مقاومت برشی (زاویه اصطکاک داخلی، چسبندگی)، مقاومت کششی، تراکم‌پذیری/تحکیم، ظرفیت باربری و نفوذپذیری/تراوش، از مهم‌ترین مفاهیم و پارامترهای مکانیک خاک هستند. در ادامه به معرفی هر یک از این موارد می‌پردازیم.
مقاومت برشی خاک چیست؟
مقاومت برشی، حداکثر تنش برشی قابل تحمل توسط خاک، پیش از رخ دادن شکست است. شکست در اکثر سازه‌های خاکی به دلیل اعمال تنش‌های برشی رخ می‌دهد. از این‌رو، مقاومت برشی، مهم‌ترین پارامتر مورد استفاده برای طراحی سازه‌های ژئوتکنیکی به حساب می‌آید. این کمیت، برای تعیین ظرفیت باربری، طراحی دیوار حایل، پایداری شیب و خاکریزها مورد استفاده قرار می‌گیرد.
پارامترهای مقاومتی خاک چه هستند؟
مقاومت برشی معمولا توسط دو پارامتر زاویه اصطکاک داخلی و چسبندگی تعریف می‌شود:
- «زاویه اصطکاک داخلی» (Internal Friction Angle): مقدار این پارامتر از صفر درجه برای رس خالص تا ۴۰ درجه برای لوم ماسه‌ای تراکم‌یافته تغییر می‌کند. زاویه اصطکاک داخلی برای ماسه‌های سست بین ۲۵ تا ۳۰ درجه است.
- «چسبندگی» (Cohesion): مقدار این پارامتر از حدود صفر برای ماسه سست تا ۱۰۰ کیلونیوتن بر متر مربع برای ماسه خشک و سخت تغییر می‌کند. لوم ماسه‌ای مرطوب بین ۵ تا ۱۵ کیلونیوتن بر متر مربع و رس خمیری مرطوب بین ۱۰ تا ۴۰ کیلونیوتن بر متر مربع چسبندگی دارد.
زاویه اصطکاک داخلی و چسبندگی به عنوان پارامترهای مقاومتی خاک شناخته می‌شوند. این پارامترها اهمیت بسیار زیادی در مسائل مکانیک خاک دارند.
انواع شکست برشی خاک کدام هستند؟
حالت‌های شکست برشی خاک عبارت هستند از:
- گسیختگی برشی کلی
- گسیختگی برشی موضعی
- گسیختگی برشی پانچی
عوامل موثر بر مقاومت برشی خاک چه هستند؟
عوامل متعددی بر روی مقاومت برشی خاک تاثیرگذار هستند. به طور کلی می‌توان این عوامل را به پنج گروه ترکیب، حالت، ساختمان، شرایط بارگذاری و تنش محصورکننده خاک تقسیم کرد:
- ترکیب خاک: کانی‌شناسی، ابعاد و دانه‌بندی ذرات، شکل ذرات، نوع جریان منفذی، یون‌های روی ذرات و درون مایع منغذی
- حالت خاک: نسبت تخلخل اولیه، تنش موثر نرمال و برشی، سستی، تراکم، تحکیم، سختی و غیره
- ساختمان خاک: آرایش ذرات در کنار یکدیگر نظیر صفحه‌ای، منشوری، ستونی، بلوکی، دانه‌ای، گوه‌ای و غیره
- شرایط بارگذاری: مسیر تنش موثر (زهکشی‌شده یا نشده) و نوع بارگذاری (مقدار، نرخ و تاریخچه زمانی)
- تنش محصور کننده
مقاومت کششی خاک چیست؟
مقاومت کششی، توانایی ماده برای مقابله با افزایش طول ناشی از اعمال بارهای محوری است. مقاومت کششی در مسائل مکانیک به ندرت مورد بررسی قرار می‌گیرد. با این وجود، این کمیت تاثیر زیادی بر روی نحوه ترک‌خوردگی سازه‌های خاکی نظیر شیب‌ها و سدها دارد. از عوامل موثر بر مقاومت کششی می‌توان به رطوبت و تراکم خاک اشاره کرد.
تحکیم خاک چیست؟
«تحکیم» (Consolidation)، فرآیندی است که به واسطه آن، تغییر فشار باعث کاهش تدریجی حجم خاک اشباع و افزایش چگالی می‌شود. بر اساس تعریف پدر مکانیک خاک (کارل ترزاقی)، هر فرآیندی که باعث کاهش محتوای آب درون خاک اشباع شده بدون جایگزینی هوا با آب خروجی شود، تحکیم نام دارد. این کمیت، از پارامترهای مهم در بررسی نشست زمین به شمار می‌رود.
مدول حجمی آب بیشتر از مدول حجمی ذرات جامد خاک است. هنگامی که یک خاک اشباع شده در معرض افزایش فشار قرار می‌گیرد، تغییر فشار توسط آب جذب می‌شود. به دلیل عدم تغییر حجم آب در این شرایط، فشار آب منفذی افزایش می‌یابد و آب شروع به حرکت می‌کند. با پخش شدن آب از ناحیه تحت فشار (بر اثر تراوش)، ذرات خاک به تدریج تحت فشار قرار می‌گیرند. در نتیجه، توده خاک کاهش حجم می‌دهد. تئوری تحکیم خاک، شباهت بسیار زیادی به معادله نفوذ، مفهوم تنش موثر و هدایت هیدرولیکی دارد.
برخی از منابع، تحکیم را به عنوان تغییر حجم ناشی از تغییر فشار تعریف می‌کنند. در صورتی که این تعریف می‌تواند برای تراکم، نشست و آماس (بالاآمدگی) خاک نیز صادق باشد. در تعریف دقیق‌تر، تحکیم، تغییر حجم تاخیردار خاک به دلیل تغییر فشار ناشی از حرکت تدریجی آب است. به منظور ایجاد تمایز بین این تعاریف، مفاهیم تحکیم اولیه (تغییر حجم ناشی از خروج آب) و تحکیم ثانویه (تغییر حجم ناشی از خزش) تعریف شدند.