انواع خاک و منشأ خاک

در مکانیک خاک سه نوع اصلی خاک از هم متمایز می‌شوند: غیرسازمان‌یافته، سازمان‌یافته و خاک‌های منشأ آلی. علاوه بر این، سنگ‌ها نیز وجود دارند، اما آن‌ها در مکانیک خاک بررسی نمی‌شوند، بلکه در رشتهٔ علمیِ مکانیک سنگ مطالعه می‌شوند.

خاک‌های غیرپیوندی

خاک‌های غیرچسبنده یا غیرهمبسته آنهایی هستند که اجزای آنها به هیچ مادهٔ چسباننده‌ای پیوند نخورده‌اند. در حالت خشک، هنگامی که تحت تأثیر رطوبت نیستند، اجزای جامد خاک غیرچسبنده در تودهٔ خاک کاملاً آزادند و میان آنها فقط اصطکاک وجود دارد که اصطکاک داخلی نامیده می‌شود. خاک‌های غیرچسبنده عبارت‌اند از:

• بلوک‌ها، اندازه دانه 200 – 2000 mm
• دُرشت‌سنگ‌ریزه، اندازه دانه 60 – 200 mm
• شن، اندازه دانه 2 – 60 mm
• ماسه، اندازه دانه 0,02 – 2 mm
• گرد و غبار، اندازهٔ دانه 0,002 – 0,02 mm.

یادآوری می‌شود که فراکسیون گردوغبار گاهی «لای» نامیده می‌شود (انگلیسی: silt، آلمانی: Schluff). با این حال، از آنجا که در زبان ما «لای» به نوع مشخصی از خاک با منشأ آلی گفته می‌شود، این نام برای فراکسیون یادشده می‌تواند باعث سوءتفاهم شود.

شکل 1 - خاک شنی

خاک‌های پیوسته

سازمان‌یافته یا خاک‌های هم‌بند آن‌هایی هستند که اجزای جامدشان با هم به‌وسیلهٔ انسجام به هم پیوسته‌اند. خاک‌های هم‌بند می‌توانند ویژگی‌های فیزیکی بسیار ناپایداری داشته باشند که به‌راحتی تحت تأثیر آب تغییر می‌کنند. در خاک‌های هم‌بند، آن‌هایی قرار می‌گیرند که شامل اجزای جامد با اندازهٔ کمتر از 0,002 mm هستند. خاکی که عمدتاً شامل اجزایی با اندازهٔ 0,002 – 0,0002 mm باشد رس نامیده می‌شود، و اگر این اجزا به اندازهٔ 0,0002 – 0,00002 mm باشند، آن را رس کلوئیدی می‌نامند.

در طبیعت، رسِ خالص به‌ندرت یافت می‌شود، بلکه معمولاً با اجزای دیگری مانند ماسه و گردوغبار مخلوط است که به آن لوم گفته می‌شود؛ رس همراه با سنگ‌آهک را رس مارنی (مارن) می‌نامند، و رس همراه با منیزیم uma است. معمولاً پذیرفته می‌شود که خاکی که بیش از 50% اجزای رسی داشته باشد رس چرب یا به‌سادگی رس نامیده می‌شود، در حالی که خاکی با کمتر از 50% اجزای رسی خاک رسی نام دارد. خاکی که کمتر از 5% اجزای رسی داشته باشد، دارای ویژگی‌های خاک غیرهمبند به‌شمار می‌آید.

سریع‌ترین و ساده‌ترین راه برای ارزیابی اینکه یک خاک به کدام گروه تعلق دارد این است که نمونه را خشک کنیم و بکوشیم آن را زیر انگشتان خرد کنیم. خاک‌های غیرچسبنده بلافاصله متلاشی می‌شوند. خاک‌های رسی زیر انگشتان به قطعات کوچک‌تر خرد می‌شوند و رس تقریباً به سختیِ سنگ می‌شود.

شکل 2 - خاک رسی

خاک‌های منشأ آلی

این خاک‌ها بخش بزرگی از مواد آلی یا گیاهی را، همراه با اجزای رسی و سایر ترکیبات، در بر می‌گیرند. به‌سبب وجود مواد آلی، این خاک‌ها بسیار ناپایدارند و آب را به‌شدت جذب می‌کنند، و از این رو ناپایدارند و نه به‌عنوان خاک باربر و نه به‌عنوان ماده‌ای برای ساخت سازه‌های خاکی نمی‌توانند به کار روند. این خاک‌ها شامل هوموس، لای و پیت هستند.

هوموس خاکی حاصلخیز است که در لایه سطحی پوسته زمین، با ضخامت معمولاً چند دسی‌متر، قرار دارد. این خاک از مخلوطی از مواد آلی و معدنی همراه با باکتری‌های فراوان تشکیل شده است. در اجرای خاکریزها، روسازی راه‌ها و کارهای مشابه روی زمین، و نیز هنگام حفاری در محل برداشت مصالح برای ساخت سازه‌های خاکی، باید تمام لایه هوموس را برداشت و خارج کرد، زیرا از آن فقط می‌توان برای محافظت از شیب‌های خاکی در برابر شسته‌شدن توسط آب استفاده کرد.

شکل 3 - هوموس

لجن از مخلوطی از مواد آلی به شکل ذرات بسیار ریز همراه با مواد معدنی مانند رس، غبار و ماسه تشکیل شده است. این ماده در کف رودخانه‌ها و دریاچه‌های پیشین یافت می‌شود.

تورب از مقدار زیادی مواد گیاهی و آلی به شکل الیاف تشکیل شده است و مقدار مواد معدنی آن کمتر است.

پیدایش خاک

اگر برش عرضی از پوستهٔ زمین ایجاد کنیم، درمی‌یابیم که آن غالباً از خاک سطحی – هوموس با ضخامت کم، سپس از خاک زیرسطحی که از یک یا چند لایه با ترکیب‌های متفاوت و ضخامت‌های گوناگون تشکیل شده است، و در نهایت از سنگ سخت تشکیل می‌شود. خاک سطحی عمدتاً از تجزیهٔ مواد گیاهی و آلی پدید آمده است، در حالی‌که خاک زیرسطحی از تجزیهٔ سنگ سخت به‌وجود آمده است.

تجزیه سنگ سخت در اثر عوامل جوی یا در اثر فعالیت آتشفشانی رخ می‌دهد. عوامل جوی می‌توانند مکانیکی یا شیمیایی باشند. اگر فرایند تجزیه سنگ سخت، ترکیب شدن کانی‌ها با اکسیژن باشد، آن را تجزیه بر اثر اکسیداسیون می‌نامند، و اگر ترکیب شدن با آب باشد، آن را تجزیه بر اثر هیدراته‌شدن می‌نامند. فعالیت آتشفشانی شیمیایی است. بر اثر حرارت زیاد، سنگ سخت به خاکستر آتشفشانی تبدیل می‌شود.

فرایند فروپاشی سنگِ سخت و تبدیل آن به خاک می‌تواند درجا «in situ» یا همراه با حمل‌ونقل باشد. انتقال قطعاتِ متلاشی‌شده به‌وسیله آب انجام می‌شود که در این صورت خاک‌های آبرفتی پدید می‌آیند، به‌وسیله باد که در این حالت خاک‌های بادی به‌وجود می‌آیند، یا به‌وسیله یخ که در آن خاک‌های یخچالی شکل می‌گیرند. در جریان حمل‌ونقلِ قطعات و خرده‌های متلاشی‌شده سنگِ سخت، ریزشدنِ بیشتر آن‌ها بر اثر ضربه، اصطکاک و شست‌وشو انجام می‌شود؛ عواملی که در طول حمل‌ونقل بر آن‌ها اثر می‌گذارند. در نتیجه این اثر، لبه‌های قطعات شکسته گرد می‌شوند، خرده‌های جدید خردتر می‌شوند، لبه‌های آن‌ها دوباره گرد می‌شود و به همین ترتیب تا زمانی که حمل‌ونقل ادامه دارد. اندازه و شکل اجزای سخت به مقاومت سنگ، طول حمل‌ونقل، نوع حمل‌ونقل و غیره بستگی دارد. از این‌رو شکل ذرات سخت در خاک بسیار متفاوت است: گرد، بیضوی، با لبه‌های تیز یا گرد شده، مثلثی و غیره. اجزای سخت با اندازه 0,02 – 0,002 mm که این فراکسیون در مکانیک خاک گرد و غبار نامیده می‌شود، عمدتاً گرد یا بیضوی‌اند. این‌گونه اجزا با اندازه کمتر از 0,002 mm که این فراکسیون رس نامیده می‌شود، به شکل پولکی هستند. ذرات درشت‌ترِ ماسه، شن و قلوه‌سنگ می‌توانند شکل‌های گوناگونی داشته باشند: مکعبی، گرد شده، صفحه‌ای و غیره. ذرات مکعبی به‌سختی شکل خود را تغییر می‌دهند، ذرات صفحه‌ای آسان‌تر. به همین دلیل، خاک‌هایی که عمدتاً از ذرات صفحه‌ای تشکیل شده‌اند، می‌توانند به‌آسانی ترکیب خود را تغییر دهند.

یادآوری می‌شود که برخی خاک‌ها، که تشکیل آن‌ها کاملاً پایان یافته است، گاهی بعداً با رسوبات تازه پوشیده می‌شوند، به‌طوری که خاکی که پیش‌تر تشکیل شده بود در عمق باقی می‌ماند، در حالی که روی رسوب تازه خاک دیگری تشکیل می‌شود که ممکن است هیچ ارتباطی با خاک پیشین نداشته باشد. چنین خاکِ پیش‌تر تشکیل‌شده‌ای که بعداً با رسوب تازه پوشیده شده باشد، خاک مدفون نامیده می‌شود. این‌ها بیشتر زمین‌های زراعی هستند که کشت شده بودند و سپس با رسوبات گرد و غبارِ لُسیِ بادی پوشیده شدند، اما رسوبات می‌توانند رودخانه‌ای نیز باشند. خاک مدفون از رنگ تیره آن شناخته می‌شود و اگر این فرایند چند بار تکرار شده باشد، ممکن است چندین لایه از چنین خاکی وجود داشته باشد.

خاک‌های آبرفتی

خاک‌های آبرفتی در اثر ته‌نشینی ذرات جامد هنگام انتقال توسط آب پدید می‌آیند. ته‌نشینی به عوامل متعددی بستگی دارد که مهم‌ترین آن‌ها سرعت جریان آب، درشتیِ مواد حمل‌شونده و مقدار مواد دیگر مانند نمک، آهک و غیره است. در سرعت‌های زیاد جریان آب فقط اجزای درشت ته‌نشین می‌شوند، در حالی که اجزای ریز ته‌نشین نمی‌شوند، بلکه به‌سوی پایین‌تر حمل می‌شوند. از این‌رو اجزای جامد درشت‌تر در بخش بالایی جریان آب، نزدیک‌تر به سرچشمه، که سرعت جریان زیاد است، ته‌نشین می‌شوند. با کاهش سرعت جریان آب، اجزای ریزتر و ریزتر ته‌نشین می‌شوند. در آب آرام و بدون جریان، معمولاً ریزترین اجزای جامد ته‌نشین می‌شوند. هرجا که جریان آب کند شود، ته‌نشینی‌های بزرگی رخ می‌دهد، مانند ناحیه سیلابی هنگام سرریز آب از بستر رودخانه، سپس در دهانه رودخانه‌ها، پیشِ سدها و غیره.

ته‌نشینی ذرات بسیار ریزِ رس کلوئیدی می‌تواند به سبب اثر الکتروشیمیایی که میان ذرات ریز با اندازه کمتر از 0,0002 mm هنگام غوطه‌ور شدن آن‌ها در آب پدید می‌آید، مدت نامحدودی طول بکشد. در این حالت، ذرات جامد دارای بار الکتریکی هم‌نام (منفی) هستند، ازاین‌رو یکدیگر را دفع می‌کنند و در توده مایع با سرعت‌هایی هرچه بیشتر، هرچه کوچک‌تر باشند، حرکت می‌کنند. این‌ها حرکت‌های براونی هستند. به‌سبب این حرکات، ته‌نشینی ذرات جامد در آب به‌طور قابل توجهی کند می‌شود و می‌تواند مدت نامحدودی ادامه یابد.

شکل 4 - خاک آبرفتی

خاک‌های بادی

خاک‌های بادی بر اثر رسوب‌گذاری ذرات جامد توسط باد به‌وجود می‌آیند. دو نوع خاک بادی متمایز می‌شود: لِس و تلماسه. لِس از ذرات جامدی با اندازه حدود 0,05 mm یا کمی کوچک‌تر تشکیل شده است که به‌وسیله کربنات کلسیم به یکدیگر چسبیده‌اند. به همین دلیل، وقتی در حالت خشک باشد، لِس مقاومت زیادی دارد. برش‌ها در لِس می‌توانند با دیواره‌های عمودی در ارتفاع‌های بسیار زیاد پایدار بمانند. با این حال، اگر لِس بیشتر خیس شود، مقاومت خود را از دست می‌دهد و به‌راحتی حرکت می‌کند. مواردی از نهشته‌های لِسیِ بیژنیا کُسا در نزدیکی بلگراد شناخته شده است که با دیواره‌های عمودی در ارتفاع‌های بیش از 20m پایدار می‌مانند. اما در بخش‌هایی که در نزدیکی لبه‌ها سکونتگاه‌ها ایجاد شده‌اند، مانند مورد خیابان چونارسکا در زمون، جایی که به‌سبب ریزش آب‌های مصرف‌شده در کنار شیبِ خودِ فلات لسی، خیس‌شدگی مداوم رخ می‌دهد، شیب‌های لسی فرو می‌ریزند و پایداری خاک لسی در نزدیکی لبه تهدید می‌شود.

تپه‌های شنی تپه‌های متحرک از ماسهٔ سستِ حمل‌شده توسط باد هستند. این تپه‌ها تحت تأثیر باد به‌سرعت پراکنده و دوباره تشکیل می‌شوند و از این‌رو خطر مدفون شدن و فرو ریختن خانه‌ها و وسایل حمل‌ونقل را ایجاد می‌کنند.

شکل 5 - خاک بادی

خاک‌های یخچالی

خاک‌های یخچالی بر اثر جابه‌جایی ذرات سخت خاک توسط یخ به‌وجود می‌آیند. ترکیب خاک‌های یخچالی با آبرفتی متفاوت است، زیرا از ذرات سختی با اندازه‌ای تقریباً مشابه تشکیل شده‌اند، یعنی قلوه‌سنگ‌ها، شن‌وماسه (مورین) یا ماسه‌ای که پس از ذوب یخ باقی مانده‌اند. در لایه‌های دریاچه‌های یخچالی پیشین، لُس یخچالی وجود دارد.

شکل 6 - خاک یخچالی