روش تحلیلی و اساسی تعیین ظرفیت بار پذیری و مقاومت مجاز خاک

پی هر ساختمان باید قادر به تحمل فشار وارده از احداث ساختمان مورد نظر باشد ، بدون آنکه سبب تخریب و آسیب رساندن به سازه و تاسیسات ساختمان گردد . این موارد نیازمند آن است که خاکی که در زیر پی واقع شده و پی فشار خود را به آن منتقل می کند بیش از توان بار پذیری خود تحت تنش قرار نگیرد و همزمان تغییر شکلهای بجود آمده در خاک چه به علت وارد شدن فشارها از طریق پی و چه به علت عمل نیروهای طبیعی در آن ایجاد نشستی بیش از نشست مجاز نکند . فشاری که از طریق پی بر خاک زیر ۀن وارد شده بدون ـنکه تنش فوق العاده ای در آن ایجاد کند (بدون آنکه شکست برشی ایجاد کند) ظرفیت بار پذیری خاک گفته می شود . بطور معمول بار گذاری بر روی خاک از طریق پی در خاک ، ایجاد تغییر شکل می کند که این تغییر شکل بصورت نشست که حرکت پی در جهت ساختمان به طرف پایین خاک حرکات جانبی نیزدر اثر بارگذاری می نماید که حرکات جانبی خاک نیز حائز اهمییت است . از نکات مهم دیگر اکان حرکات پی به علت پدیده های طبیعی مانند تورم خاک ، انقباض خاک ناشی از تغییرات رطوبتی و یا یخبندان در خاک است . مقدار بار و نوع بار وارده بر پی ( بار استاتیکی ، بار زنده و یا بار تکراری ) ، پیش نیاز عملکرد پی ( مانند حد اکثر نشست مجاز پی ) ، بالاخره ویژگیها و خصوصیات خاک همگی عواملی هستند که در انتخاب نوع و ابعاد و اندازه پی مورد نیاز و رفتار بعدی آن موثرند .
قبلا از روشهای ساده تر و کم دقت تر تعیین ظرفیت بار پذیری و فسار مجاز خاک بحث و نتیجه گیری شد . در مقابل روشهای ذکر شده بالا و نقاط ضعف و قوت آنها ، روش تحلیلی که اطلاعات اولیه آن از طریق بررسی ها و جمع آآاوری آمار پدیده های طبیعی ( کلیماتولوژی ) – بدست آوردن اطلاعات مربوط به زمین شناسی و تکتونیک – حفر گمانه های آزمایشی همراه با آزمایش های محلی و هم زمان اجرای آزمایش ضربه و نفوذ ( که نه به عنوان تنها روش اطلاعاتی، بلکه به عنوان تکمیل کننده و یا اطلاعات همسنگ دیگر که بدین ترتیب نقطه قوت و امتیازی محسوب می شود ) – اندازه گیری سطح آب زیر زمینی و تغییرات آن – نمونه برداری های مختلف – انجام آزمایشات فیزیکی – مکانیکی و شیمیایی – و سایر آزمایشاتی که خوصوصیات و ویژگیهای خاک را نشان می دهد – ترسم لایه بندی ها و مقاطع لایه های زیر سطحی ( عمقی ) خاک و تحلیل داده های جمع آوری شده با استفاده از روابط شناخته شده و توصیه شده مقامات ذیصلاح علمی ، امروزه دقیق ترین و مطمئن ترین روش تعیین ظرفیت بار پذیری خاک است البته باید یاد آور شد که این روش دقیق تر و مطمئن تر ، روشهای پذیرفته شده مطالعات خاک و طراحی پی امروزی است . همین روشها دارای سوابق تاریخی بوده و در گذشته بسار محافظه کارانه تر و کم دقت تر بوده اند ، ولی با پیشرفت تکنیکها و بالا رفتن دقت وسایل اندازه گیری به سطح امروزی رسیده اند . یقینا با تحقیقات بیشتر ئ گامهای بزرگتر علمی و با پیدایش وسایل تحقیق جدیدتر تعیین خصوصیات فیزیکی و مکانیکی خاک و تعیین آن در کنش خاک و سازه به مراطب دقیق تر از سطح فعلی خواهد شد . اروزه اگر چه در مکانیک خاک و طراحی پی از روشهای علمی استفاده زیاد می شود ، لیکن هنوز نمی توان پاسخ های بدست آمده را همیشه نهایی و قطعی تلقی گردد . باید اذعان کرد در این رشته از علم مهندسی ، حتی دقیق ترین و مطمئن ترین روش تحلیل و علمی پذیرفته شده امروزی در باره تصمیم گیری نهایی نسبت به نوع پی ، رفتار مورد انتظار خاک ، اندر کنش خاک و پی تحت فشار ، روشهای بهینه ساخت و اجرای پی ، کنترل محلی اجرای پی ، کنترل محلی اجرای عملیات پی سازی و مخصوصا کنترل اجرای تقویت خاک به شدت تاثیر پذیر از تجربه مهندس خاک شناس و نیز به بینش علمی ، بصیرت تجربی و فراست او بستگی دارد .

عوامل اصلی بارپذیری خاک :
بارپذیری و یا مقاومت هر خاک که تحت فشاری از طریق پی قرار گیرد به دو گروه عوامل بستگی دارد. گروهی که مربوط به خاک است و گروهی که از پی ناشی می شود ( شکل، ابعاد، ضخامت، عمق، مقدار و نحوه بارگذاری و ... ). عوامل گروه اول عبارتند از:
1- چسبندگی خاک
2- زاویه اصطحکاک داخلی دانه های خاک
3- تراکم پذیری خاک
4- موقعیت سطح آبهای زیرزمینی
5- ناهمگنی دانه های خاک و غیر یکنواختی آن
6- شیب لایه های خاک
7- ناصافی و زبری سطح خاکی که پی بر روی آن قرار می گیرد

در میان عوامل ذکر شده در بالا، چسبندگی و زاویه اصطکاک داخلی ( عوامل 1و2 ) که هر دو قابل اندازه گیری در آزمایشگاه هستند، عوامل اصلی و عمده ایجاد مقاومت یا خاصیت بارپذیری خاک محسوب می شوند. حضور و یا غیبت سایر عوامل نقش درجه دومی دارند. به علاوه دو عامل چسبندگی و زاویه اصطکاک داخلی تنها عوامل ایجاد کننده مقاومت برشی خاک هستند. به همین دلیل در بررسی و محاسبه بارپذیری خاک دو عامل مذکور اساس محاسبه و بررسی خاک می باشند و محاسبات مقاومت خاک بر آن دو عامل استوار است. از این دو عامل، چسبندگی عامل عمده ایجاد مقاومت در خاکهای ریزدانه رسی و سیلتی است و زاویه اصطکاک داخلی عامل اساسی ایجاد مقاومت در خاکهای درشت دانه، ماسه ها و شن ها است.
رس ها از دانه های فوق العاده ریزی تشکیل شده اند که با قوی ترین میکروسکوپ ها عادی قابل رؤیت نیستند و فقط با میکروسکوپ الکترونیکی بسیار قوی قابل مشاهده اند. این دانه ها که از مواد معدنی کریستاله و مختلفی تشکیل یافته اند، به شکل صفحه یا بشقاب هستند که با نظم خاصی در مجاورت یکدیگر قرار می گیرند. مولکولهای این دانه های بشقاب مانند قدرت شدید جذب آب بین دانه ها داشته و در اثر جذب آب ایجاد اتصال و کشش زیادی بین دانه ها می کنند که به پدیده چسبندگی (Cohesion ) مشهور است. به بیان دیگر چسبندگی خاک نیروی اتصالی و به هم چسبیدن دانه های فوق العاده ریز خاک است که توسط آب بوجود آمده و خاک از طریق تمایل شدید و قدرت جذب زیاد، مولکولهای آب را بین دانه های بشقاب مانند خود قرار می دهد. نیروی چسبندگی رس ها و دانه های خاک ریزدانه آنقدر زیاد است که حتی پس از تبخیر و یا از دست دادن آب، خاک چسبندگی ایجاد شده را حفظ کرده و آنرا از دست نمی دهد. چسبندگی که آنرا با حرف C نمایش می دهند و واحد آن کیلونیوتن بر متر مربع یا کیلوگرم بر سانتیمتر مربع و یا تن بر متر مربع است بستگی به قطر و اندازه دانه ها و جنس مواد معدنی تشکیل دهنده دارد. هر قدر اندازه یا قطر دانه ها کوچکتر باشد، قدرت جذب آب و در نتیجه چسبندگی ایجاد شده بیشتر است و بر عکس اگر اندازه دانه ها بزرگ شوند، چسبندگی تقلیل می یابد، بطوری که در ماسه های خالص چسبندگی وجود ندارد.
زاویه اصطکاک داخلی که به حرف یونانی Ø نمایش داده می شود، مقاومت بین دانه ای خاک در مقابل سر خوردن دانه ها، مقاومت در مقابل غلتیدن بر روی یکدیگر و شکسته شدن دانه ها و غیره است که همگی مربوط به خاک های غیر چسبنده و درشت دانه ها، شامل انواع ماسه و انواع شن ها و مانند آنها است و چون طریق نمایش و اندازه گیری آن از روی دایره موهر است بر حسب درجه و دقیقه و ثانیه مشخص می شود، لذا واحد آن درجه است.
بر حسب دو عامل اصلی مقاومتی خاک ( C ،Ø ) خاکها به سه گروه تقسیم می شوند، خاکهایی که مقاومت خود را فقط از چسبندگی (C ) بدست می آورند، مانند رس های خالص و چسبنده که Ø در ایجاد مقاومت این گروه نقش عمده ای ندارد و خاکهایی که مقاومت خود را از زاویه اصطکاک داخلی بدست می آورند مانند ماسه های کاملاً شسته شده کوارتزی که چسبندگی در آنها نقشی ندارد و بالاخره گروه Ø- C که خاکهای این گروه مقاومت خود را هم از چسبندگی و هم از Ø اصطکاک داخلی دانه ها بدست می آورند. در واقع رس ها نیز دارای زاویه اصطکاک داخلی هستند ولی مقدار آن معمولاً کم و در مقابل چسبندگی قابل گذشت است و یا ماسه های ریزدانه نیز مخصوصاً اگر مرطوب شوند دارای نوعی چسبندگی می شوند که مقدار آن جزئی و در مقابل نقش زاویه اصطکاک داخلی برای ماسه ها قابل صرفنظر کردن است. در گروه خاکهای Ø- C که گسترده ترین انواع خاکها بوده و طیف وسیعی از خاکهای طبیعی را شامل می شوند هر دو عامل چسبندگی و زاویه اصطکاک داخلی در ایجاد مقاومت و بارپذیری خاک مؤثرند.
در اینجا یادآوری می نماید که اگر چه عامل اصلی بارپذیری و یا مقاومت خاکهای شن و ماسه ای زاویه اصطکاک داخلی است، ولی حتی درصد کمی رس که با شن و ماسه بصورت یکنواخت مخلوط شود نقش بسیار برجسته ای در ایستایی و پایداری مخلوط مذکور خواهد داشت. این نکته برای خاکهای شمال تهران پدیده در خور توجه و قابل تعمقی است که متأسفانه بهای لازم به آن داده نشده است. خاک شن و ماسه ای خالص قادر نیست بصورت قائم و برای ارتفاع چندین متر روی هم بدون جنبش و حرکتی بایستد. یک توده شن و ماسه خالص به شکل تپه ای روی هم قرار می گیرد که حداثر شیب رویهم قرار گرفتن دانه ها برابر زاویه خواب شن و ماسه است در حالیکه روش متعارف گودبرداری زمین های شمال شهر تهران، کندن زمین بصورت قائم و رها کردن و بحال خود گذاشتن گود است که معمولاً بدون ایجاد سازه نگهبان و تمهیدات دیگر ایمن سازی است. در واقع سهم عمده عامل قائم ایستائی و پایداری جداره گودبرداری وجود چند درصدی خاک چسبنده رس، سیلت و یا رس و سیلت است که درصد آن معمولاً بین 5 تا 12 درصد وزن مخلوط خاک است.