مقاله کامل انواع خاک و ویژگی های آن

انواع خاک و ویژگی‌های آن
خاک هادرطبيعت انواع مختلفي داشته وبه گونه هاي متفاوتي يافت ميشوند‌. يکي از مسائل اصلي انجام ساخت وساز ايمن بر روي مصالح خاکي به عنوان بسترميباشد‌.‌ دراصطلاح مهندسي ژئوتکنيک بخشي ازمصالح خاکي که داراي رفتار ويژه اي بوده وساخت وساز روي آن‌هاداراي مشکلاتي بالقوه است، خاکهاي مسأله دار نام دارند‌.‌ دراين ميان خاکهاي فرو ريزشي به عنوان بخش مهمي ازخاکهاي مسأله دار دارای اهميت ويژهاي هستند و یک نوع متداول از آن، خاک لس است که وجود آن در هر پنج قاره جهان گزارش شده است‌. خاک‌های فروریزشی از جمله لس که در حالت طبیعی به صورت غیراشباع یافت می‌شوند، در اثر ترشدگی ناشی از عوامل مختلف شامل بالا آمدن سطح آب زیرزمینی، بارندگی، نشت آب از تاسیسات آبی و غیره و رسیدن به رطوبت بحرانی خود تحت بار مشخص، دچار فروریزش و کاهش شدید حجم می‌شوند‌. در اين تحقيق به منظور بررسي امکان تثبيت خاک لس گرگان که از انواع خاک‌های فروریزشی می ‌باشد نمونه‌هایی از تپه‌های هزارپیچ شهر گرگان تهیه شد و سپس با استفاده از نانومواد مختلف به بررسی تاثیر تثبیت با نانوذرات سیلیکا، رس و کلسیم‌کربنات پرداخته شد‌. به منظور ارزیابی پارامتر‌های مقاومتی خاک تعدادی آزمایش‌ تک‌محوری بر روی نمونه‌های بازسازی شده لس گرگان با 05/0، 1/0، 2/0 و 3/0 درصد نانوسیلیکا و به طور مشابه با 1/0، 2/0 و 4/0 درصد نانورس و 1/0، 2/0 و 4/0 درصد نانوکلسیم کربنات در زمان‌های عمل آوری مختلف صورت گرفت‌. سپس تعدادی آزمایش تحکیم بر روی نمونه‌های تثبیت شده با درصد بهینه بدست آمده به لحاظ مقاومتیاز آزمایش تک محوری برای هر
نانوماده، صورت گرفت تا بدین ترتیب میزان کاهش نشست پذیری و افزایش مقاومت در مقایسه با نمونه بدون تثبیت و معمولی مورد مقایسه قرار گیرد‌. نتایج نشان می‌دهد که با افزودن مقادیر ناچیز از نانوذرات می‌توان مقاومت خاک را بالا برد و میزان نشست پذیری (پتانسیل فروریزش) را بهبود بخشید‌. دلیل این افزایش مقاومت ایجاد پیوند و واکنش میان ذرات خاک و نانوذراتی می‌باشد که به دلیل سطح ویژه بالا به شدت فعال و واکنش‌پذیر هستند‌.
در طبيعت انواع و گونه‌های مختلفی از خاک‌ها يافت می‌شود که يکی از مهمترين مسائل مهندسی مرتبط با آن‌ها، انجام ساخت و ساز بر روی آنها به عنوان بستر می‌باشد‌. در اصطلاح مهندسی ژئوتکنيک بخشی از مصالح خاکی دارای رفتار ويژه‌ای هستند که استفاده از آنها به عنوان بستر، ساخت و ساز را با مشکلات بالقوه‌ای همراه می‌سازند‌. چنين خاک‌هايي، خاک‌های مسألهدار(به عنوان مثال خاک فروریزشی، خاک واگرا، خاک متورم شونده و‌. ‌. ‌. )ناميده می‌شوند که در ميان آن‌ها خاک‌های فروريزشی به عنوان بخش مهمی از اين دسته، از اهميت بالايي برخوردار هستند‌.
در زمینه بررسی رفتاری خاک‌های فروریزشی مطالعات گسترده‌ای در سطح بین المللی انجام شده است که شامل روش‌ها و معیارهای محققین مختلف جهت شناسایی خاک‌های فروریزشی و روش‌های آزمایشگاهی و عملی جهت بررسی رفتار تغییر حجمی این خاک‌ها می باشد‌. همچنین مطالعات و روش‌های مختلفی نیز جهت تثبیت و بهسازی این نوع خاک‌ها مورد بررسی قرار گرفته است که به دلیل پوشش وسعت زیادی از زمین از خاک‌های فروریزشی، می توان مطالعات گسترده تری را دنبال نمود‌.
خاکهاي داراي خاصيت فروريزش طوري رسوب‌گذاري شده‌اند که داراي ساختاري باز و سست با دانسيته نسبتاً کم هستند البته همچنین میتوانند شامل خاکریزهای مصنوعی باشند که با تراکم کمتر از تراکم حداکثر ساخته شدهاند‌. اين رسوبات در رطوبت كم مقاومت زيادي از خود نشان مي‌دهند، اما زمانيکه در معرض اشباع شدن قرار گيرند، کاهش شديدي در تخلخل آنها رخ داده که‌ اين کاهش مي‌تواند حتي در تنش‌هاي اندک، تنها معادل با فشارهاي خاک سربار نيز، اتفاق بیفتد‌.‌
تاکنون تعاريف متعددي از پديده فروريزش خاک بیان شده است و آنچه در اکثر آنها مشترک است اين است که فروريزش کاهش حجم خاک در اثر افزايش رطوبت مي‌باشد‌. اين خاکها در حالت طبيعي با درصد رطوبت اندک داراي مقاومت ظاهري نسبتاً زيادي هستند و بدون بوجود آمدن مشکل خاصی میتوان برروی آنها اقدام به ساخت و ساز و جادهسازی نمود اما مشکل از زمانی آغاز میشود که این خاکها تحت فرآیندهای مختلفی مرطوب بشوند‌. پس از جذب رطوبت و بارگذاري فضاهاي خالي بين ذرات کاهش زيادي يافته که باعث به وجود آمدن نشست‌هايي در سطح خاک مي‌گردد‌. مرطوب شدن و ترشدگی خاک‌های فروریزشی منابع و دلایل مختلفی از جمله بالا آمدن سطح آب زیرزمینی، نشت از تاسیسات آبی مانند لوله‌ها و کانال‌های آب و فاضلاب، رواناب بام و زهکشی سطحی ضعیف، افزایش رطوبت به واسطه موئینگی و ‌. ‌. ‌. می تواند داشته باشد‌.
Barden نشان دادند خاک‌های فروریزشی به دو صورت در طبیعت یافت می شوند:
a) خاكهاي ماسهاي و لايدار كه توسط پيوندهاي رسي به يكديگر چسبيدهاند و ساختمان متخلخلي را به وجود آوردهاند‌.
b) خاكهاي غیراشباعي كه در حالت طبيعي داراي فشار منفي بوده و در اثر نيروي مكش به يكديگر چسبيده اند و خاك در حالت طبيعي به صورت موقت پايدار ميباشد؛ که در هر دو مورد افزایش رطوبت سبب فروریزش و کاهش حجم می شود‌.
Rogers به طور کلی انواع خاک‌های فروریزشی خصوصیات فیزیکی مشابهی دارند که از آن جمله می‌توان به ساختار فیزیکی باز، پوکی (n) نسبتا زیاد (حدود 4/0 تا 5/0)، وزن مخصوص خشک کم، از دیدگاه زمین شناسی رسوبات جوانی هستند که فرصت کافی برای تراکم یافتن طبیعی در آن‌ها وجود نداشته است، حساسیت زیاد نسبت به عوامل محیطی، میزان لای زیاد (گاهی تا 90 درصد)، نیروهای ضعیف بین دانه‌ای و ساختار نیمه پایدار اشاره نمود‌.
خاک‌های فروریزشی دارای انواع مختلفی هستند که شناخته شده ترین نوع آن خاک لس است‌. لس حدودا 10% از کل سطح خشکی کره زمین را پوشانده است و در رده خاک‌های فروریزشی طبیعی قرار می گیرد‌.‌ ویژگی اصلی لس ساختار باز و نیمهپایدار آن میباشد که دانههای خاک در این ساختار باز، بسته به نحوه شکلگیری‌شان بوسیله عناصر و نیروهای مختلف با هم پیوند دارند‌. در خاک لس ذرات اصلی تشکیل دهنده خاک، سیلت است که توسط باد (بادرفت) رسوبگذاری شدهاند‌. Barden پیوندهای رسی، پیوندهای شیمیایی و تنش مویینگی سه مکانیزم اصلی نگهدارنده حالت کم ثبات لس هستند که خاک را با ساختار باز و لانه زنبوری نگه می دارند و باعث می شوند خاک مستعد نشست باشد‌.
فروریزش لس به واسطه درصد رطوبت و مقدار تنش وارد بر خاک کنترل می شود؛ در واقع ترشدگی و بارگذاری از طرفی با حذف نیروهای مویینگی بعلت تغییر شرایط رطوبتی خاک از
حالت غیراشباع به حالت اشباع و از طرف دیگر با از بین بردن پیوندهای رسی، نمکی و کلسیتی باعث وقوع این نشست ناگهانی در خاکهای لسی میشود که خود منجر به بروز مشکلات متعددی از جمله کاهش در باربری پیهای سطحی و متعاقباً تخریب سازههای فوقانی، خرابی و فرونشست جادهها، نشست و خرابی در بستر کانالها و شریانهای حیاتی خواهد شد‌.
جهت بررسی خصوصیات رفتاری خاک‌های فروریزشی و ارائه روش بهسازی، معیارهای فراوانی به صورت کیفی و کمی جهت شناسایی خاک‌های فروریزشی ارائه شده است‌. به نقل ازElkady معیار‌های کیفی عمدتا مبتنی بر خصوصیات وزنی-حجمی هستند و پتانسیل فروریزش را بر اساس خواص اندیس خاک مشخص می نمایند‌.
در این روش‌ها فاکتورهای تاثیرگذاری همچون بار اعمال شده، پروفیل رطوبت خاک، ناهمگنی در بافت خاک و ‌. ‌. ‌. لحاظ نمی گردد که سبب کاهش دقت می شود‌. علی رغم ضعف‌های موجود، توانایی این روش‌ها در تعیین سریع و تقریبی امکان وجود فروریزش را نمی توان نادیده گرفت‌.
معیارهای کمی که از دقت بالاتری در تشخیص فروریزشی بودن خاک‌ها برخوردارند، مبتنی بر انجام آزمایش‌های ادئومتر و محاسبه پتانسیل فروریزش می باشند‌.
علاوه بر معیارهای مذکور، تعدادی مطالعات به صورت برجا با استفاده از آزمایش نفوذ استاندارد، پرسیومتری، آزمایش صفحه بارگذاریو ‌. ‌. ‌. توسط محققین مختلف جهت شناسایی فروریزشی بودن خاک‌ها صورت گرفته است‌.
El-Ehwanyمزیت عمده روش‌های برجا نسبت به روش‌های آزمایشگاهی، حذف خطاهای ناشی از دست خوردگی خاک در
تعیین میزان فروریزش می باشد‌. به طور کلی این روش‌ها دارای پیچیدگی‌های فراوانی هستند و تاثیر برخی از پارامترها نیز در آن‌ها مشخص نیست‌.
مطالعات رفتاری آزمایشگاهی صورت گرفته، به بررسی تاثیر عوامل متعددی نظیر میزان رطوبت اولیه، تاثیر نوع خاک، تراکم نسبی، اثر باندهای سیمانی بین ذرات، سطح تنش اشباع‌سازی، اثر سیکل‌های ترشوندگی و دست خوردگی نمونهبر میزان فروریزش خاک‌ها پرداخته است‌.
با شناخت این عوامل موثر بر فروریزش و شدت تاثیر آن‌ها بر میزان فروریزش، در انتخاب روش‌های بهسازی و تثبیت آگاهانه تر می توان عمل کرد‌. تاکنون مطالعات و روش‌هایی جهت بهسازی و تثبیت خاک‌های فروریزشی به صورت آزمایشگاهی و برجا صورت گرفته است‌. در روش‌های آزمایشگاهی عمدتا بهسازی به صورت تزریق و اختلاط مصالحی مانند آهک، سیمان، میکروسیلیس، Fly ash، خاکستر پوسته برنج و ‌. ‌. ‌. با خاک فروریزشی صورت گرفته است‌.
در روش‌های برجا و آزمایشگاهی بزرگ مقیاس نیز از روش‌هایی نظیر تراکم سطحی با غلتک، تراکم دینامیکی، اصلاح دانه بندی خاک، آب زدایی از خاک فروریزشی، تزریق مواد شیمیایی، جایگزینی سطحی خاک فروریزشی و ‌. ‌. ‌. جهت تثبیت و بهسازی استفاده شده است‌.
امروزه اصلاح رفتار خاک به کمک افزودنی‌ها به عنوان یکی از روش‌های موثر در بهبود بسیاری از پارامترهای رفتاری خاک همواره مد نظر پژوهشگران در مهندسی ژئوتکنیک بوده است‌. از میان این افزودنی‌ها، نانومواد که حائز ویژگی‌های منحصر به فردی هستند و استفاده از آن‌ها در دیگر شاخه‌های
علوم مهندسی منجر به تحولاتی بنیادی شده است، در مهندسی ژئوتکنیک نیز مورد توجه قرار گرفته‌ است‌.
فناوری نانو از یک رشته علمی خاص مشتق نمی شود و به دلیل وجه مشترک بالا با علم مواد و نظر به این که خواص اتم و مولکول شالوده بسیاری از علوم است، دانشمندان حوزه‌های علمی مختلف را به خود جذب کرده است‌. فناوری نانو با انتشار مقاله Feynman و بیان امکان به راه اندازی فرآیندی برای دستکاری اتم‌ها و مولکول‌ها با استفاده از ابزارهای دقیق شکل گرفت‌. با ظهور علم نوین نانوتکنولوژی و بررسی ویژگی‌های منحصر به فرد نانوذرات، زمینه استفاده از آن روز به روز افزایش یافته است که مهندسی ژئوتکنیک از این امر مستثنی نیست‌.
مطالعات آزمایشگاهی انجام شده بر روی انواع خاک‌ها و مخلوط آن‌ها با نانوذرات نشان می‌دهد که استفاده از نانومواد سبب تغییرات حدود اتربرگ و مقاومت فشاری محدود نشده می‌شود‌. نانوذرات به دلیل بسیار بزرگ بودن مساحت سطح ویژه، سطوح واکنش‌پذیر با بارها و گاهی اوقات نانوحفرات این ذرات، برهم‌کنش بسیار فعالی با ترکیبات دیگر خاک (از جمله فاز مایع، کاتیون‌ها، مواد ارگانیک و مواد معدنی خاک) دارند، به این ترتیب تاثیرات عمیقی بر خواص ریزساختاری، فیزیکی، شیمیایی، خواص مهندسی خاک‌ها، حتی با حضور نسبت وزنی کوچک می‌گذارد‌.
بطورکلی وقتی که اندازه ذرات در حد مقیاس نانو کاهش مییابد مشخصات بسیار متفاوتی نسبت به ذرات مشابه ولی با اندازه بزرگتر نشان میدهند این تغییر در رفتار به علت دو دلیل است: 1- افزایش سطح ویژه 2- غلبه اثرات کوانتومی(TRS)‌. وقتی که اندازه ذرات کاهش می یابد درصد
بیشتری از اتمها و مولکولها در سطح نمایان میشود بنابراین مشخصات سطحی آنها (یعنی فیزیکی، شیمیایی، الکتریکی و واکنشپذیری) مهم و حتی غالب میشود درحالیکه مشخصات جرمی بیاهمیت میشوند‌.
در مطالعات صورت گرفته از نانوذرات متفاوتی نظیر نانوسیلیکا، نانو رس، نانو آلومینیوم، نانوکربن و ‌. ‌. ‌. جهت بررسی و بهبود خواص مختلفی از خاک‌ها شامل بهبود مقاومت فشاری محدود نشده
Yonekura، بهبود شرایط نفوذپذیری و تحکیم Noll، افزایش چسبندگی بین ذرات خاک و کاهش ویسکوزیته Gallagher، کاهش میزان نشست با اعمال زلزله مصنوعی Gallagher، شکل پذیری خاک حاوی نانوذرات Butron، تغییرات حدود اتربرگ Zhang، maximum dryو ‌. ‌. ‌. استفاده شده است‌.
هدف از انجام این تحقیق نیز امکان بررسی افزایش خواص مقاومتی و بهبود نشست پذیری خاک فروریزشی لس گرگان می باشد‌.‌ بدین منظور از نانوسیلیکا، نانو رس و نانوکلسیم کربنات جهت تثبیت خاک لس استفاده شده استو در درصدهای وزنی مختلف با عمل آوری در تعداد روزهای متفاوت، به خاک مورد آزمایش اضافه شده است‌. با ورود این نانومواد به درون خاک و انجام فعل و انفعالات شیمیایی عمل بهسازی با ایجاد پیوندهای جدید صورت می‌گیرد‌. در واقع عامل انجام تثبیت در این روش بهسازی، تبادل یونی بین ذرات خاک و نانوذرات است‌. طبق تعریف ظرفیت خاک برای جابجایی
کاتیون‌ها (یون‌های باردار مثبت مانند
𝐶𝑎
2+
،
𝑀𝑔
2+
،
𝐾
+
،
𝑁𝑎
+
و ‌. ‌. ‌. ) را ظرفیت تبادل کاتیونی (CEC) می‌نامند‌.
این کاتیون‌ها توسط ذرات باردار منفی رس و ذرات مواد ارگانیک موجود در خاک به وسیله نیروهای الکترواستاتیکی (ذرات منفی خاک، کاتیون‌های مثبت را جذب می‌کند‌. ) نگه داشته می‌شوند‌. کاتیون‌های CEC ذرات خاک به راحتی می‌توانند با سایر کاتیون‌ها تعویض شوند‌. بدین ترتیب، CEC یک خاک بیان‌گر مقدار کل کاتیون‌های قابل تعویض خاک است و خاک‌ها به خاطر وجود ذرات رس و مواد آلی عمدتا دارای خاصیت تبادل کاتیونی می‌باشند‌.
بدین ترتیب به دلیل وجود ظرفیت تبادل کاتیونی در خاک و همچنین سطح مخصوص فوق العاده بالای نانوذرات، تبادل یونی و تشکیل پیوندهای جدید در محیط خاک شکل می‌گیرد و خواص مقاومتی و تغییر شکل خاک تا حد مطلوبی بهبود می‌یابد‌.
خاک مورد مطالعه در این تحقیق خاک لس گرگان می باشد که از تپه‌های هزار پیچ شهر گرگان تهیه شده است و در گروه خاک‌های فروریزشی شدید طبقه بندی می شود‌. آزمایش‌های پایه شامل دانه بندی، حد روانی و حد خمیری، چگالی ویژه، وزن مخصوص خشک و درصد رطوبت طبیعی براساس استانداردهای ASTMبر روی نمونه‌های خاک لس انجام شده که نتایج آن در جدول 1 دیده می شود‌. نوع خاک طبق طبقه بندی متحد (USCS)، ML (خاک لای دار با خاصیت خمیری کم) می باشد‌.
مطابق شکل 1 حدود 98% ذرات خاک ریزدانه (25 تا 29% رس، 64 تا 70% لای) و 1 تا 2 % خاک، ماسه می باشد وجهتانجام دانه بندی از روش هیدرومتری استفاده شده است‌.
مشخصات شیمیاییخاک لس مورد مطالعه طبق آزمایش آنالیز شیمیایی ICPبه شرح جدول 2 می باشد‌.
در این مطالعه از 3 نانومواد مختلف شامل نانوسیلیکا، نانورس و نانوکلسیم‌کربنات استفاده شده است‌. هدف از استفاده نانومواد بررسی تاثیر افزودنی‌های جدیدتر بر مشخصات خاک فروریزشی بوده است‌. حسن استفاده از نانومواد واکنش‌پذیری بسیار بالای ذرات است و ضمن اینکه نتایج نشان داده است که با مقادیر بسیار کمتر در مقایسه با آهک، سیمان و سایر افزودنی‌های متداول نتایج بهتری می‌توان گرفت‌.
ماده نانوسیلیکا شامل مجموعه‌ای از ذرات کوچکSiO2است که از طریق پیوندهای کووالانسی و هیدروژنی به یکدیگر متصل و ذرات بزرگتری را تشکیل می‏ دهد‌. مزیت اصلی نانو سیلیکا در مقایسه با سیلیکا سطح ویژه بالای این ماده می‏باشد که باعث می‏شود در بستر مورد استفاده برهم‌کنش بیشتری از خود نشان دهد‌. نانوسیلیکای استفاده شده در این تحقیق نوع پودری نانوسیلیکا محصول شرکت دگوسامی‏باشد که با توجه به مشخصات فنی آن مطابق جدول 3 دارای خصوصیت فعالیت سطحی بالا در کنار قدرت پراکندگی مناسب می‌باشد‌.
از آن جا که ماده نانوسیلیکا به خوبی می‌تواند در یک محلول خاصیت کلوییدی را برقرار و حفظ کند، جهت ساخت نمونه تثبیت شده با نانوسیلیکا از محلول نانوسیلیکا استفاده شده است‌. این محلول شامل درصد نانوسیلیکا مورد نظر نسبت به وزن خاک خشک و آبی است که تحت عنوان درصد رطوبت باید به خاک جهت ساخت نمونه اضافه شود‌. علت استفاده از این ماده به صورت محلول کلوییدی جلوگیری از لخته شدن و از دست رفتن خاصیت ریز ساختاری ماده در حین انجام آزمایش‌ها می باشد‌.
لازم به ذکر است که براساس روش فرآوری و سنتز دو نوع نانوسیلیکا وجود دارد‌. در یک نوع ذرات سیلیکا با

فایل : 24 صفحه

فرمت : Word