مراحل مختلف آزمايش خاك

آزمايش تحكيم :
هدف از انجام آزمايش تحكيم، تشخيص شدت و ميزان نشت در خاك‌هاي رسي مي‌باشد.
در اين آزمايش نمونة خاك در درون يك هستة فلزي و بين دو صفحة متخلخل قرار داده مي‌شود. و اين حلقه در آب غوطه ور مي گردد و بار بر نمونه اعمال مي‌گردد. تعيين در ارتفاع نمونه توسط يك عقربة مدرج اندازه گيري مي‌شود و هر ۲۴ ساعت يك با فشار روي نمونه ۲ برابر مي‌گردد سپس منحني زمان متغير براي بارگذاري‌هاي مختلف كشيده مي‌شود از روي اين منحني‌ها مي‌توان زمان تحكيم و مقدار نشت خاكها را بدست آورد.
همچنين تغييرات تحكيم پوكي نمونه نسبت به فشار نيز بررسي مي‌شود كه در زير آورده شده است.
روش انجام محاسبات
ارتفاع قسمت جامد نمونه قبل بارگذاري:                         
ارتفاع منافذ قبل از بارگذاري:                            
پوكي اوليه:                                          
در اثر اولين افزايش بار تغيير شكل   را خواهيم داشت، كه تغيير پوكي   از آن بدست مي‌آيد.                                    
پوكي چديد را كه بعد از افزايش بار ايجاد شد از فرمول زير محاسبه مي‌كنيم
                                         
اين كار براي بارگذاري‌هاي بعدي نيز تكرار مي‌شود. سپس نمودار P و پوكي به صورت يك منحني بر روي كاغذ نيمه لگاريتمي رسم مي‌شود.
وسايل آزمايش عبارت اند از:
۱-دستگاه تحكيم             ۵- قوطي تعيين رطوبت
۲- ترازو                 ۶- اره سيمي    
۳- جك براي بيرون آوردن نمونه    ۷-كرنومتر
۴- گرم خانه        
اين آزمايش براي نمونه‌هاي دست نخورده و خورده قابل انجام است. حلقة تحكيم را به كمك جك وارد نمونه مي‌كنيم سپس سر و ته آن را با كمترين دست خوردگي صاف مي‌كنيم و در محفظة تحكيم قرار مي‌دهيم.
براي نمونه‌هاي دست خورده خاك را به حد رواني مي‌رسانيم سپس آن را وارد محفظة تحكيم مي كنيم.
انجام آزمايش:
بدليل نبود زمان و اطلاعات تكميلي بعدي، اين آزمايش بطور كامل انجام نشد و تنها تحكيم نمونه در بار ثابت انجام شد كه نتايج در زير آمده است.
 
وزن حلقة تحكيم: gr 58/149        قطر حلقه:cm 2/7
وزن نمونه با حلقه: gr 78/290         ارتفاع نمونه: cm 4/2
زمان    قرائت گيج  
 
 

۲۵/۰    ۰۱۴/۰    ۰۰۱/۰    ۸۷/۰=

۱    ۰۲/۰    ۰۰۱۵/۰    ۸۶۹/۰=

۲۵/۲    ۰۲۶/۰    ۰۰۲۰/۰    ۸۶۸/۰=

۴    ۰۲۸/۰    ۰۰۲۱/۰    ۸۶۷/۰=

۲۵/۶    ۰۳۱/۰    ۰۰۲۴/۰    ۸۶۷/۰=

۹    ۰۳۳/۰    ۰۰۲۵/۰    ۸۶۷/۰=

 
 
 
 
تراكم (Compaction)
هدف از  انجام عمليات تراكم، كاهش ميزان تخلخل خاك است. وجود آب تا ميزان مشخصي، سبب تسهيل اين عمليات مي‌گردد. به دست آوردن اين حد رطوبت و وزن مخصوص خشك بيشينه خاك پس از به كاربردن ميزان معيني انرژي كوبشي، هدف مهم آزمايشي تراكم است.
در بسياري از سازه‌هاي خاكي، مثل سدها، ديوارهاي حائل، بزرگراه‌ها، فرودگاه‌ها، و … متراكم كردن خاك يك امر ضروري جهت بهبود مقاومت خاك مي‌باشد. متراكم نمودن خاك كه عبارت است از قرار دادن خاك در يك موقعيت چگالتر، به چند دليل مطلوب است:
الف) كاهش نشست‌ها در آينده، ب) افزايش مقاومت برشي، ج) كاهش نفوذ پذيري د)بهبود خواص مكانيكي خاك، هـ) كاهش قابليت تورم خاك.
در كارگاه براي تراكم خاك از غلتكهاي چرخ استوانه‌اي صاف، غلتكهاي پاچه بزي، غلتهاي چرخ لاستيكي و غلتكهاي ارتعاشي استفاده مي شود. غلتكهاي ارتعاشي براي تراكم خاكهاي دانه‌اي مورد استفاده قرار مي‌گيرند. تاثير تراكم حاصل از دستگاه‌هاي فوق، محدود به اعماق ۱۵ تا ۳۰ سانتي‌متر سطحي است.
براي افزايش عمق نفوذ تراكم و تراكم كردن لايه‌هاي عمقي از تراكم ارتعاشي و تراكم ديناميكي استفاده مي شود.
 
وسايل مورد نياز براي آزمايش
وسايل خاص: وسيله متراكم كردن نمودن خاك
الف) قالب با in 6/4 (mm 115) عمق،in 4 (mm 100) قطر و   ( ۷/۹۴۶) حجم
ب)حلقه متحرك دور قالب با in 5/2 (mm 5/62) عمق و in4 (mm 100) قطر.
ج) چكش با in2 (mm 50) قطر مقطع و ۵/۵ يا ۱۰ پوند وزن و وسايل كنترل ارتفاع سقوط چكش
وسايل عمومي:
۱- اسپري آبپاش، ۲- الك شماره ۴،  ۳- چكش لاستيكي،   ۴- پيمانه،   ۵- تا به بزرگ براي مخلوط كردن،  ۶- لبه نوك تيز يا چاقو به طور حداقل cm 25،
۷- دورتراز و با حساسيت (Ib 01/0 و gr 01/0)، ۸- آون،  ۹- خشك كننده،
۱۰- قوطيهاي خشك،  ۱۱- دستگاه خاك مخلوط كن،  ۱۲- وسيله‌اي براي بيرون
آوردن نمونه از قالب كه از جك استفاده مي‌شود.
روش انجام آزمايش:
كه از دو تا الك in4 و in6 مي‌شود استفاده كرد. كه براي قالب in4 براي هر لايه ۲۵ ضربه مي‌زنيم با چكش ۵/۵ ۱پوند و براي قالب in6 با چكش يا (kg 5/2) 5/5 پوند براي سه لايه ۵۶ ضربه مي‌زنيم.
۱- قالب خالي را همراه با ته آن و بدون حلقه دور قاب وزن مي‌كنيم.
۲- يك نمونه نماينده از خاكي كه بايد آزمايش شود. آماده مي‌كنيم. همه كلوخه‌هاي خاك را در يك هان و توسط چكشي كه سرآن لاستيكي است خرد مي‌كنيم و از الك شماره ۴ سرند مي‌نماييم. كه مقدار kg 7 از قالب in4 كه رد شده را در هواي آزاد خشك باشد. به مقدار ۵% آب به آن اضافه مي‌كنيم.
۳- با خاكي كه از الك شماره ۴ عبور كرده و به مقدار ۵% آبي كه به آن اضافه كرده در سه لايه تراكم به اندازه cm 5 تا ۸ در قالب درست مي‌كنيم.
۴- به ملايمت خاك را فشار مي‌دهيم تا سطح آن صاف شود و بعد با ۲۵ ضربه يكنواخت و پخش شده در تمام سطح توسط ضربات چكش، خاك را متراكم مي كنيم ارتفاع سقوط چكش را ft1 مي‌گيريم. بين هر سقوط چكش، هم قالب و هم چكش بايد به خاطر پخش يكنواخت ضربات در تمام سطح نمونه به آرامي چرخانده شود.
۵- آزمايش را براي لايه‌هاي دوم و سوم تكرار مي‌كنيم. ارتفاع سقوط چكش را ft1 بالاتر از سطح خاك مورد آزمايش تنظيم مي‌كنيم. وقتي عمل  متراكم كردن سومين لايه خاك را نيز به اتمام رسانديده دور سطح قالب را از زاويه خاك پاك مي كنيم.
۶- حلقه دور قالب را برمي‌داريم. در برداشتن حلقه دور قالب، آن را مي‌چرخانيم تا اتصالي كه بين حلقه و خاك ايجاد شده، قبل از آن كه آن را از روي قالب برداريم جدا شود. اين عمل باعث مي‌شود به هنگام برداشتم حلقه از دور ستون قالب از جابجايي يا حركت مقداري از خاك متراكم شده جلوگيري شود. عمل صاف كردن روي نمونه  درون قالب مي‌بايست توسط خراشيدن روي نمونه به وسيله خط كش لبه فلزي صورت مي‌گيرد. عمل را از محور مركزي شروع كرده، تا لبه‌هاي قالب كار را ادامه دهيم.
۷- هنگامي كه نمونه از نظر سطح بالايي آماده و تمام خاكهاي شل از اطراف آن پاك گرديده سيلندر و نمونه را وزن مي‌كنيم.
۸- خاك را از درون سيلندر خارج كرده، يك نمونه نماينده را كه داراي وزني در حدود gr 100 است براي تعيين مقدار آب آن آماده مي‌كنيم. مقدار آب بايد از روي نمونه‌هايي كه از قسمتهاي بالا، وسط و ته خاك متراكم شده به دست آمده تعيين شود.
۹- خاك را از داخل سيلندر خارج كرده با دست خرد مي كنيم، آن را با نمونه اصلي آن دوباره مخلوط مي‌كنيم و مقدار آب آن را تا حدود ۳% با اضافه كردن آب به وسيله اسپري افزايش مي دهيم. بايد آب را به طور يكسان پخش كرده، خاك را كاملاً مخلوط كرده، با وزن كردن اسپري قبل و بعد از پاشيدن آب، مي‌توانيد مقدار آب اضافه شده را تخمين بزنيم. دانستن مقدار آب اضافه شده كمك مي‌كند تا مقدار رطوبت را كنترل كنيم.
۱۰- دوباره عمل متراكم كردن را تكرار مي‌كنيم. هر بار مقدار آب را در حدود ۳% افزايش مي‌دهيم. ۵ تا ۶ بار اين كار را انجام مي‌دهيم و اين عمل براي انجام آزمايش بستگي به نوع خاك دارد تا وقتي كه خاك خيلي مرطوب و چسبنده شود كه بر اثر اضافه كردن آب، وزن شروع به كم كردن شود.
كه در مراحل انجام آزمايش، از يك نمونه يكسان خاك براي به دست آوردن مقادير چگالي – در صد آب استفاده شده است. آب در هر مرحله اضافه شده، عمل تراكم بلافاصله انجام مي‌شود.
نكات مهم در انجام آزمايش تراكم
۱- بهتر است چند بار آزمايش تكرار شود و نقطه بهينه را يافت و متوسط آن را قبول كرد و در عين حال بايد توجه داشت كه بهتر است در هر سري ازمايش از خاك تازه استفاده شود.
۲- در هنگام ضربه زدن نبايد قالب ارتعاش داشته باشد چرا كه انرژي چكش هدر مي‌رود.
۳- ضخامت لايه‌ها مي‌بايست يكسان باشند و گرنه انرژي تراكم به طور يكنواخت بين لايه‌ها پخش نمي‌شود و در عين حال لايه‌هاي ضخيم‌تر كمتر كوبيده مي‌شوند.
۴- بهتر است نمونه در ابتداء خشك باشد، مگر اينكه كه با داشتن محدود تغييرات درصد رطوبت بهينه، براي شروع كار درصد رطوبتي كمتر از رطوبت بهينه به آن اضافه شود.
محاسبات                                 
W: وزن كل خاك متراكم شده مرطوب در استوانه ( سيلندر )
V: حجم قالب
W: درصد آب موجود در هاك متراكم شده.
از نظر تئوري، مطلوب آن است كه به منحني حفره‌هاي هواي صفر برسيم ( به خط اشباع ) كه در حالت حفره‌هاي هواي صفر، نمونه بار رطوبت موجود، در حالت اشباع است.
Gs : وزن مخصوص خاك                        
Sr: درجه اشباع
W: درصد رطوبت خاك
 : چگالي آب
براي رسم منحني چگالي خشك – درصد رطوبت، بر روي محور افقي درصد آب و بر روي محور قائم، چگالي خشك را در نظر مي‌گيريم. منحني را مي‌توان با داشتن نقاط تجربي به دست آمده از آزمايش رسم كرد.
براي رسم منحني اشباع (منحني هوا صفحه) نيز كافي است در رابطه اخير مقدار Sr  را برابر ۱۰۰% قرار دهيم آنگاه نقاط بدست آمده را روي همان محورهاي مختصات قبلي (در كنار نمودار چگالي خشك – درصد رطوبت) رسم مي‌نمايم.
R: تراكم نسبي                           
براي خاكهاي دانه‌اي

Dr : چگالي نسبي تراكم      

كه يك نمونه از آزمايش انجام شده تراكم به پيوست ارائه مي‌گردد.
                                      
كه حجم قالب را از رابطه زير محاسبه مي‌كنيم.          شعاع
                                    
D: قطعه قالب (استوانه)         mm 152D=
h: ارتفاع قالب (استوانه)     ۴۳/۱۱۶h=
    
كه هدف اين آزمايش   كه روي محور x ها   و روي محور yها %w

آزمايش تعيين حد رواني:
حد رواني خاك ميزان رطوبتي مي‌باشد كه خاك با رطوبتهاي بيش از آن از حالت خمير به حالت مايع تبديل مي‌شود. از اين حد مي‌توان براي توصيف مقاومت خاك ريز دانه استفاده كرد. تغيير در مقاومت خاك در اثر جذب آب مربوط به ميزان رس موجود در آن مي‌باشد.
حد رواني خاك توسط دستگاه كاسا گرانده‌ اندازگيري مي‌شود توسط اين دستگاه به خاك ضرباتي وارد مي‌شود هر ضربه معادل   مي‌باشد.
در آزمايشگاه حد رواني ميزان رطوبتي است كه در آن رطوبت شيار ايجاد شده در خاك در اثر ۲۵ ضربه بسته شود بنابراين مي‌توان گفت حد مايع براي خاكهاي ريزدانه،  ميزان رطوبتي را بدست مي‌دهد. كه مقاومت برشي به ازاي آن تقريباً مساوي   است.
انجام آزمايش:
وسايل آزمايش عبارتند از:
دستگاه حد رواني كاساگرانده
شيار زن
كاردك
ظرف نمونه‌گيري
خشك كن « OVEN»
ترازو
براي تنطيم دستگاه صفحة ميزان را در زير كاسه قرار مي‌دهيم و ارتفاع كاسه را طوري تنظيم مي‌كنيم كه تقريباً‌ بر روي صفحة تنظيم قرار گيرد.
سرعت چرخاندن اهرم دستگاه بايد طوري باشد كه در هر ۱ ثانيه ۲ ضربه وارد شود ارتفاع سقوط را اين دستگاه Tomm مي‌باشد و عمق شيارزن mm 8 مي‌باشد.
حدود ۲۵۰ گرم خاكي را كه از الك ۴۰ عبور كرده و ۲۴ساعت با آب مرطوب شده است تهيه مي‌كنيم ميزان آب بايد طوري باشد كه خاك به حالت خمير درآيد. مقداري از خاك را در ظرف به كمك كاردي پهن مي‌كنيم.
سپس توسط شيارزن شكافي در وسط آن ايجاد مي‌كنيم و تعداد ضربات لازم براي دسته شدن شيار را يادادشت مي كنيم اين كار را براي سه نمونه از خاك انجام مي‌دهيم ميزان رطوبت بايد طوري باشد كه در آزمايش اول تعداد ضربات بين ۱۵-۲۰ و در آزمايش دوم بين ۲۰-۲۵ و در آزمايش سوم بين ۲۵-۳۵ باشد. سپس طبق محاسبات زير درصد رطوبت را محاسبه كرده و نمودار رطوبت در برابر تعداد ضربات را رسم مي‌كنيم و خطي را كه از نقاط بدست آمده عبور مي‌كند. رسم مي‌كنيم سپس از روي نمودار ميزان رطوبت مربوط به تعداد ۲۵ ضربه را بدست مي‌آوريم.
همچنين مي‌توان با استفاده از روش تك صفحه‌اي   مقدار LL را بدست آورد. ولي اين روش فقط تعداد ضربات بين ۲۰تا ۳۰ جواب خوبي مي‌دهد چون دامنة تغييرات رطوبت براي ۲۰N = تا ۳۰N = كم است.
شيب خط حاصل از رسم نمودار نسبتاً جريان يا If ناميده مي‌شود.