منحنی نگهداشت آب- خاک نشانگر میزان رطوبت خاک در مقادیر مختلف مکش ساختاری است. مقاومت برشی ، ضریب نفوذپذیری، تغییر حجم خاکهای غیراشباع تابعی از خصوصیات منحنی نگهداشت آب – خاک میباشد. منحنی نگهداشت آب – خاک شامل منحنی های خشکاندازی (نشاندهنده از دست دادن آب) و ترسازی(نشاندهنده جذب آب) میباشد. بنابراین تعیین این منحنی به واسطهی ارتباط تنگاتنگ آن با سایر خصوصیات هیدرولیکی و مکانیکی خاکهای غیراشباع از اهمیت بالایی برخوردار است.

بهسازی (تثبیت) خاک از مسائل مهم مهندسی ژئوتکنیک می باشد. در سالهای اخیر برای بهبود خواص مکانیکی خاکها از روش های مختلف تثبیت خاک از جمله روش های بیولوژیکی که سازگاری بیشتری با محیط زیست دارند استفاده شده است. بدیهی است نخستین گام در جهت شناخت تاثیر این روشهای بهسازی بر رفتار خاکهای تثبیت شده در ناحیه ی غیراشباع، بررسی تاثیر این روشها بر منحنی نگهداشت آب-خاک می باشد. در این راستا در این تحقیق، ضمن مرور تاریخچه تحقیقات انجام شده در ارتباط با تاثیر میکروارگانیسمها بر خصوصیات مکانیکی خاکهای غیراشباع، تغییرات منحنی نگهداشت آب- خاک در طی تثبیت بیولوژیکی خاک بوسیله باکتری باسیلوس اسفاریکوس بررسی و میزان تاثیر غلظت باکتری بر روی مختلف منحنی نگهداشت آب-خاک مورد بحث و بررسی قرار میگیرند به طور کلی تحقیق حاضر نشان میدهد که با افزودن مقداری باکتری و برای یک درصد رطوبت معین میزان مکش کل و مکش ماتریک افرایش پیدا میکند.

کلمات کلیدی: منحنی نگهداشت آب- خاک، بهسازی خاک، تثبیت بیولوژیکی، خاک غیراشباع

۱٫ مقدمه

قسمت عمده از خاکهای سطح زمین از نوع خاکهای غیراشباع میباشند که به صورت کامل از آب اشباع نشدهاند. این خاکها که عمدتا در مناطق خشک و نیمه خشک (بیش از ۶۰ درصد کشورهای جهان) قرار دارند رفتار متفاوت و پیچیدهتری نسبت به خاکهای اشباع از خود نشان می-دهند. با توجه به پیچیدهتر بودن رفتار نسبت به خاکهای اشباع و وسعت خاکهای غیراشباع در سطح زمین، این نیاز احساس میشود که بررسیهای کاملتری در زمینه مکانیک خاکهای غیراشباع انجام شود.

در خاکهای اشباع حفرات با یک سیال (مثل آب) پر میشوند، در حالیکه حفرات در خاکهای غیراشباع با مخلوطی از دو سیال (آب و هوا) پر شده است. اندازهگیری خصوصیات خاکهای مختلفی که شامل یکی از دو فاز سیال (برای مثال آب یا هوا) میباشند بسیار آسانتر از خاکهایی است که

۱ کارشناسی ارشد مهندسی عمران، دانشکده ی مهندسی، دانشگاه شیراز
۲ استاد، دکترای مهندسی عمران، عضو هیئت علمی دانشگاه شیراز

۳ دکترای مهندسی عمران، محقق در دانشگاه اوترخت هلند
۴ دانشیار پژوهشکده بیوتکنولوژی

۱

شامل هر دو فاز سیال (آب و هوا) هستند. در نتیجه استفاده از روابط خاکهای اشباع و یا خاکهایکاملاً خشک در بررسی رفتار مکانیکی خاکهای غیراشباع نتایج صحیحی را در بر نخواهد داشت. به طور کلی منظور از خاک غیراشباع، خاکی است که درجهی اشباع آن بین %۲۰ تا %۸۰ باشد که درک مناسب از رفتار و خصوصیات خاکهای غیراشباع نیازمند بررسیهای آزمایشگاهی به کمک دستگاههای مناسب میباشد.

شناخت رفتار خاکهای غیراشباع در موارد مهمی همچون تغییر حجم، مقاومت برشی و نفوذپذیری مستلزم بررسی وضعیت مکش موجود در خاک-هاست که آن هم خود تابعی از درصد رطوبت خاک است. در این میان منحنی نگهداشت آب – خاک۱ با برقراری ارتباط میان مکش موجود در این خاکها و درصد رطوبت رابطهی مناسبی جهت بیان تغییرات مکش و درصد رطوبت موجود در این خاکها را فراهم مینماید. از طرفی تعیین این منحنی نیازمند انجام آزمایش میباشد.

از جمله کاربردهای عملی مکانیک خاک غیر اشباع در مهندسی ژئوتکنیک میتوان به بررسی نحوه ساخت و رفتار سدهای خاکی، شیروانی های خاکی تحت اثر شرایط جوی، پایداری حفاریها، چگونگی جریان آب و هوا در خاکهای غیراشباع ، فشار جانبی خاکها، ظرفیت باربری پیهای سطحی، حرکت لایههای زمین در خاکهای متورم شونده و بسیاری موارد دیگر اشاره کرد.

ضرورت بررسی خاکهای غیراشباع زمانی مشخص میشود که با خاکهای مسألهدار۲ از جمله خاکهای آماسی۳ (متورم شونده) و یا رمبنده۴ (فروریزشی) سروکار داشته باشیم. عدم شناسایی و آگاهی از رفتار این نوع خاکها میتواند منجر به خسارتهای سنگین و جبرانناپذیری شود. خاک-های متورمشونده یا آماسی در طبیعت به صورت فراوان یافت میشود و در بسیاری از پروژهها امکان روبرو شدن با آنها وجود دارد.

وجود فشار هوای مثبت و یا در برخی موارد برابر با صفر (Ua 0) و فشار آب حفره ای منفی (Uw<0)، در خاکهای غیراشباع باعث می شود که تفاضل این دو فشار در این خاکها کهاصطلاحاً مکش ساختاری نامیده می شود همواره مثبت باشد این در حالی است که این عبارت در خاکهای اشباع همواره منفی می باشد. وجود مکش مثبت در خاکهای غیراشباع از مهمترین تفاوتها در رفتار خاکهای غیراشباع و اشباع می باشد. به دلیل آن که مکش خاک یکی از مهمترین پارامترهای توصیف کننده شرایط رطوبتی خاکهای غیراشباع می باشد، اندازهگیری مکش خاک یکی از ضروریترین پارامترها برای کاربردهای مهندسی در خاک غیراشباع می باشد. در مکانیک خاک غیراشباع به رابطه بنیادی بین مقدار آب حفرهای و مکش خاک، که به صورت یک یا چند منحنی (بسته به تعداد مسیرهای مکش) قابل رسم و نمایش است، منحنی نگهداشت (مشخصه ) آب – خاک گفته میشود. منحنی نگهداشت آب – خاک که به نام منحنی درصد رطوبت – مکش نیز مشهور است، یکی از مهمترین منحنیهای کاربردی در مکانیک خاک غیراشباع است به طوریکه از نظر اهمیت میتوان آن را با منحنی تحکیم در خاکهای اشباع مقایسه نمود.

در طول سالیان متمادی از روشها و وسایل متعددی در مهندسی ژئوتکنیک و علوم مرتبط با خاک بـرای انـدازهگیـری مکـش در خـاکهـای غیراشباع استفاده شده است. هر کدام از این روشها دارای محدودیتهایی در زمینه بازه مکش اعمالی، زمان بـه تعـادل رسـیدن و هزینـه آن مـیباشـند. بنابراین برای عملی بودن اندازهگیری مکش باید از روشی که هم ارزان باشد و هم بتوان به کمک آن بازه مشخص و کاملی از مکشهـا را در بـر گیـرد، استفاده کرد .[۱] یکی از روشهای اندازهگیری مکش خاک استفاده از فیلتـر کاغـذی مـیباشـد. کـه ایـن روش در ابتـدا در سـال ۱۹۲۰ در اروپـا از آن استفاده شد و در سال ۱۹۳۷ توسط گاردنر [۲] به آمریکا آورده شد. از آن به بعد از روش فیلتر کاغذی در بسیاری از مطالعات استفاده شد.

فاوست و جرج در سال۱۹۶۷، مککوین و میلر در سال ۱۹۶۸، الخفاف و هنکس در سال۱۹۷۴، مککین در سال۱۹۸۰، همبلین در سال ۱۹۸۱ ، چانـدلر و گویرز در سال ۱۹۸۶ ، هوستن و همکاران در سال [۳] ۱۹۹۴، سواربیک در سال ۱۹۹۵ از جمله افرادی بودند که به شیوههای گونـاگون از روش فیلتـر کاغذی استفاده کردند.

میشل و سانتاماریا [۴] در سال ۲۰۰۵ جزء اولین کسانی بودند که بحث کاربرد فرایندهای زیستی را در مهندسی ژئوتکنیک مطرح کردند و بدنبال آن در سال۲۰۰۶، انجمن تحقیقات ملی ایالات متحده، ” ژئوتکنیک زیستی” را بعنوان موضوع مهم تحقیق در قرن ۲۱ معرفی کرد .

اولین کار گروه مهندسی ژئوتکنیک زیستی در سال ۲۰۰۷ توسط دییونگ و همکارانش ایجاد گردید از آن پـس مقـالات بسـیاری کـه بیـانگر توانـایی بالقوه این زمینه بود، ارائه گردیده که از مهمترین آن ها میتوان به مقـالات ایوانـف و چیـو در [۵] ۲۰۰۸، کاوازانجیـان و کاراتـاس در[۶] ۲۰۰۹، دی-یونگ و همکارانش در[۷] ۲۰۱۱، و هتا و همکارانش در [۸] ۲۰۱۱ اشاره کرد. وسیعترین کاربرد زیست فناوری در ژئوتکنیک که تا بحال بر روی آن کارهای بیشتری انجام گرفته و نتایج مفیدی نیز در بر داشته است، ” فرایند رسوب کلسیت “، از طریق محلـول حـاوی بـاکتری مـیباشـد، کـه در بهبـود خواص فیزیکی خاکها بسیار مفید واقع شده است.

۱ Soil Water Retention Curve (SWRC) 2 Problematic Soils 3 Expansive Soils 4 Collapsible

۲

در این مقاله به بررسی اثر تثبیت بیولوژیکی بر روی منحنی نگهداشت آب – خاک یک خاک متورمشونده مورد بررسی قرار میگیرد. برای این منظور در ابتدا آزمایشهای شناسایی بر روی خاک مورد نظر انجام شده ، سپس با استفاده از آزمایش فیلتر کاغذی، میزان مکش کل و مکش ماتریک در حالت بدون باکتری و محیط کشت و حالت اضافه شدن باکتری به نمونه، اندازه گیری و منحنی های نگهداشت آب-خاک بدست آمده است. نحوه و شرح آزمایش های انجام شده و نتایج آن ها در قسمت های بعدی آورده شده است.