خاک های متورم شونده (Swelling soils)

خاک های متورم شونده که از جمله خاک های مشکل ساز محسوب می شوند، گستره جهانی دارند و از این رو شناسایی مناسب آن‌ها از منظر علم مهندسی ژئوتکنیک امروزی به یک ضرورت مطلق تبدیل می شود.

این مقاله در نظر دارد به بررسی مزیت های نسبی روش های مختلف در دسترس یک مهندس ژئوتکنیک برای شناسایی خاک های متورم شونده مهم بپردازد.

هر خاکی که تغییرات حجمی آن حساس به رطوبت باشد معمولاً به عنوان یک خاک متورم شونده در نظر گرفته می شود. خاک متورم شونده تحت عنوان یک خاک مسئله دار در نظر گرفته می شود. زیرا بر پایداری سازه های ساخته شده بر روی آنها تأثیر می گذارد. از این رو، برای یک مهندس ژئوتکنیک، شناسایی مناسب چنین خاک­ هایی بسیار ضروری است. این به نوبه خود به مدیریت مادی، زمانی، مالی و منابع انسانی کمک می کند که اجزای اساسی هر پروژه هستند.

مشخصه خاک متورم شونده، وجود کانی های رسی از نوع شبکه ای منبسط شده متعلق به گروه اسمکتیت است که مونت موریلونیت یکی از اعضای مهم آن گروه است. این کانی های رسی ویژگی های زیر را دارا هستند:

ثابت شده است که این کانی ها در مقایسه با کانی های رسی مانند کائولینیت که ممکن است در هر خاک طبیعی نیز وجود داشته باشد، کاملاً متفاوت به هر محیط فیزیکی و شیمیایی خارجی پاسخ می دهند.

جدول ضریب تورم خاک

ضریب تورم خاک، بطورکلی از پارامتر ها و جداول استانداردی که وابسته به ویژگی های خاک و نوع عملیات است، بدست می آید.

ضریب تورم خاک به فاکتور های زیر بستگی دارد:

1. نوع خاک: خاک‌های مختلف از جمله خاک رس، سیلت، ماسه، و شن دارای ضرایب تورم متفاوتی هستند. به طور کلی، خاک رس دارای تورم بیشتر و خاک ماسه‌ای دارای تورم کمتری است.
2. میزان رطوبت: افزایش رطوبت باعث افزایش تورم خاک می‌شود، به خصوص در خاک‌های رسی.
3. تراکم خاک: تراکم خاک تأثیر مستقیم بر تورم دارد. خاک‌های متراکم کمتر دچار تورم می‌شوند.
4. شرایط محیطی: عواملی مانند میزان بارندگی و تغییرات دما نیز می‌توانند بر تورم خاک تأثیر بگذارند.

جدول ضریب تورم خاک‌ها به طور معمول برای پروژه‌های عمرانی و ساخت و ساز استفاده می‌شود. نمونه‌ای از ضرایب تورم برای برخی از خاک‌ها به صورت زیر است:

این ضرایب به صورت تقریبی هستند و بسته به شرایط خاص ممکن است تغییر کنند. برای به‌دست آوردن ضرایب دقیق‌تر، انجام آزمایش‌های مهندسی ژئوتکنیک و مطالعه خواص خاک در محل پروژه ضروری است.

ویژگی های خاک های منبسط شونده

معیارهای مختلفی برای تشخیص وجود کانی های رسی منبسط شونده در یک خاک طبیعی به کار برده می شود که می توان آن­ها را به دو دسته کانی شناسی و روش های آزمایشگاهی طبقه بندی کرد.

روش های کانی شناسی

روش های شناخت این دسته از کانی ها عبارتند از:

چن (1988) عقیده داشت که این روش ها باید در ترکیب با نتایج آزمایشگاهی برای نتایج بهتر و قابل اعتماد مورد استفاده قرار گیرند. با این حال، این روش ها استفاده محدودی دارند و با توجه به نیاز آنها به ابزار دقیق و تخصصی که پرهزینه هستند و همچنین تفسیر تخصصی داده های حاصل، به آزمایشگاه های تحقیقاتی محدود می شوند.

روش های آزمایشگاهی

این روش ها سعی می کنند برخی از ویژگی های شاخص خاک های ریزدانه را با ترکیب کانی شناسی رسی خاک پیوند دهند و از این رو پتانسیل تورمی آن‌ها را تخمین بزنند. آنها را می توان به روش های غیر مستقیم و روش های مستقیم طبقه بندی کرد.

روش های غیر مستقیم

در این روش ها از ویژگی های شاخص خاک مانند حد مایع، حد انقباض، درصد ذرات رس خاک و همچنین برخی از شاخص ها مانند شاخص خمیری، شاخص انقباض و مانند آن برای تخمین پتانسیل تورم خاک‌ها استفاده می شود.

1. از طریق حد مایع در خاک:

حد مایع: حد مایع یک خاک به عنوان ظرفیت نگهداری آب در خاک در نظر گرفته می شود که به نوبه خود به عنوان معیار پتانسیل تورم خاک در نظر گرفته شده است. بسیاری از طرح های طبقه بندی در ادبیات مهندسی ژئوتکنیک برای تشخیص درجه پتانسیل تورم خاک بر اساس حد مایع خاک های ریزدانه موجود است.

شاخص خمیری: تفاوت بین حد مایع و حد خمیری خاک های ریزدانه شاخص خمیری نام دارد. هرچه شاخص خمیری بالاتر باشد، پتانسیل تورم خاک بیشتر خواهد بود. طرح های مختلف موجود برای تشخیص انبساط خاک بر اساس شاخص خمیری خاک ها در جدول 2 آورده شده است.

2. از طریق حد انقباض در خاک:

حد انقباض: نشان‌دهنده مقدار درصدی از رطوبت است که برای کمتر از آن، کاهش حجمی توده خاک متوقف می شود و از این رو، به عنوان معیاری برای ثبات حجمی خاک در محل در نظر گرفته می شود. جداول زیر طرح های موجود برای شناسایی پتانسیل تورم خاک های ریزدانه را بر اساس حد انقباض ارائه می دهند.

3. از طریق اندازه ذرات:

بسیاری از محققین معیارهایی را بر اساس درصد کسر اندازه رس (به عنوان مثال، اندازه <0.002 میلی متر) یا محتوای کلوئیدی (یعنی محتوای ذرات با اندازه کمتر از 0.001 میلی متر) برای پیش بینی پتانسیل تورم خاک های ریزدانه پیشنهاد کرده اند که در جدول زیر آورده شده است.

فعالیت: فعالیت یک خاک به طور معمول به عنوان نسبت شاخص خمیری خاک به درصد اندازه ذرات رس آن محاسبه می شود. خاک ها را می توان بر اساس فعالیت آنها طبق دستورالعمل های ارائه شده در جدول 7 طبقه بندی کرد.

روش های مستقیم

روش هایی که در این دسته قرار می گیرند پتانسیل تورم خاک را مستقیماً اندازه گیری می کنند.

1. آزمایش‌ تحکیم: مفیدترین و قابل اعتمادترین ارزیابی پتانسیل تورم یک خاک را می توان از آزمایش‌ تحکیم معمولی به دست آورد.

با توجه به مطالعه هولتز و گیبز (1956)، معیار طبقه بندی درجه انبساط خاک، تغییر حجم کل خاک از حالت خشک به حالت اشباع تحت بار اضافی 7 کیلو پاسکال در آزمایش تحکیم است.

طبق گفته مطالعه سید و همکاران (1962)، معیار طبقه بندی درجه انبساط خاک، درصد انبساط نشان داده شده توسط خاک فشرده شده در حداکثر چگالی خشک و رطوبت بهینه تحت بار اضافی 7 کیلو پاسکال است.

2. آزمون تورم آزاد (FSV): این آزمون برای اولین بار توسط هولتز و گیبز (1956) پیشنهاد شد. این آزمایش شامل ریختن آهسته 10 سانتی متر مکعب از خاک (در شرایطی که در کوره خشک شده و از الک 425 میکرومتر عبور کرده باشد) در یک ظرف اندازه گیری 100 سانتی متر مکعبی پر از آب مقطر و توجه به حجم تعادلی رسوب تشکیل شده است. سپس مقدار تورم آزاد به عنوان افزایش حجم خاک نسبت به درصد حجم اولیه خاک محاسبه می شود.

هولتز و گیبز (1956) هیچ مقدار خاصی از تورم آزاد را برای طبقه بندی خاک ها توصیه نکرده بودند. با این حال، آنها یک رابطه تصویری بین FSV و تغییر حجم نمونه های خاک دست نخورده قرار داده شده در تثبیت سنج آزمایشگاهی از شرایط خشک به اشباع در هوا تحت باری در حدود 7 کیلو پاسکال (یعنی 1 psi) پیشنهاد کردند (شکل 1).

رابطه بین مقدار تورم آزاد و تغییر حجم (شرایط خشک تا اشباع در هوا تحت بار 7 کیلو پاسکال) (هولتز و گیبس 1956)

محدودیت دیگر این روش این است که جرم خاک موجود در حجم خشک 10 سانتی متر مکعب متغیر است. اندازه گیری حجم 10 سانتی متر مکعب خاک خشک صرفاً بر اساس قضاوت آزمایش کننده است و تغییرات چگالی خاک که به ارتفاع ریختن خاک در ظرف بستگی دارد را در نظر نمی گیرد.

سخن پایانی

روش های مختلف شناسایی خاک های متورم شونده را می توان به طور کلی به دو دسته تقسیم کرد: روش های شناسایی کانی شناسی و روش های آزمایشگاهی. این مقاله به بررسی این دو گروه از روش ها و زیر گروه های آنها پرداخته و محاسن و محدودیت های روش های مختلف را بیان کرده است. در انتها روش نسبت تورم آزاد نشان داده شده است که روشی ساده و کاربر پسند است که می تواند در زمینه مشخص کردن خاک های متورم شونده و شناسایی ترکیب کانی آنها، به کار گرفته شود.