مکانیک خاک، مانند مکانیک سنگ، پایهٔ علمی لازم برای تحلیل و طراحی در مهندسی خاک و پی، یکی از زیرشاخههای مهندسی عمران، را فراهم میکند.
مکانیک خاک برای تحلیل تغییر شکلها، یا حرکت سیالات در سازههای طبیعی یا ساختگی (دستساز بشر) که از خاک ساخته شدهاند یا زیربنای خاکی دارند و یا سازههایی که در زیرخاک مدفون شدهاند بکار میرود. مانند پی ساختمانها و پلها، دیوارهای حائل، سدها و سامانهٔ خطوط لولهٔ مدفون در زمین.
اصول مکانیک خاک در دیگر رشتههای مهندسی مانند مهندسی زمینشناسی، خاک، سازههای دریایی، کشاورزی، هیدرولوژی و رشته فیزیک خاک مورد استفاده قرار میگیرد.
توزیع بزرگی دانهها
خاک از مخلوطی از ذرات با اندازهها، شکلها و کانیهای مختلف تشکیل شدهاست. از آنجایی که اندازه دانههای خاک آشکارا بر رفتار خاک تاثیر میگذارد از اندازه دانهها و نحوه توزیع اندازههای مختلف دانههای خاک در دستهبندی انواع خاک استفاده میشود. توزیع اندازه دانهها نسبت حضور دانهها با اندازههای مختلف در خاک را نشان میدهد و اندازه دانهها معمولا در نموداری تجمعی نمایش داده میشود مثلا درصد دانههای کوچکتر از یک اندازه مشخص را بدست میدهد. بزرگی دانه D۵۰ به معنی اندازهای است یا بزرگی دانهای است که ۵۰٪ دانههای نمونه خاک از آن کوچکتر است. رفتار خاک بخصوص میزان توانایی خاک در هدایت آب از اندازه دانهها به ویژه دانههای کوچکتر تاثیر میگیرد به همین دلیل عنوان اندازه موثر به D۱۰، اندازهای که ۱۰٪ دانههای خاک از آن کوچکترند، داده شدهاست.
خاکی که دارای محدودهٔ دانهبندی وسیع با توزیع ملایم است، خاک خوبدانهبندی شده مینامند. اگر عمدهٔ دانههای نمونهٔ خاک، محدودهٔ باریکی از اندازهها باشند آن خاک را یکنواخت دانهبندی شده مینامیم. اگر در منحنی دانهبندی خاک فاصلههای خالی (دارای گسستگی) بود مثلا اگر در یک نمونه خاک مخلوطی از دانههای شن (دانههای درشت) و دانههای بسیار ریز باشد در این حالت یک فضای خالی یا گسستگی در منحی خاک وجود خواهد داشت زیرا که یک سری از اندازه دانهها در منحنی دانهبندی وجود نخواهند داشت. این نوع خاک و خاک با دانهبندی یکنواخت هر دو را خاکهای بددانهبندی شده مینامیم. روشهایی برای اندازهگیری توزیع اندازه دانهها در خاک وجود دارد، در روش سنتی که در مهندسی خاک از آنها استفاده میشود استفاده از الک و آزمایش آبسنجی است.
آزمایش الک
معمول است که برای بدست آوردن توزیع اندازه دانههای شن و ماسه از آزمایش الک استفاده شود. روند این کار در ASTM C 136 توضیح داده شدهاست. برای این کار از دستهای از الکها که سوراخهای کف آنها دارای اندازه دقیق و مشخص است و این شبکه بندی کف الک به کمک سیم صورت گرفتهاست استفاده میشود. به این ترتیب که مجموعه الکها را بر روی هم قرار میدهند، الک با سوراخهای بزرگتر در بالا و الکهای ریزتر را در پایین قرار میدهند پس از آن خاک خشک که تمام کلوخههای آن شکسته شده و تنها دانههای خاک در آن حضور دارد را بر روی الگ بالایی میریزند و الک را برای مدت معلومی (استاندارد) تکان میدهند تا دانههای خاک از آن عبور کند واضح است که دانههای با اندازه کوچکتر از سوراخهای الک عبور میکنند و دانههای بزرگتر بر روی سیمهای الک باقی میمانند. این روش برای دانههای درشتتر خاک منطقی است ولی برای دانههای کوچکتر از یک حدی مناسب نیست زیرا دانههای بسیار ریز خاک به یکدیگر میچسبند و درنتیجه روش الک دیگر جوابهای مناسبی نخواهد داشت. اگر میزان دانههای ریز خاک زیاد باشد ممکن است مجبور شویم اول از روی خاک و دانههای خشن آن آب عبور دهیم و پس از شسته شدن ذرات بزرگتر و از بین رفتن کلوخهها، شروع به الک کردن کنیم.
مجموعهای از الکهای با اندازههای مختلف در دسترس است. مرز میان ماسه و لای به دلخواه انتخاب میشود. مطابق سامانه اتحادیه دستهبندی خاک برای جداکردن ماسه از شن از الک شماره 4# (۴ سوراخ در اینچ) استفاده میشود اندازه سوراخهای این الک ۴٫۷۵ میلیمتر میباشد و برای جدا کردن ماسه از لای و رس از الک شماره 200# که اندازه سوراخهای آن ۰٫۰۷۵ میلیمتر است استفاده میشود. مطابق استاندارد انگلیسی ۰٫۰۶۳ میلیمتر مرز میان ماسه و لای و ۲ میلیمتر مرز میان ماسه وشن است.
آزمایش آبسنجی
برای دستهبندی خاکهای ریزدانه، دانههای ریزتز از ماسه، از حدود اتربرگ آنها استفاده میشود و نه از اندازه دانهها. اما اگر برایمان مهم باشد که اندازه دانهها و توزیع آنها را نیز بدانیم آزمایش هیدرومتری روش کارآمدی برای این منظور است. به این ترتیب که مخلوطی از دانههای خاک را در آب میریزیم و مخلوط رقیق آب با دانههای معلق خاک را در یک شیشه استوانهای میریزیم و استوانه آب را برای مدت طولانی رها میکنیم تا دانههای معلق خاک دیگر در آب حرکت نکنند. در این حالت از یک آبسنج برای اندازهگیری چگالی دانههای معلق به عنوان تابعی از زمان استفاده میشود. برای دانههای رس ممکن است چند ساعت طول بکشد تا در آب آرام شوند و برای دانههای ماسه چند ثانیه کافی باشد. مباحث تئوری این موضوع و رابطه میان سرعت تهنشینی ذرات و اندازه آنها در قانون استوکس بیان شدهاست. جزئیات آزمایش آبسنجی در ASTM گفته شدهاست.
برخی ذرات رس ممکن است هرگز در آب آرامش نیابند، این رویداد به دلیل حضور حرکتهای برانی در آب است. این دسته از دانههای خاک در گروه کلوئیدها قرار میگیرند.