تعریف سازه خاکی در عمران

سازه خاکی چیست؟
خاک تقریبا در همه جای زمین قابل دسترس است. دسترسی بالا به این ماده، باعث گسترش استفاده از آن به عنوان مصالح ساختمانی شده است.

خاک حتی در دوران ماقبل تاریخ نیز به عنوان مصالح ساختمانی مورد استفاد قرار می گرفت.

«سازه خاکی» (Earth Structure)، ساختمان یا سازه ای است که بخش قابل توجهی از آن توسط خاک ساخته شده باشد.

امروزه، خاک به عنوان مصالح اصلی بسیاری از سازه های بزرگ و کوچک مورد استفاده قرار می گیرد. در واقع این ماده، یکی از پرکابردترین مواد مورد استفاده در سازه های عمرانی و ژئوتکنیکی است.

خاک، به صورت مصالح (سد، خاکریز، راه، راه آهن)، فونداسیون (سد، پل، ساختمان) و محیط ساخت (تونل، کانال) مورد استفاده قرار می گیرد.

در ادامه، به معرفی کاربردهای خاک در سازه های عمرانی و ژئوتکنیکی می پردازیم.

نقش خاک در ساخت فونداسیون چیست؟
تمام سازه های عمرانی از قبیل ساختمان، پل، سد، آزادراه، تونل، دیوار حایل، برج و کانال، بر روی زمین یا درون آن ساخته می شوند.

به بخشی که ساخت سازه بر روی آن صورت می گیرد، فونداسیون می گویند. فونداسیون، پایین ترین بخش یک سازه است که وظیفه انتقال و توزیع بارهای اعمال شده از طرف بخش های بالایی (روسازه) را بر عهده دارد.

در بسیاری از موارد، فونداسیون سازه از مواد خاکی تشکیل می شود. خاک های فونداسیون باید قادر به تحمل، انتقال و توزیع مناسب بارهای روسازه باشد.

از این رو، بررسی ویژگی های خاک ها برای اطمینان از عملکرد صحیح آن ها به عنوان فونداسیون و تامین ایمنی کافی برای سازه، اهمیت بالایی دارد. مسئله اصلی در فونداسیون های خاکی، جلوگیری از نشست و تخریب سازه است.

ویژگی های خاک فونداسیون می تواند بر روی انتخاب نوع سازه نیز تأثیرگذار باشد.

در ساخت ساختمان های مسکونی یا تجاری، ظرفیت باربری و نوع خاک، پارامترهایی نظیر عمق حفاری و نوع فونداسیون (سطحی یا عمیق) را تعیین می کند. به طور کلی، خاک های لومی، بهترین گزینه برای اجرای فونداسیون ساختمان ها هستند.

نقش خاک در ساخت سازه های نگهبان چیست؟
هنگامی که فضای کافی برای حرکت خاک کناره های یک سازه وجود نداشته باشد، از سازه نگهبان یا دیوار حایل استفاده می شود.

دیوار حایل، سازه ای است که در برابر حرکت و فشار جانبی شیب های خاکی کنار جاده ها، تکیه گاه ها (سد، پل) و حفریات سطحی مقاومت می کند.

نوع سازه نگهبان مورد استفاده برای جلوگیری از ریزش شیب های خاکی، به نوع و خواص مقاومتی شیب ها بستگی دارد.

در برخی از موارد، از روش های دیگری نظیر میخ کوبی به منظور پایدارسازی خاک ها استفاده می شود.

به طور کلی، پارامترهایی نظیر نوع، ظرفیت باربری، چسبندگی، زاویه اصطکاک، تراکم و رطوبت خاک ها بر روی انتخاب نوع سازه نگهبان تأثیرگذار هستند.

به عنوان مثال، در نواحی سرد، استفاده از خاک های مرطوب و متورم شونده نظیر رس به عنوان پرکننده دیوار حایل توصیه نمی شود؛ چراکه انبساط و انقباض این خاک ها در هوای سرد می تواند به دیوار حایل آسیب برساند.

نقش خاک در ساخت تونل و حفریات زیرزمینی چیست؟
بسیاری از تونل ها، حفریات زیرزمینی و کانال ها درون محیط های خاکی ساخته می شوند. به همین دلیل، توجه به خواص فیزیکی و مکانیکی خاک در هنگام ساخت این سازه، اهمیت بسیار زیادی دارد. اکثر خاک ها، برخلاف سنگ های سخت، دارای ماهیت خودنگهدار نیستند.

این مسئله به همراه اعمال فشارهای جانبی و محصورکننده از طرف خاک، احتمال تخریب حفریات زیرزمینی را افزایش می دهد. در این موارد، معمولا از سازه های نگهبان برای تقویت سازه استفاده می شود.

یکی دیگر از ویژگی های تأثیرگذار خاک، خاصیت نفوذپذیری و هدایت هیدرولیکی آن است.

نشت آب به درون حفریات زیرزمینی، عملیات حفاری را به تعویق می اندازد و هزینه های مالی زیادی را به پروژه تحمیل می کند.

از این رو، انجام برداشت های زمین شناسی، حفر گمانه های مطالعاتی و اجرای آزمایش های نفوذپذیری، یکی از فعالیت های مهم در پروژه های زیرزمینی محسوب می شود.

جنس و نوع خاک، عاملی است که نرخ حفاری تونل را نیز کنترل می کند. خاک هایی با خاصیت خورندگی، چسبندگی و سختی بالا، برای حفاری های مکانیزه مطلوب نیستند.

خاکریز چیست؟
«خاکریز» (Embankment)، به سطح بلندی گفته می شود برای ساخت سد، جاده، راه آهن یا کانال مورد استفاده قرار می گیرد.

ساخت خاکریز معمولا با استفاده از خاک های متراکم صورت می گیرد تا از نشست زمین جلوگیری شود. خاک های مورد استفاده در خاکریز به کاربری آن ها بستگی دارد.

به عنوان مثال، ترکیبات خاکریز راه آهن معمولا از ترکیب ماسه با سنگ ریزه ساخته می شود تا در برابر بارهای ضربه ای قطار، مقاومت خوبی از خود نشان دهد.