خاک متورم شونده

وقتی صحبت از پروژه‌های ساختمانی می‌شود، یکی از مهم‌ترین چالش‌هایی که مهندسان و سازندگان با آن مواجه هستند، وجود خاک متورم شونده است. خاک متورم شونده که در انگلیسی به آن expansive soils یا shrink-swell soils گفته می‌شود، با تغییرات در رطوبت به‌مقدار قابل توجهی تغییر حجم می‌دهد. این تغییر حجم می‌تواند سبب ترک‌خوردن سازه و مشکلات جانبی گردد.

هدف این صفحه اطلاع‌رسانی و آموزش خوانندگان در مورد ویژگی‌های اصلی خاک متورم شونده، روش‌های شناسایی این نوع خاک و روش بهسازی آن است.

برای آشنایی بیشتر با خدمات گودبرداری و پایدارسازی گود بر روی لینک‌ها کلیک کنید.

خاک متورم شونده چیست؟

خاک متورم شونده یکی از انواع خاک‌های مشکل‌ساز است که به دلیل توانایی آن در آسیب‌رساندن به جاده‌ها، پی‌ها و سایر سازه‌های مختلف، توجه به آن بسیار حائز اهمیت است.

این خاک تغییرات حجمی قابل توجهی (چروکیدگی و تورم) را با تغییرات محتوای آب متحمل می شود. تورم زمانی رخ می‌دهد که خاک، آب را جذب می‌کند. به‌عنوان مثال، پس از یک بارش شدید یا افزایش سطح آب زیرزمینی، تورم می‌تواند رخ دهد. برعکس، با خشک‌شدن، خاک منقبض شده، سخت شده و اغلب ترک می‌خورد.

بیشتر بخوانید:همه چیز در رابطه با آزمایشات و بررسی خاک در پروژه های عمرانی

مشخصه اصلی خاک متورم شونده

مشخصه اصلی خاک متورم شونده کانی‌شناسی خاص آن است. این نوع خاک دارای مقادیر زیادی رس است. اما کانی‌شناسی رسی موجود در این خاک‌ها، به‌طور مستقیم بر پتانسیل تورم آن‌ها تأثیر می‌گذارد. انواع کانی‌های رسی که در معرض آب بیشتر متورم می‌شوند، «مونت موریلونیت» (montmorillonite) و «اسمکتیت» (smectite) هستند. این کانی‌ها به گروه فیلوسیلیکات‌ها (phyllosilicates) تعلق داشته و ساختار لایه‌ای منحصربه‌فردی دارند که به آن‌ها اجازه می‌دهد مولکول‌های آب را در شبکه بلوری خود جذب کنند. جذب آب، منجر به افزایش حجم و متعاقب آن، متورم‌شدن خاک می‌شوند.

مشکلات ایجاد‌شده توسط خاک متورم شونده

خاک متورم شونده اگر شناسایی نشده و برای بهسازی آن کاری انجام نشود، می‌تواند منجر به طیفی از مشکلات پرهزینه شود.

هنگامی‌که این خاک‌ها آب را جذب می‌کنند، حجم آن‌ها افزایش می‌یابد و به خاک‌های پی فشار وارد کرده و باعث حرکت پی می‌شود. نیروهای ناشی از این تغییرات حجمی، می‌تواند منجر به آسیب قابل توجهی به ساختارهای فوقانی شود.

این آسیب‌ها می‌توانند شامل ترک‌خوردن بتن، کج‌شدن سازه، سطوح ناهموار، دیوارهای کمانی، نشست و فونداسیون‌های آسیب‌دیده باشد.

برای آشنایی بیشتر با میخکوبی یا نیلینگ به این بخش مراجعه کنید.

روش‌های شناسایی خاک متورم شونده

شناسایی این خاک‌ها نسبتاً ساده و سرراست است و معمولاً به آزمایش‌های گران نیاز ندارد. شکل زیر، آزمایش‌های مختلفی را نشان می‌دهد که می‌توانند تغییر حجم یا فشار را به دلیل تورم ایجاد‌شده، اندازه‌گیری کنند.

شکل A آزمایش تورم آزاد (free swell test) را نشان می‌دهد که در آن نمونه خاک اجازه دارد در همه جهات به‌شکل نامحدود متورم شود تا اندازه تورمی را که می‌تواند در شرایط واقعی رخ دهد، نشان دهد.

شکل B برای تعیین فشار ناشی از تورم، یک نمونه فشرده از خاک استفاده می‌شود. خاک در زیر بار تعیین‌شده با رطوبت اشباع شده و اجازه داده می‌شود تا تحت فشارهای جانبی، از بالا متورم شود. ارتفاع جدید خاک ثبت می‌شود، بار افزایش می‌یابد تا خاک به سطح قبلی برگردد. سپس چرخه تکرار می‌شود تا زمانی که دیگر بالا‌آمدن مشاهده نشود. در این حالت بار حاصل برای برگرداندن آن به تورم صفر، فشار تورم است.

در آزمایش شکل C نمونه دست.نخورده یا فشرده خاک با رطوبت اشباع شده و اجازه داده می‌شود تحت بار فزاینده مانند آزمایش تثبیت معمولی، متورم شود. مقدار تورم به‌عنوان درصدی از ارتفاع نمونه ثبت می‌شود.

روش‌های بهسازی خاک متورم شونده

تکنیک‌های مختلفی را می‌توان برای کاهش اثرات مخرب خاک‌های متورم شونده در پروژه‌های ساختمانی به‌کار برد. هدف این تکنیک‌ها، کاهش و یا از بین بردن تغییرات حجمی این نوع خاک هنگام مواجهه با رطوبت است. برخی از روش‌های رایج مورد استفاده برای بهسازی خاک متورم شونده، شامل موارد زیر است:

• کنترل رطوبت: حفظ رطوبت ثابت در خاک می‌تواند تغییرات حجم را به‌حداقل برساند. تکنیک‌هایی مانند سیستم‌های دانه‌بندی و زهکشی مناسب می‌توانند به کنترل نفوذ آب و کاهش قرار‌گرفتن خاک در معرض نوسانات رطوبت کمک کنند. در این روش‌ها، دانه‌بندی خاک، کنترل شده و یک روش زهکشی مناسب برای آن فراهم می‌گردد تا هنگام بارش و نفوذ رطوبت به داخل خاک، رطوبت به‌سرعت خارج شده و سبب تورم نگردد.
• تثبیت شیمیایی: در این روش می‌توان افزودنی‌های شیمیایی را به خاک وارد کرد تا خواص آن را اصلاح کرده و پتانسیل تورم آن را کاهش دهد. این افزودنی‌ها شامل آهک زنده، گرد‌وغبار کوره آهک‌سازی یا سیمان هستند که با مواد معدنی رسی موجود در خاک واکنش نشان می‌دهند تا پایداری آن‌ها را بهبود بخشیده و توان تورم را به‌حداقل برسانند. میزان و نوع مواد شیمیایی مورد استفاده برای تثبیت، براساس نوع خاک، ترکیبات آن و نظر مهندس انجام می‌شود.
• تثبیت مکانیکی: تکنیک‌های تثبیت مکانیکی شامل تقویت خاک برای افزایش ظرفیت باربری آن و کاهش حساسیت آن به تورم است. روش‌هایی مانند فشرده‌سازی خاک، اختلاط خاک و استفاده از مواد ژئوسنتتیک را می‌توان برای بهبود استحکام خاک و کاهش پتانسیل آن برای تغییرات حجمی به‌کار برد.
• طراحی فونداسیون: طراحی فونداسیون مناسب هنگام برخورد با خاک‌های متورم شونده، بسیار مهم است. تکنیک‌هایی مانند پی‌های عمیق، از جمله شمع‌ها یا پایه‌ها، می‌تواند برای انتقال بار به لایه‌های خاک پایدارتر استفاده شود. در این روش‌ها فشار به‌جای خاک متورم شونده به خاک زیرین آن منتقل می‌شود. علاوه‌بر این، استفاده از سیستم‌های فونداسیون منعطف مانند پی‌های حصیری (mat foundations) یا دال‌های معلق (suspended slabs) می‌تواند حرکت بالقوه خاک متورم‌ شونده را بدون آسیب‌رساندن به سازه تنظیم کند.

اقدامات احتیاطی هنگام تثبیت شیمیایی خاک

درحالی‌که تثبیت شیمیایی نقش بسیار موثری در بهسازی خاک متورم شونده دارد، دو واکنش بالقوه نامطلوب وجود دارد که باید در نظر گرفته شوند.

اولاً، خاک‌هایی که حاوی مقادیر زیادی سولفات‌های محلول (بیش از 3000 پی‌پی‌ام) هستند، می‌توانند با یون‌های کلسیم (که از افزودن سیمان پرتلند یا آهک به‌دست می‌آیند) واکنش داده و یک ماده معدنی منبسط‌شونده به نام اترینگیت را تشکیل دهند. به‌همین دلیل آزمایش برای تعیین مقدار سولفات‌های محلول باید انجام شود تا مشکلی به‌وجود نباید.

دوم اینکه افزودن محصولات آهکی به خاک باعث افزایش PH خاک (البته تا حدی) می‌شود که برای رشد ریشه گیاهان و علف‌ها مطلوب نیست. به این ترتیب، باید از لایه‌ای از خاک سطحی در جایی که درخت کاشته می‌شود استفاده شود، یا اینکه چمن و پوشش گیاهی دیگری که با افزایش PH مشکلی ندارد، جایگزین گردد.

به‌طور کلی، خاک‌های متورم‌ شونده از جمله خاک‌های مشکل‌ساز به شمار می‌آیند. ساخت‌و‌ساز در زمین‌هایی که از این نوع خاک پوشیده شده‌اند دشوار و نیازمند رعایت مسائل خاصی است. خوشبختانه روش‌های موثری برای بهسازی خاک منبسط‌ شونده وجود دارد که با کمک آن‌ها می‌توان ساخت‌و‌ساز موفقی را در این زمین‌ها انجام داد.

Remediating Expansive (Shrink-Swell) Soils

A Homeowner’s Guide to Expansive Soils and Their Problems

Dealing with Expansive Soils in Construction