خاک چیست ؟
«خاک» (Soil)، لایه سطحی زمین است که بر اثر هوازدگی یا حفاری به وجود می آید. این لایه، معمولا از مواد غیر آلی (ذرات کانی ها)، مواد آلی (موجودات زنده و مرده)، هوا و آب تشکیل می شود.

مهندسی_خاک2

از دیدگاه مهندسی، خاک، ماده ای است که به عنوان مصالح در ساخت سازه ها یا به عنوان فونداسیون (پایین ترین بخش) سازه ها مورد استفاده قرار می گیرد.

در واقع خاک، یک ماده تحکیم نیافته است که از ذرات جامد می شود. به دلیل تحکیم نیافته بودن خاک، بین ذرات تشکیل دهنده آن فضای خالی وجود دارد. این فضای خالی یا حفره ها، توسط آب، هوا یا هر دو پر می شوند.

خاک چگونه تشکیل می شود؟
خاک ها، معمولا بر اثر هوازدگی و فرسایش سنگ به وجود می آیند. در طی فرآیند هوازدگی (فیزیکی، شیمیایی، زیستی)، انواع مختلف سنگ (آذرین، دگرگونی، رسوبی) به ذرات کوچک تر تبدیل می شوند.

علاوه بر هوازدگی، فعالیت های انسانی نظیر حفاری، انفجار یا باطله برداری نیز می تواند باعث تشکیل خاک شوند.

هوازدگی فیزیکی: سایش، اثرات دمایی، چرخه ذوب و انجماد آب های موجود در ناپیوستگی ها، باران، باد، ضربه و غیره.
هوازدگی شیمیایی: هیدراتاسیون، کربناتاسیون، اکسیداسیون، حل و آبکافت مواد تشکیل دهنده سنگ.
هوازدگی زیستی: تخریب سنگ بر اثر فعالیت گیاهان و حیوانات.

به طور کلی پنج عامل زیر بر روی تشکیل خاک ها تأثیرگذار هستند:

مواد منشا: کانی های تشکیل دهنده.
مواد آلی زنده: مواد موثر بر نحوه تشکیل.
شرایط اقلیمی: پارامترهای موثر بر هوازدگی و تجزیه مواد آلی.
توپوگرافی: عامل موثر بر زهکشی، فرسایش و تجزیه.
زمان: عامل موثر بر تغییر خواص خاک.

افق خاک چیست؟
«افق خاک» (Soil Horizon)، لایه ای موازی با سطح زمین است که خواص فیزیکی، شیمیایی و زیستی آن با لایه های بالایی و پایینی تفاوت دارد.

در اکثر موارد، افق خاک، توسط ویژگی های فیزیکی مانند رنگ و بافت تعریف می شود.

مهندسی_خاک3

در استانداردهای مختلف، برای لایه ها و افق های خاک از حروف مخصوص استفاده می کنند. حروف و تعریف افق های اصلی عبارت هستند از:

O: مواد خاکی آلی (غیر آبی).
A: ساختار سطحی شامل کانی ها به همراه تجمع مواد آلی (گیاه خاک).
E: کانی ها به همراه کاهش مقداری از آهن، آلومینیوم و مواد آلی.
B: ساختار خاک زیرسطحی شامل تجمع رس، آهن، آلومینیوم، سیلیسیوم، گیاه خاک، کلسیم. کربنات، کلسیم سولفات به همراه کاهش کلسیم کربنات، تجمع سسکی اکسیدها.
C: ساختار زیرلایه یا بستر نرم با خاک زایی کم یا بدون خاک زایی و مواد خاکی تحکیم نشده.
L: مواد خاکی لیمنیک (رسوبات آبی).
W: لایه ای از آب مایع یا یخ زده در میان یا زیر خاک.
R: سنگ بستر با مقاومت بالا.

اهمیت خاک در مهندسی چیست؟
خاک، از اهمیت بالایی برای پروژه های عمرانی و ژئوتکنیکی برخوردار است؛ چراکه این ماده در توسعه و ساخت سازه های مختلفی نظیر آزادراه، فرودگاه، فونداسیون، تونل، دیوار حایل، خاکریز، سد، پل، کانال ها و ساختمان مورد استفاده قرار می گیرد.

به همین دلیل، برداشت های زمین شناسی و مطالعه خواص خاک، به فعالیت های اجتناب ناپذیر در تمام مسائل مهندسی عمران و ژئوتکنیک تبدیل شده اند.

حوزه های مطالعه خاک در مهندسی عمران کدام هستند؟
خاک، در حوزه ها و شاخه های مختلفی مورد مطالعه قرار می گیرد. از حوزه های اصلی مطالعه خاک ها در مهندسی عمران می توان به موارد زیر اشاره کرد:

«فیزیک خاک» (Soil Physics): علمی است که به مطالعه خواص فیزیکی خاک ها و فرآیندهای مرتبط با آن ها می پردازد.
«مکانیک خاک» (Soil Mechanics): یکی از شاخه های فیزیک خاک و مکانیک کاربردی است که رفتار خاک ها را در به صورت تئوری فرمول های ریاضی توصیف می کند.
«مهندسی ژئوتکنیک» (Geotechnical Engineering): از گرایش های مهندسی عمران است که با استفاده از مکانیک خاک، رفتار خاک ها را برای حل و طراحی مسائل مرتبط با سازه های ژئوتکنیکی مورد ارزیابی قرار می دهد.
«شیمی خاک» (Soil Chemistry): علمی است که به مطالعه خصوصیات و ترکیبات شیمیایی خاک می پردازد. شیمی خاک از گرایش های مهندسی عمران نیست اما به دلیل تأثیر خواص شیمیایی بر روی رفتار مکانیکی خاک، اهمیت زیادی در پروژه های عمرانی دارد.