دانلود مقاله خاک

خاک
به نظر می رسد که انسان اولیه تا زمانی که مواد غذایی خود را از طریق شکار بدست می آورده، چندان توجهی به خاک نداشته ولی به تدریج که کشت و دامپروری جایگزین شکار شد، اهمیت خاک نیز افزایش یافته است.

این تغییر روش در حدود 9000 سال پیش در کوههای زاگرس و خوزستان و قسمتی از عراق امروزی بین رودخانه های دجله و فرات صورت گرفته و در واقع اولین کشاورزی از ایران آغاز شده است.

تعریف خاک (Soil - Earth)
از نقطه نظر یک متخصص کشاورزی، خاک ماده ای است که گیاه در آن قابل رشد بوده و زندگی آن را تأمین می کند.

از نقطه نظر یک زمین شناس، خاک مفهوم چندان مشخصی نداشته و کلاً به مواد پست و جدا از همی که از تجزیه سنگ ها حاصل شده اتلاق می شود.

اما از نقطه نظر مهندسین خاک مفهوم نسبتاً وسیع تری دارد.

در نظر یک مهندس خاک، خاک عبارتست از هرگونه مواد معدنی تحکیم نیافته ای که از ذرات جامد مجزا از هم که حفرات بین آنها را هوا و یا سایر گازها و مایعات علی الخصوص آب اشغال کرده است و لذا بر طبق تعاریف فوق، متخصصین کشاورزی بیشتر به خاک های ارگانیک (آلی) توجه دارند و مهندسین بیشتر به خاک های غیر ارگانیک.

از بحث فوق دیده می شود که در نظر مهندسین خواص فیزیکی و مکانیکی خاک، از نظر متخصصین کشاورزی خواص شیمیایی و فیزیکی آن و از نظر زمین شناسان خواص منیرالوژی آن مهم می باشد.

منشاء خاک ها
سنگ های تشکیل دهنده پوسته رویی زمین برحسب منشاء تشکیل آنها به سه گروه تقسیم می شوند:
سنگ های آذرین Igneous Rocks
سنگ های رسوبی Sedimentary Rocks
سنگ های دگرگون Metamorphic Rocks
سنگ های آذرین سنگ هایی هستند که مستقیماً از سرد شدن مواد مذاب آتشفشان تشکیل می یابد.

چنانکه مواد مذاب به کندی سرد شوند، منیرال های مختلف به صورت بلورهای مجزا و درشت تبلور یافته و ساختمان گرانیتی سنگ های آذرین بوجود می آید.

چنانچه مواد مذاب با سرعت بیشتری سرد شوند، بلورهای خیلی ریزتر تشکیل می شوند که بوسیله یک ماده شیشه ای شفاف و چسب مانند پوشانیده می شوند.

سنگ های آذرین و سایر انواع سنگ ها بر اثر هوازدگی مکانیکی و هوازدگی شیمیایی به ذرات کوچکتر و منیرال های جدید از نوع سنگ مادر و سایر انواع مواد معدنی تجزیه می شوند.

این ذرات کوچک و منیرال های جدید، بعد از انتقال بوسیله آب و باد، به صورت لایه هایی در سطح زمین رسوب می نمایند که بعداً ذرات متشکله آن توسط مواد چسبنده محلول و شناور در آب به داخل لایه های مذکور نفوذ می نمایند و بهم می چسبند.

این عمل چسبیدن ذرات کوچکتر تحت فشار وزن لایه های فوقانی سنگ های رسوبی را بوجود می آورد.

سنگ های دگرگونی از سنگ های آذرین و سنگ های رسوبی تحت فشار و حرارت زیاد حاصل می شوند.

فشار و حرارت خیلی زیاد باعث تبلور مجدد مواد معدنی به بلورهای جدید می شود.

هوازدگی مکانیکی نظیر انجماد و ذوب مکرر، ساییدگی سنگ های توسط جریان آب، باد و امواج در امتداد سواحل، قطعات سنگی را به ذرات کوچکتری نظیر سنگریزه، شن، ماسه، سیلیت (لای) و یا حتی ذرات خیلی کوچکتر تبدیل می نماید.

این ذرات جدا از هم و نیز موادی که توسط آب و باد رسوب داده شده خاک را تشکیل می دهند.

اندازه قطعات سنگی که توسط جریان آب حمل می شود، کاملاً بستگی به سرعت جریان دارد.

وقتی که سرعت جریان کاهش می یابد، ذرات سنگین تر بتدریج رسوب خواهند کرد و با کاهش بیشتر سرعت، ذرات کوچک و کوچکتر نیز رسوب خواهند کرد.

تغییر اندازه ذرات رسوب یافته با سرعت جریان باعث مجزا شدن ذرات مختلف شده و با تغییر سرعت لایه هایی متشکل از سنگریزه، شن، ماسه، لای و رس رسوب می نمایند.

سنگریزه و شن ها معمولاً از قطعات کوچک سنگها همراه با قطعات کوارتز، فلدسپات و سایر منیرال ها تشکیل یافته اند.

ماسه ها معمولاً از ذرات کوارتز، فلدسپات و گاهی ذراتی از سایر منیرال ها تشکیل می یابند و گاه نیز از ذرات حاصل از سنگهای ریزدانه مثل بازالت و اسسبدین تشکیل می شوند.

سلیت ها مرکب از ذرات کوارتز همراه با سایر منیرال هایی تشکیل شده اند که مقاومت خیلی زیادی نسبت به هوازدگی شیمیایی از خودشان نشان می دهند.

رس ها از ذرات بسیار کوچک و پولک مانند مثل ذرات میکا، کائولین مونت موریلونیت و سایر مینارال ها تشکیل می یابند که قسمت اعظم آنها به ذرات کلوئیدی تبدیل یافته اند.

بنا به مبحثی که در فوق ذکر گردید، خاکها را می توان برحسب منشاء و فرم تشکیل آنها طبقه بندی نمود.

در یک طبقه بندی کلی خاکها را می توان به انواع خاکهای انتقال یافته یا Transported soils و خاکهای در جا یا Insitu soils طبقه بندی نمود.

خاکهای انتقال یافته در اثر حمل ذرات مختلف که در اثر هواگیری و خرد شدن سنگهای مختلف حاصل شده، توسط عوامل انتقال مثل آب، باد یا امواج و رسوب آنها در محل دیگر تشکیل می شوند.

این خاکها معمولاً دارای عمق نسبتاً زیاد بوده و عموماً مطبق می باشند.

خاکهای درجا معمولاً در اثر هوادیدگی سنگها در محل خود حاصل می شوند.

در این حالت عموماً لایه های رویی سنگهایی که در سطح زمین قرار گرفته اند، بتدریج تبدیل به خاک می شوند.

این گونه خاکها عموماً دارای عمق کم می باشند، ولی در جایی که دارای اقلیم گرم و مرطوب باشد، پس از مدت زمان بسیار طولانی، ممکن است خاکهای درجا با عمق نسبتاً قابل ملاحظه حدود 100 متر یا بیشتر نیز تشکیل شود.

خاکهای درجا اکثراً ممکن است با مواد و بقایای حاصل از جانداران کوچک و گیاهان مخلوط شده و خاکهای ارگانیک را تشکیل دهند.

طبقه بندی خاکها در صحرا برحسب مواد متشکله و مشخصات فیزیکی
1- شن و ماسه (خاکهای درشت دانه) Grarel And Sand
عبارتند از ذرات غیر چسبنده متشکل از قطعات مدور یا گوشه دار کم و بیش از همان منیرال های سنگ اصلی بدون تغییر شیمیایی عمده تشکیل یافته اند.

از نظر اندازه، ذرات تا 3 میلیمتر را ماسه و ذرات بین 3 میلیمتر تا 2 سانتیمتر را شن و سنگریزه، 2 تا 8 سانتیمتر را قلوه سنگ و قطعات بزرگتر از 8 سانتیمتر را لاشه سنگ می نامند.

2- هاردپن Hardpan
عبارت است از خاکی که مقاومت بسیار زیادی از نظر نفوذ وسایل حفاری دارد.

بیشتر این نوع خاکها از ذراتی با دانه بندی خوب و نسبتاً چسبنده و بسیار متراکم تشکیل یافته اند.

3- سیلت غیر آلی Inolganic
عبارت است از ریزدانه با پلاستیسیته خیلی کم.

این نوع خاک را اغلب ممکن است با رس اشتباه نمود که البته با آزمایش های بسیار ساده ای در صحرا می توان این دو را از هم تشخیص داد.

4- سلیت آلی Organic silt خاکی است ریزدانه کم و بیش پلاستیک حاوی ذرات ارگانیک یا آلی.

پوسته و قطعات نیمه پوسته گیاهان نیز ممکن است در آن یافت شود.

5- رس غیر آلی Inolganic clay خاکی است مرکب از ذرات میکروسکوپی و بسیار کوچک که از تجزیه شیمیایی مواد متشکله سنگها حاصل می شود.

به صورت مرطوب دارای پلاتسیته متوسط تا خیلی زیاد بوده وقتی که خشک باشد، بسیار سخت می باشد.

قدرت تورم خاک رس در مجاورت آب بسیار بالاست.

6- رس آلی Organic clay نوعی از خاک رس است که حاوی مقداری مواد ارگانیک بسیار ریز می باشد.

رنگ آنها خاکستری تیره یا سیاه بوده و ممکن است بوی مخصوص نیز داشته باشد.

7- پیت Peat خاکی است منحصراً متشکل از ذرات میکروسکوپیک حاصل از پوسیدگی و تجزیه گیاهان.

رنگ آنها از قهوه ای روشن تا سیاه تغییر می کند.

طبقه بندی خاکها براساس مقاومت ظاهری 1- خاکهای درشت دانه (شن و ماسه) خاکهای درشت دانه برحسب درجه تراکم به گروههای زیر تقسیم می شوند: سست LooSE متوسط Mediom متراکم Dense 2- خاکهای ریز دانه (سلیت و رس) خاکهای ریز دانه را برحسب درجه سفتی آن به شرح زیر تقسیم می نمایند: نرم Soft متوسط Mediom سفت Stiff سخت Hore طبقه بندی براساس رنگ عموماً تغییر رنگ در لایه های خاک دلیل بر تغییر نوع خاک نیز خواهد بود.

مثلاً اگر قسمت رویی یک لایه خاک رسی دارای رنگ زرد یا قهوه ای و سفت تر از قسمت های زیرین باشد، این نشانه آن است که قسمت رویی در معرض تبخیر شدید قرار گرفته و احتمالاً هوادیدگی نیز در آن رخ داده است.

معمولاً رنگ خاک به ترکیب شیمیایی مواد موجود در آن نیز بستگی دارد بطوریکه اکثر خاکهایی که حاوی ترکیبات اکسید آهن باشند، به رنگ قرمز ظاهر می شوند.

رنگ های تیره و سیاه معمولاً نشان دهنده خاکهای ارگانیک خواهند بود.

طبقه بندی براساس شرایط و محیط تشکیل خاک اغلب خاکها در شرایط ویژه ای که می یابند، دارای خصوصیات ویژه ای متفاوت با سایر خاکها خواهند بود و لذا طبقه بندی آنها را نیز می توان براساس محل و شرایط ویژه تشکیل آن قرار داد.

1- خاکهای درجا Insitu soils خاکهایی هستند که در همان محل تشکیل خود و بر روی سنگ مادر قرار دارند.

این خاکها دارای عمق نسبتاً کم بوده و از جنس سنگ مادر می باشند.

2- خاکهای انتقالی Tlonspolted soils خاکهایی هستند که توسط عوامل مختلف مانند آب، باد، یخچالها … از محل تشکیل به محل دیگری انتقال یافته و رسوب می نمایند.

خاکهای انتقالی خود برحسب عامل انتقال دهنده به گروههای زیر تقسیم می شوند: خاکهای آبرفتی Alluviall soils خاکهایی هستند عموماً درشت دانه متشکل از شن و ماسه.

این خاکها در اثر رسوب ذرات حمل شده توسط رودخانه، در دشتها و جلگه های مسیر آن ایجاد می شوند.

عموماً دارای لایه بندی بوده و در هر لایه یکنواخت می باشند.

خاکهای باد رفتی Aealian soils خاکهایی هستند که توسط باد انتقال می یابند و عموماً از نوع ماسه ریز یا سلیت درشت می باشند.

خاکهای پادرختی Aeoliann soils خاکهایی هستند که توسط باد انتقال می یابند و عموماً از نوع ماسه ریز یا سلیت درشت می باشند.

خاکهای پادرختی سلیتی تشکیل خاکی موسوم به Loess را می دهند.

خاکهای یخچالی Glacial Till این خاکها از رسوبات غیر لایه ای یخچالها مانند رس، سیلت، ماسه، شن، سنگ ریزه، قلوه سنگ، لاشه سنگ و قطعات سنگی بزرگتر بطور مخلوط و غیر یکنواخت تشکیل می شوند.

این رسوبات در مسیر یخچالهای طبیعی و در محل ذوب آنها تشکیل شده و عموماً در نواحی یخچالی یافت می شوند.

خاکهای رسوبی آب شیرین Lacust line Soils این خاکها عموماً از رسوب مواد حمل شده توسط رودخانه در دریاچه های آب شیرین حاصل می شوند.

معروف ترین آنها خاک رس مطبق یا varved clay می باشد که خاکی است مرکب از لایه های متناوب سیلت غیرآلی به رنگ خاکستری روشن و رس سیلتی تیره.

خاکهای رسوبی دریایی Marine Sediments این خاکها از رسوب مواد معلق موجود در رودخانه ها که به دریا حمل شده است ایجاد می شوند و عموماً ریز دانه بوده، پس از تشکیل دارای لایه بندی مشخص می باشند.

خاکهای کوه ریز Colluvial Soils این خاکها معمولاً در دامنه های شیب های طبیعی تند و در اثر ریزش قسمت هایی از کوه ها حاصل می شود.

از مشخصات عمومی آن عدم تجانس و یکنواختی ذرات و همچنین عدم وجود لایه بندی را می توان نام برد.

خاکهای دستی Fill Soils این خاکها توسط انسان از محلی به محل دیگر حمل می شود و به دو طریق کنترل شده و یا کنترل نشده ریخته می شوند.

خاکهای دستی کنترل شده معمولاً در زیرسازی راهها و باند فرودگاهها و یا سایر عملیات ساختمانی (مثل سدهای خاکی) مورد استفاده قرار می گیرند.

خاکهای دستی کنترل نشده معمولاً از خاکهای اضافی حاصل از تخریب ساختمانهای قدیمی و یا خاک حاصل از گودبرداری و همچنین زباله و مواد زایدی که در بعضی از نقاط روی هم انباشته می شود تشکیل می گردند.

خاکهای صنعتی Industrial Soils این خاکها عموماً از مواد زاید بعضی از کارخانجات صنعتی مانند مواد زاید کوره بلند ذوب آهن تشکیل شده و در شرایط مشخصی مورد استفاده قرار می گیرد.

به عنوان نمونه خاک SLAG را می توان نام برد که در تهیه بتن مورد استفاده قرار می گیرد.

تشکیل خاک پیشقراول مکتب خاک شناسی در شوروی دوکوچائف بود که برای اولین بار خاک را یک جسم طبیعی انگاشت و برای آن افق های مختلفی در نظر گرفت.

هر افقی تحت تاثیر عوامل خاک سازی یعنی آب و هوا، موجودات زنده، زمان و پستی و بلندی قرار دارد و این عوامل بر روی سنگ مادر خاک معینی را بوجود می آورد.

بنابراین مجموعه عواملی از قبیل عوامل فیزیکی، شیمیایی و حیاتی موجه خاک می باشد، ولی بسته به شرایط محیط، سرعت فعل و انفعالاتی که در خاک صورت می گیرد، از خاکی به خاک دیگر متغیر است و در نتیجه مشخصات متفاوتی ایجاد می کند.

واکنش هایی که در خاک صورت می گیرد برحسب یکی از عوامل زیر می باشد: افزایش به خاک انتقال از خاک انتقال در خاک تغییر شکل در خاک 1- افزایش به خاک مواد آلی که از تجزیه نباتات و موجودات زنده در خاک حاصل می شود یکی از بدیهی ترین امثال برای این گروه می باشد.

مقدار مواد آلی در خاک بتدریج افزایش می یابد تا به حد متعادلی برسد.

این حد تعادل در خاکهای مختلف متعادل است.

اکسیژن و گازکربنیک نیز از طریق هوا به خاک افزوده شده و در بسیاری از فعل و انفعالات خاک شرکت می کنند.

گوگرد بصورت SO2 محلول در باران، به میزان 5 کیلو در هکتار و در حوالی کارخانجات به میزان 100 کیلو در هکتار، سالانه به خاک افزوده می شود.

همین افزایش کافی است که از کمبود سولفور در بسیاری از خاکها جلوگیری کند.

ازت، آب و غیره به خاک اضافه می شود.

2- انتقال از خاک بعضی از عناصر مانند Ca, Mg, K از خاک آبشویی یافته و از آن خارج می شود.

شدت این آبشویی در آب و هوای مرطوب به حداکثر می رسد.

فرسایش بادی و آبی نیز بخشی از خاک را انتقال می دهد.

نباتات با جذب عناصر غذایی، مقدار آنها را تغییر داده و برخی از عناصر را به صورت کلش به خاک بر می گرداند.

3- انتقال در خاک بخشی از رس موجود در افق A به افق B انتقال یافته و در آنجا تراکم حاصل می کند.

آهن نیز مهاجرت کرده و به صورت سخت دانه ها مشاهده می شود.

حیوانات موجود در خاک با حرکت خود مواد مختلف خاک را با هم مخلوط کرده و محیط همگنی فراهم می کند.

البته این عمل افق بندی خاک را به تعویق می اندازد.

4- تغییر شکل در خاک عواملی از قبیل درجه حرارت، نیروی ثقل، آب، باد، یخبندان و ریشه نباتات، تحولاتی در خاک پدید می آورد.

واکنش های مختلف شیمیایی از قبیل آبگیری، هیدرولیز، اکسیداسیون و احیاء و تبادل کاتیونی و غیره جزء این گروه می باشند.

هر یک از چهار عامل فوق بالدانه در تشکیل خاک دخالت دارند، ولی تاثیر نسبی هر یک بسته به محیط متفاوت است.

اگر سرعت نسبی این فعل و انفعالات یکسان باشد، در این صورت با گذشت زمان مشخصات ایجاد شده در افق های مختلف با وضوح بیشتری نمایان خواهد شد ولی نوع خاک ثابت باقی می ماند.

اما اگر یکی از عوامل تغییر کند، در این صورت سرعت نسبی واکنش های مربوط به آن عامل نیز تغییر کرده و در طول زمان، مشخصات جدیدی بروز می کند و در نتیجه خاک جدیدی تشکیل خواهد شد.

اگر گودالی به عمق دو متر در خاک حفر کنیم، ملاحظه می شود سطحی که نمایان می گردد، از لایه های مختلفی مرکب است که از نظر خواص و مشخصات، با یکدیگر متفاوت است و هر چه تکامل خاک بیشتر باشد، این لایه ها با وضوح بهتری رویت شده و نتایج آزمایشات هر لایه تفاوت محسوسی با لایه های زیرین و زبرین خواهد داشت.

این لایه ها را در خاک شناسی به نام افق یا Horizon نامیده و مجموع افق ها را نیمرخ خاک یا Soil Profile می نامند.

چنین معمول است که این افق ها را از سطح خاک تا سنگ بستر با حروفی مانند D, C, B, A نشان می دهند و مشخصات فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی هر یک از آنها مبین مجموعه فعل و انفعالاتی است که در طول زمان بر روی سنگ مادر یا بستر، اعمال شده است.

عمق خاک در مکتب شوروی عبارت است از: عمق تحتانی ترین افق خاک.

البته این تعریف کامل نیست چه در خاک های جوان و یا بدون افق، عمق خاک صفر منظور خواهد شد و منطقی به نظر نمی رسد.

عمق نفوذ ریشه ها نیز می تواند در نظر گرفته شود ولی باز حد معقولی برای آن نمی توان متصور شد.

در تشکیل خاک دو نکته را می توان متذکر شد: اول تشکیل مواد مادری و دوم ایجاد افق های مختلف در خاک.

مواد مادری خاک یا از متلاشی شدن و هوادیدگی سنگها در محل ایجاد می شود و یا ممکن است مواد متلاشی شده بوسیله آب، باد، یخچالها و نیروی ثقل انتقال یافته و سپس در محلی نهشته شود.

معمولاً انتقال و ترسیب مواد را در زمین شناسی مطالعه کرده ولی ایجاد افق های مختلف و بطور کلی خاک، جزء علوم خاک شناسی می باشد.

هوادیدگی از دو گروه فعل و انفعالات مشتمل است: گروه اول عوامل تخریب مکانیکی هستند که منجر به متلاشی شدن سنگها می شوند.

گروه دوم تجزیه شیمیایی و ایجاد کانی های جدید از مواد متلاشی شده است.

تاثیر این عوامل را در رابطه زیرین می توان نشان داد.

مواد محلول + کانی های ثانوی + کانی های اولیه مقاوم (آب و اسیدهای آبی) + سنگ مادر.

تخریب فیزیکی یا مکانیکی در این تخریب سنگها به قطعات کوچکتری تبدیل می شوند بدون آنکه در ترکیب شیمیایی آنها تغییری حاصل شود.

برخی از نیروهایی که موجب تخریب و متلاشی شدن سنگها است منشاء خارجی داشته و گروهی دیگر از درون احجار سرچشمه می گیرد.

مهمترین عوامل تخریب مکانیکی عبارتند از: 1- درجه حرارت در نواحی خشک و صحراها تغییر درجه حرارت شب و روز به هفتاد درجه بالغ می شود.

کانی های سازنده احجار مختلف این نواحی به علت آنکه ضرایب انتقال گرما در آنها یکسان نیست و به علت انبساط و انقباض به تدریج متلاشی شده و به ذرات کوچکتری تبدیل می شود.

کاهش درجه حرارت همچنین سبب انجماد آب شده و بر حجم آن می افزاید.

حجم یک لیتر آب هنگامی که به حالت مایع در می آید، 09/1 لیتر شده که سنگها را خرد کند، خاکهای صحرایی قطبی اکثراً بدین ترتیب ایجاد می شوند.

2- آب و باد و یخ این سه عامل نیز در متلاشی کردن و همچنین انتقال سنگهای مادر موثر است، ولی به کندی صورت می گیرد.

اگر یک قطعه سنگ گرانیتی به قطر 20 سانتیمتر را در نظر بگیریم، این قطعه سنگ پس از طی یازده کیلومتر در بستر رودخانه، به قلوه سنگ 2 سانتیمتر کاهش می یابد.

به طور کلی بافت سنگهای آذرین و دگرگونی در چگونگی تخریب آنها موثر است.

سنگی که ذرات متشکله آن درشت است، از سنگی که ذرات یا بافت ریزتری دارند، زودتر و بیشتر متلاشی می شوند.

ابعاد ذرات متشکله سنگ رسوبی معمولاً تفاوت چندانی با یکدیگر ندارند.

مثلاً ماسه سنگ و یا کوارتزیت تقریباً فقط از یک نوع کانی مرکب است و در تخریب آن نوع سیمان یا ملاتی که ذرات را به هم می چسباند، نقش عمده را داراست.

سنگهایی که در آنها ذرات درشت به مقدار فراوان وجود ندارد، نمی توان موجر خاکی با بافت درشت شود.

مثلاً سنگ آهک خالص ضمن عمل تخریب، خاکی با بافت رسی ایجاد می کند.

مقدار مواد درشت را که در اثر تخریب سنگهای رسوبی عاید می شود، از میزان ترکیبات غیر محلول در اسید این احجار می توان تخمین زد.

بطور کلی هر چه سنگ، سیلیس بیشتری داشته باشد در خاک حاصله کوارتز به مقدار بیشتری یافت می شود.

در اثر هوادیدگی، گرانیت نسبت به بازالت مواد غیر محلول بیشتری ایجاد می کند.

بطور کلی مقدار مواد غیر محلول در سنگهای زیر به تدریج کاهش پیدا می کند.

3- املاح در بعضی موارد املاح سبب متلاشی شدن سنگها می شود.

مثلاً محلولهای فوق اشباع دارد و در نتیجه، در مناطق خشک که املاح فوق اشباع، حجم کمتری از محلولهای اشباع دارد و در نتیجه، در مناطق خشک که املاح فوق اشباع یافت می شود، می تواند به سنگهای اطراف، فشار قابل توجهی وارد سازد.

در اثر آبگیری نیز حجم بعضی املاح افزایش می یابد.

مثلاً سولفات کلسیم که حجمی معادل 46 سانتیمتر مکعب دارد، در اثر جذب یک مولکول آب، 74 سانتیمتر مکعب حجم پیدا می کند.

ازدیاد حجم معمولاً موجب متورق شدن سنگها می شود.

4- تناوب خشکی و رطوبت در نقاطی که خشکی و رطوبت بطور متناوب مشاهده می شود، هوادیدگی و تخریب سنگها پیش می آید.

علت احتمالی این تخریب را بایستی در ساختمان ویژه مولکول آب جستجو کرد.

در هر مولکول آب، بار منفی ناشی از اکسیژن و بار مثبت هیدروژن در یک نقطه متمرکز نیست و لذا مولکول آب مانند مغناطیس دارای دو قطب مثبت و منفی است که سبب می شود آب را یک جسم دوقطبی یا یک قطبی تصور کنیم.

در چنین حالتی هر مولکول آب، از طرفی که تمرکز بار مثبت در آن بیشتر است، به ذره خاک که معمولاً دارای بار منفی است می چسبد و مولکولهای آب دیگر به نحوه ای توجیه می شود که مانند حلقه های زنجیر، همگی از طریق دو قطب غیرهمنام به یکدیگر متصل می شود.

به نظر می رسد که تناوب دوران خشک و مرطوب موجب نظم خاصی در این مولکول ها گشته و ساختمان آب در چنین موقعیتی مشابه یخ می شود که با افزایش حجم و فشار همراه است.

هوادیدگی یا تخریب شیمیایی در تشکیل خاک، تجزیه های شیمیایی نقش عمده را به عهده دارد و نه تنها بر روی احجار متلاشی شده به انحاء مختلف موثر است، بلکه موجب کانی های جدید یا کانی های ثانویه می شود که خواص فیزیکی و شیمیایی خاک را معین می کند.

در تمام این فعل و انفعالات، آب نقش اساسی را به عهده دارد، زیرا نه تنها موجب انحلال املاح و کانی های بی شمار است، بلکه با انتقال آنها نیز محیط کاملاً جدیدی عرضه می دارد.

حلالیت آب هنگامی که محتوی اسید یا بازی است، افزایش می یابد.

در مناطق مختلف سرعت فعل و انفعالات شیمیایی متفاوت است.

در مناطق معتدل سرعت فعل و انفعالات شیمیایی کم و در مناطق گرم و مرطوب حاره، شدت این واکنش ها به حداکثر می رسد.

اختلاف آب و هوا سبب می شود که در مناطق معتدل، سیلیکات ها و در نتیجه رس ها، بخش اعظم کانی های ثانوی را شامل شود، ولی در آب و هوای مرطوب و حاره، به علت آبشویی مداوم سیلسیم، خاکهایی که ایجاد می شود سرشار از اکسیدهای مختلف آهن، آلومینیوم و منیزیم است.

احجار و کانی های مختلف دارای درز و ترک هایی است که آب را از خود عبور می دهند و بدین وسیله موجبات تخریبات شیمیایی را که بدون امکان پذیر است فراهم می سازد.

حل و مزج موجود در خاک معمولاً شبکه مرتبطی بوجود می آورد و آب ضمن حرکت، علاوه بر ترکیب با کانی های مختلف و انحلال و انتقال آنها، موقعیت محیط را از نظر اکسیداسیون و احیاء که نقش عمده ای را در تعیین نوع هوادیدگی و مواد حاصله دارد، تعیین می کند.

اکتشافات خاک در هر مکانی که ایجاد یک بنا یا ساختمان یا هر نوع تاسیسات مهندسی مورد نظر باشد، قبل از هر اقدامی باید موطه شناسایی خاک و عوارض موجود و همچنین تهیه نمونه از محل انجام پذیرد.

مجموعه این عملیات یعنی شناسایی لایه های خاک، عوارض موجود و نمونه برداری از خاک به نام اکتشاف نامیده می شود و در حقیقت این عملیات مقدمه طرح پی می باشد.

عملیات اکتشاف خاک با حفر یک سری چاههای شناسایی موسوم به چاه گمانه و با بررسی گودال ها و مناطق حفاری شده موجود انجام می پذیرد.

بررسی خاکی که بر روی آن قرار می گیرد حتی برای ساختمان های متوسط نیز ضروری است.

این بررسی ها باید قبل از طرح ساختمان و صدور پروانه صورت می گیرد و هدف از آن معین نمودن پارامترهای خاک طرح و محاسبه پی می باشد.

برای بدست آوردن این اطلاعات، اکتشاف و بررسی خاکهای تحت الارضی ضروری می باشد.

نشست خاک در شرایطی که بارهای زیاد و خارج از تحمل خاک بر خاک وارد می شوند، لایه های خاک متحمل مقدار مشخصی فشردگی و نشست خواهند شد.

این نشست در اثر تغییر شکل ذرات خاک، تغییر جا و مکان آنها، خروج آب یا هوا از داخل منافذ و دلایل دیگر می تواند باشد.

بعضی دیگر از این عوامل یا همه آنها تابع شرایط مربوط به خاک می باشند.

به طور کلی نشست خاک به دو نوع زیر قابل تقسیم است: نشست تحکیم: که ناشی از کاهش حجم خاک اشباع بر اثر خروج آب داخل منافذ می باشد.

نشست آنی: که ناشی از تغییر الاستیک خاک خشک و نیز ناشی از تغییر شکل الاستیک خاکهای مرطوب و اشباع بدون هیچگونه تغییری در میزان رطوبت آنها می باشد.

تعیین نشست آنی معمولاً مبتنی بر روابط متکی بر تئوری الاستیسیته، انجام می پذیرد.

در این قسمت اصول مربوط به تعیین نشست تحکیم و آنی خاکها، تحت اثر بارهای اعمال شده مورد بحث قرار می گیرد.

نشست تحکیم اصول مربوط به تحکیم زمانی که خاکی اشباع در معرض افزایش قرار می گیرد، فشار آب منفذی به طور ناگهانی افزایش می یابد.

در خاکهای ماسه ای که بسیار نفوذ پذیر می باشند، آب به دلیل خصوصیت زهکش بودن ماسه سریعاً خارج و خازهکشی می شود.

خروج آب منفذی همراه با کاهش حجم خاک بوده و به شکل نشست رخ می نماید.

به دلیل خروج سریع آب منفذی از داخل خاک ماسه ای، نشست آنی و تحکیم همزمان خواهند بود.

وقتی که یک لایه رس اشباع و نشست پذیر در معرض افزایش تنش قرار می گیرد، بلافاصله نشست الاستیک خواهیم داشت.

به دلیل آنکه ضریب نفوذپذیری رس عمدتاً از ماسه کوچکتر است، فشار آب منفذی اضافی تولید شده در اثر اعمال بار، به تدریج در طی مدت طولانی بعد از نشست آن ادامه پیدا کند و متحملاً نشست ناشی از عمل تحکیم در رس نرم چندین برابر نشست آنی است.

تغییر مکان وابسته به زمان رس های اشباع را می توان با ملاحظه مدل رئولوژی ساده ای که دارای یک فنر ارتجاعی (الاستیک) و یک میراگر بوده و به طور موازی به هم وصل شده اند (مدل کلوین، شکل 1) به بهترین وجهی درک کرد.

رابطه تنش – کرنش فنر و میراگر به صورت زیر می باشد: فنر (2) میراگر در این رابطه = تنش = کرنش (تنجش) = ثابت فنر = ثابت میراگر = زمان می باشد.

واکنش ویسکوالاستیک مربوط به تنش در شکل 1 را می توان به صورت زیر نوشت: (3) چنانچه تنش در زمان t = 0 اعمال شود و بعد از آن نیز ثابت باقی بماند، رابطه کرنش مربوط به هر زمانی مانند t با حل معادله دیفرانسیل قبل می تواند به دست آید.

بنابراین: که در آن: = کرنش مربوط به زمان t = 0 می باشد.

چنانچه برابر با صفر قرار داده شود در این صورت: (5) شکل تغییرات کرنش نسبت به زمان که با رابطه قبل بیان شد، در شکل 2 نشان داده شده است.

در زمان t = کرنش به مقدار حداکثر خود یعنی میل می کند.

این همان کرنشی است که فنر بلافاصله پی از اعمال تنش به تنهایی و بدون آنکه میراگر به آن چسبیده و ملحق باشد، تحمل خواهد کرد.

توزیع تنش بین فنر و میراگر در زمانی مانند t می تواند از طریق روابط 3 و 5 تعیین شود.

قسمتی از تنش که توسط فنر تحمل می شود عبارت است از: (6) قسمتی از تنش که توسط میراگر تحمل می شود به قرار زیر است: (7) باید توجه داشت که می باشد.

شکل 3 تغییرات و را نسبت به زمان نشان می دهد.

سهم تنش تحمل شده توسط فنر به تدریج با گذشت زمان افزایش و تنش تحمل شده توسط میراگر با سرعتی برابر و به یک میزان کاهش می یابد.

در زمان t = تنش به تمامی توسط فنر تحمل می شود.

اکنون با این ذهنیت می توان کرنش مربوط به لایه رس اشباعی را که در معرض افزایش تنش قرار می گیرد، تحلیل و بررسی گردد.

لایه ای از رس اشباع به ضخامت H که بین دو لایه ماسه ای قرار گرفته و در معرض افزایش آنی تنش کل قرار دارد، را مورد ملاحظه قرار می دهیم.

این مقدار افزایش تنش کل به آب منفذی و قسمت جامد خاک (ذرات) منتقل خواهد شد.

این بدان معناست که تنش کل با نسبتی بین تنش موثر و فشار آب منفذی تقسیم می شود.

شکل تغییرات تنش موثر شبیه با رفتار فنر در مدل کلوین خواهد بود و شکل تغییرات فشار آب منفذی با رفتار میراگر مشابه می باشد.

با استفاده از اصل تنش موثر داریم: (9) در این رابطه: = افزایش تنش موثر = افزایش فشار آب منفذی به دلیل آنکه رس دارای نفوذ پذیری (تراوایی) بسیار کمی می باشد و آب نیز در مقایسه با اسکلت خاک غیرقابل تراکم است، در زمان t = 0 تمام افزایش تنش در تمام عمق خاک (شکل 11) توسط آب تحمل نمی شود ().

هیچ مقداری از این افزایش تنش توسط اسکلت خاک تحمل نمی شود (یعنی افزایش تنش موثر ).

این موضوع شبیه به مدل رفتاری کلوین است که در زمان t = 0 و است.

بعد از اعمال تنش اضافی (افزایش تنش) به لایه رس، آب موجود داخل منافذ با فشار به بیرون حرکت و از هر دو جهت به داخل دو لایه ماسه وارد می شود.

در طی این روند، فشار آب منفذی اضافی در هر عمقی از لایه رسی به تدریج کاهش یافته و تنش تحمل شده توسط قسمت جامد خاک (ذرات) یعنی تنش موثر افزایش خواهد یافت.

بنابراین در زمان ، خواهیم داشت: مع ذالک، مقادیر و در اعماق مختلف تغییر خواهند کرد که این موضوع به کوتاهترین فاصله مسیر زهکشی (آب) از لایه ماسه ای بالا یا پایین بستگی خواهد داشت.

این مطلب با مدل رفتاری کلوین برای مشابهت دارد که در آن، تنش تحمل شده توسط فنر با کاهش مشابه ای در تنش تحمل شده توسط میراگر، افزایش می یابد.

از جهت تئوریک و نظری در زمان t = تمام فشار آب منفذی اضافی با انجام عمل زهکشی در تمام لایه رسی حذف شده و از بین می رود و بنابراین خواهد شد.

در این هنگام، افزایش تنش کل توسط اسکلت و ساختمان خاک تحمل می شود.

لذا: این مطلب نیز با رفتار فنر – میراگر که در آن زمان t = 0 و است مشابه و همانند می باشد.