روش‌های تشخیص خاک‌های واگرا

طی سال‌های گذشته محققین روش‌های مستقیم و غیرمستقیم مختلفی را برای ارزیابی پتانسیل واگرائی خاک‌های رسی پیشنهاد نموده‌اند. این روش‌ها را می‌توان به دو دسته فیزیکی و شیمیایی تقسیم نمود. در بخش روش‌های فیزیکی می‌توان آزمایش‌های کرامب، هیدرومتری دوگانه و پین هول را نام برد. روش‌های شیمیایی که اساساً وجود مقدار نسبی و غلظت کاتیون‌ها را در خاک مورد ارزیابی قرار می‌دهند نیز خود در شکل‌های مختلفی توصیه شده است که ذیلاً به اختصار تشریح می‌شود:

 روش کرامب

در این روش قطعه کوچکی از خاک با رطوبت حدود 60 درصد رطوبت حد خمیری به بعد تقریبی 15 میلی‌متر تهیه و به آرامی درون یک بشر حاوی 250 میلی‌لیتر آب مقطر قرار می‌گیرد و پس از گذشت زمان 15 دقیقه شدت واکنش آن نسبت به آب، مورد ارزیابی قرارگرفته و واگرائی آن به شرح زیر طبقه‌بندی می‌شود.

• چنانچه هیچ‌گونه فرسایش یا کدورت آب مشاهده نگردد، غیر واگرا ارزیابی می‌شود.
• اگر کدری مختصری در رنگ آب و پیرامون نمونه مشاهده شود، واکنش واگرائی ضعیف ارزیابی می‌گردد.
• در صورتی که کدری آب در حد متوسط و بیشتر از حالت قبل باشد، واکنش متوسط ارزیابی می‌شود.
• در حالتی که آب پیرامون نمونه کاملاً کدر و گل آلود شده و ذرات خاک کاملاً شناور شوند، واکنش شدید و خاک واگرا ارزیابی می‌گردد.

در برخی مراجع انجام این آزمایش در دو حالت با استفاده از آب مقطر و آب منطقه مورد نظر پیشنهاد شده است.

بر اساس توصیه‌های محققین چنانچه خاکی در این آزمایش واکنش نشان دهد به احتمال زیاد واگراست، ولی عدم واکنش در آن به معنای غیر واگرا بودن خاک نمی‌باشد.

روش هیدرومتری دوگانه

در این آزمایش دانه‌بندی ذرات خاک با روش هیدرومتری استاندارد در دو حالت تعیین شده و نتایج حاصله با یکدیگر مقایسه و پتانسیل واگرائی بر اساس این مقایسه ارزیابی می‌گردد. در یک مرحله آزمایش هیدرومتری طبق روش استاندارد و با کمک ماده شیمیایی پراکنده ساز و با استفاده از به هم زن مکانیکی صورت می‌گیرد. در مرحله بعدی همین آزمایش بدون استفاده از محلول شیمیایی پراکنده ساز و به هم زن مکانیکی صورت گرفته و منحنی‌های دانه‌بندی در دو مرحله ترسیم و مقدار درصد ذرات ریزتر از 005/0 میلی‌متر در هر دو روش تعیین می‌گردد. در این صورت پارامتری بنام نسبت پراکندگی یا نسبت واگرائی به شرح زیر تعیین می‌شود:

100× درصد ذرات کوچک‌تر از 5 میکرون در آزمایش دوم /درصد ذرات کوچک‌تر از 5 میکرون در آزمایش اول = نسبت واگرائی

چنانچه نسبت واگرائی بیشتر از 50 درصد باشد، خاک دارای پتانسیل واگرائی می‌باشد و چنانچه این رقم بیشتر از 35 درصد باشد، خاک احتمالاً واگراست. ارقام بین 35-15 درصد نشان‌دهنده احتمال واگرائی متوسط و ارقام کمتر از 15 درصد احتمال واگرا نبودن خاک را نشان می‌دهند. از آنجا که نتایج این آزمایش تابع عوامل متعددی از جمله رطوبت خاک و خمیرائی آن می‌باشد، لذا نتایج حاصل باید با احتیاط و در مقایسه با نتایج سایر روش‌ها مورد استفاده قرار گیرد.

روش پین هول

این آزمایش در سال 1976 توسط شرارد و همکاران برای اندازه‌گیری مستقیم پتانسیل واگرائی خاک‌های متراکم شده ابداع گردید. در این آزمایش، آب از سوراخ کوچکی که درون نمونه تعبیه‌شده، تحت بار هیدرولیکی معین جریان پیدا نموده و در مسیر خود ذرات خاک را تحت انرژی فرسایشی قرار می‌دهد. در رس‌های واگرا، ذرات کلوئیدی حاصل از فرسایش دیواره سوراخ همراه با این جریان آب به بیرون منتقل گشته و آب را کدر می‌سازند، ولی در رس‌های مقاوم به فرسایش و غیر واگرا، جریان آب کاملاً شفاف بوده و هیچ‌گونه فرسایشی در سوراخ مشاهده نمی‌شود.

معیارهای بکار گرفته شده در این روش برای ارزیابی پتانسیل واگرایی خاک، شامل دبی جریان خروجی، شفافیت آب خروجی در زمان معین و قطر نهایی سوراخ تعبیه‌شده در پایان آزمایش می‌باشد.

بر اساس تحقیقات مفصلی که تاکنون در ایران و جهان به عمل آمده، در حال حاضر این آزمایش به علت ارزیابی مستقیم واگرائی به عنوان مطمئن‌ترین روش و معیار مقایسه با نتایج سایر روش‌ها پیشنهاد گردیده است.

روش‌های شیمیایی

از آنجا که اساساً واگرائی خاک‌های رسی پدیده‌ای فیزیک و شیمیایی است و خصوصیات شیمیایی خاک به ویژه نوع و میزان کاتیون‌های مختلف خاک و آب منفذی اطراف آن در ایجاد این پدیده نقش موثر دارند، لذا محققین مختلف سعی نموده‌اند ه معیارهائی برای تشخیص پتانسیل واگرائی بر این اساس ارائه نمایند.

چگونگی ایجاد خسارت

 معمولاً فرم اصلی بروز خسارت در کانال‌های آبیاری احداث شده بر روی خاک‌های واگرا، فرسایش و مهاجرت شدید ذرات خاک از بستر پوشش کانال و یا روی تاج خاکریز، خالی شدن پشت پوشش سخت و خرد شدن قطعات بتنی یا سایر پوشش سخت به علت عدم وجود تکیه‌گاه می‌باشد. در کانال‌های دارای پوشش‌های بتنی، به واسطه ایجاد فضاهای بزرگ ناشی از فرسایش خاک واگرا، قطعات بتنی دچار ترک خوردگی شدید در جهات مختلف گردیده و بعضاً جابجائی یا لغزش یک قطعه از پوشش نسبت به قطعات مجاور مشاهده می‌شود. بطور کلی تخریب و ترک خوردگی قطعات بتنی عموماً موضعی و متناسب با محل ایجاد حفره فرسایش می‌باشد. در شبکه آبیاری گتوند، پس از برداشت قطعات تخریب شده بعضاً حفره‌های بزرگ به قطر 5/. متر و حتی بیشتر در پشت پوشش مشاهده شده است. در روی تاج خاکریز نیز فرسایش ناشی از واگرائی به صورت حفره‌های فرسایشی یا آب بریدگی‌های عمیق مشاهده می‌شود. 

روش‌های کنترل واگرائی

همان طور که اشاره شد پدیده واگرایی عموماً به مشخصات شیمیایی خاک وابسته بوده و در بسیاری از مراجع عدم استفاده از خاک‌های واگرا در رابطه با سازه‌های آبی مورد توصیه قرارگرفته است. معهذا در شرایطی که استفاده از این نوع خاک به علت عدم دسترسی به مصالح مناسب تر یا عدم وجود توجیه اقتصادی، الزامی باشد، می‌توان از روش‌های زیر برای تثبیت خاک استفاده نمود.

الف) استفاده از آهک: افزایش 1 تا 5 درصد وزنی آهک هیدراته به خاک رس واگرا، موجب جایگزینی کاتیون‌های کلسیم بجای سدیم خاک گردیده و علاوه بر کاهش خاصیت خمیرائی، پتانسیل واگرائی آن را نیز کاهش می‌دهد. همان طور که اشاره شد، افزایش آهک با کاهش خاصیت خمیرائی، از ایجاد درز و ترک ناشی از انقباض در خاک نیز جلوگیری نموده، جریان متمرکز و شدید آب به داخل توده خاک را که می‌تواند موجب فرسایش درونی آن شود، کاهش می‌دهد. بعلاوه افزایش آهک موجب کاهش وزن واحد حجم خشک و افزایش مقاومت برشی خاک نیز می‌گردد.

ب) استفاده از سولفات آلومینیوم: بر اساس نتایج تحقیقات به عمل آمده افزایش 5/. تا 2 درصد وزنی سولفات آلومینیوم به خاک، علاوه بر افزایش مقاومت در برابر آب شستگی، باعث کاهش پتانسیل تورم پذیری و افزایش مقاومت برشی خاک نیز می‌گردد. قابلیت انحلال سولفات آلومینیوم در آب بسیار بیشتر از آهک است و به همین علت اختلاط آن با خاک کم هزینه‌تر از آهک می‌باشد. بعلاوه اثرات منفی زیست‌محیطی افزایش سولفات آلومینیوم کمتر از آهک است. معهذا ایراد اساسی آن، هزینه بالا و ایجاد اسیدیته بیشتر در محیط است که می‌تواند از نظر رشد گیاه، یک خاصیت منفی تلقی گردد.

ج) استفاده از گچ (سولفات کلسیم آبدار):

 افزودن گچ آبدار به خاک باعث مجتمع شدن ذرات رس و کاهش پتانسیل واگرائی می‌شود و عمل آن جایگزینی یون‌های کلسیم بجای سدیم می‌باشد. مقدار گچ مورد نیاز باید متناسب با مشخصات شیمیایی خاک تعیین گردد. در این روش نیز به علت قابلیت انحلال نسبتاً کمتر گچ در آب، عمل اختلاط و تأثیر گچ ممکن است با اشکالاتی همراه باشد.

د) استفاده از سیمان پرتلند (خاک- سیمان):

 نتایج تحقیقات انجام شده در سال‌های اخیر نشان داده است که افزایش مقادیر کم سیمان به خاک بستر (8/. تا 4 درصد) توانسته است با جایگزینی یون‌های کلسیم آزاد موجود در سیمان پرتلند و نیز با ایجاد خاصیت چسبندگی ناشی از هیدراتاسیون سیمان، ذرات رس واگرا را به خوبی تثبیت نموده و خاصیت فرسایش پذیری آن را به میزان قابل ملاحظه‌ای کاهش دهد، به گونه‌ای که مخلوط‌های خاک سیمان حاصله به خوبی قادر به تحمل جریان آب با سرعت‌های تا 2 متر در ثانیه نیز بوده است.

ه) استفاده از فیلتر:

 بر اساس تحقیقات انجام شده، استفاده از فیلترهای مناسب می‌تواند احتمال وقوع فرسایش و آب شستگی در خاک‌های واگرا را بسیار کاهش دهد. این فیلترها از خروج و مهاجرت ذرات رس واگرا از محیط جلوگیری نموده و تدریجاً خاک واگرا را تثبیت می‌نمایند. مشکل عمده در استفاده از این روش، مسائل اجرایی و هزینه بالای ایجاد آن می‌باشد.