مروري بر مكانيك خاك

تركيب و طبقه‌بندي خاك
خاك از سه بخش تشكيل شده است، آب، هوا و قسمت جامد، كه مجموع آب و هوا، منافذ گويند. و روابط زير بين آنها حاكم است:

خاك‌ها از متلاشي شدن سنگ‌ها پديد مي‌آيند و فضاي خالي بين ذرات خاك از آب يا هوا (سيالات) پر شده است. پيوند ضعيف بين ذرات خاك معمولاً به علت رسوب كربنات‌ها و يا اكسيدها و يا به سبب وجود مواد آلي و يا پيوندهاي بين مولكولي است. اگر مواد حاصل از متلاشي شدن سنگ‌ها در محل اصلي خود باقي بمانند، خاك حاصل از نوع برجا و در صورتي كه مواد متشكل به محل ديگري حمل و به جاي گذاشته شوند، خاك از نوع انتقالي است. نيروي ثقل، باد، آب و يخچال‌هاي طبيعي، عوامل جابجا شدن خاك‌ها مي‌باشند.

روند تخريبي تشكيل خاك از سنگ ممكن است فيزيكي و يا شيميايي باشد. روند تخريب فيزيكي به صورت فرسايش حاصل از عمل باد، آب و يخچال‌ها، جاذبه و سقوط و يا خرد شدن ناشي از تناوب ذوب و انجماد آب موجود در حفره‌ها و ترك‌هاي داخل سنگ صورت مي‌گيرد. در اين حالت، ذرات خاك پديد آمده همان تركيب شيميايي سنگ مادر را دارا هستند. مانند ماسه كه از تخريب فيزيكي ماسه سنگ يا كوارتز حاصل مي‌شود. خاك‌هاي بوجود آمده از اين طريق داراي شكل‌هاي گرد، تيز گوشه، ورقه‌اي و يا سوزني هستند كه مي‌توان به خاك‌هاي درشت دانه شني و ماسه‌اي در اين مورد اشاره نمود.

در روند تخريب شيميايي نوع كاني سنگ مادر بر اثر عواملي از قبيل آب (به ويژه اگر قدري اسيدي يا قليايي باشد)، دي اكسيد كربن، اكسيژن و ساير عوامل دستخوش تغيير مي‌شود و ساختمان خاك حاصل به لحاظ ساختار شيميايي متفاوت با سنگ مادر است. مثلاً كاني رسي كائولينيت، از تجزيه فلدسپات تحت اثر آب و دي اكسيد كربن بوجود مي‌آيد. غالباً خاك‌هاي ريزدانه تحت چنين فرآيندي بوجود مي‌آيند و داراي بافت صحفه‌اي با باندهاي الكتريكي‌اند.

شناسايي و طبقه‌بندي خاك ها
در مهندسي پي و پي‌سازي، خاك‌ها به دو دسته مهم، يعني ريزدانه و درشت دانه تقسيم مي‌شوند كه مي‌توان تعبير خاك‌هاي چسبنده و غيرچسبنده (اصطكاكي) را نيز به ترتيب براي آنها بكار برد. خاك‌هاي ريزدانه از تخريب شيميايي سنگ پديد مي‌آيند و ذرات آنها با چشم ديده نمي‌شوند. مقاومت برشي آنها عمدتاً از طريق پارامتر چسبندگي (C) حاصل مي‌شود. تراكم آنها دشوار است و عمده نشست ناشي از بارگذاري در آنها وابسته به زمان است. اين خاك‌ها داراي قابليت آبگذري و يا ضريب نفوذپذيري پاييني هستند و غالباً توان باربري و سختي كمتري نسبت به خاك‌هاي درشت دانه دارند. رفتار خاك‌هاي ريزدانه با جذب آب تغيير مي‌كند. از طرف ديگر، خاك‌هاي درشت دانه داراي نفوذپذيري و زه‌كشي قابل توجه

مي‌باشند و از مصالح مناسب جهت كاربرد در صنعت راهسازي، زهكشي و فيلتر، بتن و آسفالت به شمار مي‌آيند. به استثناي ماسه‌هاي شل و غيرمتراكم. اين خاك‌ها معمولاً توان باربري و سختي مناسب با قابليت تغييرات حجمي كم در بارگذاري استاتيكي دارند.

مقاومت برشي اين خاك‌ها از طريق اصطكاك داخلي بين ذرات ( ) حاصل مي‌شود. نشست اين خاك‌ها هنگام بارگذاري به صورت آني و سريع است. تراكم اينگونه خاك‌ها نيز به سهولت توسط كوبنده‌هاي ارتعاشي انجام مي‌پذيرد. خاك‌ها به دو روش صحرايي و آزمايشگاهي شناسايي و طبقه‌بندي مي‌شوند. چگونگي روش‌هاي متداول طبقه‌بندي خاك‌ها به شرح زير است:

شناسايي صحرايي خاك‌ها
به عنوان بررسي‌هاي محلي و شناسايي‌هاي اوليه گاهي لازم است كه خاك در محل پروژه مورد ارزيابي قرار گيرد كه در اين زمينه روش‌هاي زير متداول هستند:
• شناسايي چشمي
اگر نصف ذرات خاك با چشم ديده شوند، خاك درشت دانه و در غيراينصورت ريزدانه مي‌باشند. اگر در خاك درشت دانه بيش از نيمي از ذرات از دانه عدس بزرگتر باشند، خاك درشت دانه از نوع شن و در اينصورت ماسه مي‌باشد.

• تكان دادن (ارتعاش)
اگر با افزودن آب به يك مشت خاك، گلوله‌اي خميري به قطر حدود ۵ سانتيمتر درست كنيم و در كف‌دست چندين بار تكان دهيم. در صورتي كه خاك موردنظر لاي يا به اصطلاح سوئدي باشد «ميتا» باشد، سطح خارجي آن با فيلم نازكي از آب شفاف مي‌شود و در صورتي كه رس باشد، پديده قابل توجهي در سطح خارجي آن مشاهده نمي‌شود.

• آزمايش مقاومت خشك
مقدار از خاك موردنظر را با آب مخلوط و خميري مي‌سازيم. خمير حاصل را در گرمخانه (آون) خشك نموده، سپس به كمك انگشتان دست سعي مي‌كنيم نمونه را بشكنيم. با افزايش خاصيت خميري خاك، مقاومت خشك آن افزايش مي‌يابد. رس با خاصيت خميري بالا بيشترين مقاومت خشك را دارا مي‌باشد. مقاومت رس با خاصيت خميري كم و لاي با خاصيت خميري بالا، مقدار كمتر است. كمترين مقاومت را در اين بين، خاك‌هاي آلي و لاي با خاصيت خميري پايين دارند. ماسه‌هاي ريز، لاي‌هاي ريز و ماسه لاي‌دار مقاومتي از خود نشان نمي‌دهند. اين آزمايش را بر روي نمونه‌هاي خشك شده در محل نيز مي‌توان انجام داد.

• آزمايش سفتي
نمونه‌اي از خاك را با آب مخلوط و خميره‌اي مي‌سازيم. سپس همانند آزمايش حد خميري در مكانيك خاك، فتيله كردن خمير با كف دست روي يك سطح شيشه‌اي انجام مي‌شود تا كاهش قطر آن به ۳ ميليمتر بالغ گردد. خاك‌هاي آلي و لاي‌دار در دفعات اوليه ترك برمي‌دارند، اما رس‌ها چندين بار قابليت گلوله و فتيله شدن حتي تا قطر كمتر از ۳ ميليمتر را از خود نشان مي‌دهند.

• آزمايش ته نشيني
حدود ۵۰ گرم (براي خاك‌هاي شني مقداري بيشتر) خاك را در يك ظرف يا ليوان شيشه‌اي به عمق ۱۵ سانتيمتر ريخته و آن را با آب پر مي‌كنيم. سپس آن را هم مي‌زنيم. اگر خاك مورد مطالعه، شن يا ماسه درشت دانه باشد، سريعاً ته‌نشين مي‌شود. اگر ماسه ريزدانه باشد، در مدت زمان كمتر از ۱۰ دقيقه و اگر لاي باشد از ۱۰ تا ۶۰ دقيقه ته‌نشين خواهد شد. در مورد رس‌ها زمان ممكن است چندين ساعت و حتي شبانه‌روز به طول انجامد.

رنگ، بو و احساس
رنگ‌هاي تيره مثل قهوه‌اي، خاكستري و سياه، نشانه وجود خاك‌هاي آلي است. خاك‌هاي آلي بوي بدي دارند. ذرات ماسه‌ها و لاي‌ها به سادگي توسط دست از هم جدا مي‌شود. لاي زير دندان توليد صدا نموده، ولي رس زير دندان صدا نمي‌دهد.

طبقه‌بندي خاك‌ها در آزمايشگاه
يك سيستم طبقه‌بندي خاك، نشان دهنده وجود يك فرهنگ و ادبيات فني و استاندارد مشترك بين دست‌اندركاران مهندسي عمران مي‌باشد كه علاوه بر تهيه يك روش سيستماتيك دسته‌بندي بر مبناي رفتار محتمل مهندسي خاك‌ها، امكان دسترسي به مجموعه تجارب به دست آمده ديگران را نيز فراهم مي‌نمايد. يكي از رايجترين سيستم‌هاي طبقه‌بندي آزمايشگاهي خاك‌ها، سيستم طبقه‌بندي متحد يا يونيفايد مي‌باشد كه در سال ۱۹۴۸ توسط كاساگرانده ارائه شد و بعدها اصلاح گرديد.

طبقه‌بندي متحد خاك‌ها براي خاك‌هاي درشت دانه بر اساس توزيع دانه‌بندي ذرات است، در حالي كه رفتار خاك‌هاي ريزدانه اساساً به پلاستيسيته (خميري بودن) و درصد رطوبت آنها وابسته است. بنابراين در اين سيستم، تعيين دانه‌بندي خاك‌ها به كمك آناليز الك و نيز تعيين حدود اتربرگ با استفاده از تعيين حدود خميري و رواني خاك‌ها صورت مي‌گيرد. چهار دسته اساسي خاك‌ها در سيستم طبقه‌بندي متحد عبارتند از:

• خاك‌هاي درشت دانه
• خاك‌هاي ريزدانه
• خاك‌هاي آلي
• خاك‌هاي نباتي

ذرات با قطر متوسط معادل بزرگتر از ۷۵۰ ميليمتر به مصالح اندازه بزرگ يا تخته سنگ اطلاق مي‌شود. در اين ميان به اندازه‌هاي بزرگتر از ۳۰۰ ميليمتر، پاره‌سنگ و به اندازه ۷۵ تا ۳۰۰ ميليمتر، قوه سنگ گفته مي‌شود. شن‌ها از محدوده ۷۶/۴ تا ۷۵ ميليمتر و ماسه‌ها ۷۵/۴ تا ۰۷/۰ ميليمتر را دربر مي‌گيرند. اندازه ذرات لاي در محدوده اندازه‌هاي ۰۷/۰ تا ۰۰۲/۰ ميليمتر قرار دارند و رس‌ها ذرات كوچكتر از ۰۰۲/۰ ميليمتر را شامل مي‌شوند.

خاك‌هاي درشت دانه از قبيل شن و ماسه، ذراتي هستند كه بيش از ۵۰ درصدشان روي الك شماره ۲۰۰ باقي مانده و به عبارتي نصف ذراتشان داراي اندازه معادل بزرگتر از ۰۷۵/۰ ميليمتر است. اگر بيش از نصف مصالح درشت دانه روي الك شماره ۴ (۷۵/۴ميليمتر) باقي بماند، خاك موردنظر شن و در غيراينصورت ماسه است. خاك‌هاي درشت دانه به زيرگروه‌هايي تقسيم مي‌شوند كه زيرگروه‌ها بر اساس دانه‌بندي خوب يا پيوسته، دانه‌بندي بد يا گسسته و يا يكنواخت، لاي‌دار و رس‌دار با پسوندهاي W, P, M, C به ترتيب مشخص مي‌شوند.

اگر خاكي بيش از ۵۰% از الك ۲۰ رد شده باشد، در محدوده خاك‌هاي ريزدانه قرار گرفته كه لاي‌ها و رس‌ها را دربر داشته و بر اساس نمودار پلاستيسيته ارائه شده توسط كاساگرانده و انجام شدن آزمايش‌هاي اتربرگ حدود رواني و خميري و شاخص خميري طبقه‌بندي مي‌شوند. در چارت پلاستيسيته اگر نقطه بدست آمده حاصل از آزمايش‌هاي حدود اتربرگ براي خاك‌هاي رد شده از الك ۴۰ در بالاي خط A واقع شود، خاك مزبور رسي و اگر در زير آن واقع شود، از نوع لاي است. معادله خط A به صورت زير تعريف مي‌شود:
PI=0.73(LL-20)

ضمناً بر اساس ميزان حد رواني اندازه‌گيري شده زيرگروه‌هاي پلاستيسيته كم و پلاستيسيته زياد به ترتيب با پسوندهاي L و H رده‌بندي مي‌شوند. در اين خصوص، حد فاصله بين پلاستيسيته كم و زياد مقدار مربوط به حد رواني ۵۰% مي‌باشد.

اگرچه استفاده از نمادهاي مفروض مورد استفاده در طبقه‌بندي يونيفايد با سهولت همراه است، ولي اين دسته‌بندي و عناوين بكار گرفته شده به طور كامل وضعيت نهشته خاك در محل را تشريح نمي‌كنند. به اين علت اصطلاحات تشريحي در راستاي بكارگيري سمبل‌هاي فوق بايد منظور شوند تا سيماي كامل‌تري از وضعيت خاك ارائه گردد. مثلاً در مورد همه خاك‌ها ويژگي‌هايي از قبيل رنگ، بو، چگونگي قوام و همگن بودن بايد مشاهده و ذكر شود. براي خاك‌هاي درشت دانه خصوصياتي از قبيل شكل ذره، وضعيت كاني‌شناسي، درجه

هوازدگي، دانسيته در محل و يا درجه تراكم و ميزان وجود و يا عدم وجود ريزدانه‌ها در آنها بايد مشخص گردد. صفاتي از قبيل گرد بودن و تيز گوشه‌اي معمولاً جهت توجيه شكل دانه‌ها استفاده مي‌شوند. دانسيته درجا و يا درجه تراكم با مشاهده چگونگي كندن مصالح و يا نفوذ ابزارهاي نفوذي (پنترومتر) مشخص مي‌شوند كه در اين خصوص، اصطلاحات شل، تراكم متوسط و متراكم جهت وضعيت دانسيته در محل بكار گرفته مي‌شوند. مثلاً يك نهشته درشت دانه اگر در محل به راحتي با دست كنده و جابجا شود، از نوع خيلي شل و اگر براي كندن و حفاري آن نيازي به ابزارهاي مكانيكي ماشيني باشد، مي‌تواند از نوع خيلي متراكم و يا سيماني شده تلقي گردد.

براي خاك‌هاي ريزدانه، از ميزان رطوبت طبيعي، قوام و چگونگي قوام پس از دست خوردگي جهت تشريح استفاده مي‌شود. قوام در شرايط طبيعي به تراكم و سفتي خاك‌هاي ريزدانه در رابطه با چگونگي كندن، جابجايي و يا نفوذ در خاك‌هاي مربوط مي‌شود. اصطلاحاتي از قبيل نرم، سفت و يا سخت در اين خصوص معمول است.
آب در خاك

وجود آب در خاك به خصوص در مورد خاك‌هاي ريزدانه در رفتار آنها اثر مي‌گذارد و حركب آب در خاك، حتي در خاك‌هاي درشت دانه ممكن است ناپايداري خاك را به همراه داشته باشد، ولي در خاك‌هاي ريزدانه اثري جدي روي مقاومت آنها دارد. به گفته كارل ترزاقي (۱۹۳۹)
«مشكلات در مهندسي ژئوتكنيك صرفاً به سبب ذرات جامد خاك در توده خاك نيست، بلكه مربوط به سيالات موجود در فضاهاي خالي است و بر روي يك سياره بدون آب نيازي به علم مكانيك خاك نمي‌باشد».

از عوارض وجود آب در خاك مي‌توان به پديده‌هاي كاهش تنش موثر و در نتيجه كاهش مقاومت برشي، تقليل توان باربري، مويينگي، كاپيلاريته، انقباض و تورم خاك‌هاي ريزدانه، نشست تحكيمي خاك‌هاي ريزدانه، رمبندگي و واگرايي، پديده رگاب يا فرار آب از سازه‌هاي خاكي، روانگرايي، جوشش ماسه‌اي و نيروي پركنندگي (بركنش) را نام برد.
وضعيت آب زيرزميني در خاك اغلب پيچيده بوده و نياز به بررسي و رفتارسنجي جهت ملاحظه در مهندسي پي دارد. آب در زيرزمين به صورت سفره آزاد يا آب ثقلي، سفره‌هاي تحت فشار يا آرتزين و نيز سفره‌هاي موقتي بين لايه‌اي يافت مي‌شود. در حالت معمول همان سفره آزاد يا آب ثقلي با سطح افقي در ارزيابي‌ها و مطالعات بكار گرفته مي‌شود. در زير سفره‌هاي آزاد آب، خاك اشباع مي‌باشد. اصطلاح فشار آب منفذي و حفره‌اي مربوط به فشار آب در داخل منافذ و فضاهاي خالي خاك بوده كه مجموع فشارهاي هيدرواستاتيك و فشار منفذي اضافي است.

فشار منفذي اضافي در نتيجه انقباض و انبساط حفره‌هاي خاك بر اثر نشست، تورم و برش بوجود مي‌آيد. بزرگي فشار منفذي اضافي به ميزان اعمال بار كه سبب تغيير حجم حفره‌هاي خاك مي‌شود و نيز ميزان زهكشي به داخل و يا خارج منافذ بستگي دارد. وقتي كه حجم خلل و فرج‌ها كمتر مي‌شود، فشارهاي اضافي منفذي مثبت و وقتي كه حجم حفره‌ها بيشتر مي‌شود، اضافه فشار منفذي منفي را شاهده خواهيم بود. از آنجا كه اضافه فشار منفذي متعاقب پديده‌هاي نشست، تورم و يا اعمال برش است، بر اثر تكميل پديده‌هاي فوق، اين اضافه فشار حفره‌اي محو و يا زايل مي‌شود. بنابراين، پديده فشار منفذي يا حفره‌اي اضافي، پديده‌اي موقتي در خاك است.

آزمايش استاندارد تراكم A –
هدف: متراكم نمودن خاك تا بتواند بارهاي وارد به آن را تحمل كند.

وسايل مورد نياز:
۱٫ قالب تراكه
۲٫ چكش تراكه
۳٫ خاك مورد آزمايش
۴٫ آب
۵٫ كاردك
۶٫ دستگاه اون
۷٫ قالب‌هاي جهت اندازه‌گيري رطوبت

شرح آزمايش:
در ابتدا، قسمت بالاي قالب تراكه را جدا كرده و قسمت پايين آن را وزن مي‌كنيم. سپس خاك مورد آزمايش كه از منطقه قرضه برداشته شده را به اندازه ۴ كيلوگرم از الك نمره ۴ عبور مي‌دهيم و به ميزان ۳ درصد كل وزن خاك، يعني ۱۲۰ گرم به آن آب اضافه مي‌كنيم و خوب خاك را ورز مي‌دهيم تا كل خاك رطوبت لازمه را بدست آورد و سپس قالب را از سه لايه پر كرده و هر لايه را با چكش در ۲۵ ضربه مي‌كوبيم. پس از اتمام كار، قسمت بالاي قالب را برداشته و فك متراكم شده در آن را وزن مي‌كنيم. پس از وزن كردن، خاك متراكم شده داخل قالب را به خاك قبلي اضافه مي‌كنيم و دوباره به اندازه ۴۰ گرم آب به آن اضافه مي‌كنيم و عمل تراكم را دوباره انجام مي‌دهيم. اين كار را ادامه مي‌دهيم كه وزن قالب و خاك جديد از وزن مرحله قبلي خود كمتر ‌شود.

در ابتدا پليت را روي خاكي مي‌ريزيم كه مي‌خواهيم. مي‌گذاريم به اندازه قطر سوراخ به اندازه لايه‌اي كه آن را متراكم كرديم‌، پايين مي‌رويم. تمام خاك داخل حفره را داخل پلاستيك مي‌ريزيم. در اين حالت ذره‌اي از خاك نبايد باقي بماند، چون ممكن است ما جابجا شود.

خاك كنده شده از چاله را وزن مي‌كنيم. بعد از وزن خاك، مقداري از آن را جهت تعيين درصد رطوبت، در ظرف درب‌دار قرار مي‌دهيم تا آن را در آزمايشگاه به صورت دقيق وزن كنيم. پس از وزن كردن، آن را داخل دستگاه اون مي‌گذاريم. چون سطح در اطراف چاله صاف نمي‌شود و ممكن است تكه‌هايي از آن كنده شده باشد، در اين حالت مي‌توان حجم چاله را بدست آورد. براي بدست آوردن حجم چاله، نياز به ماسه استاندارد داريم. ماسه استاندارد را در آزمايشگاه درست مي‌كنيم و آن ماسه‌اي است كه از الك نمره ۱۰ رد شده باشد و بر روي الك ۲۰ باقي بماند. داخل سندباتل را پر از ماسه مي‌كنيم و سندباتل و ماسه درون آن را وزن مي‌كنيم. سندباتل را مي‌گذاريم روي چاله و دسته شير را آزاد مي‌كنيم و ماسه با سقوط آزاد داخل چاله مي‌ريزد. چون ماسه‌ ريز است و سقوط آزاد مي‌كند، تمام حفره‌هاي داخل چاله را پر مي‌كند.

آزمايش دانه‌بندي ذرات
هدف:
دانستن اندازه ذرات موجود در خاك و نوع دانه‌بندي خاك
وسايل مورد نياز:

۱٫ الك با شماره‌هاي مورد نياز
۲٫ ترازو
۳٫ خاك يك كيلوگرم
۴٫ دستگاه Shaker

شرح آزمايش:
الك‌هاي مورد نياز را به ترتيب قطر سوراخ‌ها از بزرگتر به كوچكتر بر روي يكديگر قرار مي‌دهيم. مقدار ۱ كيلوگرم خاك از محل مورد نياز نمونه‌برداري مي‌كنيم و آن را بر روي الك‌ها مي‌ريزيم. سپس ۳ تا ۵ دقيقه به وسيله دست يا shaker آن را تكان مي‌دهيم. پس از لرزاندن مقدار خاك‌هاي باقيمانده بر روي الك‌ها را با ترازو وزن مي‌كنيم و طبق وزن‌هاي بدست آمده، جدول دانه‌بندي و منحني نيمه‌لگاريتمي را رسم مي كنيم.
شرح آزمايش:

ابتدا ظرف فلزي به وسيله ترازو وزن كرده و عدد بدست آمده را برابر w1 قرار مي‌دهيم. سپس مقدار خاك را درون ظرف ريخته و به وسيله ترازو وزن ظرف و خاك درون آن را بدست آورده و آن را معادل w2 درنظر مي‌گيريم. دستگاه اوون را روشن كرده و ظرف را در دماي ۱۰۵ درجه سانتي‌گراد درون اوون قرار مي‌دهيم. پس از گذشت ۲۴ ساعت، ظرف را بيرون آورده و وزن آن را به وسيله ترازو به دست مي‌آوريم

هدف آزمايش:
ميزان رطوبتي كه خاك در حالت طبيعي، در حالت اشباع خاك دارد را بدانيم و رفتار خاك را در اين رطوبت‌ها بررسي كنيم.
آزمايش تعيين حد روايي
هدف:
تعيين شناسايي خاك‌هاي چسبنده
وسايل مورد نياز:

۱٫ دستگاه كاساگرانده استاندارد
۲٫ تيغه شيارزن
۳٫ كاردك فلزي
۴٫ آب
۵٫ خاك نمونه، ۳۰۰ گرم
۶٫ الك نمره ۴۰
۷٫ ترازو

۸٫ قالب اندازه‌گيري رطوبت
شرح آزمايش:
براي تعيين حد روائي، ابتدا نمونه‌اي از خاك به ميزان ۳۰۰ گرم را از الك نمره ۴۰ رد مي‌كنيم و آن را بر روي شيشه ريخته و به آن كمي آب اضافه مي‌كنيم و به وسيله كاردك فنري آن را طوري ورز مي‌دهيم كه حباب‌هاي هواي داخل آن خارج و خميري سفت بدست آيد.

قبل از انجام آزمايش، بايد دستگاه را استاندارد كنيم، يعني مطمئن شويم كه ارتفاع سقوط كاسه به اندازه ۱ سانتي‌متر است. اين كار را با ميله‌اي كه قطر آن ۱ سانتي‌متر است، انجام مي‌دهيم. ميله را از زير كاسه گذاشته و توسط پيچي كه به آن پيچ تنظيم گويند، تنظيم مي‌كنيم. ظرف كاساگرانده را با خمير پر مي‌كنيم، طوري كه ارتفاع آن از ۱ سانتي‌متر بيشتر نباشد. سپس توسط تيغه شيارزن استاندارد، در خمير شياري ايجاد مي‌كنيم. ارتفاع اين تيغه ۱ سانتي‌متر و دو قاعده آن، ۲٫۱۱ ميلي‌متر مي‌باشد

. سپس دسته جام را مي‌چرخانيم، طوري كه اين كاسه ۱ سانتي‌متر بالا آمده و به صورت سقوط آزاد بر روي پايه پلاستيكي مي‌افتد. به اين ترتيب، ضربه‌اي به خاك وارد مي‌شود. تعداد ضربات بايد ۲۵ ضربه و هر دو ضربه در يك ثانيه صورت گيرد. دو بلوك در حين ضربه به هم نزديك مي‌شوند و شياري به اندازه ۷/۱۲ يا ۱۳ ميلي‌متر به وجود مي‌آيد.

در اين حالت، رطوبت خاك را به عنوان حد روايي مي‌ناميم. البته آزمايش را در سه مرحله انجام مي‌دهيم، چون ممكن است در ۲۵ ضربه، شيار مورد دلخواه بسته نشود.
در مرحله اول، تعداد ضربات ۳۵-۲۵ ضربه، در مرحله دوم، ۲۵-۲۰ ضربه، در مرحله سوم، ۲۰-۱۰ ضربه. در هر مرحله، مقداري از خمير را داخل دستگاه اوون قرار داده تا رطوبت هر مرحله بدست آيد.
تعريف حد روايي:
ميزان رطوبتي كه خاك به اندازه ۷/۱۲ يا ۱۳ ميلي‌متر از شيار بوجود آمده، با ۲۵ ضربه بسته شود، به عنوان رطوبت حد روايي اعلام مي‌شود.
آزمايش حد خميري
وسايل مورد نياز:
۱٫
۲٫ خاك مورد آزمايش
۳٫ آب
۴٫ شيشه مربعي ضخيم
۵٫ كاردك فنري
۶٫ قوطي تعيين رطوبت
۷٫ اوون
۸٫ ترازو

شرح آزمايش:
مقداري خاك به اندازه ۱۰۰-۵۰ گرم كه از الك نمره ۴۰ رد شده را بر روي شيشه مي‌ريزيم و به آن كمي آب اضافه مي‌كنيم. سپس توسط كاردك فنري، آب را با خاك طوري مخلوط كرده كه خميري سفت بدست آيد كه حباب‌هاي هواي داخل آن گرفته شده باشد. سپس خمير را با دست به صورت فتيله‌اي كه قطر آن حدود ۲/۳م.م است، درمي‌آوريم.
براي بدست آوردن رطوبت حد خميري، بايستي در فتيله ترك‌هايي نازك ايجاد شود. اگر اين كار اتفاق نيافتد، بايستي دوباره فتيله را به صورت گلوله درآورد و دوباره با دست فتيله جديدي درست كرد. در اين حالت، مقداري رطوبت از طريق دست جذب و رطوبت فتيله كاهش مي‌يابد. پس از رويت ترك در خمير، مقداري از آن را وزن كرده و داخل دستگاه اوون قرار مي‌دهيم تا در صورت رطوبت يا حد خميري آن بدست آيد.

آزمايش برش مستقيم
هدف:
بدست اوردن پارامترهاي مقاومتي خاك
زاويه اصطكاك داخلي ,چسبندگي(c)
وسايل مورد نياز:

۱- ماسه
۲- آب براي اشباع خاك

۳- وزنه هاي مورد نياز
۴- قالب برش مستقيم
شرح ازمايش:
معيار گسيختگي موهر-كلمب
اين قالب از دو فك بالا و پايين تشكيل شده كه فك بالا متحرك و فك پايين ثابت است. نمونه خاك ماسه اي را درون دستگاه ازمايش برش مستقيم قرار داده اطراف قالب را از اب پر مي كنيم تا خاك اشباع شود. سپس نيروي قائم را با اضافه كردن وزنه اعمال مي كنيم تا نمونه تحكيم يابد اين كار را به مدت ۲۴ ساعت بايد انجام شود . با روشن شدن دستگاه نيروي افقي به نمونه اعمال مي شود اين دستگاه يك گيج تغيير مكان و يك گيج نيرو دارد اين دو را قرائت كرده و يادداشت ميكنيم.نمودار نيروي برشي در مقابل تغيير مكان افقي براي اين نمونه را رسم كرده و مقاومت خاك را بدست مي اوريم .در ادامه از همان خاك قبلي نمونه جديدي تهيه و مقدار نيروي قائم را براي بار دوم افزايش ميدهيم نمودار تنش برشي –تغيير مكان افقي مربوطه را رسم هاي بدست امده را يادداشت مي نماييم و در اخر با رسم نمودار كرده و براي بار سوم نيز همين كار را انجام مي دهيم.

ميتوان چسبندگي و زاويه اصطكاك خاك را بدست اورد.
براي خاكهاي ماسه اي از اين ازمايش بدست مي ايد و (عرض از مبدا) ان صفر ميباشد ولي براي خاكهاي رسي پيش تحكيم يافته را خواهيم داشت.

آزمايش مقاومت فشاري تك محوري
هدف:
بدست اوردن پارامتهاي برشي خاك به صورت تقريبي توسط ازمايش مقاومت فشاري تك محوري
وسايل مورد نياز:
۱-رينگ نمونه برداري ۲-جك نمونه درار ۳-كوبيسم ۴-كاردك ۵-قالب نمونه ۶-نمونه كوب ۷ – ترازو ۸-قوطي تعين رطوبت ۹-دستگاه ازمايش مقاومت فشاري تك محوري ۱۰- دستگاه اون
شرح ازمايش:

اين ازمايش مخصوص خاكهاي چسبنده است و خوبي اين ازمايش اين است كه ميتوان ان را در همان محل ازمايش انجام داد.مقاومتي كه خاكهاي چسبنده دارند به نيروي وارده ذرات به هم بستگي دارد.نمونه هامي توانند دست خورده يا دست نخورده يا دست سازتهيه شوند. براي تهيه نمونه دست نخورده به محل مورد نظرميرويم رينگ نمونه برداري را كاملا روغن كاري كرده تا نمونه هنگام خروج براحتي خارج شود. رينگ را روي زمين گذاشته و توسط نمونه كوب كه به صورت سقوط ازاد به رينگ ضربه وارد ميكند قالب را به داخل زمين فرو مي بريم و با دو پيچگوشتي توسط دو سوراخ قسمت فوقاني ان را در مي اوريم. رينگ نمونه را داخل جك نمونه درار قرار داده و قالب نمونه را نيز بالاي جك قرار ميدهيم پس از اعمال نيرو و وارد

شدن خاك به داخل نمونه در قسمتي كه براي برش در بالاي جك گذاشته شده با كاردك برشي ايجاد كرده قالب نمونه را برداشته و دو سر ان را با خاك اضافي كه از رينگ باقي مانده پر و صاف ميكنيم و از خاك اضافي مقداري را براي تعيين درصد رطوبت وزن كرده و داخل دستگاه اون ميگذاريم. نمونه را از خاك جدا مي كنيم وقطر طول ان را توسط كوبيسم اندازه مگيريم وسپس ان را داخل دستگاه ازمايش ميگذاريم وا ن را روشن كرده و در تغيير مكان هاي مختلف نيرو را ميخوانيم و در ۵ تغيير مكان هاي مختلف مقدار نيرو را قرائت و يادداشت ميكنيم.
سطح تصحيح شده: چون با اعمال نيرو سطح خاك افزايش ميابد بايستي سطح خاك طبق فرمول روبرو تصحيح شود:

اشكالات ازمايش:
۱-اثر فشار نيروهاي جانبي خاكهاي اطراف در زمين را حذف ميكنيم
۲-تمركز تنش به وجود امده در دو سر بالايي و پاييني نمونه ازمايش هنگام اعمال نيرو
۳-فشارهاي منفذي درجه اشباع را در نظر نمي گيريم

 

آزمونهاي آزمايشگاهي مناسب براي تعيين مقاومت تنش و تغيير فرم نسبي خاكها
تنش هاي موجود در زمين
اغلب تجزيه و تحليل هاي مربوط به مهندسي ژئوتكنيك مجبور به تعيين موارد زير مي باشند:
۱- حالت تنش اوليه و تاريخچه تنش خاك پيش از فعاليت هاي ساختماني
۲- تغيير شكل و استقامت خاكي ناشي از تغييرات موجود در تنش هاي اعمال شده به واسطه فعاليت هاي ساختماني

تنش هاي اوليه
تنش هاي اوليه موجود در زمين كه به آنها تنش هاي «درجا» نيز گفته مي شود بايد ابتدا بر اساس تأثير آنها بر كنش غير خطي خاك تعريف شوند. همانگونه كه در شكل شماره ۱ مشاهده مي شود براي وضعيت‌هايي كه زمين به شكل افقي مي باشد ، تنش هاي درجا به واسطه تنش عمودي مؤثر و تنش هاي افقي مؤثر نيز ناميده مي شوند:
(۱)
در اينجا y ميانگين كل وزن خاك موجود در عمق z و فشار آب در عمق z و نيز ضريب فشار جانبي زمين در حالت سكون مي باشد. مقدار بستگي به خواص و ويژگيهاي خاك و تاريخچه بارگيري آن دارد. تنش ايجاد شده توسط وزن خاكهاي موجود بر فراز يك عمق داده شده ، تنش روبار ناميده مي شود. همانگونه كه در شكل شماره ۱ نشان داده شده است ، حالت تنش اوليه را مي توان با عبارات و نشان داد. نقطهA بر روي خطي قرار گرفته است كه از مبدأ گذشته و ضريب زاويه اي برابر دارد. مجموع تنش هاي عمودي و مجموع تنش هاي افقي متناظر با , برابرند با:
(۲)
تغييرات تنش اعمال شده توسط فعاليت هاي ساختماني مطابق با اصول مهندسي همانگونه كه در شكل شماره ۱ شرح داده شده ، انواع و اقسام فعاليتهاي ساختماني تغييرات تنشي مختلفي در خاك ايجاد كرده اند. براي تمامي اين بارگيري ها ، تغييرات تقريبي در تنش هاي جامع و مؤثر را مي توان در فواصل و مشاهده نمود. در نقطه حالت تنش مؤثر اوليه قبل از فعاليتهاي ساختماني را نشان مي دهد. پاره خطهاي و نيز به ترتيب نشانگر تغيير در تنش كل و تنش مؤثر حاصل از فعاليتهاي ساختماني مي باشند. نقاط و داراي مشابه مي باشند اما هاي آنها با اين معادله در ارتباط است: