خاک به عنوان مصالح ساختمانی

روش های بهبود خاک

به منظور افزایش مقاومت کششی خاک آن را مسلح می کنند. با اصطکاک ایجاد شده در کالبد خاک به وسیله گاه، شاخ و برگ درختان و موی چهارپایان از دید افزودنی های فیزیکی فیر است که این اختلاط معمولا برای خاکهای درشت دانه و شنی مناسب است.

در این روش باید فعل و انفعال شیمیایی با ذرات خاک، باعث تغییر در ویژگی ها و ساختار خاک و بهبود خواص آن گردد. از جمله این مواد، آهک و سیمان هستند تزریه دوغاب سیمان به داخل خاک، عملکردی شبیه آهک دارد. باعث بهسازی خاک در برابر پدیده های لغزش، روان گرایی، فرسایش و هوازدگی میشود.

روشهای نوین بهبود خاک

استفاده از انواع تسلیح کننده ها (تسمه های فلزی، لاستیک های فرسوده ژئوسنتیکها، پارچه گونه ها). تسلیح کننده ها با ایجاد اصطکاک بین سطح خود و خاک، کشش ایجاد شده در توده خاک را تحمل می کنند خاک مسلح بسیار انعطاف پذیر است و میرایی بالایی در برابر نیروی زلزله دارد.

استفاده از میخ کوبی و تراکم خاک میخ کوبی (nailing). ریز شمع (micropile) و میل مهار (Anchor ). تراکم خاک عملیاتی است که موجب افزایش چگالی خاک (به وسیله به هم فشرده تر شدن دانه ها و کاهش فضای خالی بین آنها در محل میشود. (افزایش وزن مخصوص خاکہ موجب افزایش مقاومت خاک می شود)

کاربردهای ژئوتکنیکی غشاها

از غشاها در کارهای خاکی نیز استفاده گستردهای میشود اصطلاح ژئوسنتیک به دستهای از مصالح بازمی گردد که در کاربردهای ژئوتکنیکی به منظور بهبود عملکرد خاک یا شالوده مورد استفاده قرار می گیرند. مشهورترین این کار برده استفاده از غشاهای ژئوتکستایل می باشد.

این مواد در حقیقت نوعی غشای ترلوا (نفوذپذیر) هستند که در احداث جاده ها، باند فرودگاهها، سدها، استخرهای نگهداری مایعات و دیوارهای خاکی، سازه های نگهبان و حابل و دیگر عملیات خاکی سایت کاربرد دارند. افزون بر کارکرد اصلی غشاهای ژئوتکستایل که مسلح سازی و تثبیت خاک است.

این مواد نقش فیلتر و جداکننده را نیز در خاک ایفا می کنند. طبیعی است که چنین موادی باید در برابر مواد شیمیایی مهاجمی که معمولا در کان یافت می شود. از پایداری خوبی برخوردار باشند و همچنین در مقابل محیطهای شیمیایی خاکهای آلوده و دیگر عوامل مخرب موجود در خاک نیز مقاوم باشند. غشاهای ژئوممبرین نیز ساختاری شبیه به ژئوتکستایل دارند، از الیاف غیریافته تولید می شوند و بیشتر در آستر کشی راه سازی کاربرد دارند.

روان گرایی خاک

به موجب این پدیده، خاک بسته یک مساحت مسطح که کاملا پایدار بوده و احتمالا از ته نشین شدن لایه های رسوبی طی صدها سال شکل گرفته به هنگام وقوع زلزله ناگهان شبیه مایع رفتار می کند. طی وقوع برخی زلزله ها، ترکیب ماسه آب، آب گونه شده و از میان شکاف های ایجاد شده در زمین به طور طبیعی به بیرون جهیده و بر روی سطح زمین رسوب می کنند.

به علت شکل ظاهری این رسوبهای رسی، به آنها ماسه جوشی اطلاق می شود. زمانی که خاک به روان گرایی مبتلا شود همه قابلیت باربری خود را از دست می دهد. نخستین راهکار برای این پدیده احداث ساختمان بر روی شمع است. هدف از این کار بردن شالوده ساختمان به پایین تر از رسوبات مستعد آپ گونگی است.

محدودیت این رویکرد، این است که شمع ها نمی توانند خاک اطراف ساختمان را از نشست حفظ کنند. به جای شمع کوبی می توان با استفاده از یکی از روش های متعدد موسوم به بهسازی خاک، بر مقاومت آن افزود. رویکردهای بهسازی خاک شامل افزایش تراکم، زهکشی و مسلح سازی خاک است. دستیابی به تراکم مورد نظر برای خاک میتواند با استفاده از روش های متفاوتی به دست آید.

روش لرزاننده های شناور شامل ایجاد حفره هایی در خاک است. که در آنها، میله های لرزاننده بزرگی قرار می گیرند. که آب را به صورت فواره از توک خود بیرون می باشند. میلمهای یاد شده در اثنای فرو رفتن در خاکه آن را متراکم می کنند. در نوع دیگر از این روش پس از بیرون کشیدن میله های لرزاننده، یک ستون سنگی به حفره وارد میکنند. تا هم خاک را مسلح کند. هم اجازه دهد که هر گونه فشار آب ناشی از زلزله به سرعت رائل روش ساده تر، فشرده سازی دینامیک به منظور افزایش چگالی خاکهای سست است که در عمق کمتر از ۱۲ متر انجام میشود در این روش، یک جرثقیل، وزنهای در حدود سی تن را از ارتفاعی بین ۱۰ تا ۲۰ متر رها می کند. تا خاک کوبیده شود. در مرحله بعل گودی های ایجاد شده را با مصالح فشرده شده پر می سازند و ساختمان را بر روی شالوده سطحی متداول بنا می کنند.

احداث ستون های بتنی یکی از روش های بهسازی خاک و ایجاد زمینه ای برای زهکشی آنها روش های دیگر کوبیدن شمع های نزدیک به هم در زمین است. این روش تراکم خاک را فشرده کردن آن بالا می برد. در خاکهای نفوذ پذیر، شامل لایه های رسوبی مانند ماسه و شن زیر زمین بر قسمتی که به اندازه کافی به مرکز پلان نزدیک باشد، سیمان با دوغاب شما به این وسیله، ذرات خاک به یکدیگر چسبیده و از وقوع آب گونگی پیش گیری شود.

خاک و مصالح ساختمانی

تمام سازه های ساختمانی روی سطح زمین تکیه می کنند. پیها آخرین بخش سازه در مسیر بارگذاری هستند. بارهایی که به وسیله ساختمان ها بر سیاره زمین وارد میشوند ناچیزند. اما این رفتار موضعی ساح زمین است که اهمیت دارد. اولین مرحله در درک رفتار مهندسی خاک، شناسایی خاکهایی است که تا به حال کشف شده اند. چنین خاکهای رسی دسته بندی شده اند. و اغلب در لایه ها یافت می شوند. در نتیجه زیر یک کارگاه ساختمانی اغلب چندین گونه مختلف خاک وجود دارد.

نمونه هایی از بسترهای سنگی عبارتند از: گرانیت، ماسه سنگ و گچ، خاک های ریزدانه شامل ماسهها و شنها و خاک های رسی، پیهای قرار گرفته روی بسترهای سنگی به ندرت مسئله ساز می شوند، زیرا آنها سخت و محکم هستند، اما پیهای روی خاک ریزدانه یا چسبناک به ملاحظات فنی دقیق نیاز دارد.

دو تفاوت اساسی بین رفتار عناصر سازهای و رفتار سازهای خاک وجود دارد: اول آنکه بخشی از خاک که به وسیله پیها بارگذاری می شود نمی تواند مانند ستون مجزا از دیگر بخش ها عمل کند، دوم اینکه بخش بارگذاری شده زمین به وسیله بخشهای بارگذاری فشرده زمین های مجاور، تحت تأثیر قرار می گیرد.

تعیین اینکه چقدر خاک مجاور تحت تأثیر بار قرار می گیرد مشکل خواهد بود اما مقدار مهم و قابل توجهی است. برای مشخص شدن دلیل این اتفاق به دو مدل ساده شده خاک نگاه کنید؛ یکی به فنرهای کویل پیچشی الاستیک ناقص و دیگری به گویهای الاستیک تعلق دارد.

رفتار مدل اول کاملا ساده است. به محض اعمال بار به پی صلب، هر فنر به صورت عمودی با توجه به میزان باربری تغییر شکل می دهند. به گونه ای که با افزایش بار این تغییر شکل نیز بیشتر می شود. کف دیواره های ظرف حرکت نمی کنند.

مدل دوم که از گویهای الاستیک

مدل دوم که از گویهای الاستیک استفاده می کند، پیچیده تر است، زیرا سه مرحله رفتار در آن وجود دارد: اول: کاهش فضاهای خالی با فشرده سازی دوم: تغییر شکل گویها تا زمانی که فضاهای خالی پر شوند؛ سوم: تغییر شکل ظرف پر شده با مواد الاستیکی این طراحی یک نمودار بار / تغییر شکل سه بخشی را به دست می دهند.

یک مدل جدید از این خاک می تواند لایه بی نهایت عریضی از گوی های الاستیک با ضخامت محدود باشد در نتیجه این لایه روی یک بستر صلب تکیه می کند.

پس از بارگیری پی، گوی در محل خود فشرده می شود، سپس گویهای مجاور شروع به تغییر شکل می کنند بدون وجود دیوارهای ظرف صلب، گویهای مجاور که بارگذاری نشده اند، باید نیروی های جانبی را تأمین نمایند.

گویهای پایینی اگر به اندازه کافی سنگین باشند. نیروهای جانبی را تأمین می نمایند. هر لایه از گویها بار خود را به لایه زیرین انتقال می دهد و هر لایه نسبت به لایه پایین تر خود دارای گوی های بیشتری است. با این روش، عمق ناحیه گوی بارگذاری شده افزایش و سطح باربر گویها کاهش می یابد.

از آنجا که خاک اغلب از گوی های الاستیک تشکیل نمی شود. یک بستر صلب وجود ندار تحت فشار زیر یک پی منفرد، حبابی شکل میشود.

اگر بار وارد پی افزایش یابد، گویهایی که به شدت تحت فشارند، می شکنند یا نیروهای حا برای گوی های بدون بار بسیار زیاد خواهد شد و این امر سبب خیزش به سمت بالا می شود.

منحنی بار خمش را می توان برای این مدل رسم کرد: مرحله اول: کاهش فضاهای خالی یا فشرده سازی؛ مرحله دوم: تغیر شکل گوی ها. مرحله سوم: گسیختگی به وسیله شکست یا خیزش.

اگر در خاک، آب باشد

اگر در خاک، آب وجود داشته باشد که اغلب نیز چنین است، رفتار ساختمان خاک باید همراه با آب مدل سازی شود. آب تقریبا غیرقابل فشردن است، در نتیجه بار وارد بر پی به وسیله فشار آب در هر دو مدل بدون تقریبا هیچ تغییر شکلی تحمل می شود.

اما اگر حفره هایی در پی ایجاد شود فشار آب کاهش یافته و به مقداری از آب اجازه خروج میدهد و در نتیجه رفتار تغییر خواهد کرد. اگر ظرف با آب پر شده باشد و فقط حفره های بسیار کوچکی در پی ایجاد شود مدت زمانی طول می کشد تا آب به بیرون نشت کند. در ابتدا، آب بار موجود را تحمل می کند. اما به تدریج که فشار آب به دلیل نشت کردن کاهش می یابد بار به فترهای کویل منتقل می شود. حال، تغییر شکل وابسته به زمان است و تحت یک بار ثابت به صورت غیر خطی تغییر شکل می دهد.

در ساختار خاک پر از آب، فشار آب در فضاهای خالی، فشار آب منفذی نامیده می شود. قبل از بارگذاری، فشار آب دقیقا ارتفاع فشاری هیدرواستاتیک است اما بارها سبب افزایش فشار آب منفذی می شوند. این افزایش با زهکشی کم می شود تا اینکه فشار به همان فشار هیدرواستاتیک برگردد. مدت زمانی که این فرایند طول می کشد، «نرخ نشست» نام دارد. هر اندازه حفره های زهکشی کوچک تر باشند. نرخ نشست نیز بیشتر است. در یک خاک واقعی هیچ ظرف صلبی وجود ندارد. بنابراین آب، همان طور که به صورت عمودی نشست می کند، از طرفین نیز تخلیه می شود.

تنها برای بیشتر پیچیده کردن مطالب، اگر اندازه ذرات خاک، کوچکتر از 002/0 میلی متر باشد. از مواد مرکب شیمیایی خاصی ساخته شده باشند. آن گاه حضور آب همیشه مد نظر است. اگر آب روی انبوهی از سنگ های بزرگ بریزد- صرفنظر از بخش کوچکی که سعلوح سنگها را مرطوب می کند – تمام آب به خارج می رود. با این حال با انبوهی از ذرات کوچک این پدیده رخ نمی دهد، زیرا نواحی مرطوب ذرات، در قیاس با حجمشان بسیار عظیم هستند.

فعالیت های الکتروشیمیایی پیچیده بین ذرات مرطوب سبب می شود. آنها به هم بچسبند و یک خای رسی را تشکیل دهند. در مکانیک خاک، خاکها به خاک های آبگذر، فاقد چسبندگی یا خاکهای بلوری خاکهای نا آبگذر و خاکهای رسی تقسیم بندی می شوند. نمونه هایی از خاکهای بلوری شن و ماسه است و نمونه هایی از خاکهای رسی، گل کوزه گری، خاک رس و خاک آهک دار هستند.

تفاوت را می توان به صورت فیزیکی با فشرده کردن یک مشت پر از ماسه و رس مرطوب تجربه کرد: آب به سهولت از ماسه بیرون می آید اما از یک خاک رسی نمی تواند خارج شود. برای خاکهای فاقد چسبندگی، آب ممکن است باشد یا خیر، اما در خاک های رسی آب همیشه باید باشد.

موارد قابل توجه در خصوص خاک

۱. هر چه درصد درشت دانه خاک بیشتر باشد، وزن مخصوص خاک و نیز مقاومت خاک بیشتر و جذب آب در خاک کمتر است.

٢. دال های اجرا شده روی سطح، پس از برداشت خاکهای سطحی روی زیر سازی شن با شن نخودی، بتن ریزی میشود. عناصر ساختمان که روی سطح خاک قرار می گیرند. در دراز مدت در معرض تخریب و نشست قرار می گیرند. زیرسازی با شن نخودی مطلوب تر است، زیرا ریز دانه ای ندارد و چگالی آن همواره با زمانی که ریخته و تسطیح می شود یکسان است.

٣. مقاومت خاک و توان باربری در خاک های چسبنده به علت چسبندگی سطحی و در خاک های غیر چسبنده به علت اصطکاک بین ذرات است.

۴. دیوار حائل (سازه نگهبان، طره) به منظور جلوگیری از نیروی رانشی حاصل از فشار خاک یا آب احداث می شود.