خاک
خاك به عنوان مصالح ساختمانی در طرح‌های مهمی در مهندسی عمران به كار گرفته میشود. خاك ماده‌ای است كه گیاه در آن قابل رشد بوده و زندگی آن را تامین می‌نماید. از نقطه نظر یك زمین شناس خاك مفهوم چندان مشخصی نداشته و كلاً به مواد سست و جدا از همی كه از تجزیه سنگ‌ها حاصل شده اتلاق میشود. در علوم مهندسی، خاك مخلوط غیر یكپارچه‌ای از دانه‌های كانی‌ها و مواد آلی فاسد شده‌ای است كه فضای خالی بین آنها توسط آب و هوا (گازها) اشغال شده است. لذا بر طبق تعاریف فوق، متخصصین كشاورزی بیشتر به خاكهای ارگانیك (آلی) توجه دارند و مهندسین بیشتر به خاكهای غیر ارگانیك.
از دیدگاه مهندسی، خاک عبارت است از سنگدانه‌های سیمانی نشده‌ای از دانه‌های معدنی و مواد آلی پوسیده (ذرات جامد) همراه با سیال و گاز موجود در فضاهای خالی میان ذرات جامد. در پروژه‌های مختلف مهندسی عمران از خاک به عنوان مصالح ساختمانی استفاده میشود و خاک تکیه‌گاه پی‌های سازه‌ای را فراهم می‌سازد. بنابراین مهندسین عمران باید خصوصیات خاک مانند منشآ، دانه بندی، قابلیت زهکشی، تراکم پذیری، مقاومت برشی و ظرفیت باربری را مورد بررسی و مطالعه قرار دهند. مکانیک خاک شاخه‌ای از علم است که به بررسی خصوصیات فیزیکی خاک و رفتار توده‌های خاک تحت تآثیر نیروهای مختلف می‌پردازد. مهندسی خاک کاربرد اصول مکانیک خاک در مسایل عملی است. مهندسی ژئوتکنیک زیر شاخه مهندسی عمران است که به مصالح طبیعی نزدیک سطح زمین مربوط میشود. این رشته شامل کاربرد اصول مکانیک خاک و مکانیک سنگ در طراحی پی‌ها، سازه‌های حایل و سازه‌های خاکی است.
مکانیک خاک
مکانیک خاک 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.
مکانیک خاک، مانند مکانیک سنگ، پایهٔ علمی لازم برای تحلیل و طراحی در مهندسی خاک و پی، یکی از زیر شاخه‌های 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 یا سازه‌هایی که در زیر خاک مدفون شده‌اند بکار می‌رود. مانند پی ساختمان‌ها و پل‌ها، دیوارهای حائل، سدها و سامانهٔ خطوط لولهٔ مدفون در زمین.
یكی از مهمترین دلایل توسعه مكانیك خاك طیف كاربرد وسیع خاك در مهندسی عمران و همچنین اینكه تمام سازه‌ها برای انتقال بارهایشان به خاك نیاز به یك فونداسیون كارآمد و طراحی شده دارند.
دلایل بررسی خاک و علم مکانیک خاک
- سازه بر روی خاک ساخته میشود
- از خاک به عنوان مصالح مهندسی استفاده میشود
- خاک به سازه نیرو وارد می‌کند
چرخه سنگ و منشاء خاك
دانه‌های كانی كه تشكیل دهنده قسمت جامد خاك هستند، از هوازدگی سنگ‌ها بوجود می‌آیند. دامنه تغییرات اندازه دانه‌ها وسیع است. بسیاری از خواص فیزیكی خاك، توسط اندازه، شكل و تركیبات شیمیایی دانه‌ها دیكته می‌شوند.
خواص فیزیکی، شیمیایی و کانی شناسی خاک‌ها
شناخت خواص فیزیکی، شیمیایی و کانی شناسی خاک‌ها در بسیاری از بررسی‌ها و مطالعات و تصمیم گیری‌ها در عملیات خاکی نقش مهمی دارد. خواص فیزیکی و شیمیایی خاک‌ها را باید عمدتاً در عوامل زیر جستجو کرده و مربوط به آنها دانست.
ترکیب کانی شناسی دانه‌ها
از آنجایی که خاک‌ها از تجزیه و هوازدگی سنگ‌های پوسته زمین پدید آمده است، لذا کانی‌های تشکیل دهنده خاک‌ها باید همان کانی‌های تشکیل دهنده سنگ مادر باشد.
طبیعت سطح ذرات خاک (سطح مخصوص)
سطح خارجی دانه‌های خاک، یعنی فصل مشترک محیط جامد با محیط مجاور آن که ممکن است، آب یا هوا باشد. محل پدید آمدن بعضی پدیده‌های فیزیکی یا شیمیایی است که این پدیده‌ها بر خواص دیگر خاک مثل؛ مقاومت و نفوذپذیری و … تاثیر می‌گذارد.
پدیده‌های فیزیکی و شیمیایی در سطح مشترک خاک و آب
ذرات جسم جامد از شبکه‌ای از یون‌های مختلف تشکیل شده که از اینرو بین سطح خارجی ذره و محیط اطراف آن کنش و واکنش‌هایی پدیدار میشود.
خاصیت مویینگی
خاصیت بالا رفتن آب در لوله‌های مویین و در حفره‌های بین ذرات خاک را خاصیت مویینگی گویند.
نیروهای دافعه و جاذبه بین ذرات
نیروهای بین ذره‌ای در خاک به دو گونه‌اند. نیروهای جاذبه مولکولی بین دانه‌ها (وان در والس) و نیروهای دافعه که از نوع نیروی الکتروکینیماتیکی است.
خواص مکانیکی خاک‌ها
اصطکاک
مقاومت جسم در برابر حرکت به علت وجود اصطکاک بین دو سطح تماس است.
چسبندگی
مقاومت خاکی به علت چسبندگی دانه‌ها حاصل از مقاومت مولکولی (یعنی نیروی جاذیه الکتروشیمیایی) بین ذرات ریز است.
گسیختگی توده خاک
گسیختگی توده خاک عبارتست از پایان شرایط مقاومت و آغاز برش در خاک است.
تحکیم
تحکیم عبارتست از کاهش حجم حفره‌های آب‌دار درون خاک به علت افزایش فشارهای جانبی.
رابطه کارآیی خاک و منشا زمین شناسی
خاک‌ها را می‌توان بر مبنای منشا زمین شناسی‌شان به گروه‌های شش گانه زیر تقسیم کرد.
- خاک‌های برجا، بر اثر هوازدگی و تجزیه بر جای سنگ‌ها ایجاد می شوند.
- خاک‌های واریزه‌ای، به خاک‌هایی که بر اثر نیروی گرانی جابجا شده‌اند اطلاق میشود.
- رسوبات آبرفتی، تمامی خاک‌هایی را که توسط عمل آب جاری در خشکی‌ها ایجاد می‌شوند.
- رسوبات بادی، همان گونه که از نامشان پیداست توسط باد حمل و برجای گذارده می‌شوند.
- رسوبات یخچالی، توسط یخچال‌ها یا آب‌های ناشی از ذوب یخچال‌ها ایجاد می‌شوند.
- رسوبات ثانوی، بر اثر ایجاد تغییرات به روی خاک‌های اولیه ایجاد می‌شوند.
رابطه منشا زمین شناسی یک خاک و میزان مناسب بودن در پی سازی را به گونه زیر می‌توان خلاصه کرد به طور کلی خاک‌های مناسب برای پی سازه‌های مهندسی به شرح زیر است.
- خاک‌های با تراکم متوسط یا زیاد که از ویژگی‌های برخی از رسوبات بستر رودها، رسوبات ساحلی و یخزن‌هاست.
- رس‌های غیر فعال بیش تحکیم یافته که در برخی از دشتهای ساحلی یافت می‌شوند.
- مخلوط رس و رسوبات دانه‌ای که از مشخصات خاک‌های بر جای حاصل از تجزیه سنگ‌ها اسیدی مثل گرانیت است.
در مقابل، مصالح خاکی نامناسب وضعیت در مهندسی پی شامل موارد زیر است.
- رسوبات واریزه‌ای که اغل در دامنه‌ها حالتی ناپیدار دارند.
- خاک‌های دانه سست و متراکم نشده موجود در دشتهای سیلابی، دلتاها، خلیج‌های دهانه‌ای دریاچه‌ها، باتلاق‌ها.
- رس‌های فعال حاصل از تجزیه سنگ‌های مافیک، شیل‌های دریایی یا ته نشین شده توسط فعالیت‌های آتشفشان
- تمامی رسوبات آلی
کاربرد مکانیک خاک
خاک به عنوان مصالح ساختمانی مورد توجه مهندسین در زمینه خاکریزها، سرای خاکی، روسازی راه و فرودگاه، پشت دیوار حایل، زهکش‌ها، و به عنوان بخشی از بتن، ماده اصلی تهیه آجر و سرامیک، ماده اصلی تهیه چینی و کاشی و… مورد توجه است. مانند زیر پی‌ها، زیر پایه پل‌ها و زیربنای جاده‌ها و محل حفر تونل‌ها، محل قرار دادن لوله‌ها و تاسیسات مکانیکی و الکتریکی (کابل‌های تلفن و برق و لوله کشی گاز و فاضلاب و محل احداث قنات‌ها و محل حفر چاه‌ها و کانال‌ها.
رابطه مکانیک خاک با سایر علوم
مبحث مکانیک خاک دانشی است که در آن خواص فیزیکی و مکانیکی خاک‌ها، ارتباط این خواص با عوامل بیرونی، مقاومت خاک در برابر نیروها، تغییر شکل خاک در اثر نیروها، مسایل مربوط به حرکت یا سکون آب در خاک، چگونگی و مقدار فشرده شدن خاک‌ها و چگونگی و مقدار تنش‌ها و تغییر شکل‌های هر نقطه از محیط خاکی در اثر عملکرد یک نیروی خارجی و … بحث میشود.
سختی وابسته به سطح تنش
بسیاری از مصالح مهندسی همانند فلزات رفتاری خطی دارند حداقل تا یك سطح مشخص. این بدان معنی است كه اگر تنش‌ها دو برابر شوند تغییر شكل‌ها نیز دو برابر خواهند شد. این ویژگی را می‌توان با استفاده از قانون هوك توصیف نمود. چنین مصالحی را الاستیك خطی می‌نامند. خاك‌ها از این قانون تبیعت نمی‌نمایند به طور مثال در صورت فشرده شدن، خاك‌ها به تدریخ سفت تر می‌شوند. در سطح زمین ماسه را به راحتی می‌توان با انگشت تغییر شكل داد اما در تنش‌های فشاری بالا، سختی و مقاومت قابل توجهی كسب می‌نمایند. این مسئله عمدتاً به خاطر افزایش نیروهای بین ذرات مجزا است كه به ساختار ذرات مقاومتی فزاینده می‌بخشد. در مهندسی عمران رفتار غیر خطی مزایای خاص خود را دارد. به طور مثال رفتار فونداسیون‌های شمعی ساختمانی كه در روی خاك بسیار نرم احداث شده و در زیر آن لایه‌ای از ماسه قرار دارد را در نظر بگیرید. در ماسه قرار گرفته در زیر نهشته ضخیمی از رس نرم، سطح تنش به خاطر وزن رس بالاست. این مسئله باعث میشود ماسه بسیار سفت و مقاوم شده و بدین ترتیب می‌توان نیروهای فشاری بزرگی به شمع اعمال نمود مشروط بر آنكه طول شمع‌ها به اندازه كافی بلند باشد تا به لایه باربر برسند.
برش خاک
خاك‌ها تحت فشار سخت تر می‌شوند، اما هنگام برش خاك‌ها به تدریج نرم شده و اگر سطح تنش برشی به همراه تنش‌های قائم به مقدار مشخصی برسد، گسیختگی در توده خاك رخ خواهد داد. این بدان معنی است كه شیب یك تپه ماسه‌ای به طور مثال در یك سد نمی‌تواند از حدود ۳۰ یا ۴۰ درجه بیشتر شود. زیرا در این حالت ذرات ممكن است در روی یكدیگر بلغزد. این مسئله تاكنون باعث گسیختگی سدها و خاكریزهای متعددی در سراسر دنیا شده و در برخی موارد باعث فجایع سنگینی برای مردم آن نواحی شده است.
اتساع
تغییر شكل برشی خاك‌ها اغلب با تغییرات حجمی همراه است. ماسه شل تمایل به كاهش حجم داشته و ماسه متراكم در عمل تنها زمانی قادر به تغییر شكل است كه حجم آن افزایش یابد كه این كار باعث شل شدن آن میشود. این پدیده اتساع كشف شد. فضای بین ذرات هنگامی كه دانه ها بر روی یكدیگر برش می‌خورند افزایش می‌یابد. از طرف دیگر ذرات موجود در یك توده ماسه شل در هنگام برش تمایل به فروریختن و كاهش حجم دارند. چنین تغییرات حجمی مخصوصاً هنگامی كه خاك اشباع می‌تواند بسیار خطرناك باشد. در این حالت تمایل به كاهش حجم ممكن است باعث افزایش قابل توجه فشار آب منفذی شود. بسیاری از فجایع ژئوتكنیكی در اثر افزایش آب منفذی ایجاد شده‌اند. به طور مثال در حین زلزله چنانچه خاك ماسه‌ای اشباع غیر متراكم در یك زمان كوتاه تراكم یابد، فشار منفذی بزرگی ایجاد شده به طوری كه ذرات ماسه ممكن است در داخل آب شناور شوند. این پدیده روانگرایی نام دارد.
خزش خاک
تغییر شكل خاك اغلب وابسته به زمان است حتی تحت یك بار ثابت. این پدیده خزش نام دارد. خاكهای رس و پیت دارای رفتار خزشی هستند. در اثر این پدیده، سازه‌هایی كه در روی چنین خاك‌هایی بنا شده اند به نشست خود در اثر زمان ادامه می‌دهند. به طور مثال جاده‌ای كه در روی خاك رسی احداث شده است. برای سالیان متمادی به نشست خود ادامه خواهد داد. این نشست‌ها در سازه‌ها می‌توانند باعث ایجاد ترك شوند. ماسه و سنگ در عمل متحمل خزش نمی‌شوند مگر در تنش‌های بسیار بالا.
تراز آب زیر زمینی
یكی از خصوصیات خاك وجود آب در منافذ آن است. این آب منفذی در انتقال تنش در خاك نقش دارد. چنانچه این آب جریان داشته باشد، باعث ایجاد تنش‌های اصطكاكی بین آب و ذرات خاك میشود. در بسیاری از موارد باید خاك را مصالحی دو فاز در نظر گرفت. با توجه به اینكه خروج آب از داخل توده خاك نیاز به زمان دارد، وجود آب معمولاً از بروز تغییرات حجمی سریع جلوگیری می‌نماید. در بسیاری موارد تاثیر آب زیرزمینی بسیار قابل توجه است. به طور مثال كاهش تراز آب زیرزمینی به هر دلیلی منجر به افزایش تنش‌های بین ذرات و در نتیجه نشست خاك میشود. این پدیده در بسیاری از شهرهای بزرگ دنیا مثل ونیس و بانكوك در حال وقوع است. این نوع نشست‌ها همچنین در صورت كاهش موقت تراز آب زیرزمینی جهت احداث سازه‌ها نیز به وقوع می‌پیوندد. ساختمان‌های قرار گرفته در مجاورت گودبرداری‌ها نیز در اثر كاهش تراز آب زیرزمینی ممكن است آسیب ببینند. در یك مقیاس متفاوت همین پدیده در میادین گاز یا نفت نیز رخ می‌دهد به طوری كه استخراج این سیالات باعث كاهش حجم مخزن و در نتیجه نشست خاك میشود.
تنش‌های اولیه نامشخص
خاك مصالحی طبیعی است كه در طول تاریخ در اثر فرآیندهای زمین شناسی مختلف تولید شده است. بنابراین حالت اولیه تنش در داخل خاك اغلب غیریكنواخت و در بسیاری حالات نامشخص است. تنش‌های اولیه در خاك جهت تعیین رفتار خاك تحت بارهای اضافی اهمیت زیادی دارد. این تنش‌های اولیه بستگی به تاریخچه زمین شناسی دارد كه آن نیز هیچوقت به طور دقیق مشخص نیست. تنش‌های اولیه قائم را می‌توان توسط وزن لایه‌های فوقانی بدست آورد. این بدان معنی است كه تنش‌ها با عمق افزایش یافته و بنابراین سختی و مقاومت آن نیز با عمق افزایش می‌یابد. اما تنش‌های افقی معمولاً به مقدار زیادی نامشخص‌اند. چنانچه در زمان‌های گذشته خاك به صورت افقی فشرده شده باشد، می‌توان انتظار داشت كه تنش‌های افقی بزرگ باشند. با در نظر داشتن رفتار وابسته به تنش خاك می‌توان نتیجه گرفته كه عدم قطعیت‌های زیادی در رابطه با رفتار اولیه توده خاك وجود دارد.
تغییر پذیری
پیدایش خاك در اثر فعالیت‌های زمین شناسی معنای دیگر نیز دارد و آن هم اینكه خصوصیات خاك ممكن است در نقاط مختلف، متفاوت باشد. حتی در دو نقطه بسیار نزدیك به یكدیگر، خصوصیات خاك ممكن است كاملاً متفاوت باشد. بستر رودخانه‌ای قدیمی را در نظر بگیرید كه با نهشته‌های ماسه‌ای پر شده است. بعضی مواقع با مشاهده ماسه در سطح زمین می‌توان مسیر رودخانه را ردیابی نمود اما اغلب این كار ممكن نیست. چنانچه خاكریزی بر روی چنین خاكی احداث شود می‌توان انتظار داشت كه نشست‌ها بسته به مصالح زیرین متغییر باشد. تغییر خصوصیات خاك ممكن است به خاطر بارهای موضعی سنگین در گذشته باشد.
تراکم خاک
تراکم خاک به مجموع عملیات‌هایی که بر روی خاک صورت می‌گیرد که طی آن یک انرژی خارجی به خاک وارد میشود و سبب میشود حجم خلل و فرج کاهش یابد. این عملیات منجر به کاهش نفوذپذیری خاک، افزایش مقاومت برشی و کاهش نشست خاک میشود.
تنها اثر منفی در تراکم خاک افزایش پتانسیل تورمی در اثر یخبندان بوده چرا که با مقدار کمی آب تمام خلل و فرج پر میشود و برای افزایش حجم آب هیچ گونه فضایی باقی نمی‌ماند. در عملیات تراکم، هنگامی که خلل و فرج کاهش می‌یابد مقدار نسبت تخلخل کاهش می یابد همین امر سبب افزایش وزن مخصوص خاک میشود.
روابط تراكم پذیری تراكم خاك در پاسخ به بارگذاری را می‌توان به دو دسته تقسیم نمود.
- نشست ارتجاعی
- نشست وابسته به زمان.
نشست‌های ارتجاعی، آنی و قابل بازگشت و عمدتاً از طریق نظریه ارتجاعی خطی محاسبه می‌شوند. نشست آنی در اثر بارگذاری سازه های رویه و بر مبنای تغییر طول المان‌ها اتفاق می‌افتد. نشست آنی تنها در خاک‌های دانه ای یا ماسه‌ای اتفاق می‌افتد و قابل بررسی است. زیرا خاک ماسه‌ای دارای خلل و فرج زیاد است. نشست‌های وابسته به زمان هم در خاكهای دانه‌ای و هم در خاكهای چسبنده رخ می‌دهد، گرچه زمان واكنش خاكهای دانه‌ای معمولاً كوتاه است.
علاوه بر وابسته به زمان بودن، واكنش خاك در برابر بارگذاری غیر خطی بوده و تغییر شكل‌ها تنها به طور جزئی قابل بازگشت هستند. دو نوع نشست وابسته به زمان شناسایی شده‌اند.
- تحكیم اولیه در اثر خروج آب منفذی تحت فشار از داخل منافذ خاك در اثر بارگذاری ایجاد می شود. تراكم ثانویه اساساً پس از اینكه تمام فشار منفذی اضافی محو شد (یعنی تحكیم اولیه به اتمام رسیده است) رخ می‌دهد. هر چند مكانیزم‌های مرتبط به تراكم ثانویه به طور كامل درك نشده است.
- تخمین تراكم پذیری خاكهای دانه‌ای دشوار‌تر بوده و عمدتاً دلیل اصلی آن تهیه نمونه‌های دست نخورده جهت آزمایش است. در خاكهای دانه‌ای، تراكم یا نشست معمولاً توسط روش‌های غیر مستقیم تخمین زده میشود.
نشست تحکیم حالتی که در اثر خروج آب (زهکشی آب) در طی زمان از ناحیه خاک رس اتفاق می‌افتد که این زهکشی و کاهش فشار آب حفره‌ای منجر به افزایش تنش موثر و تراکم خاک میشود. نشست تحکیم تنها در صورتی اتفاق می‌افتد که دو عامل اصلی رس (رس اشباع) و سفره آب زیرزمینی وجود داشته باشد.
اثر انرژی تراکم
هر چقدر انرژی وارده به خاک بیشتر باشد در نتیجه خاک در درصد رطوبت‌های کمتر و وزن مخصوص حداکثر خشک بیشتری می‌رسد.
نقش دانه بندی در تراکم
در خاک‌های رسی با افزایش خصوصیات خمیری خاک‌درصد رطوبت بهینه افزایش پیدا می‌کند و دانسیته خشک حداکثری کاهش می‌یابد.
علت تراکم بهتر درشت دانه‌ها
ریز دانه‌ها دارای سطح جانبی بیشتری نسبت به درشت دانه‌ها هستند لذا برای آغشته کردن آنها به آب برای کاهش اصطکاک به رطوبت بیشتری نیاز است و این رطوبت بیشتر فضای زیادی از خلل و فرج خاک را اشباع می‌کند و مانع از تراکم بیشتر و وزن مخصوص خشک بیشتر میشود.
تنش موثر
نیرو بر واحد سطح حمل شده توسط اسکلت جامد خاک است. در یک توده خاک تنش موثر تغییرات حجم و تغییرات مقاومت را کنترل می‌کند به عبارت دیگر در یک قسمت از خاک هر چقدر تنش موثر بزرگتر باشد باعث تراکم و تبدیل خاک به توده‌های متراکم‌تر و کم حجم‌تر میشود.
مقاومت برشی خاک
مقاومت برشی توده خاك، مقاومت داخلی واحد سطح آن خاك است كه می تواند برای مقابله با گسیختگی یا لغزش در امتـداد هر صفحه داخلی بروز دهد. برای تحلیل مسائل پایداری خاك نظیر ظرفیت باربری، پایداری شیروانی ها و فشار جانبی بـر روی سازه های حایل خاك، لازم است طبیعت مقاومت برشی بخوبی شناخته شود.
با توجه به تغییرات تنش برشی مقاوم در مقابـل تغییر مكان برشی، نتایج زیر قابل حصول است.
- در ماسه شل، تنش برشی مقاوم با تغییر مكان برشی افزایش می‌یابد تا تنش برشی گسیختگی حاصل شود. بعد از آن، مقاومت برشی برای افزایش بیشتر تغییر مكان برشی، تقریباً ثابت می‌ماند.
- در ماسه متراكم، تنش برشی مقاوم با تغییر مكان برشی افزایش می‌یابد تا تنش برشی گسیختگی حاصـل شـود. ایـن تنش، مقاومت برشی حداكثر نامیده میشود. بعد از تنش گسیختگی، تنش برشی مقاوم به تدریج بـا افـزایش تغییـر مقدار مكان برشی، كاهش می‌یابد تا بالاخره به یك مقدار ثابتی برسد كه به آن مقاومت برشی نهایی می‌گویند.
حالت گسیختگی
خاک در برابر تنش‌های وارده از بارگذاری مقاومت خود را از دست می‌دهد. در نتیجه تغییر شکل‌های بزرگی در خاک ایجاد میشود.
نظریه شکست مور- کلمب
طبق این نظریه تنش قائم و تنش برشی حداکثر هیچ کدام سبب گسیختگی خاک نمی‌شود بلکه ترکیبی از تنش‌های برشی و قائم سبب گسیختگی خاک میشود.
روابط نفوذپذیری خاک
نفوذپذیری خاك به شدت تابع ساختار ذرات و لایه بندی آن است. به طور مثال رس‌های حاوی رگه یا نوارهای ماسه‌ای دارای مقادیر نفوذپذیری بسیار بزرگتر از نفوذپذیری خود مصالح است. همچنین از آنجایی كه جریان تمایل به حركت در مسیر كمترین مقاومت دارد، خاكهای لایه بندی شده اغلب دارای مقادیر نفوذپذیری هستند كه چندین برابر نفوذپذیری قائم آنها است. به دلیل اندازه كوچك نمونه‌های آزمایشگاهی و نحوه نمونه گیری و آماده سازی آنها، خصوصیات توده خاك در این آزمایش‌ها لحاظ نشده و نتایج آزمایش‌ها نماینده واقعی از خاك درجا با یك ساختار مشخص نخواهد بود. علاوه بر این در آزمون‌های آزمایشگاهی معمولاً آب را مجبور به حركت در راستای قائم از داخل نمونه می‌نمایند كه با شرایط محلی ممكن است كاملاً در تضاد باشد. آزمون‌های محلی (صحرایی) این كاستی‌ها را برطرف می‌نماید اما از آنجایی كه الگوی جریان آب از داخل یك چاه را تنها می‌توان حدس زد، تفسیر نتایج آزمایش‌ها دشوار و همراه با عدم قطعیت است. بنابراین یك دسته مسئله با دسته‌ای دیگر جایگزین میشود.
ظرفیت باربری مجاز خاک
معمولاً یکی از بخش‌های تکراری در پروسه تهیه گزارش مطالعات ژئوتکنیک، محاسبه ظرفیت باربری مجاز پی‌های سطحی است. اگر لازم باشد هم گسیختگی برشی و هم نشست به طور همزمان کنترل شوند، نتیجه نهایی بسیار دقیق خواهد شد ولی کار محاسبه را کمی مشکل خواهد کرد. در این بخش از نرم افزار پی سنج مشخصات لایه‌های خاک (تعداد لایه نامحدود) و ابعاد فونداسیون وارد می‌شوند. سپس پارامترهایی مثل ضریب اطمینان گسیختگی برشی، نشست مجاز، ضریب صلبیت پی، ضریب بارگذاری مجدد (Er)، عمق استقرار پی، وزن مخصوص خاک بالای پی، سطح آب، بارهای وارد بر پی و … وارد می‌شوند.
- منحنی نشست مجاز برای حالتی که کنترل کننده فقط نشست باشد
- منحنی کنترل کننده گسیختگی برشی خاک
- منحنی باربری مجاز که برای هر عرض، مینیمم دو منحنی را به عنوان ظرفیت باربری مجاز انتخاب می‌کند.
