بررسی خواص رئولوژیک پنج رده خاک در استان چهارمحال و بختیاری

سابقه و هدف: ویژگی‌های رئولوژیکی خاک‌ها (از جمله تغییرشکل و رفتارهای ویسکوالاستیک آن‌ها در برابر تنش برشی) می‌توانند اطلاعات مهمی در مورد پایداری ساختمان خاک و ریزخاک‌دانه‌ها فراهم آورند. یکی از جدیدترین روش‌های ارزیابی پایداری خاک‌دانه‌ها، استفاده از مباحث رئومتری در این ارتباط است. به‌عبارت بهتر، از رئومتری می‌توان برای ارزیابی رفتار الاستیک خاک در مقابل رفتار پلاستیک آن در طیفی از تغییرشکل خاک‌دانه‌ها استفاده کرد و بدین ترتیب تفسیر کمّی بیشتری از تشکیل یا پایداری خاک‌دانه‌ها در برابر تنش وارده بر آن‌ها را محاسبه نمود. در دهه اخیر، آزمون روبشی دامنه کرنش به‌منظور ارزیابی پایداری ریزساختار خاک و رفتارهای الاستیکی آن استفاده شده است. پژوهش حاضر در راستای تعیین پایداری خاک‌دانه و رفتار ویسکوالاستیک خاک‌ با استفاده از رئومتر طراحی شده است. در پژوهش حاضر، ویژگی‌های فیزیکی، شیمیایی، کانی‌شناسی رس و طبقه‌بندی رده‌های خاک غالب استان چهارمحال و بختیاری در راستای تعیین پایداری خاک‌دانه‌ها و رفتار ویسکوالاستیک خاک‌ها‌ با استفاده از روش رئومتری، مورد مطالعه و مقایسه قرار گرفته است.مواد و روش‌ها: پنج خاک‌رخ مختلف در شهرستان‌های شهرکرد، فارسان و کوهرنگ تشریح و نمونه‌برداری شد. پس از هواخشک و الک کردن نمونه‌های خاک برداشت‌شده از افق‌های ژنتیکی این خاک‌رخ‌ها، ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی مورد نیاز با استفاده از روش‌های استاندارد اندازه‌گیری شدند. هم‌چنین، نوع کانی‌های رسی آن‌ها به روش پراش پرتو ایکس تعیین گردید. به‌علاوه، از آزمون روبشی دامنه کرنش برای کمّی‌سازی مقادیر اولیه پارامترهای رئولوژیکی شامل مدول‌های ذخیره (g’) و اتلاف (g)، حد تغییرشکل (γl: هنگامی‌که ماده شروع به تغییرشکل غیر قابل برگشت می‌کند)، تغییرشکل در نقطه جریان (γf: هنگامی‌که ماده وارد فاز ویسکوز می‌شود و جریان می‌یابد)، ضریب اتلاف (tan δ = g’’/ g’) و انتگرال z (سطح بدون بُعدی که رفتار الاستیک ماده تحت تنش برشی را نشان می‌دهد) در راستای مطالعه پایداری ریزساختار و ریزخاک‌دانه‌های نمونه‌های برداشت‌شده از رده‌های پنج‌گانه مزبور استفاده شد. در نهایت، ترسیم نمودار همبستگی بین ویژگی‌های خاک و پارامترهای رئولوژیکی اندازه‌گیری‌شده با استفاده از نرم‌افزار r انجام گرفت. هم چنین، رده بندی خاک رخ ها بر مبنای سامانه های رده بندی آمریکایی (2014) و طبقه بندی جهانی (2015) انجام شد.یافته‌ها: خاک‌رخ‌های مورد مطالعه بر مبنای سامانه‌های رده‌بندی آمریکایی و طبقه‌بندی جهانی، به‌ترتیب در پنج رده و چهار گروه مرجع مختلف شامل انتی‌سولز (کرایوسولز در طبقه‌بندی جهانی)، ورتی‌سولز، مالی‌‌سولز (کاستانوزم در طبقه‌بندی جهانی)، آلفی‌سولز و اینسپتی‌سولز (کلسی‌سولز در طبقه‌بندی جهانی) قرار گرفتند. تجزیه و تحلیل نیمه‌کمّی کانی‌های رسی نیز نشان داد که این خاک‌رخ‌ها دارای کانی‌های مختلفی از جمله کائولینیت، ورمی‌کولیت، اسمکتیت، ایلیت، کلریت و کوارتز می‌باشند. نتایج حاصل از آزمون روبشی دامنه کرنش، حاکی از آن بود که حد تغییرشکل در افق‌های زیرسطحی به‌‌طور قابل توجهی بالاتر از افق‌های سطحی خاک و در خاک‌های رسی بیشتر از خاک‌های شنی بود. خاک‌های دارای خواص ورتیک، دارای محدوده بالاتری از ناحیه‌ خطی ویسکوالاستیک (lve) بوده که به خاصیت الاستیک بالای آن‌ها نسبت داده شد. خاک‌های دارای رس بیشتر و متکامل‌تر، پارامترهای رئولوژیکی بالاتری را نشان دادند که می‌تواند حاکی از پایداری بیشتر ریزساختار و خاک‌دانه‌های ریز این خاک‌ها نسبت به دیگر رده‌های خاک باشد. در مقابل، افق‌هایی که دارای درصد بالاتر شن و تکامل کمتری بودند، پارامترهای رئولوژیکی پایین‌تری داشتند که نشان‌دهنده عدم پایداری ریزخاک‌دانه‌ها در این افق‌ها بود. ضریب همبستگی پیرسون نشان داد که انتگرال z تحت تاثیر ویژگی‌های مختلف فیزیکی و شیمیایی خاک‌ها قرار می‌گیرد و به‌طور معمول در خاک‌هایی با درصد رس بالاتر، نوع کانی‌های رسی 2:1 غالب به‌همراه میزان بالاتر ظرفیت تبادل کاتیونی، انتگرال z هم بالاتر است. نتیجه‌گیری: اندازه‌گیری پارامترهای رئولوژیکی نشان داد که خاک‌های متکامل‌تر نسبت به خاک‌های با ساختمان توسعه‌نیافته یا کمتر توسعه‌یافته، دارای پایداری ریزساختاری بیشتری هستند. در نتیجه، پارامترهای رئولوژیکی می‌توانند برای شناسایی مهمترین عواملی که روی خاک‌دانه‌سازی تاثیر می‌گذارند مفید باشند. به‌علاوه، این پارامترها می‌توانند به‌عنوان شاخصی برای ارزیابی مقدار نسبی تکامل خاک در مطالعات آتی مد نظر قرار گیرند.

Investigating rheological properties of five soil orders in Chaharmahal-va-Bakhtiari Province

Background and Objectives: Rheological characteristics of soils (including their deformation and flow behaviors when subjected to external stress) can provide important information on microstructural and microaggregate stability. One of the newest methods of assessing the stability of aggregates is the use of rheometric discussions in this regard. In other words, rheometry can be used to evaluate the elastic behavior of soil versus its plastic behavior in a range of aggregate deformation and thus a more quantitative interpretation of aggregate formation or stability against stress. In the last decade, Amplitude sweep test (AST) has been used to evaluate the stability of soil microstructure and its elastic behaviors. The present study was designed to determine the aggregate stability and viscoelastic behavior of the soil using the rheometric method. In the present study, physical, chemical, clay mineralogical properties and classification of dominant soil orders in ChaharmahalvaBakhtiari Province were studied and compared in order to determine the stability of aggregates and viscoelastic behavior of soils using the rheometric method.Materials and Methods: Five different soil orders were described and sampled in Shahrekord, Farsan, and Koohrang cities. After airdrying and sieving of soil samples taken from the genetic horizons, the physical and chemical properties were measured using standard methods. Besides, the type of clay minerals was determined by the Xray diffraction method. AST was used to quantify the initial rheological parameter values, including the storage (G’) and loss moduli (G), deformation limit (γL: when the material begins to irreversibly deform), deformation at flow point (γf: when the material becomes viscous), loss factor (tan δ = G’’/ G’) and integral z (which summarizes the overall elasticity of the material) in order to study microstructural stability and microaggregates of the five soil orders. Finally, the correlation diagram was plotted among soil properties and rheological parameters using R software. Besides, the soil was classified based on the American Soil Taxonomy (2014) and WRB (2015).Results: The studied pedons classified based on the American Soil Taxonomy (2014) and WRB (2015) in five different soil orders and four reference soil groups, including Entisol (Cryosol in WRB), Vertisol, Mollisol (Kastanozem in WRB), Alfisol, and Inceptisol (Calcisol in WRB). Semiquantitative analysis of clay minerals showed that the soils have different clay minerals assemblage including kaolinite, vermiculite, smectite, illite, chlorite, and quartz. The results of the AST indicated that the deformation limit was significantly higher in subsoil horizons than topsoil horizons and was also higher in the clayey soils compared to sandy soils. The soils with “vertic soil properties” showed the high range of linear viscoelastic region (LVE) that attributed to the samples with high elasticity behavior. Soils with higher clay contents and further evolution showed higher rheological parameters, implying that these soils had more rigid microstructures incomparable with other soil orders which in turn, indicated the higher microstructural and microaggregate stability. In contrast, the horizon, which had high sand content and little soil development, had the lowest values for all properties, thus indicating a lack of microaggregate stability. Pearson correlation coefficient analyses revealed that integral z was influenced by soil physicochemical properties, and was higher in soils with the clay fraction dominated by expansive clay minerals and higher cation exchange capacity. Conclusion: Altogether, the rheological parameters indicated that more developed soils had greater microstructural stability than their lessdeveloped counterparts. As a result, rheological measurements may be useful for identifying the major factors that affect soil aggregation. In addition, these parameters can be used as indicators to evaluate the relative amount of soil evolution in future studies.