مراحل مختلف آزمایش خاک

آزمایش تحکیم :

هدف از انجام آزمایش تحکیم، تشخیص شدت و میزان نشت در خاک‌های رسی می‌باشد.

در این آزمایش نمونة خاک در درون یک هستة فلزی و بین دو صفحة متخلخل قرار داده می‌شود. و این حلقه در آب غوطه ور می گردد و بار بر نمونه اعمال می‌گردد. تعیین در ارتفاع نمونه توسط یک عقربة مدرج اندازه گیری می‌شود و هر 24 ساعت یک با فشار روی نمونه 2 برابر می‌گردد سپس منحنی زمان متغیر برای بارگذاری‌های مختلف کشیده می‌شود از روی این منحنی‌ها می‌توان زمان تحکیم و مقدار نشت خاکها را بدست آورد.

همچنین تغییرات تحکیم پوکی نمونه نسبت به فشار نیز بررسی می‌شود که در زیر آورده شده است.

روش انجام محاسبات

ارتفاع قسمت جامد نمونه قبل بارگذاری:

ارتفاع منافذ قبل از بارگذاری:

پوکی اولیه:

در اثر اولین افزایش بار تغییر شکل را خواهیم داشت، که تغییر پوکی از آن بدست می‌آید.

پوکی چدید را که بعد از افزایش بار ایجاد شد از فرمول زیر محاسبه می‌کنیم

این کار برای بارگذاری‌های بعدی نیز تکرار می‌شود. سپس نمودار P و پوکی به صورت یک منحنی بر روی کاغذ نیمه لگاریتمی رسم می‌شود.

وسایل آزمایش عبارت اند از:

1-دستگاه تحکیم 5- قوطی تعیین رطوبت

2- ترازو 6- اره سیمی

3- جک برای بیرون آوردن نمونه 7-کرنومتر

4- گرم خانه

این آزمایش برای نمونه‌های دست نخورده و خورده قابل انجام است. حلقة تحکیم را به کمک جک وارد نمونه می‌کنیم سپس سر و ته آن را با کمترین دست خوردگی صاف می‌کنیم و در محفظة تحکیم قرار می‌دهیم.

برای نمونه‌های دست خورده خاک را به حد روانی می‌رسانیم سپس آن را وارد محفظة تحکیم می کنیم.

انجام آزمایش:

بدلیل نبود زمان و اطلاعات تکمیلی بعدی، این آزمایش بطور کامل انجام نشد و تنها تحکیم نمونه در بار ثابت انجام شد که نتایج در زیر آمده است.

وزن حلقة تحکیم: gr 58/149 قطر حلقه:cm 2/7

وزن نمونه با حلقه: gr 78/290 ارتفاع نمونه: cm 4/2

تراکم (Compaction)

هدف از انجام عملیات تراکم، کاهش میزان تخلخل خاک است. وجود آب تا میزان مشخصی، سبب تسهیل این عملیات می‌گردد. به دست آوردن این حد رطوبت و وزن مخصوص خشک بیشینه خاک پس از به کاربردن میزان معینی انرژی کوبشی، هدف مهم آزمایشی تراکم است.

در بسیاری از سازه‌های خاکی، مثل سدها، دیوارهای حائل، بزرگراه‌ها، فرودگاه‌ها، و … متراکم کردن خاک یک امر ضروری جهت بهبود مقاومت خاک می‌باشد. متراکم نمودن خاک که عبارت است از قرار دادن خاک در یک موقعیت چگالتر، به چند دلیل مطلوب است:

الف) کاهش نشست‌ها در آینده، ب) افزایش مقاومت برشی، ج) کاهش نفوذ پذیری د)بهبود خواص مکانیکی خاک، هـ) کاهش قابلیت تورم خاک.

در کارگاه برای تراکم خاک از غلتکهای چرخ استوانه‌ای صاف، غلتکهای پاچه بزی، غلتهای چرخ لاستیکی و غلتکهای ارتعاشی استفاده می شود. غلتکهای ارتعاشی برای تراکم خاکهای دانه‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرند. تاثیر تراکم حاصل از دستگاه‌های فوق، محدود به اعماق 15 تا 30 سانتی‌متر سطحی است.

برای افزایش عمق نفوذ تراکم و تراکم کردن لایه‌های عمقی از تراکم ارتعاشی و تراکم دینامیکی استفاده می شود.

وسایل مورد نیاز برای آزمایش

وسایل خاص: وسیله متراکم کردن نمودن خاک

الف) قالب با in 6/4 (mm 115) عمق،in 4 (mm 100) قطر و (7/946) حجم

ب)حلقه متحرک دور قالب با in 5/2 (mm 5/62) عمق و in4 (mm 100) قطر.

ج) چکش با in2 (mm 50) قطر مقطع و 5/5 یا 10 پوند وزن و وسایل کنترل ارتفاع سقوط چکش

وسایل عمومی:

1- اسپری آبپاش، 2- الک شماره 4، 3- چکش لاستیکی، 4- پیمانه، 5- تا به بزرگ برای مخلوط کردن، 6- لبه نوک تیز یا چاقو به طور حداقل cm 25،

7- دورتراز و با حساسیت (Ib 01/0 و gr 01/0)، 8- آون، 9- خشک کننده،

10- قوطیهای خشک، 11- دستگاه خاک مخلوط کن، 12- وسیله‌ای برای بیرون

آوردن نمونه از قالب که از جک استفاده می‌شود.

روش انجام آزمایش:

که از دو تا الک in4 و in6 می‌شود استفاده کرد. که برای قالب in4 برای هر لایه 25 ضربه می‌زنیم با چکش 5/5 1پوند و برای قالب in6 با چکش یا (kg 5/2) 5/5 پوند برای سه لایه 56 ضربه می‌زنیم.

1- قالب خالی را همراه با ته آن و بدون حلقه دور قاب وزن می‌کنیم.

2- یک نمونه نماینده از خاکی که باید آزمایش شود. آماده می‌کنیم. همه کلوخه‌های خاک را در یک هان و توسط چکشی که سرآن لاستیکی است خرد می‌کنیم و از الک شماره 4 سرند می‌نماییم. که مقدار kg 7 از قالب in4 که رد شده را در هوای آزاد خشک باشد. به مقدار 5% آب به آن اضافه می‌کنیم.

3- با خاکی که از الک شماره 4 عبور کرده و به مقدار 5% آبی که به آن اضافه کرده در سه لایه تراکم به اندازه cm 5 تا 8 در قالب درست می‌کنیم.

4- به ملایمت خاک را فشار می‌دهیم تا سطح آن صاف شود و بعد با 25 ضربه یکنواخت و پخش شده در تمام سطح توسط ضربات چکش، خاک را متراکم می کنیم ارتفاع سقوط چکش را ft1 می‌گیریم. بین هر سقوط چکش، هم قالب و هم چکش باید به خاطر پخش یکنواخت ضربات در تمام سطح نمونه به آرامی چرخانده شود.

5- آزمایش را برای لایه‌های دوم و سوم تکرار می‌کنیم. ارتفاع سقوط چکش را ft1 بالاتر از سطح خاک مورد آزمایش تنظیم می‌کنیم. وقتی عمل متراکم کردن سومین لایه خاک را نیز به اتمام رساندیده دور سطح قالب را از زاویه خاک پاک می کنیم.

6- حلقه دور قالب را برمی‌داریم. در برداشتن حلقه دور قالب، آن را می‌چرخانیم تا اتصالی که بین حلقه و خاک ایجاد شده، قبل از آن که آن را از روی قالب برداریم جدا شود. این عمل باعث می‌شود به هنگام برداشتم حلقه از دور ستون قالب از جابجایی یا حرکت مقداری از خاک متراکم شده جلوگیری شود. عمل صاف کردن روی نمونه درون قالب می‌بایست توسط خراشیدن روی نمونه به وسیله خط کش لبه فلزی صورت می‌گیرد. عمل را از محور مرکزی شروع کرده، تا لبه‌های قالب کار را ادامه دهیم.

7- هنگامی که نمونه از نظر سطح بالایی آماده و تمام خاکهای شل از اطراف آن پاک گردیده سیلندر و نمونه را وزن می‌کنیم.

8- خاک را از درون سیلندر خارج کرده، یک نمونه نماینده را که دارای وزنی در حدود gr 100 است برای تعیین مقدار آب آن آماده می‌کنیم. مقدار آب باید از روی نمونه‌هایی که از قسمتهای بالا، وسط و ته خاک متراکم شده به دست آمده تعیین شود.

9- خاک را از داخل سیلندر خارج کرده با دست خرد می کنیم، آن را با نمونه اصلی آن دوباره مخلوط می‌کنیم و مقدار آب آن را تا حدود 3% با اضافه کردن آب به وسیله اسپری افزایش می دهیم. باید آب را به طور یکسان پخش کرده، خاک را کاملاً مخلوط کرده، با وزن کردن اسپری قبل و بعد از پاشیدن آب، می‌توانید مقدار آب اضافه شده را تخمین بزنیم. دانستن مقدار آب اضافه شده کمک می‌کند تا مقدار رطوبت را کنترل کنیم.

10- دوباره عمل متراکم کردن را تکرار می‌کنیم. هر بار مقدار آب را در حدود 3% افزایش می‌دهیم. 5 تا 6 بار این کار را انجام می‌دهیم و این عمل برای انجام آزمایش بستگی به نوع خاک دارد تا وقتی که خاک خیلی مرطوب و چسبنده شود که بر اثر اضافه کردن آب، وزن شروع به کم کردن شود.

که در مراحل انجام آزمایش، از یک نمونه یکسان خاک برای به دست آوردن مقادیر چگالی – در صد آب استفاده شده است. آب در هر مرحله اضافه شده، عمل تراکم بلافاصله انجام می‌شود.

نکات مهم در انجام آزمایش تراکم

1- بهتر است چند بار آزمایش تکرار شود و نقطه بهینه را یافت و متوسط آن را قبول کرد و در عین حال باید توجه داشت که بهتر است در هر سری ازمایش از خاک تازه استفاده شود.

2- در هنگام ضربه زدن نباید قالب ارتعاش داشته باشد چرا که انرژی چکش هدر می‌رود.

3- ضخامت لایه‌ها می‌بایست یکسان باشند و گرنه انرژی تراکم به طور یکنواخت بین لایه‌ها پخش نمی‌شود و در عین حال لایه‌های ضخیم‌تر کمتر کوبیده می‌شوند.

4- بهتر است نمونه در ابتداء خشک باشد، مگر اینکه که با داشتن محدود تغییرات درصد رطوبت بهینه، برای شروع کار درصد رطوبتی کمتر از رطوبت بهینه به آن اضافه شود.

محاسبات

W: وزن کل خاک متراکم شده مرطوب در استوانه ( سیلندر )

V: حجم قالب

W: درصد آب موجود در هاک متراکم شده.

از نظر تئوری، مطلوب آن است که به منحنی حفره‌های هوای صفر برسیم ( به خط اشباع ) که در حالت حفره‌های هوای صفر، نمونه بار رطوبت موجود، در حالت اشباع است.

G_s : وزن مخصوص خاک

S_r: درجه اشباع

W: درصد رطوبت خاک

: چگالی آب

برای رسم منحنی چگالی خشک – درصد رطوبت، بر روی محور افقی درصد آب و بر روی محور قائم، چگالی خشک را در نظر می‌گیریم. منحنی را می‌توان با داشتن نقاط تجربی به دست آمده از آزمایش رسم کرد.

برای رسم منحنی اشباع (منحنی هوا صفحه) نیز کافی است در رابطه اخیر مقدار S_r را برابر 100% قرار دهیم آنگاه نقاط بدست آمده را روی همان محورهای مختصات قبلی (در کنار نمودار چگالی خشک – درصد رطوبت) رسم می‌نمایم.

R: تراکم نسبی

که یک نمونه از آزمایش انجام شده تراکم به پیوست ارائه می‌گردد.

که حجم قالب را از رابطه زیر محاسبه می‌کنیم. شعاع

D: قطعه قالب (استوانه) mm 152D=

h: ارتفاع قالب (استوانه) 43/116h=

که هدف این آزمایش که روی محور x ها و روی محور yها %w

آزمایش تعیین حد روانی:

حد روانی خاک میزان رطوبتی می‌باشد که خاک با رطوبتهای بیش از آن از حالت خمیر به حالت مایع تبدیل می‌شود. از این حد می‌توان برای توصیف مقاومت خاک ریز دانه استفاده کرد. تغییر در مقاومت خاک در اثر جذب آب مربوط به میزان رس موجود در آن می‌باشد.

حد روانی خاک توسط دستگاه کاسا گرانده‌ اندازگیری می‌شود توسط این دستگاه به خاک ضرباتی وارد می‌شود هر ضربه معادل می‌باشد.

در آزمایشگاه حد روانی میزان رطوبتی است که در آن رطوبت شیار ایجاد شده در خاک در اثر 25 ضربه بسته شود بنابراین می‌توان گفت حد مایع برای خاکهای ریزدانه، میزان رطوبتی را بدست می‌دهد. که مقاومت برشی به ازای آن تقریباً مساوی است.

انجام آزمایش:

وسایل آزمایش عبارتند از:

دستگاه حد روانی کاساگرانده

شیار زن

کاردک

ظرف نمونه‌گیری

خشک کن «‌ OVEN»

ترازو

برای تنطیم دستگاه صفحة میزان را در زیر کاسه قرار می‌دهیم و ارتفاع کاسه را طوری تنظیم می‌کنیم که تقریباً‌ بر روی صفحة تنظیم قرار گیرد.

سرعت چرخاندن اهرم دستگاه باید طوری باشد که در هر 1 ثانیه 2 ضربه وارد شود ارتفاع سقوط را این دستگاه Tomm می‌باشد و عمق شیارزن mm 8 می‌باشد.

حدود 250 گرم خاکی را که از الک 40 عبور کرده و 24ساعت با آب مرطوب شده است تهیه می‌کنیم میزان آب باید طوری باشد که خاک به حالت خمیر درآید. مقداری از خاک را در ظرف به کمک کاردی پهن می‌کنیم.

سپس توسط شیارزن شکافی در وسط آن ایجاد می‌کنیم و تعداد ضربات لازم برای دسته شدن شیار را یادادشت می کنیم این کار را برای سه نمونه از خاک انجام می‌دهیم میزان رطوبت باید طوری باشد که در آزمایش اول تعداد ضربات بین 15-20 و در آزمایش دوم بین 20-25 و در آزمایش سوم بین 25-35 باشد. سپس طبق محاسبات زیر درصد رطوبت را محاسبه کرده و نمودار رطوبت در برابر تعداد ضربات را رسم می‌کنیم و خطی را که از نقاط بدست آمده عبور می‌کند. رسم می‌کنیم سپس از روی نمودار میزان رطوبت مربوط به تعداد 25 ضربه را بدست می‌آوریم.

همچنین می‌توان با استفاده از روش تک صفحه‌ای مقدار LL را بدست آورد. ولی این روش فقط تعداد ضربات بین 20تا 30 جواب خوبی می‌دهد چون دامنة تغییرات رطوبت برای 20N = تا 30N = کم است.

شیب خط حاصل از رسم نمودار نسبتاً جریان یا I_f نامیده می‌شود.