آزمایش تحکیم خاک

مقدمه :

وقتی خاک اشباع تحت بار گذاری قرار می گیرد ، در آغاز تمام بار گذاری توسط آب حفره ای تحمل می شود و به آن افزایش آب حفره ای می گویند . در صورتی که زهکشی انجام شود ، به مرور زمان حجم خاک کاهش می یابد که به آن تحکیم گفته ی شود و باعث نشست می گردد .از طرفی ممکن است خاک در اثر جذب آب حفره ای یا فشار آب حفره ای منفی افزایش حجم دهد که به آن تورم می گویند .

نرخ تغییر حجم نمونه تحت بارگذاری به نفوذ پذیری نمونه بستگی دارد ، از این رو آزمایش تحکیم معمولا در خاکهای با نفوذ گذیری کم ( مانند رس ) انجام می گیرد .

آزمایش تحکیم در واقع آزمایشی جهت بر آورد پارامترهای تحکیم یک بعدی ترازقی است که از حل همزمان دو معادله تعادل و پیوستگی به صورت تک بعدی حاصل شده است .

در مدلسازی رفتاری مصالح برخی مدلهای پلاستیک ، نظیر مدل حالت حدی ، پارامترهایی وجود دارد که با آزمایش تحکیم بر آورد می شوند . در بر آورد نشست تحکیمی و درجه تحکیم خاک همچنین طراحی چاههای زهکشی و تعیین میزان فشار آب حفره ای حین ساخت در هسته سدهای خاکی ، از آزمایش تحکیم استفاده می شود .

پارامترهای مهم خاک که از آزمایش تحکیم به دست می آید یکی اندیس های تراکم است که میزان تراکم پذیری نمونه خاک را مشخص می کند (Cc , Cr) و دیگری ضریب تحکیم (Cv) می باشد که شدت تراکم به علت بارگذاری را تعیین می کند .

برای تعیین میزان نشست خاکها به علت تحکیم از تئوری تحکیم ترازقی با فرضیات زیر استفاده می گردد :

1 . خاک همگن است .

2 . خاک اشباع است .

3 .زهکشی و تراکم یک بعدی است .

4 . خواص خاک ثابت است .

5 . منحنیe-log P یک خط راست را تشکیل می دهد .

در شکل ( 1 ) ، منحنی فشردگی نمونه خاک نسبت به جذر زمان رسم شده است . در این شکل ،d0 شروع فشردگی است .ds نقطه شروع اصلاح شده است که از امتداد مماس بر منحنی به دست آمده است .d100  نقطه 100% فشردگی و df حد نهایی آن است . فشردگی از  d0   تا   d100  تحکیم اولیه خوانده می شود و از d100 تا   df   تحکیم ثانویه خواهد بود .    d0    معمولا بالای  ds    قرار دارد . با اعمال بار گذاری ، تحکیم اولیه شروع می شود و بعد از اتمام تحکیم ، فشردگی ادامه می یابد . در این حالت هیچ نوع فشار هیدرو ستاتیکی اضافه یا محو نمی شود . در واقع این حالت تحکیم ثانویه است که به علت شکستگی تدریجی باندهای بین دانه ها یا زهکشی اب جذب سطحی خود ذرات است . محاسبات زمانی تئوری ترازقی فقط برای تحکیم اولیه صحت دارد . نسبت فشردگی اولیه به فشردگی نهایی (r) نمایانگر میزان فشردگی کل است که با تئوری ترازقی پوشش داده می شود . به عبارت دیگر هر چهr بیشتر شود ، تئوری ترازقی جوابهای بهتری می دهد. در غیر این صورت معمولا نشستی که پیش بینی می گردد بزرگتر از نشست واقعی خواهد بود .

 

شکل 1

روشن است که کلیه مواد تحت تأثیر تنش های وارده تغییر شکل می یابند ، یعنی اعمال تنش یعنی اعمال تنش همواره با تغییر شکل ماده ای که تنش به آن وارد شده همراه است و این تغییر شکل به دو صورت شکل می پذیرد :

1.        تغییر شکل الاستیکی یا راتجاعی

2.        تغییر شکل پلاستیکی یا خمیری

در مورد تغییرشکل الاستیکی یعنی تغییر شکلی که بعد از برداشتن نیرو جسم تغییر شکل یافته به حالت اولیه خود برمی گردد مثل فنر و لاستیک و . . . و در حالت دوم که پلاستیکی می باشد جسم بعد از برداشت نیرو به حالت اولیه خود بر نمی گردد و تنش وارده در جسم باقی می ماند مانند فولاد و . . . ، در محدوده تغییر شکل الاستیکی تغییر موقعیت ذرات جسم نسبت به هم است که بعد از برداشتن نیرو قادر هستند ذرات به موقعیت مکانی قبلی خود برگردند در حالیکه در تغییر شکل پلاستیکی ذرات جسم روی هم لغزیده و موقعیت مکانی جدیدی پیدا می کنند که پایدار بوده و با حذف تنش یا نیرو به حالت اولیه خود بر نمی گردند .

 خاکها مرکب از ذرات جامد کوچکی هستند که بطور مجزا اما در کنار همدیگر واقع شده اند و بهنگام اعمال تنش به این ذرات جامد منفرد مقداری تغییر شکل در ذرات ایجاد خواهد شد . معمولاَ تغییر شکل الاستیکی ذرات خاک بسیار کوچک بوده و اغلب در مقایسه با تغییر شکل پلاستیکی توده خاک که در اثر ارتعاش و تغییر موقعیت ذرات نسبت به هم یا در اثر پدیده تحکیم حاصل می شود قابل اغماض خواهد بود . از این نظر تغییر شکل ذرات توده خاک یا بهتر بگوییم نشست لایه های خاک تحت تأثیر نیروهای وارده بدو صورت انجام می پذیرد اول نشست الاستیکی که بلافاصله بعد از اعمال بار به وقوع می پیوندد و مقدار آن بستگی به کامل خواهد داشت به مقدار بار اعمال شده و جنس ذرات خاک  که این پدیده یعنی نشست الاستیکی معمولاَ در خاک های درشت دانه مثل شن و ماسه که در آنها پدیده تحکیم وجود ندارد و دارای اهمیت بیشتری است و دوم خنشست تحت تأثیر پدیده تحکیم که براثر خروج آب از لابلای خاکه های ریزدانه ( رسی و سیلتی رسی )حاصل می شود و وقوع آن ناگهانی نبوده و تابع زمان است و برعکس حالت الاستیکی وقوع آن ناگهانی نبوده وبلکه تدریجاَ و با پیشرفت زمان  رخ می دهد و سرعت آن نیز بستگی به شدت بار وارده و سرعت خروج ذرات آب از لابلای خاک مورد نظر است . با توجه به یان مهم ما در این آزمایش به بررسی پدیده تحکیم خاک در شرایط اشباع که ساختمان خاک دارای سست ترین پایداری را در مقابل بار وارده دارد می پردازیم .

1-         هدف آزمایش تحکیم  ـ استاندارد:

ASTM D2435 – 70  ,  AASHTO T216 - 6

این آزمایش جهت تعیین سرعت میزان نشست خاک در اثر فشردگی بکار می رود وقتیکه تحت تأثیر بار گذتری محوری از تغییر شکل افقی خاک جلوگیری بعمل آید و زهکشی در جهت قائم انجام شود و سپس تعمیم نتایج حاصل جهت عملیات اجرائی پروژه بر روی خاک مورد نظر ، که بشرح ذیل انجام می شود :

2-      ابزار مورد نیاز :

ابزاری که جهت انجام این آزمایش در کارگاه مورد استفاده قراردادیم به شرح ذیل است .

1.    الک نمره 4#

2.    زیر الکی

3.    درپوش الک

4.    چکش پلاستیکی جهت تراکم نمودن نمونه خاک

5.    پیستون به اندازه قطر رینگ جهت تراکم نمونه خاک

6.    دستگاه ادومتر با متعلقات

7.    ترازو با دقت 1/0 گرم

8.    کرنومتر

9.    ظرف تهیه نمونه

10.      کاردک جهت بهمزدن نمونه

11.      سینی

12.      تراز بنایی جهت تراز نمودن اهرم

13.      ظرف تهیه آب

14.      کاغذ و قلم و ماشین حساب

3-     روش آزمایش :

ابتدا با استفاده از الک نمره 4 به میزان محدود خاک با توجه به توضیحات ارائه شده تهیه و سپس با نظر به اینکه وزن مخصوص خاک تر جهت گروه ما و همچنین درصد رطوبت 9٪ و حجم رینگ نسبت به تهیه نمونه خاک اقدام کردیم که شرح محاسبات آن در قسمت محاسبات ارائه گردیده است ، سپس با خاک مورد نظر را روی سینی خال کرده و با کاردک اقدام به همزدن و همزمان ریخت میزان آب اقدام کردیم و مخلوط را آنقدر به هم زدیم تا رطوبت خاک در تمام ذرات آن به یک اندازه باشد . سپس نمونه را در لایه های جداگانه داخل رینگ ریخته و با پیستون و با ضربات چکش پلاستیکی آنرا متراکم نمودیم.

البته قبل از اینکه نمونه را داخل رینگ بریزیم رینگ خالی را وزن کردیم ، بعد آنکه تمام خاک  مورد نظر را داخل نمونه ریخته و متراکم نمودن آن  ، رینگ و مخلوط خاک را توزین کردیم سپس رینگ حاوی نمونه را داخل قالب دستگاه ادومتر گذاشته به دین طریق که ابتدا یک قطعه از سنگ تخلل را زیر نمونه گذاشته و سپس نمونه و رینگ و روی آن نیز یک قطعه سنگ متخلخل دیگر گذاشته و در قالب گذاشته و مهره ها را بسته و بعد از گذاشتن روی دستگاه در محل مربوطه داخل قالب  را پر از آب نمودیم تا نمونه تقریباّ اشباع گردد. البته بایستی نمونه حداقل 24 ساعت قبل داخل آب قرار می گرقت که بدیل ذیق وقت این قسمت انجام نشده بود و هر چند آزمایش دارای خطا خواهد بود ولی چاره ای نیست سپس با اندازه فشاری که بایستی بر سطح نمونه وارد می کردیم وزن مورد نیاز را روی اهرم دستگاه قراردادیم. اهرم دستگاه دارای سه حالت است که در حالت اول وزنه قرارگرفته روی میله ار 9 برابر و برای حالت دوم 10 برابر و برای حالت سوم 11 برابر می کند که ما آنرا در حالت سوم یعنی 11 برابر قرارداده و سپس با تراز و پیچ زیر اهرم ، اهرم را تراز کردیم وزنه این مرحله با توجه به اینکه می خواستیم 5/0 کیلوگرم بر سطح نمونه فشار وارد کنیم و با توجه به ضریب دستگاه و سطح نمونه که 18/44 سانتی متر مربع است ، وزنه 2 کیلوگرم را گذاشتیم .

بعد از آن متعلقات گیج را روی نمونه سوار کردیم در زیر پیستون یک پیستون هم قطر سنگ متخلخل گذاشتیم برای جلوگیری از شکستن سنگ وسپس پیستون را روی آن قرارداده و گیچ دستگاه را تنظیم نمودیم حال دستگاه آماده است و ما با بازکردن پیچ زیر اهرم دستگاه و همزمان بکار انداختن کرنو متر آزمایش را شروع کردیم و در فراصل زمانی 6 ، 15 و 30 ثانیه و 1 ، 2 ، 4 ، 8 ، 15 دقیقه گیج را قرائت کردیم البته این قرائت هابایستی برای زمانهای 30 دقیقه و 1 ، 2 ، 4 ، 8 و 24 ساعت نیز براساس استاندارد فنی آزمایش انجام می شد که همانگونه که عنوان شد بدلیل ذیق وقت فقط به همین 15 دقیقه بسنده کردیم سپس پیچ زیر اهرم را می بندیم تا اهرم در همان حالت باقی بماند سپس یک وزنه دو کیلوگرمی دیگر روی میله گذاشته و دو باره پیچ را باز کردیم و همزمان کرنومتر را نیز بکار انداختیم و مانند دفعه قبل در زمانهای مورد نظر تا 15 دقیقه گیج را قرائت کردیم البته در هر مرحله بایستی آخرین قرائت گیج مرحله قبل را بعنوان قرائت گیج در زمان صفر مرحله قبل منظور می کردیم . بعداز اتمام 15 دقیقه دو دوباره مانند مرحله قبل پیچ زیر اهرم را با تا زیراهرم رساندیم و سپس یک وزنه 4 کیلوگرمی روی میله اهرم گذاشته که با توجه به وزنه های مرحله های قبل جمعاَ 8 کیلو گرم روی میله اهرم بود سپس مانند مراحل قبلی پیچ را باز کرده و قرائت های تا 15 دقیقه انجام دادیم . بعداز اتمام مراحل وزنه هار از روی میله اهرم برداشته و سپس گیج و را خارج کرده و نمونه را از داخل قالب در آوردیم سپس رینگ به همراه نمونه را خارج کرده و آنرا توزین نمودیم البته براساس مراجع موجود بایستی نمونه را داخل اور قرار می دادیم که ما در آزمایشگاه این مرحله را انجام ندادیم و اگر قرار بود شرایط استاندارد رعایت شود زمانی در حدود 10 روز وقت نیاز است .

4-     اندازه گیری ها :

اندازه گیری های این آزمایش عبارتند از اندازه گیری وزن نمونه خاک خشک ، وزن آب ، وزن خاک مرطوب ، قرائت گیج ، مقادیر وزنه های هر مرحله زمان سنج و ... که از اندازه گیری ها مذکور در محاسبات مورد استفاده قرار گرقته است .

ارتفاع اولیه	mm 20	وزن نمونه مرطوب قبل از آزمایش	197
وزن نمونه خشک	160.1	وزن نمونه بعد از آزمایش	179.27

قرائت  گیج
Kg 2	Kg 1	Kg 0.5
47	32	19	"6
48	32.5	20	"15
48.5	33	20	"30
49	33	20	َ1
50	33.5	20	َ2
50	34	20.5	َ4
51	34	20.5	َ8
51	34.5	21	َ15

5-      محاسبات :

محاسبات مورد نیاز آین آزمایش به شرح ذیل انجام گردیده است :

                                     أ‌-       محاسبه وزن خاک و آب مورد نیاز با توجه به ارقام داده شده توسط اساتید آزمایشگاه با استفاده از فرمولهای زیر محاسبه و در جدول شماره 11 ـ 1  نتایج ارائه شده است .

 

                                                                         

          

                                  ب‌-     با داشتن حجم رینگ و وزن نمونه خاک مورد نیاز جهت استفاده در آزمایش را محاسبه و وزن  و آب مورد نیاز را نیز محاسبه کردیم با استفاده از فرمولهای زیر نتایج ارائه شده است .

وزن خاک مورد نیاز =

وزن آب =

                                                        ت‌-                     پس از آماده نمودن نمونه ، نمونه را در رینگ  ریخته و پس از تراکم در دستگاه ادومتر گذاشتیم و  برای فشارهای 5/0 ، 0/1 ، 0/2 کیلوگرم بر سانتیمتر مربع با توجه به سطح رینگ محاسبه میزان وزنه مورد نیاز را انجام داده و با استفاده از قرائت گیج در هر مرحله وزنه گذاری محاسبات مربوطه را انجام دادیم. که برای محاسبه میزان وزنه مورد نیاز که بایستی روی میله اهرم دستگاه می گذاشیم از رابطه زیر محاسبه کردیم که به ترتیب مقادیر 2 ، 4 ، 8 کیلوگرم بدست آمد :

 

جدول 1

بار	قرائت شروع	قرائت انتها	∆H	∆e	e	ε	ارتفاع متوسط
0	0	0	0	0	0.519	0	2
0.5	0	21	0.021	0.016	0.503	0.0105	1.9895
1	21	34.5	0.0345	0.026	0.493	0.01725	1.97225
2	34.5	51	0.051	0.039	0.48	0.0255	1.95725

جدول 2

ردیف		زمان (دقیقه)	بار اعمال شده بر سطح نمونه		بار اعمال شده بر سطح نمونه		بار اعمال شده بر سطح نمونه
			h0/5 Kg /Cm^2		h 1/0 Kg /Cm^2		h 2/0 Kg /Cm^2
			قرائت گیج	تغییر ضخامت	قرائت گیج	تغییر ضخامت	قرائت گیج	تغییر ضخامت
		t	0/01mm	mm	0/01mm	mm	0/01mm	mm
1	0	۰:۰۰:۰۰	0.0	20.00	21.0	19.79	34.5	19.66
2	1	۰:۰۰:۰۶	19	19.81	32	19.68	47	19.53
3	2	۰:۰۰:۱۵	20	19.80	32.5	19.68	48	19.52
4	3	۰:۰۰:۳۰	20	19.80	33	19.67	48.5	19.52
5	4	۰:۰۱:۰۰	20	19.80	33	19.67	49	19.51
6	5	۰:۰۲:۰۰	20	19.80	33.5	19.67	50	19.50
7	6	۰:۰۴:۰۰	20.5	19.80	34	19.66	50	19.50
8	7	۰:۰۸:۰۰	20.5	19.80	34	19.66	51	19.49
9	8	۰:۱۵:۰۰	21	19.79	34.5	19.66	51	19.49

جدول 3

ردیف	زمان (دقیقه)
			0.5 kg	1 kg	2 kg
		جذر زمان	تغییر ضخامت	تغییر ضخامت	تغییر ضخامت
	t		mm	mm	mm
1	0	0	20.00	19.79	19.66
2	0.1	0.316228	19.81	19.68	19.53
3	0.25	0.5	19.80	19.68	19.52
4	0.5	0.707107	19.80	19.67	19.52
5	1	1	19.80	19.67	19.51
6	2	1.414214	19.80	19.67	19.50
7	4	2	19.80	19.66	19.50
8	8	2.828427	19.80	19.66	19.49
9	15	3.872983	19.79	19.66	19.49
10	30	5.477226	19.78	19.65	19.48

                                                        ث‌-                     پس از محاسبه قرائت ها بایستی نمودار تغییرات را رسم میکنیم که برای بدست آوردن Cv که برای این محاسبه دو روش رسم نمودار است که یکی با استفاده از جذر زمان و تغییرات ضخامت نمونه و دیگری لگاریتم زمان و تغییرات نمونه که ما برای این آزمایش از روش جذر زمان استفاده کردیم که نمودار های مربوطه به شـماره های 11 ـ 1 تا 11 ـ4 ارائه شده است پس از رسم نمودار از قسمت عمود نمودار که دارای خط راستی است خطی به محور زمان وصل کرده و به 15 درصد شد از محل تلاقی با محور زمان خطی به R0 وصل می کنیم محل تلاقی این خط با منحنی t90 است که با رسم یک خط موازی محور زمان مقدار آن را در روی محور تغییرات بدست آوردیم و با استفاده از فرمول زیر مقدار t100 را محاسبه نمودیم بدین گونه با توجه به اینکه تحکیم اولیه یک نهم بیشتر از تغییر ضخامت در R90-R9 است پس می توان با استفاده از رابطه زیر R100 را بدست آورد  .

پس از محاسبه t50 با استفاده از فرمول زیر مقادیر Cv را محاسبه کردیم.

 

نمودار تغییر شکل- جذر زمان برای kg 0.5

نمودار تغییر شکل- جذر زمان برای kg 1

نمودار تغییر شکل- جذر زمان برای kg 2

با توجه به اینکه زمان برا ی انجام آزمایش کافی نبود و فقط 15 دقیقه زمان داشتیم باید برای سایر زمان ها عددسازی میکردیم تا بتوانیم CV را محسابه کنیم. با توجه به جدول 1 و عدد سازی زیر داریم:

6-     بررسی خطا :

خطا ها در این آزمایش با توجه نوع آزمایش به شرح موارد زیر می باشد :

1.        ناشی از خطا عدم محاسبه دقیق نمونه

2.        ناشی از خطای عدم توزین دقیق نمونه و آب

3.       ناشی از خطای عدم قرائت دقیق گیچ

4.       ناشی از خطای عدم برقراری شرایط استاندارد جهت انجام آزمایش

5.      ناشی از خطای انسانی (خطای آزمایش کنندگان )

6.      ناشی از خطای ترازو علاوه بر مورد اشاره شده در بالا

7.       ناشی از خطای لرزش غیر منتظره دستگاه و در نتیجه به هم خوردن عرقبه های گیج

8.      ناشی از خطای عدم دقت در محاسبات ، رسم نمودار و دقیق نبودن میزان t90 و در نتیجه غیر واقعی بودن مقدار Cv

9.        ناشی از خطای عدم اختلاط دمطلوب نمونه خاک و آب و عدم رعایت یکنواختی میزان تراکم

7-     نظرات شخصی :

با توجه به اینکه آزمایش مورد نظر می بایست در شرایط استاندارد انجام شود و بطور مثال نمونه قبل از بارگذاری بایستس به مدت 48 ساعت در محیط اشباع قرار گیرد پیشنهاد می گردد که در صورت امکان حداقل با گروه های آزمایش کننده هماهنگی شود که 48 ساعت قبل از انجام آزمایش جهت تهیه نمونه به آزمایشگاه مراجعه نمایند تا حداقل یان شر که امکان اجرای آن می باشد اجرا گردد تا در نهایت به جواب مطلوبتری برسیم وهچنین با توجه به اینکه نمونه خاک برای همه گروه ها یکسان بود پیشنهاد می شود در صورت امکان یک نمونه از خاک را با توجه به استانداردهای ازمایش آزمایش کرده و نتایج حاصل در اختیار گروه ها جهت مقایسه نتایج بدست آمده قرار گیرد .