در علوم مهندسی ، خاک مخلوط غیر یکپارچه ای از دانه های کانیها و مواد آلی فاسد شده می باشد که فضای خالی بین آنها توسط آب و هوا (گازها) اشغال شده است. خاک به عنوان مصالح ساختمانی در طرح های مهمی در مهندسی عمران بکار گرفته می شود و همچنین شالوده اکثر سازه ها بر روی آن متکی است.

بنابراین مهندسان عمران باید بخوبی خواص خاک از قبیل مبدا پیدایش ، دانه بندی ، قابلیت زهکشی آب ، نشست ، مقاومت برشی ، ظرفیت باربری و غیره را مطالعه نمایند. مکانیک خاک شاخه ای از علوم مهندسی است که به مطالعه مشخصات فیزیکی و رفتار توده خاکی تحت بارهای وارده می پردازد. مهندسی پی ، کاربرد اصول مکانیک خاک در مسائل عملی است.

تاریخچه

تاریخچه عملیات خاکی را می توان به دوره های دور تاریخ بشری نسبت داد و آن را با قدمت پیدایش شهرنشینی یکی دانست. حفر قناتها ، کانالهای آبرسانی ، ایجاد پلها و سدهای محکم و سایر بناهایی که آثار آنها در کشورهای دنیا از ده ها قرن قبل تا کنون به یادگار مانده است، همه از مواردی است که به نحوی با عملیات خاکی ارتباط دارد.

سیر تحولی و رشد

توجه به بررسی و مطالعه خاک با یک دیدگاه مهندسی و به منظور تحلیل ریاضی خواص آن ، از قرن ۱۸ میلادی آغاز شد و در واقع اولین بار در عین حال مهمترین رابطه ساده در زمینه مکانیک خاک ، در سال ۱۷۷۳ توسط کولمب یک مهندس ارتشی فرانسه ارائه گردید.

کارهای بوسینسک در مورد تئوری اجسام الاستیک که در سال ۱۸۸۵ انتشار یافت به ارائه راه حل های دقیق در محاسبه تنش ها و تغییر شکل های 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 ۱۹۲۵ کارل ترزاگی ، استاد دانشگاه هاروارد ، نتیجه تحقیقات خود را به صورت مقاله ای ارائه داد و در سال ۱۹۴۳ کتاب «اصول نظری مکانیک خاک» را تدوین و منتشر کرد.

کارل ترزاگی (۱۹۶۳ ۱۸۸۳) را به حق بنیانگذار دانش مکانیک خاک نامیده اند. 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 ۱۹۳۴ 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 تجربه های گذشته در این زمینه بدون گسترش تئوری های مطمئن تر و راه حل های اقتصادی تر تکافوی حل مسائل جدید را در عمل نمی نماید. به علاوه ، بسط مسائل مبحث مکانیک خاک همراه با توسعه روش ها و دیدگاههای جدید در زمینه مکانیک محیط دانه ای ، گسترش و افزایش دقت در تحلیل های ریاضی و مدل سازی ها 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 بررسی ها و مطالعات و تصمیم گیری ها 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 دانه ها :

از آنجایی که خاکها از تجزیه و هوازدگی سنگهای پوسته زمین پدید آمده است ، لذا کانی های تشکیل دهنده خاکها باید همان کانی های تشکیل دهنده سنگ مادر باشد.

طبیعت سطح ذرات خاک (سطح مخصوص) : سطح خارجی دانه های خاک ، یعنی فصل مشترک محیط جامد با محیط مجاور آن که ممکن است، آب یا هوا باشد. محل پدید آمدن بعضی پدیده های فیزیکی یا شیمیایی است که این پدیده ها برخواص دیگر خاک مثل؛ مقاومت و نفوذپذیری و ... تاثیر می گذارد.

پدیده های فیزیکی و شیمیایی در سطح مشترک خاک و آب :ذرات جسم جامد از شبکه ای از یون های مختلف تشکیل شده است که از اینرو بین سطح خارجی ذره و محیط اطراف آن کنش و واکنش هایی پدیدار می گردد.

خاصیت مویینگی :

خاصیت بالا رفتن آب در لوله های مویین و در حفره های بین ذرات خاک را خاصیت مویینگی گویند.

نیروهای دافعه و جاذبه بین ذرات :

نیروهای بین ذره ای در خاک به دو گونه اند. نیروهای جاذبه مولکولی بین دانه ها (وان در والس) و نیروهای دافعه که از نوع نیروی الکتروکینیماتیکی است. خواص مکانیکی خاکها

ـ اصطکاک : مقاومت جسم در برابر حرکت به علت وجود اصطکاک بین دو سطح تماس است.

ـ چسبندگی: مقاومت خاکی به علت چسبندگی دانه ها حاصل از مقاومت مولکولی (یعنی نیروی جاذیه الکتروشیمیایی) بین ذرات ریز است.

ـ گسیختگی توده خاک : گسیختگی توده خاک عبارتست از پایان شرایط مقاومت و آغاز برش در خاک است.

ـ تحکیم: تحکیم عبارتست از کاهش حجم حفره های آب دار درون خاک به علت افزایش فشارهای جانبی.

کاربرد مکانیک خاک خاک از یک طرف به عنوان مصالح مورد توجه مهندسین و طراحان قرار می گیرد 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 ، زهکش ها ، 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 پی ها ، زیر پایه پل ها و زیربنای جاده ها و محل حفر تونل ها و محل قرار دادن لوله ها 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 کانال ها 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 لایه های 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 یخ زدگی و فرسایش و تغییرات جوی نیز پایدار بماند.

در ایجاد یک سد خاکی ، شیب ها چه مقدار باشد که هم پایدار باشد و هم اقتصادی ، در صورتی که سد همگن با زهکشی است، لایه های 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 لایه ها برای کمپاکت کردن خاک چه مقدار باید باشد؟ روش های حفاظت دامنه ها و تاج سر به چه عواملی بستگی دارد؟ و بسیاری پرسش های 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 دقیق تر هنگامی بیشتر می شود 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 تنش ها و تغییر شکل های هر نقطه از محیط خاکی در اثر عملکرد یک نیروی خارجی و ... بحث می شود.

در این راستا گاهی نیاز به مطالعه خواص شیمیایی و کانی شناسی دانه های خاک است و گاهی نیاز به بررسی پیدایش و منشا خاکها و گاهی نیاز به استفاده از دانش هیدرولیک و دانش های 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