آزمایش مشخصات تراکم آزمایشگاهی خاک 

هدف آزمایش

آزمایش مشخصات تراکم آزمایشگاهی خاک از سری آزمایش های خاک میباشد که طبق استاندارد ASTMD698 و روش تراکم اصلاح شده انجام می شود. این روش های آزمایش، شامل دستورالعمل های تراکم آزمایشگاهی است که، برای تعیین درصد رطوبت و وزن مخصوص خشک (منحنی تراکم) خاکهای متراکم شده، در قالب به ۱۰۱.۶ یا ۱۵۲.۴ میلی متر، با استفاده از چکش مخصوص قالب به ترتیب، به وزن ۲۷۴.۴ نیوتن یا ۴۴.۵  نیوتن، که از ارتفاع ۸. ۳۰۴ میلیمتر یا ۲.۴۵۷ میلیمتر سقوط میکند، استفاده میگردد.

نتایج این آزمایش، به عنوان داده اولیه در احداث خاکریز مهندسی و آزمایشهای برش مستقیم، نفوذپذیری و … مورد استفاده قرار میگیرد.

بررسی آزمایش

شیوه انجام آزمایشهای این دو روش مانند هم است و فقط انرژی به کار رفته در آنها متفاوت است.

شیوه انجام آزمایشهای

با نسبتهای بالا می توان نشان داد انرژی به کار رفته در روش اصلاح شده بیشتر از روش استاندارد است و از روش اصلاح شده بهتر است در تراکم راه های پر رفت و آمد استفاده کرد. یا در جاهایی که در حین بهره برداری انرژی بیشتری را باید تحمل کند.

اطلاعات اولیه تراکم آزمایشگاهی

نکته: این روش آزمایش فقط درمورد خاکهایی به کار برده میشود که درصد وزنی مانده بر روی الک ۱۹ میلیمتر، آنها ۳۰ درصد و یا کمتر باشد.

نکته: در تراکم خاک اگر رطوبت کم باشد اصطکاک بین دانه های خاک از تراکم جلوگیری میکند و همچنین رطوبت زیاد هم باعث لغزش دانه های بر روی هم می شود لذا رطوبت بهینه میتواند بهترین تراکم را به دست دهد.

نکته: رطوبت بهینه به انرژی به کار رفته و همچنین نوع خاک بستگی دارد.

نکته: سه روش A , B, C جهت انجام این آزمایش باید بسته به درخواست مراجع ذیصلاح انتخاب میگردد و در صورتی که هیچ روشی مشخص نشده است انتخاب روش براساس دانه بندی مصالح می باشد.

سه روش انجام آزمایش

روش A

 (فاکتور تعیین کاربرد روش): در صورتی که ۲۰ درصد وزنی مصالح یا کمتر روی الک شماره ۴ ( ۴.۷۵میلیمتر ) باقی بماند میتواند مورد استفاده قرار بگیرد.

 روش B

– ( فاکتور تعیین کاربرد روش): در صورتی به کار خواهد رفت که بیش از ۲۰ درصد وزنی مصالح روی الک شماره ۴ ( ۴.۷۵ میلی متر ) باقی بماند و ۲۰  درصد وزنی یا کمتر از مصالح روی الک ۳.۸ اینچ (۹.۵ میلیمتر ) باقی بماند.

 روش C

( فاکتور تعیین کاربرد روش ) در صورتی به کار خواهد رفت که بیش از ۲۰  درصد وزنی مصالح روی الک ۳.۸  اینچ (۹.۵ میلیمتر ) باقی بماند و کمتر از ۳۰ درصد وزنی مصالح روی الک ۳.۴ اینچ (۱۹ میلیمتر) باقی بماند.

اپ آزمایشگاه مهندس

نکته: اگر نمونه آزمایش حاوی بیش از ۵ درصد وزنی بخش درشت دانه باشد و این بخش از مصالح در آزمایش منظور نشده باشد باید اصلاحاتی در وزن مخصوص و درصد رطوبت نمونه، یا در آزمایش دانسیته در محل با استفاده از استاندارد D4718 اعمال شود.

نکته: بخش درشت دانه بخشی از کل نمونه است که در آزمایش تراکم مورد استفاده قرار نمیگیرد، این مقدار میتواند بخشی از نمونه باشد که بر روی الک نمره ۴ یا ۳.۴ اینچ یا ۳.۸ اینچ باقی مانده است.

نکته: بخش مورد آزمایش یا ریز دانه، بخشی از کل نمونه که در آزمایش تراکم به کار میرود و در روش A شامل جزئی که از الک نمره ۴ عبور کند و در روش B رد شده از الک ۳.۸ اینچ و در روش C رد شده از الک ۳.۴ اینچ می باشد.

نکات مربوط به آزمایش

نکته: یکی از مشکلات رایج مربوط به خاکهایی است که شامل ۳۰ درصد بخش درشت دانه مانده روی الک ۱۹ میلیمتر ۳.۴ اینچ می باشند. برای این خاکها روش آزمایش مشخصی در ASTM به منظور کنترل تراکم وجود ندارد لذا در این نوع خاکها یا باید از روش صحرایی مطابق با روش D4914 , D5030 استفاده کرد که در عمل بسیار مشکل و پر هزینه است و یا از خاکریز آزمایشی و یا از ضریب تصحیح ارایه شده توسط دفتر آبادانی USDI بهره گرفت، از تکنیک روش D آزمایش ASTM698-78 استفاده نمود که البته روش زیاد مناسب و دقیقی نیست.

نکته: خرد شدگی دانه ها: مساله دیگر مربوط به خاک هایی است که دانه های آنها در طی تراکم دچار خردشدگی میشوند. خردشدگی به طور معمول در طی تراکم خاکهای دانه ای رسوبی یا سنگدانه ها رخ میدهد زمانی که این اتفاق بیفتد حداکثر وزن مخصوص خشک افزایش می یابد و بنابراین حداکثر وزن آزمایشگاهی، نمایانگر وضعیت صحرایی نمی باشد. در چنین حالاتی اغلب به دست آوردن حداکثر وزن مخصوص در محل ممکن نخواهد بود. همچنین دقت شود. در اینجا نیز در صورت وجود خاکهایی در معرض خورد شدگی میتوان از خاکریز آزمایشی استفاده کرد.

 تجهیزات و مصالح آزمایش

  • مجموعه قالب

 قالبها باید به شکل استوانه ای بوده و از جسم سخت ساخته شده باشد و دارای ابعاد و ظرفیت استاندارد با این آزمایش باشند. قالب  ۴اینچی، قالبی است که میانگین قطر داخلی آن ۱۰۱.۶± ۰.۴ میلیمتر ارتفاع آن ۰.۵۰±۱۱۶.۴ میلیمتر و حجم آن ۱۴±۹۴۴ سانتیمتر مکعب است.

  • تیغه صاف کن

تیغه صاف کن از جنس فلز سخت با طولی مناسب، که کمتر از ۲۵۴ میلیمتر نباشد.

  • الک ها

الک ۳.۴ اینچ (۱۹ میلیمتر) ۳.۸ اینچ (۹.۵میلیمتر) و شماره ۴ ( ۴.۷۵میلیمتر)

  • چکش

چکش میتواند به دو صورت دستی یا مکانیکی باشد این کوبه باید از فاصله ۰.۰۵ ±۱۲ اینچی (۱.۳+-۳۰۴.۸ میلمتری) بالای سطح نمونه به صورت آزاد سقوط کند وزن کوبه باید ۰.۰۱±۲.۵ کیلوگرم باشد با استثنای کوبه های مکانیکی

  • خارج کننده نمونه (اختیاری) 

یک جک، چهارچوب یا وسیله دیگری که به منظور خارج نمودن نمونه های متراکم شده از قالب درست شده باشد

خارج کننده نمونه

  • ترازو

یک ترازوی از رده GP5 که دارای شروط مشخص شده درD4753، برای ترازویی با قابلیت قرائت یک گرم باشد.

  • خشک کن

گرمخانه ای که به صورت ترموستاتی کنترل میشود و ترجیحا از نوع هوای تحت فشارFarced draft  بوده، قابلیت نگهداری دمای استاندارد  ۵±۱۱۰  سانتیگراد در سرتاسر محفظه خشک کننده را دارا باشد.

تهیه نمونه آزمایش

جرم لازم نمونه برای روشهای A,B تقریبا ۱۶ کیلوگرم و برای روش C تقریبا ۲۹ کیلوگرم خاک خشک است. بنابراین نمونه صحرایی بایستی به ترتیبی وزن مرطوب حداقل ۲۳ کیلوگرم و ۴۵ کیلوگرم را دارا باشد.

نکته: از خاکی که قبلا در آزمایش تراکم استفاده شده، استفاده مجدد نکنید.

روش انجام آزمایش

مطابق روش مورد استفاده A,B,C قابل تراکم مناسب را انتخاب نمایید و جرم آن را با دقت گرم، تعیین و ثبت کنید. قالب ، صفحه تحتانی و سر قالب الحاقی را روی هم سوار کنید . تراز جدار داخل قالب و سر قالب الحاقی را بررسی و در صورت لزوم تنظیم کنید.

آماده کردن خاک و تنظیم روطوبت آن به صورت فرض اولیه به دو صورت آماده سازی مرطوب و خشک صورت میگیرد که آماده سازی مرطوب در این آزمایش اولویت دارد.

در روش آماده سازی مرطوب (روش ارجح) بدون انکه از قبل نمونه را خشک کنیم بسته به استاندارد هر روش، خاک تهیه شده و رطوبتش با اضافه کردن رطوبت تنظیم میشود اما در روش خشک کردن ابتدا نمونه را تا رسیدن به حالت شکنندگی خشک میکنند.

حداقل ۵ و ترجیحا ۵ نمونه را انتخاب کنید که رطوبت یکی به رطوبت بهینه پیش فرض و رطوبت دو تا ۲ درصد کمتر از رطوبت پیش فرض و دو نمونه دیگ ۲ درصد بیشتر از رطوبت بهینه پیش فرض باشد.

نکات روش انجام آزمایش

نکته: خاک با درصد رطوبت بهینه را، میتوان به صورت کلوخ با دست فشرده کرد به طوری که فشار دست برداشته شود نپاشد و در رطوبت خشک بهینه خاک تمایل به خرد شدن و در رطوبت تر بهینه خاک تمایل به خمیر شدن دارد.

برای متراکم کردن خاک با استفاده از روش A,B تقریبا ۳.۲ کیلوگرم خاک الک شده و برای روش C 5.9 کیلوگرم خاک الک شده را برای هر نمونه به کار ببرید برای دستیابی به نمونه های با روطوبت مورد نظر به روش زیر رطوبت را کم یا زیاد کنید.

برای اضافه کردن آب آن را طی عمل مخلوط کردن، به داخل خاک بپاشید و برای حذف آب بگذارید خاک در هوای محیط یا در ابزار خشک کنی که دمای نمونه به بیش از ۶۰ درجه سانتیگراد نرسد خشک کنید و سپس نمونه را در یک ظرف در بسته قرار دهید تامطابق جدول زیر ثابت بماند.

زمان مکث مورد نیاز

بعد از آماده شدن نمونه ها آنها را در سه لایه در قالب ریخته و هر لایه را بسته به روش مورد استفاده در روش A,B با ۲۵ ضربه و در روش C، ۵۶ ضربه با نرخ ثابت ۲۵ ضربه در دقیقه متراکم کنید و سپس سر و ته خاک را با کاردک به طور کاملا صاف بتراشید و جرم نمونه و قالب را با دقت گرم تعیین و ثبت کنید.

مصالح را از قالب خارج کرده و قسمتی از آن را که نماینده کل نمونه باشد جهت تعیین درصد رطوبت به روش D2216 جهت تعیین درصد رطوبت آماده کنید.

 محاسبات 

وزن مخصوص خشک و درصد رطوبت هر نمونه متراکم شده را آن طور که درزیر توضیح داده شده است محاسبه کنید مقادیر مربوط را ترسیم نمایید و منحنی تراکم را به صورت یک منحنی هموار گذرنده از نقاط بکشد وزن مخصوص خشک را با دقت۰.۲ کیلو نیوتن بر مترمکعب و درصد رطوبت را به ۰.۱ درصد رسم کنید از روی منحنی تراکم، درصد رطوبت بهینه و حداکثر وزن مخصوص خشک را تعیین کنید اگر بیش از ۵ درصد جرمی مواد درشت دانه برداشته شده باشد با استفاده از دستورالعمل D4718 درصد رطوبت بهینه و حداکثر وزن مخصوص خشک تصحیح شده برای کل مصالح را محاسبه کنید. البته این تصحیح میتواند به جای نمونه آزمایشگاهی در جای مناسب بر روی نمونه آزمایش چگالی در محل انجام شود.

منحنی درجه اشباع  ۱۰۰درصد که منحنی خلاء با مقدار هوای صفر یا منحنی اشباع کامل نیز اطلاق میگردد در واقع کمکی برای رسم منحنی تراکم است توجه شود از لحاظ تئوریک، منحنی تراکم نمی تواند در سمت راست منحنی اشباع ۱۰۰درصد قرار گیرد اگر چنین شود، خطایی در مقادیر وزن مخصوص، اندازه گیریها، محاسبات، روش آزمایش، و یا در ترسیم وجود خواهد داشت.درصد رطوبت مطابق با D2216 انجام میگیرد.

وزن مخصوص خشک

جرم حجمی مرطوب جرم حجمی خشک و سپس وزن مخصوص خشک را به روش زیر محاسبه کنید:

جرم حجمی مرطوب جرم حجمی خشک

تعریف δ : جرم حجمی مرطوب نمونه متراکم شده (کیلو نیوتن بر متر مکعب)

تعریف Mt : جرم نمونه مرطوب و قالب نیوتن

تعریف Mmd : جرم قالب تراکم نیوتن

عدد ۹۴۳ : حجم قالب تراکم ( سانتی متر مکعب)

وزن مخصوص خشک

تعریف δd : جرم حجمی خشک نمونه متراکم شده (کیلو نیوتن بر متر مکعب)

تعریف w : میزان رطوبت بر حسب درصد

برای محاسبه نقاط لازم برای رسم منحنی درجه اشباع ۱۰۰درصد، یا منحنی خلاء صفر، مقادیری برای درشد رطوبت انخاب کنید، سپس مقدارهای وزن مخصوص خشک متناظر با شرایط درجه اشباع ۱۰۰درصد، را به روش زیر محاسبه کنید.

تراکم خاک تا جایی ادامه می یابد که هوای آن به طور کامل خارج گردد در این حالت رطوبت خاک به صورت اشباع در خواهد آمد

رطوبت خاک به صورت اشباع

در پیوند زیر که حاصل صفر شدن هوا و همچنین سیراب شدن خاک است و به عبارتی منحنی هوا نیز نامیده میشود دانسیته خشک ماکزیمم به صورت تابعی از درصد رطوبت ω است و از آنجایی که چگالی دانه ها Gs برای هرنوع خاک عددی ثابت است لذا این منحنی برای هر چگالی دانه یا نوع خاک نموداری منحصر به فرد خواهد بود. برای رسم آن کافی است مقدار متفاوتی از درصد رطوبت را فرض کنیم و سپس چون مابقی آیتم ها ثابت هستن دانسیته ماکزیمم خشک به صورت تابعی از درصد رطوبت خواهد بود.

رطوبت خاک به صورت اشباع

وزن مخصوص هوا

نکته: باید توجه شود برای پذیرفته شدن وجود نقطه اوج درراستای رطوبت بهینه و دانسیته ماگزیمم حاصل از آزمایش خاک پذیرفته نیست و باید منحنی هوا صفر نیز بررسی گردد.

برای روشن شدن مطلب به مثال زیر توجه کنید:

فرض کنید برای یک خاک به چگالی منحصر به فرد منحنی هوا و منحنی هوا با ۵ درصد به صورت زیر ترسیم گشته و خاک مورد نظر به دو رطوبت متفاوت شروع به تراکم آزمایشکاهی گشته است و نتایج به صورت نمودار زیر درآمده:

نمودار وزن مخصوص خشک

نمودار A: خاک پس از رسیدن به منحنی هوا صفر نمیتواند بیشتر از آن متراکم شود لذا این مورد نشدنی خواهد بود.

نمودار B و E: این دو نمودار از لحاظ تراکم به بهترین حد خود رسیده اند اما باید توجه داشت که نمونه E با رطوبت بهینه زیاد و انرژی کم و نمودار B با انرژی زیاد و رطوبت کم به این حد رسیده اند و خاک اگر در محیط کارگاه به صورت E متراکم گردد به مراتب نفوذ ناپذیرتر از نمونه B می باشد.

نمودار F و C : این دو نمودار پذیرفتنی هستند چون به تراکم ۹۵ درصد رسیده اند و مماس با نمودار هوا ۵ درصد هستند و میتوان آنها را پذیرفت چرا که معمولا تراکم متداول در مکانیک خاک عددی کوچکتر از۱ و در بین ۹۵ تا ۱۰۰درصد میباشد واگر در خاکی ۵ درصد هوا مانده باشد در واقع به تراکم ۹۵ درصد رسیده است.

جرم حجمی خشک نمونه متراکم شده

نمودار D: این نمودار نیز پذیرفتنی نخواهد بود

نتایج نمونه آزمایش تراکم