ظرفیت تورم و انقباض خاک به میزان انبساط برخی کانیهای رسی هنگام خیس شدن و انقباض آنها در زمان خشک شدن اشاره دارد. خاکهایی که این خاصیت را به میزان زیادی دارند، مشکلساز بوده و به عنوان خاکهای تورمشونده یا خاکهای منبسطشونده شناخته میشوند. مقدار کانیهای رسی خاص مانند مونتموریلونیت و اسمکتیت که در خاک وجود دارند، مستقیماً بر ظرفیت تورم و انقباض آن تأثیر میگذارد. این توانایی برای تغییر حجم چشمگیر میتواند باعث آسیب به سازههای موجود، مانند ایجاد ترک در فونداسیونها یا دیوارهای استخر شود.
ویژگیهای فیزیکی و شیمیایی
به دلیل خواص فیزیکی و شیمیایی برخی از رسها (مانند گروه لیاس)، جذب آب باعث تورم قابل توجهی میشود. برعکس، هنگامی که آب تبخیر میشود، این رسها منقبض میشوند. وجود این کانیهای رسی به خاکها اجازه میدهد تا خاصیت تورم و انقباض داشته باشند. برخی از این کانیهای رسی عبارتند از: اسمکتیت، ناترونیت، بنتونیت، کلریت، مونتموریلونیت، بیدلیت، آتاپولژیت، ایلیت و ورمیکولیت. میزان این مواد معدنی در یک خاک خاص نیز شدت ظرفیت تورم و انقباض آن را تعیین میکند. به عنوان مثال، خاکهایی که مقدار کمی از کانیهای رسی منبسطشونده دارند، در معرض رطوبت به اندازه خاکی که مقدار زیادی از همان کانیهای رسی را دارد، منبسط نمیشوند. اگر خاکی حداقل 5 درصد وزنی از این کانیهای رسی را تشکیل دهد، میتواند قابلیت تورم و انقباض داشته باشد.
این خاصیت با استفاده از مقادیر ضریب کشسانی خطی (COLE) اندازهگیری میشود. اگر خاکی مقدار COLE بزرگتر از 0.06 داشته باشد، میتواند باعث آسیب سازهای شود. مقدار 0.06 COLE به این معنی است که 100 اینچ از خاک هنگام خیس شدن، 6 اینچ منبسط میشود. خاکهایی با این ظرفیت تورم و انقباض در دسته خاکی ورتیسولها قرار میگیرند. با خشک شدن این خاکها، ترکهای عمیقی ممکن است در سطح ایجاد شود که سپس به آب اجازه نفوذ به سطوح عمیقتر خاک را میدهد. این امر میتواند باعث شود تورم این خاکها به صورت چرخهای، با دورههایی از انقباض و تورم، اتفاق بیفتد.
آسیبهای ناشی از تورم و انقباض خاک
گروههای رسی با ظرفیت تورم و انقباض بالا، در دورههای خشکی، با منقبض شدن خاک و کشیدن ریشهها، تمایل به آسیب رساندن به محصولات زراعی دارند. خاکها با ظرفیت تورم و انقباض میتوانند مشکلات مهندسی ایجاد کنند یا به سازههای موجود آسیب برسانند. تورم میتواند باعث بالا آمدن یا بلند شدن سازهها شود و انقباض منجر به نشست نامتوازن رسوبات زیر فونداسیونها شده و به طور بالقوه باعث شکست سازه گردد. برخی از سازههای رایجی که دچار آسیب خاک میشوند عبارتند از: فونداسیونها، دیوارها، مسیرهای ورودی، استخرها، جادهها، خطوط لوله و کف زیرزمین. تقریباً نیمی از خانهها در ایالات متحده بر روی خاکهایی ساخته شدهاند که ناپایدار تلقی میشوند و نیمی از آنها دچار آسیب ناشی از خاک خواهند شد. این آسیبها شامل ترکهای بزرگ در دیوارها و فونداسیونها، تاب برداشتن مسیرهای ورودی و جادهها، و گیر کردن درها و پنجرهها میشود.
لولههای کمعمق که در منطقه نوسان رطوبت فصلی دفن شدهاند، تحت فشار خاکهای منقبضشونده قرار میگیرند که میتواند باعث شکست لولههای آب یا فاضلاب شود. پوسته استخرهای شنا نیز به دلیل این فشار ممکن است ترک بخورند و استخرهای نشتی نیز میتوانند به مرور زمان مقدار زیادی آب را به خاکهای اطراف وارد کنند که میتواند باعث بلند شدن کف استخر و فونداسیونهای مجاور شود. سالانه، تخمین زده میشود که 7 میلیارد دلار خسارت ناشی از خاکهای تورمشونده رسی وارد میشود. تمام این خسارات ناشی از نیروی اعمال شده توسط خاک در حال انبساط یا بالا آمدن زمین است.
خاکهای منبسطشونده در مناطقی با دورههای مشخص مرطوب و خشک، در مقایسه با مناطقی که در طول سال سطح مشخصی از رطوبت را حفظ میکنند، مشکلسازترین هستند، زیرا این چرخه سالانه باعث انبساط و تورم سالانه خاکها میشود. آب همچنین میتواند از طریق انسانها یا زیرساختهای آنها وارد خاک شود. خسارت اغلب ناشی از تورم افتراقی است که توسط مناطقی از خاک مرطوب که درست در کنار خاک خشک قرار گرفتهاند، ایجاد میشود. نمونههایی از منابع آب موضعی شامل سیستمهای آبیاری، سپتیک تانکها، لولههای نشتی و استخرهای شنا است.
شناسایی خاکهای تورمشونده
صاحبان املاک و خریداران بالقوه میتوانند با مشورت یک نقشه خاک، که بسیاری از آنها توسط سازمان خدمات منابع طبیعی وزارت کشاورزی ایالات متحده (USDA-NRCS) ایجاد و نگهداری میشوند، خاکهای منبسطشونده را بررسی کنند. نقشه خاک باید مقدار ضریب کشسانی خطی (COLE) را فهرست کند. دانشمندان حرفهای خاک نیز میتوانند نمونههایی از خاک را برای تعیین ظرفیت تورم و انقباض آن تجزیه و تحلیل کنند. خاکهای منبسطشونده در دورههای خشک، ترکهای بزرگی را در اشکال تقریباً چندضلعی در سطح خاک تشکیل میدهند. با این حال، عدم وجود این ترکها به این معنی نیست که خاک منبسطشونده نیست.
کاهش اثرات
روشهای متعددی را میتوان برای کاهش یا جلوگیری از آسیبهای ناشی از خاکهای منبسطشونده به کار گرفت. در مورد فونداسیونها، یک راهحل این است که فونداسیونهای ساختمان را تا عمقی که زیر منطقه نوسان محتوای آب قرار گیرند، امتداد داد. این امر آنها را هنگام انقباض خاک حمایت کرده و هنگام تورم خاک، لنگر میاندازد. راهحل دیگر، حذف خاک منبسطشونده موجود و جایگزینی آن با یک خاک غیرمنبسطشونده است، اما اگر عمق خاک منبسطشونده زیاد باشد، این گزینه بسیار پرهزینه است. حفظ رطوبت ثابت خاک یک راهحل دیگر است که گاهی اوقات میتوان با اجازه دادن به تخلیه مناسب آب باران از ملک، رفع نواحی اطراف سازهها که دارای کیفیت زهکشی ضعیف هستند، رفع نشتی لولهها، اجتناب از آبیاری بیش از حد گیاهان مجاور و کاشت درختان در فاصلهای مشخص از هر سازه، به آن دست یافت. راهحل دیگر فرآیندی به نام تثبیت خاک است که در آن مواد اضافی به خاک اضافه میشوند تا توانایی آن برای انقباض و تورم محدود شود. مواد مورد استفاده برای تثبیت شامل سیمان، رزینها، خاکستر بادی، آهک، پوزولانا یا مخلوط آهک-پوزولانا است که بسته به شرایط محل و اهداف پروژه متفاوت است.