومت فشاري، و کششي، حدالاستيک و پلاستيک،واگرايي و همگرايي خاک و... نام برد که هر يک نسبت به هدف کار مورد بررسي قرار ميگيرد.
- اندازه گيري ويژگيهاي خاک در علوم مختلف مثل مکانيک خاک، مهندسي عمران (گرايش پي و سازه)، زمين شناسي وکشاورزي و... کاربرد وسيعي داشته و به علوم مختلفمثل، فيزيک، شيمي و زمين شناسي وابسته است.
- از جمله کاربردهاي مکانيک خاک درمطالعات قبل از احداث کليه سازه هاي مهندسي، از قبيل سد،
تونل ،راههاي ارتباطي، ساختمانهاي مسکوني و ... است. بدين صورت که از ويژگيهاي مختلفي کهيک خاک نشان مي دهد مي توان ميزان مقاومت آن را اندازه گيري کرده و در نتيجهتمهيدات لازم براي پايداري سازه بر روي خاک را انديشيد.
ترکيب کاني شناسي دانه‌ها :از آنجايي که خاکها از تجزيه وهوازدگي سنگهاي پوسته زمينپديد آمده است‌،لذا کاني‌هاي تشکيل دهنده خاکها بايد همان کاني‌هاي تشکيل دهنده سنگ مادرباشد.
طبيعت سطح ذرات خاک (سطح مخصوص) :سطح خارجي دانه‌هاي خاک ، يعني فصلمشترک محيط جامد با محيط مجاور آن که ممکن است، آب يا هوا باشد. محل پديد آمدن بعضيپديده‌هاي فيزيکي يا شيميايي است که اين پديده‌ها برخواص ديگر خاک مثل؛ مقاومت ونفوذپذيري و ... تاثير مي‌گذارد.
پديده‌هاي فيزيکي و شيميايي در سطح مشترک خاک و آب :ذرات جسم جامد ازشبکه‌اي از يون‌هاي مختلف تشکيل شده است که از اينرو بين سطح خارجي ذره و محيطاطراف آن کنش و واکنش‌هايي پديدار مي‌گردد.
خاصيت مويينگي :خاصيت بالا رفتن آب درلوله‌هاي مويين و در حفره‌هاي بين ذرات خاک را خاصيت مويينگي گويند.
نيروهاي دافعه و جاذبه بين ذرات :نيروهاي بين ذره‌اي در خاک به دوگونه‌اند. نيروهاي جاذبه مولکوليبين دانه‌ها (وان دروالس) و نيروهاي دافعه که از نوعنيروي الکتروکينيماتيکياست.
خواص مکانيکي خاکها
اصطکاک :مقاومت جسم در برابر حرکت بهعلت وجود اصطکاک بين دو سطح تماس است.
چسبندگي:مقاومت خاکي به علت چسبندگيدانه‌ها حاصل ازمقاومت مولکولي (يعني نيروي جاذيهالکتروشيميايي) بين ذرات ريز است.
گسيختگي توده خاک :گسيختگي توده خاکعبارتست از پايان شرايط مقاومت و آغاز برش در خاک است.
تحکيم:تحکيم عبارتست از کاهش حجمحفره‌هاي آب‌دار درون خاک به علت افزايش فشارهاي جانبي.

رشد و عملکرد گياهان داروئي بستگي به تداوم تأمين موادغذائي و رطوبت دارد که اين گياهان با سيستم ريشه اي خود در خاک به دست مي آورند. بنابراين خاک از اهمي ...

خاک ها مخلوطي از مواد معدني و آلي مي باشند که از تجزيه و تخريب سنگ ها در نتيجه هوازدگي بوجود مي آيند که البته نوع و ترکيب خاک ها در مناطق مختلف بر حسب ...

خاک‌ها مخلوطي از مواد معدني و آلي مي‌باشند که از تجزيه و تخريب سنگ‌ها در نتيجه هوازدگي بوجود مي‌آيند که البته نوع و ترکيب خاک‌ها در مناطق مختلف بر حسب ...

رسها به همراه کلوئيدها ، فعالترين بخش خاک محسوب مي شوند و اکثر آنها داراي ساختمان بلوري هستند. قبل از مطالعه کانيها توسط اشعه ايکس تصور مي شد که کانيه ...

لايه هاي خاکي ، زير اساس ، اساس ، رويه ها هدف از روسازي: ايجاد يک سطح صاف و هموار که قابليت تحمل وزن چرخ هاي وسايل نقليه را داشته باشد و در طول عمر رو ...

چکيده : آنچه درپيش روست تاريخ معماري مدرن نيست ، بلکه نگره اي نظريه پردازانه است و تلاشي را براي توصيف اينکه معماري مدرن درباره چيست به دست مي دهد . آ ...

● انتخاب سيمان استفاده از سيمانهاي با حرارت هيدراتاسيون کم، ممکن است تا حدودي سبب تخفيف اشکالات مربوط به ازدياد درجه حرارت بتن شود. ولي بايد درنظر داش ...

همانطور که مي دانيم تا چند سال آينده جهان با بحران بي آبي کم سابقه اي در طول عمر خود مواجه خواهد شد که دانشمندان سعي داشتند با ارائه روشهايي به ذخيره ...

دانلود نسخه PDF - مکانيک خاک