آزمایش حدود آتربرگ

آزمایش حدود آتربرگ

الف – مقدمه

اصطلاح پلاستیسیته در مورد سیلتها و رس‌ها بکار می‌رود و بیانگر قابلیت لوله شدن و شکل پذیری بدون خرد شدن می‌باشد. حدود آتربرگ به عنوان درصد رطوبت متناظر با شرایط رفتاری متفاوت سیلتها و رس‌ها تعریف شده است. اگر چه در اصل، شش محدوده توسط آلبرت آتربرگ (۱۹۱۱) تعریف گردیده است، در مهندسی ژئوتکنیک اصطلاح حدود آتربرگ تنها به حد روانی (LL) ، حد خمیری (PL) و حد انقباض (SL) که به شرح ذیل تعریف گردیده‌اند اطلاق می‌گردد.

þ حد روانی : درصد رطوبت متناظر با تغییر رفتار بین حالتهای روان و خمیری سیلت یا رس می‌باشد. حد روانی به طور قراردادی به عنوان درصد رطوبتی که در آن یک توده شیار داده شده توسط شیارکشی با ابعاد استاندارد،‌ درون دستگاه حد روانی استاندارد در اثر ۲۵ ضربه در طولی معادل ۷/۱۲ میلیمتر (۵/۰ اینچ) به هم برسد تعریف گردیده است(ASTM D ۴۳۱۸-۹۸،۲۰۰۰).

þ حد خمیری : درصد رطوبت متناظر با تغییر رفتار بین حالتهای خمیری و نیمه جامد سیلت یا رس می‌باشد. حد خمیری به صورت قراردادی به عنوان درصد رطوبتی تعریف میشود که در آن یک نمونه سیلت یا رس بهنگام مالش دادن جهت ایجاد یک فتیله به قطر ۲/۳ میلیمتر ( <!--[if !vml]--><!--[endif]--> اینچ) شروع به تکه تکه شدن می‌کند (ASTM D ۴۳۱۸-۹۸،۲۰۰۰).

þ حد انقباض : درصد رطوبتی است که در آن تبدیل حالتهای نیمه جامد به جامد یک سیلت یا رس صورت میگیرد. حد انقباض را همچنین میتوان بعنوان درصد رطوبتی که کاهش بیشتر از آن درصد رطوبت منجر به کاهش حجم توده خاک نشود تعریف نمودD ۴۹۴۳-۹۵،۲۰۰۰) یا (ASTM D۴۲۷-۹۸. حد انقباض به دلیل مشکلات آزمایش و کاربرد محدود اطلاعات حاصله، عملاً‌ به ندرت انجام می‌شود.

چون حد روانی و حد خمیری معمولترین حدود آتربرگ مورد استفاده می‌باشند، بحث ذیل محدود به روش آزمایش و محاسبات این دو آزمایش می‌‌باشد.

ب- روش آزمایش

گام اول در آزمایشهای حد خمیری و در حد روانی، آماده‌سازی نمونه بشرح زیر می‌باشد.

۱. یک قسمت از خاک مورد استفاده جهت آزمایشهای دانه‌بندی و هیدرومتری می‌‌بایست برای حدود آتربرگ کنار گذاشته شود. سه حالت برای آزمایش خاک محتمل است:

a. خاک غیرپلاستیک (NP) : چنانچه خاک غیر پلاستیک باشد، ‌آزمایشهای حدود آتربرگ انجام نمی‌گیرد. در بسیاری موارد، غیر پلاستیک بودن خاک از ظاهر آن مشهود است چون نمی‌توان آنرا شکل داد و یا فتیله نمود. اگر چه احتمال اینکه بدلیل خشکی و یا شکنندگی، بعضی خاکها را اشتباهاً غیر پلاستیک فرض نمود وجود دارد. به چنین خاکهائی جهت اطمینان از اینکه قابلیت فتیله شدن و یا شکل‌پذیری در هیچ درصد رطوبتی را ندارد، می‌بایست آب اضافه نمود. همچنین ممکن است پس از اتمام آزمایشهای حدود آتربرگ، نتایج نهائی نشان دهنده این باشد که حد خمیری مساوی و یا بزرگتر از حد روانی است. چنین خاکی نیز می‌بایست به عنوان غیر پلاستیک طبقه‌بندی گردد.

b. خاک حاوی درصد بالای ریزدانه : این روش در صورتیکه نتایج تحلیل دانه‌بندی حاکی از این باشد که ۱۰۰ درصد ذرات خاک ریزتر از الک ۴۰ است بکار می‌رود. در حدود ۱۵۰ الی ۲۰۰ گرم خاک مرطوب جهت آزمایشهای حدود خمیری و روانی لازم است. خاک می‌بایست به طور کامل مخلوط شده و مقداری آب مقطر برای ایجاد حالت خمیری در خاک اضافه شود. سپس می‌بایست خاک را در یک ظرف مقاوم در برابر تبخیر نگهداری نمود و اجازه داد تا در طی شب رطوبت آن یکنواخت گردد.

c. حالت میانه : حالت میانه در مورد خاکی به کار می‌رود که حاوی ذرات روی الک ۴۰ بوده و در عین حال چسبنده نیز می‌باشد (شکل پذیر بوده و فتیله می‌شود). در این مورد، خاک می‌بایست ابتدا روی الک ۴۰ به صورت مرطوب الک شود(روش آماده‌سازی مرطوب). هدف از اینکار جدا نمودن ذرات درشت تر خاک است که روی حدود آتربرگ تاثیر می‌گذارند.

الک شماره ۴۰ حاوی خاک مرطوب را در یک ظرف قرار دهید. سپس خاک را به طور دستی توسط مالش آرام خاک با نوک انگشتان روی الک خرد نموده و ذرات ریزتر از الک ۴۰ را به کمک آبفشانِ حاوی آب مقطر بشوئید (روش شستشو مشابه آزمایش هیدرومتری می‌باشد). هنگامیکه تمام ذرات ریز خاک از الک شماره ۴۰ شسته شدند،‌ ذرات درشت خاک باقیمانده روی الک شماره ۴۰ را دور بریزید. گام بعدی خشک کردن آب اضافی خاک است. ASTM‌ پنج روش متفاوت خشک کردن آب اضافه را ذکر نموده است(ASTM D ۴۳۱۸-۹۸،۲۰۰۰ بخش ۳-۲-۱-۱۰ را ببینید). ولی آسانترین راه، قرار دادن ظرف حاوی خاک و آب مقطر در قسمت بالای یک آون گرم می‌باشد. خاک نمی‌بایست به طور کامل خشک شود، بلکه بهتر است ظرف را هراز چند گاهی کنترل نمود و مخلوط آب-خاک را برای جلوگیری از تشکیل پوسته سطحی بهم زد. خاک را می‌بایست مانند آنچه در شکل شماره ۱ نمایش داده شده تا رسیدن به حالت خمیری خشک نمود. در حدود ۱۵۰ الی ۲۰۰ گرم از خاک مرطوب جهت حدود خمیری و روانی مورد نیاز می‌باشد.

<!--[if !vml]--><!--[endif]-->

شکل ۱ : خاک عبوری از الک شماره ۴۰

۲. سپس خاک حاصل از گامهای b‌۱ یا c۱ را به طور کامل مخلوط کرده و به دو قسمت تقسیم کنید. قسمت اول را برای آزمایش حد روانی و قسمت دوم را برای آزمایش حد خمیری استفاده نمائید.

۳. آزمایش حد روانی : گام اول در آزمایش حد روانی، قرار دادن خاک درون دستگاه حد روانی می‌باشد. خاک را می‌بایست درون جام دستگاه حد روانی فشرد و سپس به منظور ایجاد سطحی هموار و تراز که در مرکز، عمقی در حدود ۴/۰ اینچ (۱۰ میلیمتر) دارد پهن نمود. هدف از اینکار قرار دادن خاک مرطوب در جام حد روانی، بدون حبس نمودن حبابهای هوا می‌باشد. سپس از یک شیارکش (شکل شماره ۲) جهت ایجاد شیاری از بالا تا پایین خاک استفاده کنید. شیارکش می‌بایست فقط خاک را ببرد و نمی‌بایست خاک واقع در دو طرف شیار را جابجا کند. هنگامیکه شیار ایجاد شد، خاک آماده آزمایش می‌باشد. حرکت رو به بالا و سقوط جام حد روانی از طریق چرخاندن دسته آن با سرعتی معادل ۲ ضربه در ثانیه انجام می پذیرد تا هنگامیکه دو نیمه خاک در طولی معادل ۵/۰ اینچ به هم برسند (شکل شماره ۳). نمونه‌ای از خاک درون جام حد روانی را برداشته، در ظرفی تمیز و خشک قرار داده و جرم خاک و ظرف را روی برگه داده‌ها (شکل شماره ۳) ثبت نمائید.

<!--[if !vml]--><!--[endif]-->

<!--[if !vml]--><!--[endif]-->

شکل ۲ : آزمایش حد روانی؛ تصویر بالا دستگاه حد روانی حاوی خاک و شیارایجاد شده درون خاک را نشان می‌دهد (شیارکش در سمت راست عکس می‌باشد) تصویر پایین، خاک را پس از انجام آزمایشات نشان می‌دهد (بعبارت دیگر پس از حرکت رو به بالا و سقوط جام حد روانی)

شماره پرونده: نام پروژه: محل نمونه‌برداری: تاریخ:

درصد رطوبت حد روانی :

شماره آزمایش	۱	۲	۳	۴	۵
شماره ظرف

جرم ظرف (MC)

جرم ظرف + جرم مرطوب (MWC)

جرم ظرف + خاک خشک(Mdc)

جرم آب(MW)

جرم خاک خشک(MS)

درصد رطوبت = MW/MS

تعداد ضربات

درصد رطوبت :

تعداد ضربات

درصد رطوبت حد خمیری

شماره آزمایش	۱	۲	۳	۴	۵
شماره ظرف

جرم ظرف (MC)

جرم ظرف + خاک مرطوب (MWC)

جرم ظرف + خاک خشک(Mdc)

جرم آب(MW)

جرم خاک خشک(MS)

درصد رطوبتMW/MS

خلاصه نتایج :

‌= (PI) نشانه خمیری

=(PI) حد خمیری

=(LL) حد روانی

شکل ۳ : نمونه برگ محاسبات حد روانی و حد خمیری.

نمونه خاک را در طول شب در یک آون تحت دمای ۱۱۰ درجه سانتیگراد قرار دهید. جام حد روانی را تمیز نموده و گام سوم را با درصد رطوبتی متفاوت تکرار نمائید. چنانچه در بار اول بیش از ۲۵ ضربه برای بسته شدن شیار مورد نیاز بود به منظور افزایش درصد رطوبت خاک، مقداری آب مقطر اضافه نمائید و آنرا کاملاً‌ مخلوط کنید. اگر کمتر از ۲۵ ضربه برای بسته شدن شیار مورد نیاز بود خاک را جهت کاهش درصد رطوبت، در هوا خشک نمائید. در حالت ایده‌آل می‌بایست ۳ آزمایش انجام شود که یکی دارای ۱۵ الی ۲۵ ضربه، دیگری دارای ۲۵ الی ۳۵ ضربه و سومی دارای ضرباتی در محدوده ۱۵ الی ۳۵ باشد. توجه کنید که دستگاه حد روانی و شیارکش می‌بایست در وضعیت کاری مناسبی نگهداری شوند. به طور مثال ارتفاع سقوط جام حد روانی از نقطه برخورد جام می‌بایست ۱ سانتیمتر باشد؛ این ارتفاع را می‌بایست قبل از انجام آزمایش کنترل نمود.

روشهای کالیبراسیون در بخش نهم ASTM D ۴۳۱۸-۹۸(۲۰۰۰) ذکر گردیده‌اند. مثلاً شیارکش را می‌بایست برای اطمینان از اینکه مستعمل نبوده و ایجاد با عرض شیاری بیش از ۲ میلیمتر نمی‌نماید کنترل نمود. مشخصات لازم و نیز ابعاد دستگاه حد روانی و شیارکش در ASTM D ۴۳۱۸(۲۰۰۰)‌ آمده است.

۱. آزمایش حد خمیری. گام اول در آزمایش حد خمیری خشک کردن یک تکه ۲ گرمی از خاک (حاصل از گام ۲) در هوا است طوریکه دیگر به انگشتان نچسبد. سپس خاک را جهت فتیله کردن بر روی یک صفحه شیشه‌ای (شکل شماره ۴) بغلتانید. غرض از غلتاندن خاک، کاهش درصد رطوبت آن تا حدی است که فتیله قطری معادل <!--[if !vml]--><!--[endif]--> اینچ (۲/۳ میلیمتر) پیدا کرده و سپس ترک بخورد (تکه تکه شود). شکل شماره ۴، این عملیات را نمایش می‌دهد که در‌ آن، فتیله خاک بالائی هنوز خیلی مرطوب بوده،‌ فتیله خاک وسطی در حال رسیدن به حد خمیری است و فتیله خاک پائینی به حد خمیری رسیده و در قطری برابر <!--[if !vml]--><!--[endif]--> اینچ تکه تکه شده است. قطعات تکه تکه شده خاک جمع‌آوری شده و درصد رطوبت آن اندازه‌گیری می‌شود.

معمولاً‌ روش ذکر شده در بالا برای یک نمونه ۲ گرمی دیگر از همان خاک برای کنترل نتایج آزمایش تکرار می‌شود. داده‌های آزمایش حد خمیری بر روی قسمت مربوطه در شکل شماره ۳ ثبت می‌گردد. تصویر صفحه بعد، خاک را پس از انجام آزمایش نشان می‌دهد (پس از حرکت رو به بالا و سقوط جام حد روانی).

چنانکه در گام ۱ (مطابق با ASTM) ذکر گردید حد خمیری و روانی می‌بایست تنها بر روی قسمتی از خاک که از الک شماره ۴۰ (۴۲۵/۰ میلیمتر) عبور کرده انجام شود در مورد بسیاری از خاکها، بخش قابل توجهی از نمونه خاک (به عبارت دیگر ذرات خاک درشت‌تر از الک ۴۰) به هنگام آزمایش کنار گذاشته می‌شود. این موضوع می‌تواند در زمان طبقه‌بندی خاک موجب مشکلاتی شود.

<!--[if !vml]--><!--[endif]-->

شکل ۴ : آزمایش حد خمیری؛ فتیله بالائی هنوز خیلی مرطوب است، فتیله وسطی خاک در حال رسیدن

به حد خمیری است،‌ فتیله پائینی خاک به اندازه کافی خشک شده و به حد خمیری رسیده است.

ج- محاسبات

حد روانی : پس از اینکه نمونه‌های حاصل از گام۳ درطول شب داخل آون خشک گردید، درصد رطوبت هر نمونه محاسبه می‌گردد و با استفاده از کاغذ نیمه لگاریتمی نشان د‌اده شده در شکل شماره ۳، نقاط متناظر درصد رطوبت نسبت به تعداد ضربات رسم میگردد. داده‌ها می‌بایست حاکی از این باشد که با افزایش تعداد ضربات مورد نیاز جهت بسته شدن شیار، درصد رطوبت کاهش یابد. مناسبترین خط مستقیم از میان نقاط، ترسیم شده و درصد رطوبت متناظر با ۲۵ ضربه به عنوان حد روانی تعریف می‌گردد. حد روانی معمولاً‌ به صورت نزدیکترین عدد کامل گزارش می‌گردد.

حد خمیری : چنانکه قبلاً‌ اشاره شد، حد خمیری بصورت درصد رطوبتی که در آن، یک فتیله خاک چسبنده <!--[if !vml]--><!--[endif]--> اینچی (۲/۳ میلیمتر) قطعه قطعه شده و دیگر نتوان آنرا گلوله و فتیله نمود، تعریف میشود. حد خمیری معمولاً‌ جهت کنترل دوباره نتایج تکرار می‌گردد. از دو درصد رطوبت حاصله، میانگین گرفته شده و مانند حد روانی، به صورت نزدیکترین عدد کامل گزارش می‌گردد.

د- اشتباهات معمول

بر اساس Rollings and Rollings(۱۹۹۶) اشتباهات معمول آزمایشگاهی شامل این موارد است:‌

۱. نمونه غیر معرف (نمونه خاک می‌بایست برای هر دو آزمایش حد روانی و خمیری یکسان باشد)

۲. نمونه‌هائی که بطور مناسب آماده سازی و نگهداری نشده‌اند.

۳. اندازه‌گیری غلط درصد رطوبت.

سایر اشتباهات معمول آزمایشگاهی در آزمایش حد روانی عبارتند از :

وسایل آزمایش به طور نامناسب یا بد کالیبره شده باشند؛ استفاده از وسایل مستعمل آزمایشگاهی؛ وجود خاک در نقطه تماس بین جام حد روانی و پایه پلاستیکی وسیله آزمایش؛ از دست رفتن رطوبت در حین آزمایش سایر اشتباهات معمول آزمایشگاهی آزمایش حد خمیری عبارتند از: قطر نامناسب فتیله نهائی؛ متوقف کردن زودتر از موعد عملیات غلتاندن و فتیله کردن (دست نیافتن به حد خمیری)

ه- نشانه خمیری و روانی

میزان خمیری یک خاک، نشانه خمیری است که به صورت زیر تعریف می‌گردد.

PI=LL-PL

PI اغلب به صورت عدد گرد شده بیان میگردد. نشانه خمیری به دلیل مرتبط بودن با پارامترهای مهندسی متعدد خاک دارای اهمیت بسیاری بوده و در سیستم طبقه‌بندی خاک مورد استفاده قرار می‌گیرد. پارامتر مفید دیگر، نشانه روانی (LI) است که بدین صورت تعریف می‌گردد:

LI= <!--[if !vml]--><!--[endif]-->

نشانه روانی را می‌توان برای تشخیص رس‌های حساس مورد استفاده قرار داد. برای مثال، رس‌های سریع اغلب دارای درصد رطوبتی بالاتر از حد روانی می‌باشند و در نتیجه نشانه روانی آنها بزرگتر از ۱ است. در مقابل این نوع رس‌ها،‌ رس‌هائی وجود دارند که نشانه روانی آنها صفر و یا حتی منفی است. این مقادیرِ نشانه روانی حاکی از خاکی خشک بوده و می‌تواند دارای پتانسیل تورم قابل توجهی باشد. طبق ASTM، حدود آتربرگ بر روی خاک ریزتر از الک شماره ۴۰ انجام میگردد اما آزمایش درصد رطوبت بر روی خاک حاوی ذرات درشت‌تر خاک انجام می‌گیرد؛ لذا نشانه روانی می‌بایست فقط برای خاکی که تمام ذراتش ریزتر از الک شماره ۴۰ باشند محاسبه گردد.

مسائل

۱- شکل شماره ۶ نتایج دانه‌بندی خاک حاصل از عمق ۸ فوتی گمانه ۷ را ارائه می‌دهد. منحنی توزیع دانه‌بندی را برای این خاک بدست آورید. جواب : حل مسئله در ضمیهE و منحنی توزیع دانه‌بندی در شکل شماره ۷ می‌باشد.

۲- شکلهای شماره ۸ و ۹ نتایج دانه‌بندی و تحلیل هیدرومتری خاک حاصل از عمق ۱۴ فوتی گمانه را ارائه می‌دهند. منحنی توزیع دانه‌بندی این خاک را تعیین نمائید و همچنین ضریب یکنواختی Cu‌ و ضریب انحناءCc را محاسبه نمائید. جواب : حل مسئله در ضمیه E‌ و منحنی توزیع دانه‌بندی و مقادیر محاسبه شده Cu و CC در شکل شماره ۷ می‌باشد.

۳- شکل شماره ۱۰ نتایج آزمایشهای حدود آتربرگ را ارائه می‌دهد. منحنی توزیع دانه‌بندی این خاک در شکل شماره ۱۱ نمایش داده شده است. حد خمیری، حد روانی و نشانه خمیری را برای این خاک تعیین نمائید، همچنین فعالیت ذرات رس و به کمک شکل شماره ۵ نوع ذرات رس را تعیین نمائید. جواب : حدود آتربرگ در ضمیمه E‌ می‌باشد. فعالیت =۴/۱ و طبق شکل ۱۵-۴ ذرات رس مونتموریونیت می‌باشند.