آزمایش مکانیک خاک
آزمایش های مکانیک خاک مجموعه‌ای از روش‌های استاندارد برای ارزیابی و کنترل کیفیت خاک هستند. تجهیزات مختلفی برای اندازه‌گیری ویژگی‌های فیزیکی و مکانیکی خاک وجود دارند.
برخی از این تجهیزات برای تخمین رفتار خاک در محل اجرای پروژه و برخی دیگر برای تعیین دقیق‌تر رفتار خاک در آزمایشگاه مکانیک خاک مورد استفاده قرار می‌گیرند. در ادامه به معرفی رایج‌ترین روش‌های برجا و آزمایشگاهی برای اندازه‌گیری مشخصات خاک می‌پردازیم.
آزمایش مقاومت برشی خاک: محاسبه پارامترهای مقاومتی خاک
مقاومت برشی خاک اهمیت بسیار زیادی در تحلیل و طراحی سازه‌های خاکی دارد. از این‌رو، روش‌های زیادی نیز برای اندازه‌گیری برجا و آزمایشگاهی پارامترهای مقاومت برشی (چسبندگی و زاویه اصطکاک) ارائه شده‌اند. از متداول‌ترین آزمایش‌های برجا برای اندازه‌گیری پارامترهای مقاومت برشی خاک می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- «آزمایش برش پره» (Vane Shear Test) یا آزمایش VST
- «آزمایش نفوذ استاندارد» (Standard Penetration Test) یا آزمایش SPT
- «آزمایش نفوذ مخروط» (Cone Penetration Test) یا آزایش CPT
- «آزمایش فشارسنجی» (Pressure-Meter test) یا آزمایش PMT
تمام آزمایش‌های بالا دارای کاربرد و مزیت مختص به خود هستند. با این وجود، آزمایش نفوذ مخروط به عنوان دقیق‌ترین روش برجا برای تعیین پارامترهای مقاومتی شناخته می‌شود. پرکاربردترین روش‌های آزمایشگاهی برای اندازه‌گیری چسبندگی و زاویه اصطکاک داخلی خاک عبارت هستند از:
- «آزمایش برش مستقیم» (Direct Shear Test): برای خاک‌های ماسه‌ای
- «آزمایش فشار محصور نشده» (Unconfined Compression Test) یا آزمایش فشار تک محوری: فقط برای خاک‌های رسی
- «آزمایش برش ساده» (Simple Shear Test)
- «آزمایش برش سه محوره» (Triaxial Shear Test): ترجیحا برای خاک‌های رسی
از بین موارد بالا، آزمایش برش مستقیم از رواج بیشتری برخوردار است.
آزمایش نفوذ مخروط
آزمایش CPT، یکی از روش‌های پرکاربرد و دقیق برای اندازه‌گیری برجای خصوصیات ژئومکانیکی خاک و تعیین چینه شناسی آن است. این آزمایش مطابق با دستورالعمل استاندارد ASTM D3441 اجرا می‌گردد. آزمایش CPT با عنوان آزمایش مخروط هلندی نیز شناخته می‌شود. تصویر زیر، تجهیزات و نحوه اجرای آزمایش نفوذ مخروط را نمایش می‌دهد.
در این آزمایش، ابتدا گمانه‌ای با عمق مشخص درون زمین حفر شده و میله‌ای با انتهای مخروطی به درون زمین فشار داده می‌شود. عمق حفاری و نفوذ باید به گونه‌ای باشد که میله از سطح آب زیرزمینی عبور کند. به منظور اندازه‌گیری پارامترهای مقاومتی در این آزمایش، از دستگاه‌هایی نظیر نفوذسنج و فشارسنج استفاده می‌شود. با مشخص بودن مقاومت نوک مخروط و جداره آن می‌توان پارامترهای به دست آمده را به پارامترهای مقاومتی خاک تبدیل کرد.
آزمایش برش مستقیم
آزمایش برش مستقیم، متداول‌ترین روش اندازه‌گیری پارامترهای مقاومتی خاک است. این آزمایش مطابق با استاندارد ASTM D3080 اجرا می‌شود. تصویر زیر، تجهیزات مورد استفاده برای اجرای آزمایش برش مستقیم را نمایش می‌دهد.
در این آزمایش، نمونه خاک درون جعبه برش قرار می‌گیرد. سپس با بخش بالایی جعبه تا رخ دادن شکست، حرکت داده می‌شود. اندازه‌گیری بارهای لحظه شکست توسط دو گیج عمودی و افقی صورت می‌گیرد.
آزمایش دانه بندی خاک: رسم منحنی توزیع دانه‌بندی خاک
آزمایش‌های مختلفی برای تعیین توزیع دانه‌بندی خاک وجود دارد. از متداول‌ترین آزمایش‌های دانه‌بندی خاک می‌توان به آزمایش الک و هیدرومتری اشاره کرد. در ادامه، روند اجرای هر یک از این آزمایش‌ها را به طور خلاصه توضیح می‌دهیم.
آزمایش الک
آزمایش الک، یکی از متداول‌ترین روش‌های تعیین توزیع ابعاد ذرات خاک‌های درشت‌دانه در آزمایشگاه مکانیک خاک است. این آزمایش ساده و کم‌هزینه مطابق با استانداردهای ASTM C136 و AASHTO T27 اجرا می‌شود. از تجهیزات اصلی مورد استفاده در آزمایش الک می‌توان به الک‌های نمره ۴ (قطر مش ۴.۷۵ میلی‌متر) تا ۲۰۰ (قطر مش ۷۵ میکرومتر) و شیکر اشاره کرد.
روند کلی آزمایش الک به صورت زیر است:
- روی هم قرار دادن الک‌ها (نمره ۲۰۰ در پایین و کاهش نمره با چیدن به سمت بالا)
- برداشتن نمونه معرف خاک و ریختن آن بر روی الک نمره ۴
- جانمایی الک‌ها بر روی شیکر و روشن کردن آن
- خاموش کردن شیکر پس از ۳ الی ۵ دقیقه
- اندازه‌گیری وزن درات باقی‌ماند بر روی هر الک و یادداشت کردن آن‌ها به صورت تجمعی
- رسم نمودار توزیع دانه‌بندی
آزمایش هیدرومتری
آزمایش هیدرومتری، متداول‌ترین روش تعیین توزیع دانه‌بندی برای خاک‌های ریزدانه (زیر ۵۰ میکرو) است. این آزمایش مطابق با استاندارد ASTM D7928 اجرا می‌گردد. به دلیل، دشوار بودن الک کردن ذرات بسیار ریز، توزیع ابعاد ذرات لای و رس توسط وسیله‌ای به نام هیدرومتر و بر اساس قانون استوکس در ته نشینی ذرات اندازه‌گیری می‌شود.
آزمایش حدود اتربرگ: محاسبه حدود اتربرگ و شاخص خمیری
آزمایش حدود اتربرگ، روشی برای تعیین روانی خاک است. این آزمایش به منظور اندازه‌گیری حد مایع، حد خمیری و حد انقباض و اغلب مطابق با روش آزمون استاندارد استاندارد ASTM D4318 اجرا می‌شود.
آزمایش حد مایع
حد مایع یا حد خمیری بالا، میزان رطوبتی است که خاک در آن از حالت مایع به حالت خمیری تغییر می‌کند. با اعمال نیروی برشی کوچک در این حد، خاک به راحتی جریان می‌یابد. به منظور اجرای آزمایش حد مایع، وسیله مطابق با تصویر زیر مورد استفاده قرار می‌گیرد.
کلیت آزمایش حد مایع به صورت زیر است:
- ریختن نمونه خاک بر روی ظرف
- ایجاد شیار بر روی مرکز نمونه
- چرخاندن دستگیره برای بالا آمدن ظرف و برخورد آن به کف دستگاه
- شمارش تعداد ضربه‌ها و یادداشت تعداد ضربه وارد شده تا بسته شدن شیار میان نمونه
- تکرار آزمایش برای سه نمونه دیگر با رطوبت‌های مختلف
در انتهای آزمایش، نموداری بر حسب میزان رطوبت هر نمونه و تعدا ضربات رسم می‌شود. میزان رطوبت در تعداد ضربات ۲۵، حد مایع خاک است.
آزمایش حد خمیری
حد خمیری یا حد خمیری پایین، میزان رطوبتی است که خاک در آن از حالت خمیری به حالت نیمه جامد تغییر می‌کند. آزمایش حد خمیری بسیار ساده است. این آزمایش توسط غلتاندن (فیتیله کردن) نمونه‌های خاک با رطوبت‌های مختلف انجام می‌شود. مبنای توقف آزمایش، تکه شدن نمونه در حین غلتاندن است.
اگر نمونه در قطری بزرگ‌تر از ۳ میلی‌متر تکه شود، رطوبت خاک بیشتر از حد خمیری است. اگر نمونه در قطری کوچک‌تر از ۳ میلی‌متر تکه شود، رطوبت خاک کمتر از حد خمیری است. با تکرار چندین آزمایش و رسم نمودار نتایج به دست‌آمده، می‌توان حد خمیری (میزان رطوبت مورد نیاز برای تکه شدن نمونه در قطر ۳ میلی‌متر) را تعیین کرد. با تعیین حدود مایع و خمیری، شاخص خمیری نیز قابل محاسبه خواهد بود.
آزمایش حد انقباض
حد انقباض، میزان رطوبتی است که خاک در آن از حالت نیمه جامد به حالت جامد تغییر می‌کند. با گذر از حد انقباض، حجم توده خاک با کاهش رطوبت تغییر نخواهد کرد. آزمایش حد انقباض کمتر از آزمایش‌های حد مایع و حد خمیر مورد استفاده قرار می‌گیرد. تصویر زیر، تجهیزات مورد استفاده در آزمایش حد انقباض خاک را نمایش می‌دهد.
در آزمایش حد انقباض، نمونه‌ای از خاک مرطوب با جرم و حجم مشخص درون ظرف قرار می‌گیرد. سپس، ظرف درون آون قرار داده می‌شود تا رطوبت خود را از دست بدهد. جرم از دست رفته توسط ترازو و حجم از دست رفته توسط جیوه اندازه‌گیری می‌شود. با مشخص بودن این پارامترها، حد انقباض مطابق با رابطه زیر به دست می‌آید:
- M1: جرم نمونه مرطوب
- M2: جرم نمونه خشک
- V1: حجم نمونه مرطوب
- V2: حجم نمونه خشک
- ρw: چگالی آب
آزمایش تراکم خاک: محاسبه درصد تراکم خاک
آزمایش‌های تراکم خاک، روش‌هایی هستند که به منظور تعیین میزان تراکم و رطوبت مورد نیاز برای دستیابی به پارامترهای مقاومتی مورد نیاز مورد استفاده قرار می‌گیرند. اجرای این آزمایش‌ها، برای کنترل ایمنی سازه ضروری است. روش‌های مختفی برای اندازه‌گیری تراکم خاک به صورت برجا و آزمایشگاهی وجود دارند. در ادامه، متداول‌ترین این روش‌ها را معرفی می‌کنیم.
آزمایش تراکم پروکتور
«آزمایش تراکم پروکتور» (Proctor Soil Compaction Test)، یک روش متداول برای تعیین رطوبت بهینه برای حالتی است که خاک به بیشترین چگالی ممکن و حداکثر چگالی خشک می‌رسد. این آزمایش مطابق با روش آزمون استاندارد ASTM D698 و روش اصلاح شده آن مطابق با استاندارد ASTM D1557 انجام می‌شود. تصویر زیر، تجهیزات اصلی آزمایش تراکم پروکتور را نمایش می‌دهد.
مراحل کلی اجرای آزمایش تراکم پروکتور مطابق زیر است:
- ریختن نمونه خاک با رطوبت مشخص درون قالب تراکم
- وارد کردن ضربه به نمونه توسط چکش تراکم (تعداد مشخص)
- ریختن لایه‌های بعدی و تکرار مرحله قبل
- تکرار آزمایش برای نمونه‌هایی با رطوبت متفاوت
- رسم نمودار چگالی خشک به میزان رطوبت به منظور ایجاد منحنی تراکم
- یافتن حداکثر چگالی خشک و رطوبت مربوط به آن از روی نمودار
آزمایش مخروط ماسه
«آزماش مخروط ماسه» (Sand Cone Test)، یکی از روش‌های متداول برای اندازه‌گیری تراکم خاک به صورت برجا است. این آزمایش مطابق با استاندارد AASHTO T191 اجرا می‌شود. تصویر زیر، تجهیزات اصلی و نحوه اجرای آزمایش مخروط ماسه را نمایش می‌دهد.
مراحل کلی اجرای این آزمایش به صورت زیر است:
- ریختن ماسه با وزن مشخص درون مخروط با وزن مشخص
- کندن زمین به عمق ۱۰ تا ۱۲ سانتی‌متر و وزن کردن خاک برداشته شده
- قرار دادن مخروط بر روی محل کنده شده (مانند تصویر بالا)
- باز کردن شیر برای جاری شدن ماسه درون حفره
- بستن شیر پس از پر شدن کامل حفره
- وزن کردن ماسه باقی مانده
با انجام مراحل بالا، امکان محاسبه حجم حفره، چگالی مرطوب (برجا)، چگالی خشک و درصد تراکم خاک فراهم می‌شود.
آزمایش تحکیم: اندازه گیری نشست خاک
آزمایش تحکیم، روشی برای اندازه‌گیری تحکیم خاک بر اساس میزان و نرخ کاهش ارتفاع نمونه‌های استوانه‌ای خاک تحت بارگذاری است. به عبارت دیگر، هدف از این آزمایش، تخمین نشست خاک سازه یا فونداسیون خاکی است. روش‌های مختلفی برای اجرای این آزمایش وجود دارد. متداول‌ترین روش اجرای آزمایش تحکیم در استاندارد ASTM D2435 آورده شده است.
در این روش، از دستگاهی به نام «ادومتر» (Oedometer) استفاده می‌شود. تصویر زیر، نمونه‌ای از یک دستگاه ادومتر برای اجرای همزمان آزمایش تحکیم بر روی سه نمونه خاک را نمایش می‌دهد. آزمایش تحکیم، طی مراحل کلی زیر اجرا می‌شود:
- جانمایی نمونه خاکی با رطوبت و وزن مشخص درون ادومتر
- قرار دادن وزنه برای اعمال بار و اضافه کردن آب به مخزن
- شروع قرائت
- دو برابر کردن وزنه در بازه ۲۴ ساعته
- قرائت تغییر شکل پس از ۶، ۱۵ و ۳۰ ثانیه
- قرائت تغییر شکل پس از ۱، ۲، ۴، ۸، ۱۶ و ۳۰ دقیقه
- قرائت تغییر شکل پس از ۱، ۲، ۴، ۸ و ۲۴ ساعت
- رسم منحنی زمان-نشست
آزمایش ظرفیت باربری خاک: طراحی فونداسیون و روسازی جاده
ظرفیت باربری، یکی از مهم‌ترین ویژگی‌های ژئومکانیکی خاک است که توسط آزمایش‌های مختلفی مورد ارزیابی قرار می‌گیرد. روش آزمایش ظرفیت باربری خاک معمولا با توجه به کاربری مورد نظر انتخاب می‌شود. البته ظرفیت باربری توسط روش‌های غیر مستقیم و با تبدیل پارامترهای مقاومتی خاک نیز قابل محاسبه است. از متداول‌ترین روش‌های اندازه‌گیری ظرفیت باربری فونداسیون می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- «آزمایش بارگذاری صفحه‌ای» (Plate Load Test)
- «آزمایش بارگذاری شمع» (Pile Load Test)
- آزمایش نفوذ استاندارد: برجا
متداول روش برای اندازه‌گیری ظرفیت باربری روسازی‌های انعطاف‌پذیر، «آزمایش نسبت باربری کالیفرنیا» (California Bearing Ratio Test) یا آزمایش CBR است.
آزمایش بارگذاری صفحه ای
آزمایش بارگذاری صفحه‌ای، یک روش برجا برای تعیین ظرفیت باربری نهایی و نشست فونداسیون روی خاک‌های رسی و ماسه‌ای است. این آزمایش مطابق استاندارد ASTM D1194 اجرا می‌شود. نتایج آزمایش بارگذاری صفحه‌ای برای طراحی و انتخاب فونداسیون مورد استفاده قرار می‌گیرند. تصویر زیر، تجهیزات مورد نیاز برای اجرای این آزمایش را نمایش می‌دهد.
مراحل کلی آزمایش بارگذاری صفحه‌ای عبارت هستند از:
- کندن چاله به عمق فونداسیون موردنظر و ابعاد پنج برابر صفحه بارگذاری
- حفر مرکز چاله برای قرار دادن صفحه
- قرار دادن جک هیدرولیکی بر روی صفحه برای اعمال بارگذاری
- نصب نگهدارند (تیر یا خرپا) برای ثابت نگه داشتن جک در حین اجرای آزمایش
- بارگذاری ۷ کیونیوتن بر متر مربع و باربرداری پس از گذشت مدت مشخص
- اعمال باری بیشتر از بار ایمن (حدود ۲۰ درصد بیشتر)
- قرائت مقدار نشست از روی گیج‌ها پس از ۱، ۵، ۱۰، ۲۰، ۴۰ و ۶۰ دقیقه
- افزایش بارگذاری به مقدار ۲ کیلونیوتن بر متر مربع در هر بازه
- قرائت نشست در بازه‌های یک ساعته تا نشست ۲۵ میلی‌متر
آزمایش نسبت باربری کالیفرنیا
آزمایش نسبت باربری کالیفرنیا، روشی برای اندازه‌گیری مقاومت جاده و روسازی آن است. این آزمایش مطابق با استاندارد ASTM D1883 در آزمایشگاه مکانیک خاک اجرا می‌شود. طراحان با استفاده از نتایج آزمایش CBR، ضخامت روسازی جاده و لایه‌های مختلف آن را تعیین می‌کنند. تصویر زیر، تجهیزات مورد استفاده برای این آزمایش را نمایش می‌دهد.
مراحل کلی آزمایش CBR به صورت عبارت هستند از:
- نمونه‌برداری و آماده‌سازی نمونه (الک کردن، وزن کردن، مرطوب کردن)
- آماده‌سازی دستگاه و قالب
- تقسیم‌بندی نمونه به پنج بخش و ریختن لایه اول نمونه درون دستگاه
- ضربه زدن و تراکم نمونه
- ریختن لایه‌های بعدی و تکرار تراکم برای هر یک
- بارگذاری بر روی نمونه
- تماس میله نفوذ با نمونه و تنظیم بار برای نفوذ ۱.۲۵ میلی‌متر بر دقیقه
- قرائت بار پس از نفوذ ۰.۵، ۱، ۱.۵، ۲.۵، ۳، ۴، ۵، ۷.۵، ۱۰ و ۱۲.۵ میلی‌متر
آزمایش ضریب نفوذپذیری: اندازه‌گیری پارامترهای جریان آب در خاک
تعیین نفوذپذیری خاک معمولا مطابق با استاندارد ASTM D2434 و بر روی نمونه‌های استوانه‌ای خاک اجرا می‌شود. تصویر زیر، تجهیزات مورد استفاده در آزمایش نفوذپذیری خاک را نمایش می‌دهد.
مراحل کلی این آزمایش به صورت زیر هستند:
- قرار دادن نمونه درون یک پوشش نفوذناپذیر
- تزریق آب به درون محفظه
- باز کردن شیر پس از اشباع شدن نمونه (جریان یافتن آب از شیر پایینی)
- ثابت نگه داشتن تراز آب در مخزن با تزریق آب با دبی متناسب
- اندازه‌گیری آب خروجی در بازه‌های زمانی مشخص
- اندازه‌گیری اختلاف هد آب بین مانومترها (لوله‌های فشار سنج)
- تکرار دو آزمایش دیگر به طور مشابه با بازه‌های زمانی مشابه
- محاسبه شیب هیدرولیکی و ضریب نفوذپذیری