ایستاسازه
En Ar

خانه - مطالب آموزشی - خاک های واگرا و آزمایش های واگرایی خاک (Dispersive Soil)

به خاک هایی که در معرض آب های کم نمک، ذرات رس آنها به شکل معلق در آمده و همراه با جریان آب از خاک خارج شده و ساختمان خاک دچار فروریزش می شود، خاک های واگرا گفته می شود. در حقیقت این نوع خاک ها در برابر آب مقاوم نبوده و دچار آبشستگی و فرسایش زیاد می گردند و همین امر باعث واگرایی خاک و تخریب برخی از سدهای خاکی و جاده ها شده است. وجود این خاک های واگرا در مسیر کانال های آب موجب نشست و تخریب کف و دیواره های کانال خواهد شد. بنابراین میزان تورم و انقباض این خاک های واگرا زیاد بوده و به طور کلی دارای سرعت نفوذپذیری کمتری نسبت به خاک های غیر واگرا هستند.
فرسایش داخلی و رگاب مخاطرات اساسی را برای سدهای خاکی و سنگریزه ای ایجاد می‌کنند. روش آزمایشگاهی ارزیابی عملکرد فیلتر و روش طراحی بر اساس معیار با پارامترهای ساده، دو گروه عمده انتخاب و طراحی فیلتر در سدهای خاکی هستند. تعیین دانه بندی مناسب برای فیلتر سدهای خاکی، با وجود سادگی ظاهری معیارهای تجربی، در تعداد زیادی از پروژه های بزرگ مسائل فنی و اقتصادی مهمی را پیش روی مهندسان قرار داده است. این مشکل، در شرایطی که خاک قرضه واگرا یا مشکوک به واگرایی بوده، گسترش پیدا می کند. زیرا از یک سو، به دلیل تعداد بسیار آزمایش های شناسایی، ارزیابی میزان واقعی واگرائی خاک ها چندان ساده نیست و از سوی دیگر، کاربرد معیارهای معدودی که در مراجع برای طراحی فیلتر مانع فرسایش خاک‌ های واگرا در دسترس هستند، بیشتر به انتخاب دانه بندی های بسیار ریز و پرهزینه منجر می‏شود.

برای تعیین فیلتر مانع فرسایش در سدهای خاکی از آزمایش فیلتر مانع فرسایش استفاده می شود که شکل این آزمایش در زیر قابل مشاهده است. این نوع خاک ها دارای درصد بالایی از املاح سدیم هستند و PH حدود 8.5 دارند. در این خاک ها رطوبت حد انقباض بسیار کمتر از رطوبت حالت اشباع خواهد بود. شسته شدن این نوع خاک ها با جریان یافتن آب از میان درزه و ترک های آن رخ می دهد.

آزمایش فیلتر مانع فرسایش - شرکت ایستاسازه
آزمایش فیلتر مانع فرسایش

تشخیص خاک های واگرا در پروژه های عمرانی بسیار پر اهمیت بوده و در صورت مواجهه با این نوع خاک ها می بایست اصلاحات لازم صورت گیرد. برای تعیین و شناسایی خاک های واگرا روش های صحرایی و آزمایش های گوناگونی وجود داشته که روش های آزمایشگاهی در دو دسته مختلف فیزیکی و شیمیایی قرار می گیرند. در روش های صحرایی توپوگرافی منطقه نقش بسزایی در شناخت خاک های واگرا ایفا می کند که در مناطق با شیب زیاد فرسایش حاصل از پدیده واگرایی خاک به خوبی قابل تشخیص است. اساس روش های شیمیایی آزمایش واگرایی خاک ها بر مبنای تعیین غلظت کاتیون ها است و روش های فیزیکی شامل آزمایش به روش های پین هول Pinhole و هیدرومتری دوگانه و کرامپ است که در ادامه این روش ها شرح داده می شوند.


روش های فیزیکی در شناسایی خاک های واگرا


روش Pinhole


آزمایش واگرایی خاک پین هول در سال 1976 توسط شرارد و همکاران برای اندازه‌گیری مستقیم پتانسیل واگرائی خاک های متراکم شده ابداع گردید. در روش پین هول، آب از سوراخ کوچکی که درون نمونه تعبیه شده، تحت بار هیدرولیکی معین جریان پیدا نموده و در مسیر خود ذرات خاک را تحت انرژی فرسایشی قرار می دهد. در رس های واگرا، ذرات کلوئیدی حاصل از فرسایش دیواره سوراخ همراه با این جریان آب به بیرون منتقل گشته و آب را کدر می سازند، ولی در رس‌های مقاوم به فرسایش و غیر واگرا، جریان آب کاملاً شفاف بوده و هیچ‌گونه فرسایشی در سوراخ مشاهده نمی شود.

معیارهای به کار گرفته شده در روش پین هول برای ارزیابی پتانسیل واگرائی خاک ها، شامل دبی جریان خروجی، شفافیت آب خروجی در زمان معین و قطر نهایی سوراخ تعبیه شده در پایان آزمایش پین هول می باشد.

بر اساس تحقیقات مفصلی که تاکنون در ایران و جهان به عمل آمده، در حال حاضر آزمایش پین هول به علت ارزیابی مستقیم واگرایی خاک به عنوان مطمئن ترین روش و معیار مقایسه با نتایج سایر روش ها پیشنهاد گردیده است.


 روش کرامپ


در این روش قطعه کوچکی از خاک با رطوبت حدود 60 درصد رطوبت حد خمیری به بعد تقریبی 15 میلی‌متر تهیه و به آرامی درون یک بشر حاوی 250 میلی‌لیتر آب مقطر قرار می گیرد و پس از گذشت زمان 15 دقیقه شدت واکنش آن نسبت به آب، مورد ارزیابی قرارگرفته و واگرائی آن به شرح زیر طبقه بندی می شود:


  • چنانچه هیچ‌گونه فرسایش یا کدورت آب مشاهده نگردد، غیر واگرا ارزیابی می شود.
  • اگر کدری مختصری در رنگ آب و پیرامون نمونه مشاهده شود، واکنش واگرائی ضعیف ارزیابی می گردد.
  • در صورتی که کدری آب در حد متوسط و بیشتر از حالت قبل باشد، واکنش متوسط ارزیابی می شود.
  • در حالتی که آب پیرامون نمونه کاملاً کدر و گل آلود شده و ذرات خاک کاملاً شناور شوند، واکنش شدید و خاک واگرا ارزیابی می گردد.

در برخی مراجع انجام این آزمایش در دو حالت با استفاده از آب مقطر و آب منطقه مورد نظر پیشنهاد شده است.

بر اساس توصیه های محققین چنانچه خاکی در این آزمایش واکنش نشان دهد به احتمال زیاد واگراست، ولی عدم واکنش در آن به معنای غیر واگرا بودن خاک نمی باشد.


روش هیدرومتری دوگانه


در آزمایش واگرایی خاک به روش هیدرومتری دوگانه، دانه بندی ذرات خاک با روش هیدرومتری استاندارد در دو حالت تعیین می شود و نتایج حاصله با یکدیگر مقایسه و پتانسیل واگرائی بر اساس این مقایسه ارزیابی می گردد. در یک مرحله آزمایش هیدرومتری طبق روش استاندارد و با کمک ماده شیمیایی پراکنده ساز و با استفاده از هم زن مکانیکی صورت می گیرد. در مرحله بعدی همین آزمایش بدون استفاده از محلول شیمیایی پراکنده ساز و با استفاده از هم زن مکانیکی صورت گرفته و منحنی های دانه بندی در دو مرحله ترسیم و مقدار درصد ذرات ریزتر از 0/005 میلی‌متر در هر دو روش تعیین می گردد.

در این صورت پارامتری به نام نسبت پراکندگی یا نسبت واگرائی به شرح زیر تعیین می شود:


100× درصد ذرات کوچک‌تر از 5 میکرون در آزمایش دوم /درصد ذرات کوچک‌تر از 5 میکرون در آزمایش اول = نسبت واگرایی


چنانچه نسبت واگرائی بیشتر از 50 درصد باشد، خاک دارای پتانسیل واگرائی می باشد و چنانچه این رقم بیشتر از 35 درصد باشد، خاک احتمالاً واگراست. ارقام بین 35-15 درصد نشان‌دهنده احتمال واگرائی متوسط و ارقام کمتر از 15 درصد احتمال واگرا نبودن خاک را نشان می دهند. از آنجا که نتایج این آزمایش تابع عوامل متعددی از جمله رطوبت خاک و خمیری بودن آن می باشد، لذا نتایج حاصل باید با احتیاط و در مقایسه با نتایج سایر روش ها مورد استفاده قرار گیرد.


روش های شیمیایی


از آنجایی که اساساً واگرایی خاک های رسی پدیده ای فیزیکی و شیمیایی است. خصوصیات شیمیایی خاک به ویژه نوع و میزان کاتیون های مختلف خاک و آب منفذی اطراف آن در ایجاد این پدیده نقش موثر دارند، لذا معیارهایی برای تشخیص پتانسیل واگرایی بر این اساس ارائه شده است. برای مثال می توان به روش تعیین املاح محلول در آب منفذی (روش شرارد) اشاره کرد. در آزمایش واگرایی خاک به روش شیمیایی، مقداری آب مقطر به خاک اضافه می شود تا خمیر اشباع نزدیک به حد روانی حاصل آید. سپس نمونه خاک چند ساعت به حال خود گذاشته می شود تا تبادل یونی صورت گیرد سپس با ایجاد خلاء مقدار اندکی از آب با عبور از صافی از مخلوط جدا شده و با آزمایش های متداول شیمیایی مقدار کاتیون های فلزی مهم سدیم، پتاسیم، منیزیم، کلسیم تعیین شده سپس درصد سدیم و کلیه نمک های محلول تعیین می گردد و با استفاده از نمودار میزان واگرایی، خاک را ارزیابی می کنند. در شکل زیر نمودار شیمیایی شرارد قابل مشاهده است.

نمودار شیمیایی شرارد
نمودار شیمیایی شرارد

برای ارزیابی پتانسیل واگرایی، علاوه بر میزان و نوع کاتیون ها، لازم است به میزان و نوع آنیون های موجود در عصاره اشباع خاک نیز توجه شود با این حال روش شیمیایی شرارد قادر به تشخیص صحیح پتانسیل واگرایی نمی باشد. همچنین مشخص گردید از میان آنیون های موجود در خاک، یون کلر بر خلاف کاتیون سدیم به عنوان عاملی در جهت غیر واگرا نمودن خاک عمل می نماید و به عبارت دیگر از کل یون سدیم موجود در خاک تنها بخش مازاد بر میزان کلر آن در واگرایی نقش ایفا می کند.


روش‌های کنترل واگرایی


در شرایطی که استفاده از خاک های واگرا به علت عدم دسترسی به مصالح مناسب تر یا عدم وجود توجیه اقتصادی، الزامی باشد، می توان از روش های زیر برای تثبیت خاک استفاده نمود.


الف) استفاده از آهک: افزایش 1 تا 5 درصد وزنی آهک هیدراته به خاک رس واگرا، موجب جایگزینی کاتیون های کلسیم به جای سدیم خاک گردیده و علاوه بر کاهش خاصیت خمیری، پتانسیل واگرائی آن را نیز کاهش می دهد. همان طور که اشاره شد، افزایش آهک با کاهش خاصیت خمیری، از ایجاد درز و ترک ناشی از انقباض در خاک نیز جلوگیری نموده، جریان متمرکز و شدید آب به داخل توده خاک را که می تواند موجب فرسایش درونی آن شود، کاهش می دهد. به علاوه افزایش آهک موجب کاهش وزن واحد حجم خشک و افزایش مقاومت برشی خاک نیز می گردد.


ب) استفاده از سولفات آلومینیوم: بر اساس نتایج تحقیقات به عمل آمده، افزایش 0.5 تا 2 درصد وزنی سولفات آلومینیوم به خاک، علاوه بر افزایش مقاومت در برابر آب شستگی و واگرائی خاک ها، باعث کاهش پتانسیل تورم پذیری و افزایش مقاومت برشی خاک نیز می گردد. قابلیت انحلال سولفات آلومینیوم در آب بسیار بیشتر از آهک است و به همین علت اختلاط آن با خاک کم هزینه تر از آهک می باشد. به علاوه اثرات منفی زیست محیطی افزایش سولفات آلومینیوم کمتر از آهک است. با این حال ایراد اساسی آن، هزینه بالا و ایجاد اسیدی کردن بیشتر در محیط است که می تواند از نظر رشد گیاه، یک خاصیت منفی تلقی گردد.


ج) استفاده از گچ (سولفات کلسیم آبدار): افزودن گچ آبدار به خاک باعث مجتمع شدن ذرات رس و کاهش پتانسیل واگرایی می شود و عملکرد آن جایگزینی یون های کلسیم به جای سدیم می باشد. مقدار گچ مورد نیاز باید متناسب با مشخصات شیمیایی خاک تعیین گردد. در این روش نیز به علت قابلیت انحلال نسبتاً کمتر گچ در آب، عمل اختلاط و تأثیر گچ ممکن است با اشکالاتی همراه باشد.


د) استفاده از سیمان پرتلند: نتایج تحقیقات انجام شده در سال های اخیر نشان داده است که افزایش مقادیر کم سیمان به خاک بستر (0.8 تا 4 درصد) توانسته است با جایگزینی یون های کلسیم آزاد موجود در سیمان پرتلند و نیز با ایجاد خاصیت چسبندگی ناشی از هیدراتاسیون سیمان، ذرات رس واگرا را به خوبی تثبیت نموده و خاصیت فرسایش پذیری آن را به میزان قابل ملاحظه ای کاهش دهد، به گونه ای که مخلوط های خاک سیمان حاصله به خوبی قادر به تحمل جریان آب با سرعت های تا 2 متر در ثانیه نیز بوده است.

ه) استفاده از فیلتر: بر اساس تحقیقات انجام شده، استفاده از فیلترهای مناسب می تواند احتمال وقوع فرسایش و آب شستگی در خاک های واگرا را بسیار کاهش دهد. این فیلترها از خروج و مهاجرت ذرات رس واگرا از محیط جلوگیری نموده و تدریجاً خاک واگرا را تثبیت می نمایند. مشکل عمده در استفاده از این روش، مسائل اجرایی و هزینه بالای ایجاد آن می باشد.

روش های شناسایی و کنترل خاک های واگرا
روش های شناسایی و کنترل خاک های واگرا

در زمینه مطالعات ژئوتکنیک بیشتر مطالعه کنید :

در زمینه بهسازی خاک بیشتر مطالعه کنید :

در زمینه طراحی و مشاوره ژئوتکنیک بیشتر مطالعه کنید : 

در زمینه تخریب و خاکبرداری بیشتر مطالعه کنید : 

در زمینه ابنیه و ساختمان بیشتر مطالعه کنید : 

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.

سایر مقاله ها

روش های محاسبه ظرفیت باربری جانبی شمع (Lateral bearing capacity of pile)

در طی سالیان گذشته، محققان، روش های مختلفی را برای [...]


بیشتر بخوانید

شاخص های آسیب پذیری خاک در برابر روانگرایی (Soil liquefaction indicator)

تمامی خاک ها در برابر روانگرایی آسیب پذیر نیستند، بنابراین [...]


بیشتر بخوانید

انتقال حرارت در خاک های غیر اشباع (Heat Transfer in Unsaturated Soil)

انتقال و جریان حرارت در خاک ها با سه ساز و [...]


بیشتر بخوانید

پی های حلقه ای، صندوقه ای و پوسته ای (ring, shell & caisson foundation)

با توجه به اهمیت زیاد شالوده در پایداری سازه ها، [...]


بیشتر بخوانید