مفاهیم و کلیات نشست تحکیم اولیه خاک

تحکیم خاک یکی از مراحل بسیار مهم آماده سازی و پی ریزی برای ایجاد یک سازه و یا بنا می باشد. اطلاعاتی دقیقی در دسترس نیست اما در چند منبع علت کج شدن برج پیزا را عدم زیرسازی های مناسب از جمله تحکیم خاک، یافتم. به طور کلی وقتی خاک تحت بارگذاری جدیدی قرار می گیرد (مثل بناشدن یک سازه بر روی آن یا احداث خاکریز و غیره)، فشرده شده و اصطلاحا نشست (Settlement) می کند. نشست خاک که به منظور فشرده سازی خاک (‏Compressibility of Soil) صورت می گیرد، از نقطه نظر زمانی به دو دسته تقسیم می شود، یکی نشست کوتاه مدت یا نشست آنی خاک است و دیگری نشست بلند مدت یا نشست تحکیم. نشست آنی در خاک های درشت دانه اشباع و غیر اشباع، همچنین خاک های رسی با درصد اشباع کمتر از 80%، مورد توجه است. این در حالی است که نشست تحکیم مخصوص خاک های رسی اشباع و نزدیک به اشباع (درصد اشباع بیش از 80%) بوده که در خاک رس اشباع، از نشست آنی در برابر نشست تحکیم صرفه نظر می گردد. (توجه داشته باشید که مطلب فوق با نشست زمین اشتباه گرفته نشود این نشست به منظور تحکیم خاک صورت می گیرد)

حال اگر نشست خاک از دیدگاه ساختاری مدنظر باشد، می توان آن را به دو بخش یعنی نشست الاستیک و نشست غیر الاستیک تقسیک کرد. در نشست الاستیک به هنگام باربری، نشست خاک قابل برگشت است و با توجه به کوچک بودن این نشست، بازگشت به اصطلاح ارتجاعی آن نیز کوچک خواهد بود. حال آن که در نشست غیر الاستیک، میزان نشست قابل ملاحظه بوده و برگشت ناپذیر می باشد. لغزش و سر خوردن ذرات جامد خاک به هنگام نشست غیر الاستیک، منجر به ورودشان به فضاهای خالی خاک می گردد. در نتیجه در نشست غیر الاستیک مقداری هوا و آب از خاک خارج شده و خاک تغییر حجم خواهد داشت. این در حالی است که در نشست الاستیک تغییر حجمی رخ نمی دهد.

در یک طبقه بندی ترکیبی از این دو دیدگاه می توان نوشت. نشست آنی (Immediate Settlement):

1. نشست الاستیک
2. نشست غیر الاستیک خاک که با خروج هوا همراه است (تراکم).
3. نشست غیر الاستیک خاک که با خروج سریع آباز آن همراه می شود.

نشست تحکیم (Consolidation Settlement):

1. تحکیم اولیه که طی آن، آب در یک فرآیند زمان بر از خاک خارج شده و باعث کاهش حجم و نشست آن در بلند مدت می شود.
2. تحکیم ثانویه که ناشی از تغییر شکل پلاستیک خاک است و به علت تغییر ساختار خاک در بلند مدت، رخ می دهد.

در محاسبه نشست خاک معمولا 3 نوع نشست مدنظر است: 1) نشست آنی(الاستیک) 2) نشست تحکیم اولیه و 3) نشست تحکیم ثانویه ( فشردگی یا تراکم ثانویه)

مکانیزم تحکیم اولیه

 برای درک بهتر مفهوم تحکیم اولیه در حالت یک بعدی، می توان از تشابه ساده ای استفاده کرد. در شکل زیر یک صفحه مسطح نشان داده شده است که بر روی یک فنر قرار گرفته و نفر نیز توسط آب درون استوانه احاطه شده است. در صفحه مذکور یک روزنه خروج آب نیز تعبیه شده است که امکان خروج آب از استوانه، تنها از طریق آن وجود دارد. ابتدا بدون این که روزنه خروج را باز کنیم، صفحه را بارگذاری می کنیم. در این حالت با توجه به این که آب غیر قابل تراکم است، صفحه پایین نیامده و فنر فشرده نمی شود، پس تمام بار وارد به آب منتقل می شود و در آن اضافه فشار ایجاد می شود. مطابق شکل زیر، در مرجله بعد روزنه را باز می کنیم و اجازه می دهیم تا آب تحت فشار، به تدریج از استوانه خارج شود. با خروح آب صفحه پایین آمده و فنر فشرده می شود و این به معنی تحمل نیرو توسط فنر است. خروج آب از استوانه زمانی متوقف می شود که تمام بار به فنر منتقل شده و اضافه فشار آب صفر گردد.

حالا یک لایه خاک ریزدانه اشباع با مرزهای نفوذپذیر را در نظر بگیرید که به علت بارگذاری، تحت تاثیر افزایش تنش قرار گرفته است. در ابتدا آب به عنوان یک مایع غیر قابل تراکم، تمام این اضافه تنش را دریافت می کند و فشار آب حفره ای به طور ناگهانی افزایشی به اندازه تنش وارده پیدا خواهد کرد. با گذشت زمان، آب به تدریج (چون خاک ریزدانه نفوذپذیری پایینی دارد) تحت این اضافه تنش، از خاک خارج می شود و معادل آب خارج شده، خاک نشست می کند. با خروج آب از خاک، دانه های جامد خاک نیز در تحمل اضافه تنش وارده سهیم می شوند و همان مقدار که از اضافه فشار آب حفره ای کاسته می شود، به تنش موثر افزوده می گردد.

روند خروج آب و تبدیل اضافه فشار آب حفره ای به اضافه تنش موثر، تا صفر شدن کامل اضافه فشار آب حفره ای ادامه دارد و زمانی که اضافه فشار آب حفره ای صفر شود، تحمل اضافه تنش تماما به عهده دانه های جامد خاک خواهد بود. این فرآیند یعنی مراحل تبدیل اضافه فشار آب حفره ای به اضافه تنش موثر خاک را تحکیم اولیه می گویند. تشابه موجود بین تحکیم اولیه و مدل استوانه و فنر را می توان با توجه به شکل پایین و البته شکل بالا به صورت زیر بیان کرد:

1. خاک رس اشباع = مجموعه فنر، صفحه مسطح، آب و استوانه
2. مرزهای نفوذپذیر خاک رس = روزنه خروج آب
3. بارگذاری q روی سطح خاک = بار W که بر روی صفحه مسطح وارد شده است.
4. ساختار دانه های جامد خاک و اضافه تنش موثر = فنر و نیرویی که به تدریج به فنر منتقل می شود.
5. آب حفره ای و اضافه فشار آب حفره ای = آب اطراف فنر در داخل استوانه و اضافه فشار آب

تذکر: نحوه تبدیل اضافه فشار آب حفره ای به اضافه تنش موثر، در عمق خاک یکسان نیست. اگر خاک از دو طرف امکان زهکشی داشته باشد، بالا و پایین لایه به دلیل مجاورت با مرزهای نفوذپذیر به سرعت اضافه فشار آب حفره ای خود را از دست می دهند و تنش اضافی سریعا از فشار آب حفره ای به اضافه تنش موثر تبدیل می گردد. این درحالی است که وسط لایه به علت فاصله زیاد از مرزهای نفوذپذیر، دیرتر این تبدیلات را انجام می دهد (قطره آب در این نقطه، نسبت به سایر نقاط، به مسیر طولانی تری نیاز دارد تا با رسیدن به مرزهای نفوذپذیر، اضافه فشار آب حفره ای خود را از دست دهد)، بنابراین مدت زمانی طلانی لازم است تا اضافه فشار آب حفره ای در وسط لایه صفر شود.