مکانيک خاک از دو کلمه Soil به معني خاک و Mechanics به معني مکانيک گرفته شده است. در علوم مهندسي ، خاک مخلوط غير يکپارچه‌اي از دانه‌هاي کانيها و مواد آلي فاسد شده مي‌باشد که فضاي خالي بين آنها توسط آب و هوا (گازها) اشغال شده است. خاک به عنوان مصالح ساختماني در طرح‌هاي مهمي در مهندسي عمران بکار گرفته مي‌شود و همچنين شالوده اکثر سازه‌ها بر روي آن متکي است.بنابراين مهندسان عمران بايد بخوبي خواص خاک از قبيل مبدا پيدايش ، دانه بندي ، قابليت زهکشي آب ، نشست ، مقاومت برشي ، ظرفيت باربري و غيره را مطالعه نمايند.

مکانيک خاک شاخه‌اي از علوم مهندسي است که به مطالعه مشخصات فيزيکي و رفتار توده خاکي تحت بارهاي وارده مي‌پردازد. مهندسي پي ، کاربرد اصول مکانيک خاک در مسائل عملي است. در ادامه مطلب عناويني زير به طور خلاصه براي آشنايي با اين رشته ارايه مي شود :
      ●   تاريخچه
      ●   کاربرد مکانيک خاک
      ●   اندازه گيري ويژگيهاي خاک
      ●   چگونگي تشکيل خاک
      ●   روشهاي اندازه گيري ويژگيهاي خاک
      ●   خواص مکانيکي خاکها

◄   تاريخچه
مکانيک خاک از سال 1925 ميلادي به صورت يک شاخه مهم شناخته شد. تزراقي (پدر علم مکانيک خاک) با کتاب اصول مکانيک خاک بنيانگذار اين علم است.
در ايران نيز تحت عنوان مکانيک خاک به عنوان يک رشته مستقل در مقطع کارشناسي ارشد مهندسي عمران و به عنوان يک درس اختياري و اصلي در مقاطع مختلف کارشناسي و کارشناسي ارشد زمين شناسي ارائه مي شود.
تاريخچه عمليات خاکي را مي‌توان به دوره‌هاي دور تاريخ بشري نسبت داد و آن را با قدمت پيدايش شهرنشيني يکي دانست. حفر قناتها ، کانالهاي آبرساني ، ايجاد پلها و سدهاي محکم و ساير بناهايي که آثار آنها در کشورهاي دنيا از ده‌ها قرن قبل تا کنون به يادگار مانده است، همه از مواردي است که به نحوي با عمليات خاکي ارتباط دارد. توجه به بررسي و مطالعه خاک با يک ديدگاه مهندسي و به منظور تحليل رياضي خواص آن ، از قرن 18 ميلادي آغاز شد و در واقع اولين بار در عين حال مهمترين رابطه ساده در زمينه مکانيک خاک ، در سال 1773 توسط کولمب يک مهندس ارتشي فرانسه ارائه گرديد. اين رابطه ساده ، که يک رابطه اساسي در بررسي مقاومت يا عدم مقاومت خاک است عبارت است از:
(τ=c+bntan(φ
کارهاي بوسينسک در مورد تئوري اجسام الاستيک که در سال 1885 انتشار يافت به ارائه راه حل‌هاي دقيق در محاسبه تنش‌ها و تغيير شکل‌هاي درون محيط خاکي منجر گرديد و توانست در تحليل بخش مهمي از مبحث مکانيک خاک ، پاسخگو باشد. دانش مکانيک خاک به صورت مدرن ، در ابتداي قرن حاضر گسترش روز افزوني يافت و مانند ساير علوم مهندسي مورد تجزيه و تحليل قرار گرفت بطوري که در سال 1925 کارل ترزاگي ، استاد دانشگاه هاروارد ، نتيجه تحقيقات خود را به صورت مقاله‌اي ارائه داد و در سال 1943 کتاب «اصول نظري مکانيک خاک» را تدوين و منتشر کرد.
کارل ترازگي (1963-1883) را به حق بنيانگذار دانش مکانيک خاک ناميده‌اند. در اينجا شايسته است از سهم محققين روسي نيز يادآور گردد، چه پژوهشگراني چون سيتوويچ در کشور روسيه به موازات دانشمندان غربي در توسعه دادن مبحث مکانيک خاک کارهاي زيادي ارائه دادند. نامبرده نيز در سال 1934 کتاب اصول علم مکانيک خاک را منتشر نمود.
امروزه اهميت دانش مکانيک خاک مانند علوم ديگر روز به روز رو به فزوني است و اين بويژه به اين علت است که تجربه‌هاي گذشته در اين زمينه بدون گسترش تئوري‌هاي مطمئن‌تر و راه حل‌هاي اقتصادي‌تر تکافوي حل مسائل جديد را در عمل نمي‌نمايد. به علاوه ، بسط مسائل مبحث مکانيک خاک همراه با توسعه روش‌ها و ديدگاههاي جديد در زمينه مکانيک محيط دانه‌اي ، گسترش و افزايش دقت در تحليل‌هاي رياضي و مدل سازي‌ها را در هر دو زمينه الزامي نموده و نيز به نتيجه رسانده است.
طرح تئوريهايي که نشان دهنده رفتار توده خاکي در برابر عوامل بيروني ، مثل نيروهاي مختلف ، باشد.
کاربرد معلومات تئوري و تجربي در موارد و مسائل اجرايي مباحث کلي مکانيک خاک مي باشد .

◄   کاربرد مکانيک خاک
خاک از يک طرف به عنوان مصالح مورد توجه مهندسين و طراحان قرار مي‌گيرد و از سوي ديگر به عنوان يک محيط طبيعي که در اختيار آدمي قرار گرفته است مورد توجه و استفاده است. جايي که به عنوان مصالح مورد نظر است مانند خاکريزها ، سراي خاکي ، روسازي راه و فرودگاه ، پشت ديوار حايل ، زهکش‌ها ، و به عنوان بخشي از بتن ، ماده اصلي تهيه آجر و سراميک ، ماده اصلي تهيه چيني و کاشي ، و… حالت انتخابي و اختياري دارد، و در جايي که به عنوان محيط مورد توجه است.
مانند زير پي‌ها ، زير پايه پل‌ها و زيربناي جاده‌ها و محل حفر تونل‌ها و محل قرار دادن لوله‌ها و تاسيسات مکانيکي و الکتريکي (کابل هاي تلفن و برق و لوله کشي گاز و فاضلاب و محل احداث قناتها و محل حفر چاهها و کانال‌ها و … همه حالت غير انتخابي (يعني اجباري) دارد. به هر حال در تمام موارد ذکر شده ، شناخت خواص فيزيکي و مکانيکي خاک ضرورت غير قابل اجتناب دارد. مثلا در يک پروژه راه سازي ، چه نوع خاکي با چه نوع دانه بندي بايد انتخاب شود و لايه‌هاي آن با چه ضخامتي و با چه رطوبتي و تا چه حد بايد کوبيده شود تا جايي حاصل بتواند در برابر نيروهاي وارد بر آن مقاوم باشد و وجود آبهاي سطحي و بارندگي بر دوام آن اثر مخرب نداشته باشد و در برابر يخ‌زدگي و فرسايش و تغييرات جوي نيز پايدار بماند.
در ايجاد يک سد خاکي ، شيب‌ها چه مقدار باشد که هم پايدار باشد و هم اقتصادي ، در صورتي که سد همگن با زهکشي است، لايه‌هاي زهکشي با چه ابعادي و با چه دانه بندي و چه مقدار نفوذپذيري بايد باشد؟ سرعت حرکت آب و …. زه چه مقدار است؟ تورم يا نشست خاک چه مقدار باشد؟ ميزان تراکم و درصد رطوبت و ضخامت لايه‌ها براي کمپاکت کردن خاک چه مقدار بايد باشد؟ روش‌هاي حفاظت دامنه‌ها و تاج سر به چه عواملي بستگي دارد؟ و بسياري پرسش‌هاي ديگر که مهندس طراح بايد براي آنها جواب دقيق داشته باشد. به اين ترتيب درمورد هرگونه پروژه ساختماني و راه سازي و سد سازي مسائل متعددي از فيزيک و مکانيک خاک بايد پاسخ داده شود. اهميت دقت بيشتر و نياز به تئوريهاي دقيق‌تر هنگامي بيشتر مي‌شود که حجم کارها و اهميت پروژه بيشتر باشد.

◄   رابطه مکانيک خاک با ساير علوم
مبحث مکانيک خاک دانشي است که در آن خواص فيزيکي و مکانيکي خاکها ، ارتباط اين خواص با عوامل بيروني ، مقاومت خاک در برابر نيروها ، تغيير شکل خاک در اثر نيروها ، مسايل مربوط به حرکت يا سکون آب در خاک ، چگونگي و مقدار فشرده شدن خاکها و چگونگي و مقدار تنش‌ها و تغيير شکل‌هاي هر نقطه از محيط خاکي در اثر عملکرد يک نيروي خارجي و … بحث مي‌شود.
در اين راستا گاهي نياز به مطالعه خواص شيميايي و کاني شناسي دانه‌هاي خاک است و گاهي نياز به بررسي پيدايش و منشا خاکها و گاهي نياز به استفاده از دانش هيدروليک و دانش‌هاي ديگر است. از اينرو ارتباط اين مبحث با ديگر مباحث علمي چون فيزيک ، شيمي ، زمين شناسي ، کاني شناسي ، هيدروليک و مکانيک سيالات را نبايد از نظر دور داشت.

◄   اندازه گيري ويژگيهاي خاک
خاک مخلوطي منفصل از کانيها و سنگ دانه ها و بقاياي مواد آلي (گياهي- جانورزي) است که فضاهاي خالي آن توسط آب و هوا پر شده است و معمولا قسمت سطحي زمين را ي پوشاند. و معادل لاتين Soil مي باشد.
اندازه گيري ويژگيهاي خاک بر عهده علم مکانيک خاک است که هدف از اندازه گيري ويژگيهاي خاک کاربرد اين ويژگيها براي مقاصد و اهداف خاص است براي اين منظور ويژگيهاي فيزيکي و شيميايي خاک را به کمک آزمايشات و يا محاسبات رياضي مختلف اندازه گيري و ارزيابي مي کنند. از جمله اين ويژگيها مي توان، حجم، وزن، رطوبت، تخلخل، چگالي و مقاومت برشي)شکست)، مقاومت کششي و مقاومت فشاري و… را نام برد که هر يک را به اختصار بررسي مي کنيم:

◄   چگونگي تشکيل خاک
فرض کنيم که يک تو.ده سنگي، مثلا گرانيت روي سطح زمين قرار گرفته است. اين توده سنگي در اثر عوامل فيزيکي و شيميايي مثل تاثير دما، آب هاي جوي، باد و … هوازده شده و به قسمت هاي کوچک و بزرگ خرد مي شود و بعد از تاثير ديگر فرايندها و سپري شدن زمان زياد، به خاک تبديل مي شود. نرخ توليد خاک به صورت طبيعي خيلي کم بوده و در حدود 1 سانتيمتر در هر 100 سال است.
خاک داراي سه فاز (حالت) است:
      ●   جامد (ذرات خاک)

      ●   مايع (آب)

      ●   گاز (هوا)

◄   روشهاي اندازه گيري ويژگيهاي خاک:
      +   خواص فيزيکي و شيميايي خاک :

 شناخت خواص فيزيکي ، شيميايي و کاني شناسي خاکها در بسياري از بررسي‌ها و مطالعات و تصميم گيري‌ها در عمليات خاکي نقش مهمي دارد. خواص فيزيکي و شيميايي خاکها را بايد عمدتا در عوامل زير جستجو کرده و مربوط به آنها دانست.
      ●   حجم خاک:
با حرف V نمايش مي دهند. براي اندازه گيري حجم خاکهاي چسبنده، روشهاي مختلفي وجود دارد:
»» روش اول:وارد کردن نمونه در داخل استوانه مدرج حاوي مقداري جيوه که نمونه را وارد آن مي کنيم و اختلاف ارتفاع جيوه، حجم نمونه را نشان مي دهد.
»» روش دوم: موم اندود کردن نمونه و قرار دادن در استوانه مدرج حاوي آب، که اختلاف ارتفاع آب در استوانه بيانگر حجم نمونه خاک است (دليل موم اندود کردن روش دوم اين است که آب وارد درز و شکافهاي نمونه نشود چون خاصيت مويينگي آب ، موجب نفوذ آن به درون اين درزه ها ميشود ولي در مورد جيوه چنين نيست)
      ●   وزن خاک:
با (W) نمايش مي دهند. که مي توان جرم خاک را توسط ترازوي دقيقي اندازه گرفت که وزن را مي توان طبق رابطه مقابل بدست آورد. ( شتاب گرانش زمين

9.81m/s2 =g )W =m.g )

      ●   تخلخل:
که با n نمايش مي دهند و عبارت است از نسبت حجم فضاهاي خالي (Vr) به حجم کل خاک (V) که به درصد بيان ميشود.
      ●   درصد رطوبت:
که با ω نمايش مي دهند و عبارت است از نسبت وزن آب موجود در خاک (Ww) به وزن خشک خاک (Ws) . درصد رطوبت در خاکهايي که مقدار زيادي رسي وارد گاها به 300% نيز مي رسد.
      ●   چگالي ويژه ذرات جامد خاک Gs
ديگر ويژگيهاي فيزيکوشيميايي خاک را با روشها و روابط پيچيده ديگري مي توان اندازه گيري کرد که در حد پيشرفته و تخصصي است، از جمله اين ويژگيها مي توان، مقاومت برش، مقاومت فشاري، و کششي، حدالاستيک و پلاستيک، واگرايي و همگرايي خاک و… نام برد که هر يک نسبت به هدف کار مورد بررسي قرار مي گيرد.
– اندازه گيري ويژگيهاي خاک در علوم مختلف مثل مکانيک خاک، مهندسي عمران (گرايش پي و سازه)، زمين شناسي وکشاورزي و… کاربرد وسيعي داشته و به علوم مختلف مثل، فيزيک، شيمي و زمين شناسي وابسته است.
– از جمله کاربردهاي مکانيک خاک در مطالعات قبل از احداث کليه سازه هاي مهندسي، از قبيل سد،
تونل ، راههاي ارتباطي، ساختمانهاي مسکوني و … است. بدين صورت که از ويژگيهاي مختلفي که يک خاک نشان مي دهد مي توان ميزان مقاومت آن را اندازه گيري کرده و در نتيجه تمهيدات لازم براي پايداري سازه بر روي خاک را انديشيد.
      ●   ترکيب کاني شناسي دانه‌ها :

 از آنجايي که خاکها از تجزيه و هوازدگي سنگهاي پوسته زمين پديد آمده است‌، لذا کاني‌هاي تشکيل دهنده خاکها بايد همان کاني‌هاي تشکيل دهنده سنگ مادر باشد.
      ●   طبيعت سطح ذرات خاک (سطح مخصوص) :

 سطح خارجي دانه‌هاي خاک ، يعني فصل مشترک محيط جامد با محيط مجاور آن که ممکن است، آب يا هوا باشد. محل پديد آمدن بعضي پديده‌هاي فيزيکي يا شيميايي است که اين پديده‌ها برخواص ديگر خاک مثل؛ مقاومت و نفوذپذيري و … تاثير مي‌گذارد.
      ●   پديده‌هاي فيزيکي و شيميايي در سطح مشترک خاک و آب :

ذرات جسم جامد از شبکه‌اي از يون‌هاي مختلف تشکيل شده است که از اينرو بين سطح خارجي ذره و محيط اطراف آن کنش و واکنش‌هايي پديدار مي‌گردد.
      ●   خاصيت مويينگي :

 خاصيت بالا رفتن آب در لوله‌هاي مويين و در حفره‌هاي بين ذرات خاک را خاصيت مويينگي گويند.
      ●   نيروهاي دافعه و جاذبه بين ذرات :

 نيروهاي بين ذره‌اي در خاک به دو گونه‌اند. نيروهاي جاذبه مولکولي بين دانه‌ها (وان در والس) و نيروهاي دافعه که از نوع نيروي الکتروکينيماتيکي است.

◄   خواص مکانيکي خاکها
      +   اصطکاک :

مقاومت جسم در برابر حرکت به علت وجود اصطکاک بين دو سطح تماس است.

      +   چسبندگي:

 مقاومت خاکي به علت چسبندگي دانه‌ها حاصل از مقاومت مولکولي (يعني نيروي جاذيه الکتروشيميايي) بين ذرات ريز است.

      +   گسيختگي توده خاک :

 گسيختگي توده خاک عبارتست از پايان شرايط مقاومت و آغاز برش در خاک است.

      +   تحکيم:

تحکيم عبارتست از کاهش حجم حفره‌هاي آب‌دار درون خاک به علت افزايش فشارهاي جانبي.