بنظر می‌رسد که انسان اولیه تا زمانی که مواد غذایی خود را از طریق شکار بدست می‌آورده، چندان توجهی به خاک نداشته است، ولی بتدریج که کشت جایگزین شکار می‌شده، اهمیت خاک نیز افزایش یافت. این تغییر روش در حدود ۹۰۰۰ سال پیش در کوههای زاگرس و خوزستان و قسمتی از عراق امروزی بین رودخانه‌های دجله و فرات صورت گرفته و در واقع اولین انقلاب کشاورزی در ایران آغاز شده است.
● اجزا اصلی خاک
۴ جز اصلی خاک عبارتند از: مواد معدنی ، مواد آلی ، آب و هوا. این اجزا بطور نزدیکی در ارتباط با یکدیگر هستند. بطوری که جدا کردن آنها مشکل است. حجم نسبی این اجزا که برای رشد گیاه مناسب باشد، بدین صورت است که در آن ۵۰ درصد بوسیله مواد جامد (۴۵ درصد مواد معدنی و ۵ درصد مواد آلی) اشغال شده و ۵۰ درصد بقیه شامل فضای منافذ است که بوسیله آب یا هوا اشغال می‌شوند. البته این نسبت آب و هوا بسیار متغیر بوده و تحت تاثیر شرایط خاک و جو قرار میگیرد.
● پروفیل یا نیمرخ خاک
اگر قسمتی از خاک به طرف پایین حفر شود، لایه‌های افقی مشخصی در عمقهای مختلف آن به چشم می‌خورد. این مقطع را پروفیل خاک و لایه‌های مشخص آن را افق گویند. تمام افقهای بالای مواد مادری بطور جمعی Solum نامیده می‌شوند. مشخصات پروفیل خاک برای طبقه بندی و ارزیابی و نقشه برداری خاک بکار می‌رود.
لایه‌های بالایی پروفیل ، دارای مواد آلی بیشتری بوده و به همین علت رنگ آنها تیره است. این لایه‌ها را خاک سطح‌الارضی Top Soil گویند. لایه‌های عمیق‌تر خاک یا خاک تحت‌الارضی SubSoil به علت کمی مواد آلی رنگ روشن‌تری دارند و محل تجمع موادی هستند که از لایه‌های سطح‌الارضی شسته شده‌اند. مهمترین قسمت خاک از نظر رشد گیاهان لایه‌های سطح‌الارضی آن است که بیشتر مواد غذایی و آب قابل جذب گیاهان در این لایه‌ها متمرکز میشود و ریشه‌های گیاهان در اینجا یافت میشود.
● ساختمان خاک
نحوه قرار گرفتن و چگونگی اجتماع ذرات خاک را ساختمان آن می‌گویند. گرچه در یک پروفیل خاک ممکن است یک نوع ساختمان بیش از سایرین دیده شود، ولی معمولا در افقها یا لایه‌های مختلف ممکن است، چند نوع ساختمان یافت شود. بسیاری از خواص فیزیکی خاک مانند حرکت آب ، تهویه ، انتقال حرارت ، وزن مخصوص ظاهری و فضای منافذ به ساختمان خاک بستگی دارد. در واقع تمام عملیات از قبیل شخم و زهکشی ، دادن کود حیوانی و آهک زدن که برای بهبود وضعیت فیزیکی خاک انجام میشود، روی ساختمان خاک اثر گذاشته و تاثیری روی بافت آن ندارد. ساختمانهای موجود از یکی از دو حالت زیر بوجود می‌آید:
تک دانه‌های ذرات خاک که بطور فردی وجود داشته و اجتماع مشخصی از ذرات در آنها صورت نگرفته است.
توده‌های فشرده و بی شکل و نامنظمی از ذرات که هیچ خصوصیات ساختمانی مشخصی ندارند.
● انواع ساختمانهای خاک
برحسب شکل ظاهری ۶ نوع ساختمان را می‌توان در خاک تشخیص داد. این ساختمانها به اسامی بشقابی ، ستونی ، منشوری ، مکعبی ، فندقی ، دانه‌ای و اسفنجی شناخته می‌شوند.
▪ ساختمان بشقابی: توده‌های خاک به صورت لایه‌های نازک افقی روی هم قرار گرفته‌اند. بیشتر در لایه‌های سطحی خاک وجود دارند، ولی گاهی در لایه‌های عمیق هم دیده می‌شوند.
▪ ساختمانهای ستونی و منشوری : توده‌های خاک بطور عمودی روی هم قرار گرفته‌اند، ارتفاع ستونهای حاصل متغیر و قطر آنها گاهی به ۱۵ سانتیمتر می‌رسد. بیشتر در لایه‌های عمیق خاک مناطق خشک و نیمه خشک دیده میشود. در صورتی که بالای این ساختمانها گرد باشد، آنها را ستونی و اگرا مسطح باشد، آنها را منشوری گویند.
▪ ساختمانهای مکعبی و فندقی : توده‌های خاک به صورت مکعبهایی با سطوح نامنظم ، ولی ابعاد تقریبا مساوی در آمده‌اند. اگر لبه‌های سطوح بیشتر تیز و مشخص باشد، ساختمان را مکعبی و اگرا این لبه‌ها صاف شده باشد، ساختمان را فندقی گویند. این نوع ساختمان در لایه‌های عمیق خاک دیده میشود.
▪ ساختمانهای کروی (دانه‌ای یا اسفنجی) : توده‌های خاک شکل گرد داشته و قطر آنها معمولا از یک سانتیمتر کمتر است. این ساختمانها کاملا متخلخل بوده و اتصال بین ذرات ضعیف است (دانه‌ای) و درصورتی که ساختمان کاملا باز و درجه تخلخل زیاد باشد، ساختمان را اسفنجی گویند. ساختمانهای کروی بیشتر در لایه‌های سطحی خاک یافت می‌شوند و به آسانی تحت تاثیر عملیات زراعی قرار می‌گیرند.
خاک چیست ؟
خاکها مخلوطی از مواد معدنی و آلی می‌باشند که از تجزیه و تخریب سنگها در نتیجه هوازدگی بوجود می‌آیند که البته نوع و ترکیب خاکها در مناطق مختلف بر حسب شرایط ناحیه فرق می‌کند. مقدار آبی که خاکها می‌توانند بخود جذب کنند. از نظر کشاورزی و همچنین در کارخانه‌های راهسازی و ساختمانی دارای اهمیت بسیاری است که البته این مقدار در درجه اول بستگی به اندازه دانه‌های خاک دارد.
هرچه دانه خاک ریزتر باشد، آب بیشتری را به خود جذب می‌کند که این خصوصیت برای کارهای ساختمان‌سازی مناسب نیست. بطور کلی خاک خوب و حد واسط از دانه‌های ریز و درشت تشکیل یافته است. تشکیل خاکها به گذشت زمان ، مقاومت سنگ اولیه یا سنگ مادر ، آب و هوا ، فعالیت موجودات زنده و بالاخره توپوگرافی ناحیه‌ای که خاک در آن تشکیل میشود بستگی دارد.
عوامل موثر در تشکیل خاک
• سنگهای اولیه یا سنگ مادر :
کمیت و کیفیت خاکهای حاصل از سنگهای مختلف اعم از سنگهای آذرین ، رسوبی و دگرگونی به کانیهای تشکیل دهنده سنگ ، آب و هوا و عوامل دیگر بستگی دارد. خاک حاصل از تخریب کامل سیلیکاتهای دارای آلومینیوم و همچنین سنگهای فسفاتی از لحاظ صنعتی و کشاورزی ارزش زیادی دارد. در صورتیکه خاکهایی که از تخریب سنگهای دارای کانیهای مقاوم (از قبیل کوارتز و غیره) در اثر تخریب شیمیایی پدید آمده‌اند و غالبا شنی و ماسه‌ای می‌باشند فاقد ارزش کشاورزی می‌باشند.
• ارگانیسم :
تمایز انواع خاکها از نقطه نظر کشاورزی به نوع و مقدار مواد آلی (ازت و کربن) موجود در آن بستگی دارد. نیتروژن موجود در اتمسفر بطور مستقیم قابل استفاده برای گیاهان نمی‌باشد. بلکه ترکیبات نیتروژن‌دار لازم برای رشد گیاهان باید به شکل قابل حل در خاک وجود داشته باشد که این عمل در خاکها بوسیله برخی از گیاهان و باکتریها انجام میشود. خاکها معمولا دارای یک نوع مواد آلی کربن‌دار تیره رنگی هستند که هوموس نامیده می‌شوند و از بقایای گیاهان بوجود می‌آید.
• زمان :
هر قدر مدت عمل تخریب کانیها و سنگها بیشتر باشد عمل تخریب فیزیکی و شیمیایی کاملتر انجام میگیرد. زمان تخریب کامل بسته به نوع سنگ ، ساخت و بافت سنگها و نیز ترکیب و خاصیت تورق کانیها متفاوت میباشد ولی بطور کلی سنگهای رسوبی خیلی زودتر تجزیه شده و به خاک تبدیل می‌شوند، در صورتیکه سنگهای آذرین مدت زمان بیشتری لازم دارند تا تجزیه کامل در آنها صورت گرفته و به خاک تبدیل گردند.
• آب و هوا :
وفور آبهای نفوذی و عوامل آب و هوا از قبیل حرارت ، رطوبت و غیره در کیفیت خاکها اثر بسزایی دارند. جریان آبهای جاری بخصوص در زمین‌های شیب‌دار موجب شستشوی خاکها می‌شوند و با تکرار این عمل مقدار مواد معدنی و آلی بتدریج تقلیل می‌یابد. اثر تخریبی اتمسفر همانطور که قبلا بیان گردید روی برخی از کانیها موثر و عمیق میباشد و هر قدر رطوبت همراه با حرارت زیادتر باشد شدت تخریب نیز بیشتر می‌گردد.
• توپوگرافی محل تشکیل خاک :
اگر محلی که خاکها تشکیل می‌شوند دارای شیب تند باشد در نتیجه مواد تخریب شده ممکن است بوسیله آبهای جاری و یا عامل دیگری خیلی زود بسادگی از محل خود بجای دیگری حمل گردند و یا شستشو بوسیله آبهای جاری و یا عامل دیگری خیلی زود بسادگی از محل خود بجای دیگری حمل گردند و یا شستشو بوسیله آبهای جاری باعث تقلیل مواد معدنی و آلی خاکها شود در نتیجه این منطقه خاکهای خوب تشکیل نخواهند شد. ولی برعکس در محل‌های صاف و مسطح که مواد تخریب شده بسادگی نمی‌توانند به جای دیگری حمل شوند فرصت کافی وجود داشته و فعل و انفعالات بصورت کامل انجام می‌پذیرد.
مواد تشکیل دهنده خاکها
موادی که خاکها را تشکیل می‌دهند به چهار قسمت تقسیم می‌شوند :
• مواد سخت : مواد سخت را ترکیبات معدنی تشکیل می‌دهند ولی ممکن است دارای مقداری مواد آلی نیز باشند. البته این ترکیبات معدنی از تخریب سنگهای اولیه یا سنگ مادر حاصل شده‌اند که گاهی اوقات همراه با مواد تازه کلوئیدی و نمک‌ها می‌باشند.
• موجودات زنده در خاکها : تغییراتی که در خاکها انجام می‌پذیرد بوسیله موجودات زنده در خاک انجام میگیرد. قبل از همه ریشه گیاهان ، باکتریها ، قارچها ، کرمها و بالاخره حلزون‌ها در این تغییرات شرکت دارند.
• آب موجود در خاکها : آبی که در خاک وجود دارد حمل مواد حل‌شده را به عهده دارد که البته این مواد حمل شده برای رشد و نمو گیاهان به مصرف می‌رسد. آب موجود در خاکها از باران و آبهای نفوذی ، آب جذب شده و بالاخره آبهای زیرزمینی تشکیل شده که در مواقع خشکی از محل خود خارج شده و بمصرف می‌رسد.
• هوای موجود در خاک : هوا همراه با آب در خوه‌های خاکها وجود دارد که البته این هوا از ضروریات رشد و نمو گیاهان و ادامه حیات حیوانات میباشد. مقدار اکسیژنی که در این هوا وجود دارد از دی اکسید کربن کمتر است و این بدان علت است که ریشه گیاهان برای رشد و نمو اکسیژن مصرف کرده و دی اکسید کربن پس می‌دهند.
تقسیم‌بندی خاکها از لحاظ سنگهای تشکیل دهنده
بر حسب دانه‌های تشکیل دهنده خاک و همچنین شرایط میزالوژی و پتروگرافی زمین خاکهای مختلفی وجود دارد که عبارتند از :
• خاک رسی : ذرات رس (Clay) دارای قطری کوچکتر از 0.002 میلیمتر می‌باشند و در حدود 50% خاک را تشکیل می‌دهند.
خاکهای رسی چون دارای دانه‌های بسیار ریزی هستند به خاک سرد معروفند و در مقابل رشد گیاهان مقاومت نشان داده و رشد آنها را محدود می‌کنند.
• خاکهای سیلتی :
50% این نوع خاکها را ذرات سلیت تشکیل داده است که دارای قطری بین 0.05 تا 0.002 میلیمتر می‌باشند و بر حسب اینکه ناخالصی مثل ماسه ، رس و غیره بهمراه دارند به نام خاکهای سیلتی ماسه‌ای و یا سیلتی رسی معروفند.
• خاکهای ماسه‌ای :
این خاکها از 75% ماسه تشکیل شده‌اند. قطر دانه‌ها از 0.06 تا 2 میلیمتر است و بر حسب اندازه دانه‌های ماسه به خاکهای ماسه‌ای درشت ، متوسط و ریز تقسیم می‌گردند. مقدار کمی رس خاصیت خاکهای ماسه‌ای را تغییر می‌دهد و این نع خاک آب را بیشتر در خود جذب می‌کند تا خاکهای ماسه‌ای که فاقد رس هستند.
• خاکهای اسکلتی :
خاکهای اسکلتی به خاکهایی اطلاق می‌گردد ک در حدود 75% آن را دانه‌هایی بزرگتر از 2 میلیمتر از قبیل قلوه سنگ ، دیگ و شن تشکیل می‌دهند. این خاکها ، آب را به مقدار زیاد از خود عبور می‌دهند و لذا همیشه خشک می‌باشند.
طبقه بندی خاک
در نخستین سالهایی که مطالعه خاک در ایالات متحده شروع شده بود. محققین فکر می‌کردند که مواد اولیه و مادر تقریبا تنها عامل تعیین نوع خاک حاصل ، میباشد. بنابراین می‌اندیشیدند که از هوازدگی سنگ آهک نوع دیگری از خاک تولید میشود. البته این یک واقعیت است که نوع خاک تا حدودی بازتاب موادی است که از آنها تشکیل یافته است. و در برخی موارد حتی از روی نوع خاک پوشاننده سنگها می‌توان نحوه توزیع و گسترش آنها را بر روی نقشه آورد. اما با دستیابی به اطلاعات بیشتر بتدریج مشخص شد که سنگ بستر تنها عامل تعیین کننده نوع خاک نیست.
دانشمندان خاکشناس رومی ، به دنبال کار عظیم دوکیوشف (1903-1846) نشان دادند که اگر شرایط اقلیمی از نقطه‌ای به نقطه دیگر تفاوت کند حتی بر روی یک نوع سنگ بستر نیز چندین نوع خاک تشکیل میشود. این طرز تفکر که شرایط آب و هوایی تاثیری عمده در تشکیل خاک دارد. برای اولین بار در دهه 1920 توسط ماربوت (1935-1863) در ایالات متحده مطرح گشت. از آن موقع تا کنون دانشمندان خاکشناس دریافته‌اند عوامل دیگری که در نحوه تشکیل خاک نقش حیاتی دارند، وجود دارد.
برای مثال برجستگی سطح زمین نقش مهمی در نوع خاک دارد. بدین ترتیب که خاک موجود در بالای یک تپه با خاک موجود در شیب، این نیز به نوبه خود با خاک موجود در زمین و پای تپه متفاوت است. مع ذالک سنگ بستر زیر هر سه نوع خاک یکسان است. گذشت زمان نیز عاملی دیگر است، بدین معنی که اگر شرایط آب و هوایی ، سنگ بستر و پستی و بلندی ، در یک محل یکسان باشد، خاکی که به تازگی در آن محل تشکیل شده باشد با خاکی که هزاران سال از تشکیل آن در همان محل گذشته است تفاوت خواهد داشت.
انواع خاکها در سیستم طبقه بندی خاکهای ایالات متحده
• آلفی سول (Alfisols) : شرایط آب و هوایی نیمه مرطوب ، مقدار بارش 125 - 15 سانتیمتر ، غالبا در زیر پوششی جنگلی ، تجمع رس در افق B لایه بالایی فروشسته به رنگ قهوه ای - خاکستری و لایه پایینی به رنگ قرمز - قهوه‌ای ، همراه با تجمعی از سیلیکاتهای آهن و آلومینیوم.
• آریدیسول (Aridisols) : شرایط آب و هوایی خشک با تجمعات آهک یا ژیپس ، لایه‌های نمک ، تجمع یونهای کلسیم ، منیزیم و پتاسیم.
• انتی سول (Entisols) : خاکهای عصر حاضر بدون افقهای قابل تشخیص. بسیاری از دشتهای سیلابی رودخانه‌های جدید ، رسوبات خاکسترهای آتشفشانی ، و ماسه‌های جدید.
• هیستوسول (Histosols) : غنی در مواد آلی ، شامل گیاه خاک و کود تازه ، بقایای گیاهی مجتمع شده در باتلاقها و مردابها.
• اینسپتی سول (Inceptisols) : افقها به سختی قابل تشخیص بوده و نشان دهنده شروع تشکیل خاک و درجه بندی آن هستند.
• مولی سول (Mollisols) : خاک علفزارها. سیاه ، در نزدیکی سطح غنی در مواد آلی. غنی در آهک.
• اکسی سول (Oxisols) : خاکهای شدیدا هوازده ، اغلب با عمق بیش از 3 متر حاصلخیزی ناچیز. غنی در رسهای اکسید آهن و آلومینیوم‌دار.
• اسپودوسول (Spodosls) : ماسه‌ای ، خاکهای فروشسته جنگلهای مناطق سرد سیر . اسیدی. مقادیر متنابهی مواد آلی و یا رس آهن و آلومینیوم دارد.
• آلتی سول (Ultisols) : شدیدا اسیدی ، خاکها خوب هوازده ، شرایط آب و هوایی استوایی و نیمه استوایی. تجمع سیلیکاتهای بازمانده.
• ورتی سول (Vertisols) : خاکهای هوازده بسیار قدیمی ، هنگام خشک بودن دارای ترکهای عمیق و پهن عمودی ، غنی در مواد رسی.
اندازه گیری ویژگیهای خاک
حجم خاک:
با حرف V نمایش می دهند. برای اندازه گیری حجم خاکهای چسبنده، روشهای مختلفی وجود دارد.
روش اول:وارد کردن نمونه در داخل استوانه مدرج حاوی مقداری جیوه که نمونه را وارد آن می کنیم و اختلاف ارتفاع جیوه، حجم نمونه را نشان می دهد.
روش دوم: موم اندود کردن نمونه و قرار دادن در استوانه مدرج حاوی آب، که اختلاف ارتفاع آب در استوانه بیانگر حجم نمونه خاک است (دلیل موم اندود کردن روش دوم این است که آب وارد درز و شکافهای نمونه نشود چون خاصیت مویینگی آب ، موجب نفوذ آن به درون این درزه ها میشود ولی در مورد جیوه چنین نیست)
وزن خاک:
با (W) نمایش می دهند. که می توان جرم خاک را توسط ترازوی دقیقی اندازه گرفت که وزن را می توان طبق رابطه مقابل بدست آورد. ( شتاب گرانش زمین9.81m/s2 =g )
W =m.g
تخلخل:
که با n نمایش م دهند و عبارت است از نسبت حجم فضاهای خالی (Vr) به حجم کل خاک (V) که به درصد بیان میشود.
درصد رطوبت:
که با ω نمایش می دهند و عبارت است از نسبت وزن آب موجود در خاک (Ww) به وزن خشک خاک (Ws)
درصد رطوبت در خاکهایی که مقدار زیادی رسی وارد گاها به 300% نیز می رسد.
چگالی ویژه ذرات جامد خاک:
با Gs نمایش می دهند
دیگر ویژگیهای فیزیکوشیمیایی خاک را با روشها و روابط پیچیده دیگری می توان اندازه گیری کرد که در حد پیشرفته و تخصصی است، از جمله این ویژگیها می توان، مقاومت برش، مقاومت فشاری، و کششی، حدالاستیک و پلاستیک، واگرایی و همگرایی خاک و... نام برد که هر یک نسبت به هدف کار مورد بررسی قرار می گیرد.
- اندازه گیری ویژگیهای خاک در علوم مختلف مثل مکانیک خاک، مهندسی عمران (گرایش پی و سازه)، زمین شناسی وکشاورزی و... کاربرد وسیعی داشته و به علوم مختلف مثل، فیزیک، شیمی و زمین شناسی وابسته است.
- از جمله کاربردهای مکانیک خاک در مطالعات قبل از احداث کلیه سازه های مهندسی، از قبیل سد، تونل، راههای ارتباطی، ساختمانهای مسکونی و ... است. بدین صورت که از ویژگیهای مختلفی که یک خاک نشان می دهد می توان میزان مقاومت آن را اندازه گیری کرده و در نتیجه تمهیدات لازم برای پایداری سازه بر روی خاک را اندیشید.
مکانیک خاک
توجه به بررسی و مطالعه خاک با یک دیدگاه مهندسی و به منظور تحلیل ریاضی خواص آن ، از قرن 18 میلادی آغاز شد و در واقع اولین بار در عین حال مهمترین رابطه ساده در زمینه مکانیک خاک ، در سال 1773 توسط کولمب یک مهندس ارتشی فرانسه ارائه گردید. این رابطه ساده ، که یک رابطه اساسی در بررسی مقاومت یا عدم مقاومت خاک است عبارت است از:
(τ=c+bntan(φ
کارهای بوسینسک در مورد تئوری اجسام الاستیک که در سال 1885 انتشار یافت به ارائه راه حل‌های دقیق در محاسبه تنش‌ها و تغییر شکل‌های درون محیط خاکی منجر گردید و توانست در تحلیل بخش مهمی از مبحث مکانیک خاک ، پاسخگو باشد. دانش مکانیک خاک به صورت مدرن ، در ابتدای قرن حاضر گسترش روز افزونی یافت و مانند سایر علوم مهندسی مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت بطوری که در سال 1925 کارل ترزاگی ، استاد دانشگاه هاروارد ، نتیجه تحقیقات خود را به صورت مقاله‌ای ارائه داد و در سال 1943 کتاب «اصول نظری مکانیک خاک» را تدوین و منتشر کرد.
کارل ترزاگی (1963-1883) را به حق بنیانگذار دانش مکانیک خاک نامیده‌اند. در اینجا شایسته است از سهم محققین روسی نیز یادآور گردد، چه پژوهشگرانی چون سیتوویچ در کشور روسیه به موازات دانشمندان غربی در توسعه دادن مبحث مکانیک خاک کارهای زیادی ارائه دادند. نامبرده نیز در سال 1934 کتاب اصول علم مکانیک خاک را منتشر نمود.
امروزه اهمیت دانش مکانیک خاک مانند علوم دیگر روز به روز رو به فزونی است و این بویژه به این علت است که تجربه‌های گذشته در این زمینه بدون گسترش تئوریهای مطمئن‌تر و راه حل‌های اقتصادی‌تر تکافوی حل مسائل جدید را در عمل نمی‌نماید. به علاوه ، بسط مسائل مبحث مکانیک خاک همراه با توسعه روشها و دیدگاههای جدید در زمینه مکانیک محیط دانه‌ای ، گسترش و افزایش دقت در تحلیل‌های ریاضی و مدل سازی‌ها را در هر دو زمینه الزامی نموده و نیز به نتیجه رسانده است.
مباحث کلی مکانیک خاک
• طرح تئوریهایی که نشان دهنده رفتار توده خاکی در برابر عوامل بیرونی ، مثل نیروهای مختلف ، باشد.
• کاربرد معلومات تئوری و تجربی در موارد و مسائل اجرایی
خواص فیزیکی ، شیمیایی و کانی شناسی خاکها
• خواص فیزیکی و شیمیایی خاک : شناخت خواص فیزیکی ، شیمیایی و کانی شناسی خاکها در بسیاری از بررسی‌ها و مطالعات و تصمیم گیری‌ها در عملیات خاکی نقش مهمی دارد. خواص فیزیکی و شیمیایی خاکها را باید عمدتا در عوامل زیر جستجو کرده و مربوط به آنها دانست.
• ترکیب کانی شناسی دانه‌ها : از آنجایی که خاکها از تجزیه و هوازدگی سنگهای پوسته زمین پدید آمده است، لذا کانیهای تشکیل دهنده خاکها باید همان کانیهای تشکیل دهنده سنگ مادر باشد.
• طبیعت سطح ذرات خاک (سطح مخصوص) : سطح خارجی دانه‌های خاک ، یعنی فصل مشترک محیط جامد با محیط مجاور آن که ممکن است، آب یا هوا باشد. محل پدید آمدن بعضی پدیده‌های فیزیکی یا شیمیایی است که این پدیده‌ها برخواص دیگر خاک مثل؛ مقاومت و نفوذپذیری و ... تاثیر می‌گذارد.
• پدیده‌های فیزیکی و شیمیایی در سطح مشترک خاک و آب :ذرات جسم جامد از شبکه‌ای از یونهای مختلف تشکیل شده است که از اینرو بین سطح خارجی ذره و محیط اطراف آن کنش و واکنش‌هایی پدیدار می‌گردد.
• خاصیت مویینگی : خاصیت بالا رفتن آب در لوله‌های مویین و در حفره‌های بین ذرات خاک را خاصیت مویینگی گویند.
• نیروهای دافعه و جاذبه بین ذرات : نیروهای بین ذره‌ای در خاک به دو گونه‌اند. نیروهای جاذبه مولکولی بین دانه‌ها (وان در والس) و نیروهای دافعه که از نوع نیروی الکتروکینیماتیکی است.
خواص مکانیکی خاکها
• اصطکاک : مقاومت جسم در برابر حرکت به علت وجود اصطکاک بین دو سطح تماس است.
• چسبندگی: مقاومت خاکی به علت چسبندگی دانه‌ها حاصل از مقاومت مولکولی (یعنی نیروی جاذیه الکتروشیمیایی) بین ذرات ریز است.
• گسیختگی توده خاک : گسیختگی توده خاک عبارتست از پایان شرایط مقاومت و آغاز برش در خاک است.
• تحکیم: تحکیم عبارتست از کاهش حجم حفره‌های آب‌دار درون خاک به علت افزایش فشارهای جانبی.
کاربرد مکانیک خاک
خاک از یک طرف به عنوان مصالح مورد توجه مهندسین و طراحان قرار میگیرد و از سوی دیگر به عنوان یک محیط طبیعی که در اختیار آدمی قرار گرفته است مورد توجه و استفاده است. جایی که به عنوان مصالح مورد نظر است مانند خاکریزها ، سرای خاکی ، روسازی راه و فرودگاه ، پشت دیوار حایل ، زهکش‌ها ، و به عنوان بخشی از بتن ، ماده اصلی تهیه آجر و سرامیک ، ماده اصلی تهیه چینی و کاشی ، و... حالت انتخابی و اختیاری دارد، و در جایی که به عنوان محیط مورد توجه است.
مانند زیر پی‌ها ، زیر پایه پل‌ها و زیربنای جاده‌ها و محل حفر تونل‌ها و محل قرار دادن لوله‌ها و تاسیسات مکانیکی و الکتریکی (کابل های تلفن و برق و لوله کشی گاز و فاضلاب و محل احداث قناتها و محل حفر چاهها و کانال‌ها و ... همه حالت غیر انتخابی (یعنی اجباری) دارد. به هر حال در تمام موارد ذکر شده ، شناخت خواص فیزیکی و مکانیکی خاک ضرورت غیر قابل اجتناب دارد.
مثلا در یک پروژه راه سازی ، چه نوع خاکی با چه نوع دانه بندی باید انتخاب شود و لایه‌های آن با چه ضخامتی و با چه رطوبتی و تا چه حد باید کوبیده شود تا جایی حاصل بتواند در برابر نیروهای وارد بر آن مقاوم باشد و وجود آبهای سطحی و بارندگی بر دوام آن اثر مخرب نداشته باشد و در برابر یخ‌زدگی و فرسایش و تغییرات جوی نیز پایدار بماند.
در ایجاد یک سد خاکی ، شیب‌ها چه مقدار باشد که هم پایدار باشد و هم اقتصادی ، در صورتی که سد همگن با زهکشی است، لایه‌های زهکشی با چه ابعادی و با چه دانه بندی و چه مقدار نفوذپذیری باید باشد؟ سرعت حرکت آب و .... زه چه مقدار است؟ تورم یا نشست خاک چه مقدار باشد؟ میزان تراکم و درصد رطوبت و ضخامت لایه‌ها برای کمپاکت کردن خاک چه مقدار باید باشد؟ روشهای حفاظت دامنه‌ها و تاج سر به چه عواملی بستگی دارد؟ و بسیاری پرسش‌های دیگر که مهندس طراح باید برای آنها جواب دقیق داشته باشد. به این ترتیب درمورد هرگونه پروژه ساختمانی و راه سازی و سد سازی مسائل متعددی از فیزیک و مکانیک خاک باید پاسخ داده شود. اهمیت دقت بیشتر و نیاز به تئوریهای دقیق‌تر هنگامی بیشتر میشود که حجم کارها و اهمیت پروژه بیشتر باشد.
رابطه مکانیک خاک با سایر علوم
مبحث مکانیک خاک دانشی است که در آن خواص فیزیکی و مکانیکی خاکها ، ارتباط این خواص با عوامل بیرونی ، مقاومت خاک در برابر نیروها ، تغییر شکل خاک در اثر نیروها ، مسایل مربوط به حرکت یا سکون آب در خاک ، چگونگی و مقدار فشرده شدن خاکها و چگونگی و مقدار تنش‌ها و تغییر شکل‌های هر نقطه از محیط خاکی در اثر عملکرد یک نیروی خارجی و ... بحث میشود.
در این راستا گاهی نیاز به مطالعه خواص شیمیایی و کانی شناسی دانه‌های خاک است و گاهی نیاز به بررسی پیدایش و منشا خاکها و گاهی نیاز به استفاده از دانش هیدرولیک و دانش‌های دیگر است. از اینرو ارتباط این مبحث با دیگر مباحث علمی چون فیزیک ، شیمی ، زمین شناسی ، کانی شناسی ، هیدرولیک و مکانیک سیالات را نباید از نظر دور داشت.
ساختار خاک
اجزا اصلی خاک
4 جز اصلی خاک عبارتند از: مواد معدنی ، مواد آلی ، آب و هوا. این اجزا بطور نزدیکی در ارتباط با یکدیگر هستند. بطوری که جدا کردن آنها مشکل است. حجم نسبی این اجزا که برای رشد گیاه مناسب باشد، بدین صورت است که در آن 50 درصد بوسیله مواد جامد (45 درصد مواد معدنی و 5 درصد مواد آلی) اشغال شده و 50 درصد بقیه شامل فضای منافذ است که بوسیله آب یا هوا اشغال می‌شوند. البته این نسبت آب و هوا بسیار متغیر بوده و تحت تاثیر شرایط خاک و جو قرار میگیرد.
پروفیل یا نیمرخ خاک
اگر قسمتی از خاک به طرف پایین حفر شود، لایه‌های افقی مشخصی در عمقهای مختلف آن به چشم می‌خورد. این مقطع را پروفیل خاک و لایه‌های مشخص آن را افق گویند. تمام افقهای بالای مواد مادری بطور جمعی Solum نامیده می‌شوند. مشخصات پروفیل خاک برای طبقه بندی و ارزیابی و نقشه برداری خاک بکار می‌رود.
لایه‌های بالایی پروفیل ، دارای مواد آلی بیشتری بوده و به همین علت رنگ آنها تیره است. این لایه‌ها را خاک سطح‌الارضی Top Soil گویند. لایه‌های عمیق‌تر خاک یا خاک تحت‌الارضی SubSoil به علت کمی مواد آلی رنگ روشن‌تری دارند و محل تجمع موادی هستند که از لایه‌های سطح‌الارضی شسته شده‌اند. مهمترین قسمت خاک از نظر رشد گیاهان لایه‌های سطح‌الارضی آن است که بیشتر مواد غذایی و آب قابل جذب گیاهان در این لایه‌ها متمرکز میشود و ریشه‌های گیاهان در اینجا یافت میشود.
ساختمان خاک
نحوه قرار گرفتن و چگونگی اجتماع ذرات خاک را ساختمان آن می‌گویند. گرچه در یک پروفیل خاک ممکن است یک نوع ساختمان بیش از سایرین دیده شود، ولی معمولا در افقها یا لایه‌های مختلف ممکن است، چند نوع ساختمان یافت شود. بسیاری از خواص فیزیکی خاک مانند حرکت آب ، تهویه ، انتقال حرارت ، وزن مخصوص ظاهری و فضای منافذ به ساختمان خاک بستگی دارد. در واقع تمام عملیات از قبیل شخم و زهکشی ، دادن کود حیوانی و آهک زدن که برای بهبود وضعیت فیزیکی خاک انجام میشود، روی ساختمان خاک اثر گذاشته و تاثیری روی بافت آن ندارد. ساختمانهای موجود از یکی از دو حالت زیر بوجود می‌آید:
• تک دانه‌های ذرات خاک که بطور فردی وجود داشته و اجتماع مشخصی از ذرات در آنها صورت نگرفته است.
• توده‌های فشرده و بی شکل و نامنظمی از ذرات که هیچ خصوصیات ساختمانی مشخصی ندارند.
انواع ساختمانهای خاک
برحسب شکل ظاهری 6 نوع ساختمان را می‌توان در خاک تشخیص داد. این ساختمانها به اسامی بشقابی ، ستونی ، منشوری ، مکعبی ، فندقی ، دانه‌ای و اسفنجی شناخته می‌شوند.
• ساختمان بشقابی: توده‌های خاک به صورت لایه‌های نازک افقی روی هم قرار گرفته‌اند. بیشتر در لایه‌های سطحی خاک وجود دارند، ولی گاهی در لایه‌های عمیق هم دیده می‌شوند.
• ساختمانهای ستونی و منشوری : توده‌های خاک بطور عمودی روی هم قرار گرفته‌اند، ارتفاع ستونهای حاصل متغیر و قطر آنها گاهی به 15 سانتیمتر می‌رسد. بیشتر در لایه‌های عمیق خاک مناطق خشک و نیمه خشک دیده میشود. در صورتی که بالای این ساختمانها گرد باشد، آنها را ستونی و اگرا مسطح باشد، آنها را منشوری گویند.
• ساختمانهای مکعبی و فندقی : توده‌های خاک به صورت مکعبهایی با سطوح نامنظم ، ولی ابعاد تقریبا مساوی در آمده‌اند. اگر لبه‌های سطوح بیشتر تیز و مشخص باشد، ساختمان را مکعبی و اگرا این لبه‌ها صاف شده باشد، ساختمان را فندقی گویند. این نوع ساختمان در لایه‌های عمیق خاک دیده میشود.
• ساختمانهای کروی (دانه‌ای یا اسفنجی) : توده‌های خاک شکل گرد داشته و قطر آنها معمولا از یک سانتیمتر کمتر است. این ساختمانها کاملا متخلخل بوده و اتصال بین ذرات ضعیف است (دانه‌ای) و درصورتی که ساختمان کاملا باز و درجه تخلخل زیاد باشد، ساختمان را اسفنجی گویند. ساختمانهای کروی بیشتر در لایه‌های سطحی خاک یافت می‌شوند و به آسانی تحت تاثیر عملیات زراعی قرار می‌گیرند.
آب خاک
آب خاک همراه با مواد محلول در آن ، محلول خاک را تشکیل می‌دهد که از آن ریشه گیاهان ، عناصر غذایی را جذب می‌کنند. مولکولهای آب در داخل منافذ خاک به حالت جذب شده نگهداری شده و شدت جذب به مقدار آب بستگی دارد.
هوای خاک
مقدار و ترکیب جو خاک تا حد زیادی به رابطه بین آب و خاک بستگی دارد. منافذ خالی از آب اشغال می‌شوند. هوا معمولا منافذ درشت را پر کرده و ضمن خشک شدن خاک وارد منافذ متوسط نیز میشود. به همین دلیل در خاکهایی که تعداد منافذ ریز زیاد است، شرایط تهویه مناسب نبوده و گیاهان و سایر موجودات خاک از این حیث صدمه می‌بینند.
بیولوژی خاک
خاک با داشتن محیط زیست مناسب و منبع کافی انرژی و مواد غذایی می‌تواند موجودات زنده مختلف را در بطن خود پرورش دهد. انواع مختلف موجودات از موجودات بزرگی مانند کرم خاکی و حشرات گرفته تا تک سلولی‌ها مانند باکتریها در خاک یافت می‌شوند.
شناخت محیط رشد: ساختار خاک
طرز قرار گرفتن ذرات خاک، ساختار خاک را تعیین می کند. شن خالص چون ذرات آن تماماً از هم جدا هستند، فاقد ساختار می باشد، ولی در خاکی که مواد آلی و یا ذرات ریزتر از شن – به نسبت مناسب – وجود داشته باشد، ذرات مجتمع شده و خاک دارای ساختار ویژه میشود، اینگونه تجمع ذرات باعث تهویه بهتر خاک می گردد.
ایجاد خاکی با ساختار خوب به کندی بسیار صورت می گیرد، ولی برعکس، به هم خوردن و خراب شدن ساختار یک خاک ، به علت عدم دقت لازم در حفاظت خاک، ممکن است بسیار سریع رخ دهد. مثلاً خاک رسی سنگین در صورتی که در موقع مرطوب بودن شخم زده می شود، ساختارش به هم می ریزد و پس از خشک شدن، سطح خاک سفت شده، سله می بندد و بصورت کلوخ در می آید.
خصوصیات فیزیکی، شیمیائی و بیولوژیکی
● خصوصیات فیزیکی:
خاکها مرکب از سه فاز یا حالت جامد، مایع و گاز هستند. مطالعه فیزیکی این سه فاز، فیزیک خاک نام دارد و مشتمل بر موارد زیر میباشد:
- دانسیته و تخلخل
- بافت
- ساختمان
- رنگ
- نگهداری و حرکت آب در خاک
هر چند بیشتر این خصوصیات خاک از مواد مادری آن به ارث می رسند ولی بعضی تلاشهای انسانی می توانند برخی از این خصوصیات را تغییر دهند بطوریکه حاصلخیزی خاک تامین شود. ساختمان مدوری که در شکل دیده می شود یک نمونه از خاکی است که نمک های سدیمی زیادی دارد. محصولاتی که در چنین خاکهائی رشد می کنند مشکلات فراوان نفوذپذیری ریشه های گیاهی را خواهند داشت.
● خصوصیات شیمیائی:
مطالعات مربوط به خواص شیمیائی خاک به خصوصیات شیمیائی خاک که بستگی به ترکیب معدنی، مواد آلی و محیط دارد، می پردازد.
همانطور که می دانیم، واکنش‌های شیمیائی هنگامی رخ می دهند که مواد یا ترکیب و یا تجزیه شوند بطوریکه با مواد اولیه از نظر ماهوی تفاوت دارند. واکنش ها در حین انجام یا انرژی از دست می دهند یا انرژی خواه هستند. مواد جدید وقتی بوجود می آیند که پیوندهای بین اتمها یا یونها تشکیل می شود، پیوندهائی شکسته می شوند و یا وقتی اتمها آرایش جدیدی به خود می گیرند. یونها اتمهائی هستند که بواسطه از دست دادن یا گرفتن الکترون ها باردار شده اند، مثبت یا منفی. یونهای با بار مخالف همدیگر را جذب می کنند،در حالیکه یونهای با بار یکسان همدیگر را دفع می کنند. یک مثال ساده ترکیب اکسیژن و هیدروژن و تشکیل آب است.
فهم شیمی خاک در فهم تشکیل خاک و حاصلخیزی نقش مهمی دارد. چگونگی شکسته شدن سنگها و کانی ها و تبدیل آنها به ترکیبات جدید برای درک چگونگی هوا دیدگی و فرسایش خاک ضروری است. نیزچگونگی تبدیل و تشکیل مواد معدنی خاکها منجر به حاصلخیزی بهتر و روشهای برتر آزمایشهای خاک منجر می شود. تصویر، یک مقطع نازک از مواد مادری خاک را زیر یک میکروسکوپ پلاریزان نشان می دهد.
در این تصویر، به ترتیب پیچیده و اندازه کانی ها و ساختمانهای متخلخل توجه کنید . هر کانی دارای قابلیت حلالیت و همچنین مقاومت به هوادیدگی منحصر بفرد می باشد . در کانی های مشابه ، ذرات کوچکتر سریعتر حل می شوند به علت اینکه دارای سطح تماس ( در واحد جرم ) بیشتری هستند و این سطح در معرض فرایند هوا دیدگی می باشند.
● خصوصیات بیولوژیکی:
بیولوژی خاک مطالعه موجودات زنده در خاک است . تعداد زیادی باکتری ، قارچ ، اکتینو مایست ، کرمها ، حشرات ، پستانداران و جوندگان کوچک در خاک زندگی می کنند . بسیاری از این موجودات زنده به تامین حاصلخیزی خاک بواسطه تجزیه باقیمانده های گیاهی و جانوری که منجر به گردش مجدد عناصر غذایی می شود کمک می کنند . تاثیر متقابل بین موجودات مختلف یک موضوع بسیار جالب در علم خاک است . یک مثال از این تاثیر متقابل همیاری باکتری با ریشه گیاهان است که در تصویر نشان داده شده است .اغلب این همیاری به فواید دو طرفه منجر میشود.
فرآیندهای تشکیل انواع خاک
تشکیل خاک خاکستری یا سفید (podsolization یا Spodsolization)
این مورد فرآیندی از شکل گیری خاک است که در آن آهن و آلومینیوم از افقهای A و E شسته شده و در افق B متمرکز می‌شوند. این فرآیند در اقلیمهای مرطوب دیده میشود. فصل زمستان ، روند تجزیه مواد آلی در سطح خاک و ریشه گیاهان را که منطقه بقایای مواد آلی است، آهسته می‌کند. بعضی از اکسیدهای آهن و آلومینیوم به همراه رس و کلوئیدهای هوموس ، در افق B جمع میشود (منطقه رسوبگذاری) و به این افق بافتی رسی می‌دهند.
آب موجود در خاک ، هیدروکسیدهای سدیم ، کلسیم ، منیزیم و پتاسیم محلول را به وسیله آبهای زیرزمینی از منطقه نشت و شستشو می‌دهد. نتیجه این شستشو ، اسیدی شدن آب است. فرآیند تشکیل خاک با تغییر آب و هوا دگرگون میشود و با گرمتر شدن هوا spodosol به AlFisol و uLtisol تبدیل میشود.
البته این فرآیندها قبل از پدیده لاتریت زایی (Oxisolation) در مناطق حاره روی می‌دهد. جنگلهای ایالات متحده و کانادا معمولا بطور طبیعی دارای خاک اسپادوسول (خاک خاکستری یا سفید) هستند.
لاتریت زایی (Oxisolation)
این فرآیند زمانی رخ می‌دهد که آهن و آلومینیوم اکسید شده و لایه‌ای از مواد قرمز با بافت گرهی سخت کوچک (گرهک) که لاتریت نامیده میشود، در افق B بوجود می‌آید. این فرایند اغلب در مناطق حاره دیده میشود. در مناطق گرم و مرطوبی که گرم و خشک شدن بطور متناوب صورت میگیرد، این عمل برای اکسیداسیون فلز آهن بسیار مطلوب است.
خاک افق B ، رنگ قرمز تیره اکسیدهای آهن را به خود میگیرد. در این افق ، اکسیدهای آهن و آلومینیوم و کانیهای رسی با هم تجمع می‌کنند
( و
).
به دلیل رطوبت ، سدیم ، کلسیم ، منیزیم و پتاسیم در آب زیرزمینی حل و برای ریشه‌های گیاهان غیر قابل دسترس می‌شوند. به دلیل آزاد بودن یون هیدروژن ، خاکهای لاتریتی بسیار اسیدی هستند. جنگلهای استوایی (حاره‌ای) مکزیک و هاوایی خاکهای لاتریتی دارند.
کلسیتی شدن (Caicification)
این فرآیند زمانی رخ می‌دهد که آب درون خاک به شدت تبخیر میشود و کسری بودجه سالانه آب بوجود می‌آید. در بیابانهای داغ و اقلیمی استپی ، این فرآیند دیده میشود. نزولات آسمانی در این مناطق به قدری کم است که نمی‌تواند هیدروکسیدهای کلسیم ، سدیم ، منیزیم و پتاسیم را بشوید و آن را به افق پایین خاک ببرد.
آب موجود در خاک به دلیل تبخیر از طریق لوله‌های موئینه (Capillary) به سطح خاک کشیده میشود. تکرار این محل موجب میشود که برآمدگی‌های کوچک کربنات کلسیم در افق B بوجود آید.
نمک زائی (Salinization)
گرمتر شدن اقلیم ، فرآیند کلسیتی شدن را در مناطق بسیار خشک به نمک زائی تبدیل می‌کند و تمام سطح خاک پوشیده از نمک میشود. خاکهای کلسیتی شده (Calcified) ، معمولا PH نزدیک به خنثی دارند (6،5 تا 8). به دلیل تامین مواد مغذی (هیدروکسیدها) ، این خاکها اگر آبیاری شوند، محصول زیادی را به بار می‌آورند. در خاکهای سالین یا نمکی فقط گیاهان نمک دوست رشد می‌کنند.
خاک رس
رسها به همراه کلوئیدها ، فعالترین بخش خاک محسوب می شوند و اکثر آنها دارای ساختمان بلوری هستند. قبل از مطالعه کانیها توسط اشعه ایکس تصور می‌شد که کانیهای رسی ذرات کوچک و ریز کانیهای اولیه نظیر ذرات کوارتز ، فلدسپار و میکاها باشند، در حالی که در حال حاضر کانیهای رسی ، ترکیب شناخته شده‌ای دارند که شبیه این کانیها نیست و تنها کانی میکا به آنها شبیه است. کانیهای رسی ، اغلب کانیهای جدید یا حاصل انحلال کانیهای اولیه یا کانیهای ثانویه هستند.
تاثیر آب و هوا بر خاک رس
خاکها در مناطق گرم و شرایط آب و هوایی مرطوب جایی که زهکشی مناسبی ندارد، دارای میزان بالایی از کانیهای اولیه حل شده می‌باشند که به کانیهای رسی تبدیل شده‌اند. خاکهای موجود در مناطق گرم و مرطوب ، میزان بالایی از رس حتی در اعماق 5 تا 20 متری دارند. در حالت زهکشی مناسب ، کانیهای رسی از درون سیستم خاک خارج می‌شوند. بعضی کانیهای رسی در اثر تجزیه و دگرسانی کانیهای اولیه نظیر میکاها تشکیل می‌شوند.
منشا تشکیل دهنده رسها
• رسهای درجا که در حین تشکیل خاک شکل می‌گیرند.
• رسهای تغییر مکان یافته که در اثر فرسایش بیشتر حرکت کرده و مجددا در محل جدید نهشته می‌شوند.
• رسهای تبدیل شده که از رسهای به شدت هوازده و فرسایش یافته تجمع کرده و در رسوبات و خاکها رسوب گذاری می‌کنند.
• رسهای تشکیل شده جدید که در اثر تبلور مجدد رسهای موجود در محلولها ، در خاک در حال تشکیل شکل می‌گیرند.
کانیهای رسی
این کانیها سیلیکاتهای آلومینیوم آبداری هستند که ساختمان ورقه‌ای داشته و مانند میکاها ، از فیلوسیلیکاتها می‌باشند.
ساختمان کانیهای رسی
• لایه‌ای از چهار وجهی‌های (تتراهدرالهای) Si _ O. در این لایه ، هر چهار وجهی با چهار وجهی مجاورش ، سه اتم اکسیژن به اشتراک گذاشته‌اند. واحد پایه
نظرات شما عزیزان:
است، اما Al می‌تواند حداکثر جانشین نصف اتمهای Si شود.
• لایه‌ای متشکل از Al در موقعیت اکتاهدرال با یونهای
برچسب‌ها:
پیوندها
تبادل
لینک هوشمند
