مکانیک خاک (به انگلیسی: Soil mechanics) شاخه‌ای از مهندسی است که به توضیح رفتار خاک می‌پردازد. علم مکانیک خاک متفاوت از مکانیک سیالات و مکانیک جامدات است به این دلیل که خاک محیطی است ناهمگون و متشکل از سیالات (معمولاً هوا و آب) و ذرات گوناگون (معمولاً رس، ماسه یا شن) یا گاهی مواد آلی، مایعات، گازها و ...

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.^[۷] 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.

 

برج کج پیزا، نمونه‌ای از تغییر شکل نامطلوب خاک.

این مقاله به توضیح ذرات تشکیل‌دهندهٔ خاک و چگونگی تشکیل آن‌ها و همچنین تفاوت بین فشار آب حفره‌ای و تنش مؤثر در اسکلت خاک،خاصیت مویینگی سیالات در فضاهای خالی (حفره‌های خاک)، دسته‌بندی انواع خاک، تراوش و نفوذپذیری خاک، تغییر حجم وابسته به زمان خاک (نشست خاک) در اثر ازدست دادن آب موجود در حفره‌های آن زیر فشار بار، که تحکیم نام دارد، مقاومت برشی و سختی خاک می‌پردازد.

ذرات تشکیل‌دهندهٔ خاک و چگونگی ایجاد آن‌ها

تشکیل

اولین دلیل تشکیل خاک، هوازدگی سنگ است. تمام انواع سنگ‌ها (سنگ‌های دگرگون، آذرین و رسوبی) به قسمت‌های کوچکتر برای تشکیل خاک تقسیم می‌شوند. هوازدگی بر سه نوع است: هوازدگی فیزیکی، هوازدگی شیمیایی و هوازدگی زیستی. فعالیت‌های بشری مانند حفاری، انفجار (مثلاً انفجار سنگ‌ها برای ساخت تونل) و ازبین بردن مواد پسماند، نیز ممکن است باعث تولید خاک شود. با گذشت بازه‌های زمین‌شناسی خاک‌های دفن‌شده در اعماق زمین ممکن است در اثر دما و فشار بسیار بالا، به سنگ‌های دگرگون یا رسوبی تغییر پیدا کنند و اگر ذوب شوند و دوباره سخت شوند، آنگاه یک چرخه کامل زمینی را طی کرده‌اند و به سنگ آذرین تبدیل شده‌اند.

هوازدگی فیزیکی شامل مراحلی مانند: تأثیرات دما بر روی سنگ، یخ‌زدگی و ذوب شدن مجدد آب در ترک‌های سنگ، اثرات باران و باد می‌شود.
هوازدگی شیمیایی شامل تجزیهٔ مادهٔ تشکیل‌دهندهٔ سنگ و تبدیل آن به کانی (مادهٔ معدنی) دیگر می‌باشد. مثلاً معادن رس می‌توانند از هوازدگی فلدسپار که متداول‌ترین کانی در سنگ‌های آذرین است تشکیل شده باشد.
متداول‌ترین کانی تشکیل‌دهندهٔ لای و ماسه، کوارتز است که آن را سیلیس نیز می‌نامند و نام شیمیایی آن سیلیس یا اکسید سیلیسیم است. دلیل اینکه فلدسپار بیشتر در سنگ‌ها یافت می‌شود و سیلیسیم در خاک‌ها، این است که فلدسپار حل‌شدنی‌تر از سیلیس است.
لای، ماسه و شن، در اصل تکه‌های کوچک سنگ‌های خرد شده‌اند.
براساس اتحادیهٔ دسته‌بندی انواع خاک، اندازهٔ ذرات لای بین ۰٫۰۰۲ تا ۰٫۰۷۵ میلی‌متر و بزرگی ذرات ماسه بین ۰٫۰۷۵ تا ۴٫۷۵ میلی‌متر می‌باشد.
دانه‌های شن که تکه‌های خردشده سنگ‌اند اندازه‌ای بین ۴٫۷۵ تا ۱۰۰ میلی‌متر دارند.
دانه‌های بزرگتر از شن را خرده‌سنگ و تخته‌سنگ می‌نامند.

انتقال

 

نمونه‌ای از لایه‌های مختلف تشکیل خاک، a)دانه‌های تیزگوشهٔ کوهرُفت، b)خاک‌های پسماند قدیمی، c)خاک پسماند جوان، d)سنگ‌هایی که دچار هوازدگی شده‌اند

خاک یا خرده سنگ‌هایی که در اثر عوامل مختلف در مقابل سنگ تولید شده‌اند (رسوب کرده‌اند)، تحت تأثیر فرایند انتقال قرار می‌گیرند، بخشی از آنها از مقابل سنگی که از آن تشکیل شده‌اند کنار می‌روند و توسط عوامل مختلف از محل دور می‌شوند و گروهی در همان‌جا که سنگ مادر قرار داشت باقی می‌مانند. آن دسته که آنجا باقی می‌مانند را خاک پس‌مانده می‌نامند، گرانیت تجزیه شده مثال خوبی از گروه خاک‌های پس‌مانده است. سازوکارهایی که باعث جابجایی خاک‌های تولید شده می‌شوند عبارتند از: گرانش زمین، یخ، جریان آب و باد. وزش باد می‌تواند باعث جابجایی ریگ‌های روان و بادرُفت شود. جریان آب بسته به سرعت آن می‌تواند سنگدانه‌های با اندازه‌های مختلف را جابجا کند؛ بنابراین خاک‌های منتقل شده بوسیله آب را بر اساس اندازهٔ دانه‌های آن‌ها دسته‌بندی می‌شوند. لای و رس ممکن است در یک دریاچه ته‌نشین شوند و در مقابل شن و ماسه که درشت ترند در بستر رودخانه جمع شوند. خاک‌هایی که در اثر فرسایش بادی ایجاد شده‌اند نیز خود به خود بر اساس اندازه دانه‌ها دانه‌بندی می‌شوند.

خوردگی در بستر یخچال‌های طبیعی به اندازهٔ کافی قوی است که بتواند سنگ‌های بزرگ را به اندازهٔ خاک دچار فرسایش کند. خاک‌های جابجا شده در اثر ذوب شدن یخ، خاک‌های خوب دانه‌بندی شده هستند و بیشتر اندازه‌های دانه‌ها را در خود جای داده‌اند. گرانش نیز می‌تواند قطعه سنگ‌های بزرگ را به تکه‌های کوچک‌تر خرد کند، این قطعه سنگ‌ها با سقوط از بالای کوه‌ها به سمت زمین در سطح زمین خرد می‌شوند و آنجا تبدیل به خاک می‌شوند، به خاکی که از این طریق ایجاد می‌شود را کوهرُفت می‌نامند.
سازوکار انتقال سنگریزه‌ها بیشترین تأثیر را بر شکل دانه‌ها دارد. برای مثل دانه‌هایی که در بوسیله جریان رودخانه منتقل شده‌اند بیشتر گردگوشه‌اند و دانه‌هایی که در اثر عواملی مانند گرانش ایجاد شده‌اند تیزگوشه‌اند.

فهرست مطالب:

فصل اول: ویژگی های فیزیکی و مکانیکی خاک ها

کلیات

خاک به عنوان سیستم سه فازی

روابط جرمی

روابط حجمی

روابط تابعی

گرانی ویژه ذرات جامد خاک

فصل دوم: پلاستیسیته

کلیات

حدود آتربرگ

منحنی روانی

حد خمیری و روش تعیین آن

شاخص مایع

شاخص غلظت

عدد اکتیویته

اهمیت بررسی حدود آتربرگ

ویژگی های خاک های رسی

فصل سوم: ساختمان و تراکم خاک

کلیات

عوامل موثر بر تراکم خاک

طبقه بندی خاک ها از نظر ساختمان

خواص خاص خاکهای دارای ساختمان فلکوله

آرایش ذرات خاک

عمل تراکم خاک

روشهای تراکم خاکهای غیر چسبنده

روشهای تراکم خاکهای چسبنده

فصل چهارم: طبقه بندی خاک ها

کلیات

انواع طبقه بندی خاکها

اثر اندازه ذرات روی خواص فیزیکی خاک

استفاده از منحنی دانه بندی خاک

طبقه بندی خاک ها بر اساس خواص ذاتی آنها

مهمترین طبقه بندی ها

طبقه بندی یونیفاید

و...

فصل پنجم: آب در زمین، تراکم پذیری و تحکیم

کلیات

تنش قائم موثر بر اثر وزن توده خاک

پدیده تحکیم و تورم

نشست یا تراکم پذیری

انواع نشست

رابطه نشست الاستیک برای پی های سطحی

نشست پلاستیک

و...

فصل ششم: مقاومت خاک

کلیات

انواع تنش

سطوح اصلی و برش خالص در یک جسم

رابطه بین تنش و کرنش

مقاومت خاک

مقاومت خاکهای چسبنده و غیر چسبنده

و...

فصل هفتم: کارهای آمایشگاهی

مهمترین آزمایشات مکانیک خاک

و...