آزمایش تراکم

1- مقدمه

 تراکم عباتست از کاهش دادن حجم خاک در اثر خارج ساختن هوا با استفاده از اعمال نیرو. که در این حالت اصطکاک بین ذره ها بیشتر میشود و وزن واحد آن زیاد میشود.و این وزن معیار تراکم خاک است.

تراکم به منظور افزایش مقاومت نیروی برشی است و کاهش نفوذپذیری که این به علت این است که منافذ خاک کوچکتر میشود و در نتیجه آب از این منافذ مشکلتر است.در خاکهای رسی یک مشکل وجود دارد و آن افزایش پتانسیل تورم.

عوامل موثر در تراکم خاک بستگی دارد به : 1-نوع خاک 2-انرژی 3-رطوبت 4- دانه بندی مصالح

در این جا به نوع خاک اشاره شد. نحوه تراکم خاکها با توجه به مشخصات فیزیکی آن مختلف است. اینها عبارتنداز تراکم خاکهای غیر چسبنده و تراکم خاکهای چسبنده.

-       تراکم خاکهای غیر چسبنده (شن و ماسه): خاکهای غیر چسبنده معمولا از ذرات درشت دانه و نسبتا کروی شکل تشکیل میشوند و درجه ترکم آنها بستگی به طرز قرار گرفتن ذرات در کنار یکدیگر دارد. از آنحایی که ذرات تقریبا غیر قابل تغییر شکل و تراکم ناپذیر هستند استفاده از ارتعاش و لرزه بهترین وسیله جهت متراکم کردن اینگونه خاکها میباشد.

نوع ماسه	روش ایجاد تراکم
ماسه خشک	ارتعاش
ماسه مرطوب	استغراق+ارتعاش
ماسه مستغرق	ارتعاش

روشهای تراکم خاکهای درشت دانه

-                         تراکم خاکهای چسبنده (سیلت و رس): به علت ساختمان خاص ذرات ریز دانه چسبنده مثل سیلت ریز و رس تراکم آنها به وسیله ارتعاش مقدور نیست و بار یا فشار استاتیک بهترین وسیله برای تراکم این گونه خاکهاست. برای نشان دادن تراکم پذیری این گونه خاکها تحت فشار میتوان مقداری آب به توده ای از خاک میکا افزود و آنرا در یک لیوان قرار داد.چنانچه با یک استوانه فلزی مقداری فشار روی سطح خاک در لیوان وارد اید مشاهده خواهد شد که سطح خاک نشست قابل ملاحظه ای نموده است یعنی تحت تاثیر فشار استاتیک متراکم شده است.

با انرژی های مختلف میتوان تراکم های مختلف داشته باشیم.از طرفی برای تراکم کردن خاک میتوان رطوبت را نیز زیاد کرد. و برای این که پروژه ای از لحاظ اقتصادی مقرون به صرفه باشد باید مقدار رطوبت به حد اپتیمم باشد.

در بسیاری از سازه‌های خاکی، مثلا سدها، دیوارهای حائل ، بزرگراهها ، فرودگاهها و … ، متراکم کردن خاک یک امر ضروری جهت بهبود مقاومت خاک می‌باشد. متراکم نمودن خاک که عبارت است از قرار دادن خاک در یک موقعیت چگالتر، به چند دلیل مطلوب است.

تراکم خاک باعث افزایش و بهبود مشخصه های مقاومتی آن و در نتیجه بالا رفتن ظرفیت بار بری شالوده های احداثی بر روی آنها می شود. در احداث راه ها ، خاکریز ها ، سدهای خاکی و . . . که عموماَ بر روی بستر های خاکی ساخته می شوند و مصالح بکار رفته در اغلب آنها از جنس خاک می باشد بهینه سازی ساختمان و بافت خاک بنحوی که مقاومت بارگذاری مورد انتظار را داشته باشد ، بسیار مهم و حائز اهمیت است.

عمل تراکم باعث کاهش نشست های ناخواسته ی سازه ها و افزایش پایداری شیروانی خاکریزها می گردد . مهمترین موارد استفاده  مصالح خاکی در احداث خاکریز جاده ها ، پشت پل ها ، پشت دیوارهای حائل ، سدهای خاکی ، دایک ها ، ایجاد تراس در شیب ها ، زیر سازی خاکریز های مناطق مسکونی و . . . است که جهت تحکیم خاک بسته به نوع کاربری و اهمیت سازه احداثی ، روشهای گوناگونی به کار می رود ، بعنوان مثال در بعضی از سازه ها با فرود آوردن وزنه های سنگین از یک ارتفاع مشخص ( تراکم دینامیکی ) و یا با ریختن لایه های متعدد خاک و کوبیدن آنها با انواع غلطک ها متراکم می گردد که در اکثر این موارد با استفاده از مرطوب نمودن خاک خاصیت جابجائی و تراکمی آن  را افزایش می دهند . عملیات فوق الذکر با استفاده از عوامل مکانیکی است که با انرژی تراکم استاتیکی یا لرزشی انجام می گیرد و روشهای دیگری نیز جهت بهبود وضعیت ساختمان فیزیکی خاک نیز استفاده می گردد ، روشهای شیمیایی یکی دیگر از

روشهای افزایش تراکم است که با استفاده از تزریق مواد شیمیایی به خاک صورت می گیرد  اضافه کردن سیمان ، قیر ، آهک و . . . باعث ایجاد چسبندگی بین دانه های خاک شده و تغییرات حجمی خاک تحت کنترل در می آید.

از راه های دیگر مرغوب کردن ساختمان خاک پایین آورن سطح آب زیر زمینی است زیرا فشاری که توسط آب تحمل می شده به دانه ها منتقل شده و در نتیجه دانه های خاک را در هم فشرده و متراکم می کند.

در تمامی موارد فوق هدف از تراکم بالا بردن وزن مخصوص خاک در اثر فشردن دانه های خاک و در نتیجه کاهش خلل و فرج ( کاهش درصد تخلخل خاک ) می باشد . مخلوط خاکی که دارای خصوصیات مناسبی از نظر گستردگی دانه بندی و خواص پلاستیسیته بوده و دارای مشخصات فیزیکی مطلوب باشد به دلیل متراکم شدن ، تخلخل بسیار کمتری در مقایسه با حالت طبیعی داشته و نفوذپذیری آن نیز کاهش می یابد و در نتیجه در برابر نیروهای وارده مقاومت بیشتری نموده و نشست نمی کند.

در بسیاری از سازه‌های خاکی مثل سدها، دیوارهای حائل، بزرگراهها، فرودگاهها و... متراکم کردن خاک یک امر ضروری جهت بهبود مقاومت خاک می‌باشد. متراکم نمودن خاک که عبارت است از قرار دادن خاک در یک موقعیت چگال‌تر به چند دلیل مطلوب است:

الف) کاهش نشست‌ها در آینده

ب) افزایش مقاومت برشی

ج) کاهش نفوذپذیری

د) بهبود خواص مکانیکی خاک

هـ) کاهش قابلیت تورم خاک

در کارگاه برای تراکم خاک از غلتکهای چرخ استوانه‌ای صاف، غلتکهای پاچه‌بزی، غلتکهای چرخ‌لاستیکی، غلتکهای ارتعاشی استفاده می‌شود. غلتکهای ارتعاشی اغلب برای تراکم خاکهای دانه‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرند. تاثیر تراکم حاصل از دستگاههای فوق، محدود به اعماق 15 تا 30 سانتیمتر سطحی است. برای افزایش عمق نفوذ تراکم و متراکم کردن لایه‌های عمقی از تراکم ارتعاشی و تراکم دینامیکی استفاده می‌شود.برای تعیین وزن مخصوص خاک کوبیده شده از آزمایش تراکم استاندارد یا اصلاح شده پروکتور استفاده می شود.

انواع غلطک

                            

آشتو استاندارد

روش	A	B	C	D
قطر قالب (in)	4	4	6	6
تعداد لایه	3	3	3	3
تعداد ضربات	25	25	56	56
وزن چکش (پوند)	5.5	5.5	5.5	5.5
ارتفاع سقوط(Cm)	30	30	30	30
انرژی تراکم	12400	12400	12400	12400
قطر درشترین دانه	4	4/3	4/3	4

آشتو اصلاح شده

روش	A	B	C	D
قطر قالب	4	4	6	6
تعداد لایه	5	5	5	5
تعداد ضربات	25	25	56	56
وزن چکش	10	10	10	10
ارتفاع سقوط	45	45	45	45
انرژی تراکم	56300	56300	56300	56300
قطر درشترین دانه	4	4	4/3	4

به طور کلی هدف از انجام عملیات تراکم، کاهش میزان تخلخل خاک است. وجود آب تا میزان مشخصی، سبب تسهیل این عملیات می‌گردد. به دست آوردن این حد رطوبت و وزن مخصوص خشک بیشینه خاک پس از به کار بردن میزان معینی انرژی کوبشی، هدف مهم آزمایش تراکم است.

آزمایش دیگری که صورت گرفت تست CBR بود که آن را شخصی به نام پورتر در سال 1926 مطرح کرد که پس از آن در سال 1929 اداره راه سازی کالیفرنیا آن را گسترش داد. این تست متداولترین روش تعیین مقاومت نسبی خاکها برای راهسازی است. با استفاده از نتایج این آزمایش میتوان ظرفیت باربری خاک بستر و کلیه لایه های روسازی از قبیل زیر اساس و اساس را یافته و بر طبق آن ضخامت لایه را تعیین کرد.

 

آشو استاندارد و آشو اصلاح شده

                             

2- هدف آزمایش و شماره ASTM

هدف از انجام عملیات تراکم کاهش میزان تخلخل خاک است. وجود آب تا میزان مشخصی سبب تسهیل این عملیات میگردد. به دست آوردن این حد رطوبت و وزن مخصوص خشک بیشینه خاک پس از به کار بردن میزان معینی انرژی کوبشی هدف مهم آزمایش تراکم است.

توجه : شماره استاندارد این آزمایشASTM D 698-78  می باشد.

3-ابزار مورد نیاز

1) قالب تراکم که شامل: قالب، سرقالب ،زیر قالب است که ابعاد قالب (قطر 15.2 سانتیمتر و ارتفاع 11.7 سانتیمتر)

2) چکش تراکم: به ارتفاع 30 سانتیمتر و وزن 2.5 کیلوگرم

3) سینی: جهت مخلوط کردن آب و خاک

4) ترازوی مکانیکی و دیجیتالی

5) الک شماره (4)

6) اون: جهت خشک کردن نمونه‌ها و تعیین رطوبت آنها با درجه حرارت 5110

7) قوطی‌های کوچک: جهت قرار دادن نمونه‌ها و وزن کردن آنها

8) آبفشان

9) خط‌کش لبه فلزی

4- گزارش نحوه‌ی تهیه‌ی نمونه و اجرا

الف)تست تراکم آشو استاندارد

قالب خالی را به وسیله ترازوی مکانیکی وزن کردیم. از خاکی که باید آزمایش می‌شد به مقدار 6 کیلوگرم از الک شماره 4 عبور دادیم، 170سی‌سی آب را به وسیله آبفشان به خاک اضافه کردیم و خاک و آب را کاملاً مخلوط کردیم.

یک لایه خاک در قالب ریختیم به طوریکه ثلث حجم قالب پر شود و با 56 ضربه چکش تراکم خاک را کوبیدیم، بین هر سقوط چکش هم قالب و هم چکش را به خاطر پخش یکنواخت ضربات در تمام سطح نمونه به آرامی به صورت حلزونی چرخاندیم. همین کار را برای لایه‌های دوم و سوم تکرار کردیم و هر لایه را با 56 ضربه چکش کوبیدیم،

 پس از بستن سرقالب لایه سوم را به اندازه‌ای در قالب ریختیم که پس از کوبیده شدن مقداری بالاتر از سطح قالب باشد.

حلقه دور قالب را برداشتیم، عمل صاف کردن روی نمونه‌ی درون قالب را توسط تراشیدن روی نمونه به وسیله خط‌کش لبه فلزی انجام دادیم. این عمل را از محور مرکزی شروع کردیم و سیلندر و نمونه را وزن کردیم.

خاک را از درون سیلندر خارج کردیم و یک نمونه نماینده را برای تعیین مقدار رطوبت آن، داخل قوطی‌های کوچک قرار دادیم.

خاکی را که از داخل سیلندر خارج کردیم با دست خرد کرده و با نمونه اصلی آن، دوباره مخلوط کردیم و مقداری آب به وسیله آبفشان به آن اضافه کردیم. عمل متراکم کردن را برای 5 بار متوالی تکرار کردیم مقدارآبهای اضافه شده در هر مرحله به شرح زیر است.

مرحله دوم 170 سی‌سی،

مرحله سوم 160 سی‌سی،

مرحله چهارم 160 سی‌سی،

مرحله پنجم 170 سی‌سی

پس از پنج بار تکرار متراکم کردن ،خاک، خیلی مرطوب و چسبنده می‌شود به این صورت که آب اضافه شده جایگزین هوایی که در خلل و فرج خاک وجود دارد، می‌شود و آب فضاهایی را که می‌تواند توسط ذرات خاک پر شود، اشغال می‌کند.

در این مرحله هرچه خاک را کوبیدیم، دیگر متراکم‌تر نشد و آزمایش را خاتمه دادیم، نمونه‌های نماینده‌ای که داخل قوطی‌های کوچک بود، وزن کردیم(البته قوطی های خالی را

قبلا وزن کرده بودیم) به مدت 24 ساعت قوطی ها را داخل اون قرار دادیم و مجددا آنها را وزن کردیم تا رطوبت خاک در هر مرحله را محاسبه کنیم.

ب)تست CBR (ASTM D 1883)

ایش CBR یا نشانه باربری کالیفرنیا جهت تعیین ظرفیت باربری خاکهای زیر پی‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد. ارزش این آزمایش در راهسازی بسیار زیاد است و CBR خاک یکی از مهمترین عوامل در طرح ضخامت رویه راههاست. آزمایش CBR را شخصی به‌نام پورتر در سال 1926 مطرح کرد که پس از آن در سال 1929 اداره راهسازی ایالت کالیفرنیای آمریکا آن را گسترش داد.این روش در سالهای بعد نیز کاملتر شد تا اینکه در سالهای 1940 توسط گروه مهندسین و سپس در سال 1961 توسط انجمن آزمایش و مصالح آمریکا (ASTM) بعنوان یک روش استاندارد تعیین مقاومت خاکها مورد قبول قرار گرفت. در حال حاضر این روش با وجود داشتن نقاط ضعف فراوان متداولترین روش برای ارزیابی قدرت باربری خاک بستر روسازی راهها و فرودگاهها و همچنین تعیین قدرت باربری مصالح سنگی است. با استفاده از نتایج این آزمایش می‌توان ظرفیت باربری خاک بستر و کلیه لایه‌های روسازی از قبیل زیر اساس و اساس را یافته، بر طبق آن ضخامت این لایه‌ها را بدست.

بطور کلی این دستگاه در آزمایشگاه تعیین تراکم نقش مهمی دارد .

وقتی که خاک را در آزمایشگاه با درصد رطوبت مناسب یعنی رطوبت اپتیمم رساندیم برای تعیین ضریب توان باربری خاک از دستگاه C.B.R استفاده می شود ، سنجش مقاومت باربری خاک که با استفاده از این دستگاه محاسبه می گردد در عملیات خاکی که در سازه ها از آن استفاده می شود .

ارزش این آزمایش درراهسازی زیاداست وC.B.R  خاک یکی از مهمترین عوامل در طرح ضخامت رویه راههاست. اساس این تست به این صورت است که نیروی لازم جهت نفوذ یک پیستون با سرعت ثابت در داخل خاک با شرایط استاندارد و همچنین نسبت این نیرو به نیروی لازم جهت نفوذ پیستون فوق مطابق همان شرایط استاندارد تعیین می شود. پس C.B.R  یک خاک نسبتی است در شرایط خاص قراردادی.

                

در جدول زیر فشار وارده به نمونه در ازای نفوذ سوزن به نمونه برای سنگ شکسته آمده است:

فشار	بار	نفوذ
70	1359	2.54
105	2038	5.08
134	2482	7.62
160	3126	10.16
180	3533	12.7

ما فشار های وارده به نمونه را برای نفوذ های 2.5 و 5 و 7.5 میلیمتر را خواندیم و هر کدام را که عدد بزرگتری بود بر اعداد موجود در جدول که 70 و 105 می باشد تقسیم کردیم تا CBR ما بدست آید سپس آن را با جدول زیر مقایسه کردیم تا ببینیم خاک ما نسبت به سنگ شکسته مقاومتش چگونه است .

CBR	وضعیت سنگ
3-0	ضعیف
7-3	ضعیف تا نسبتا خوب
20-7	نسبتا خوب تا خوب
50-20	خوب تا عالی

در مرحله سوم آزمایش تراکم که رطوبت خاک از نظر ظاهری در حد اپتیمم است . پس از کوبیدن سه لایه خاک داخل قالب و تسطیح سطح قالب و توزین آن سر قالب را از قالب جدا کرده و پس از آماده نمودن دستگاه، در زیر دستگاه قرار دادیم بطوریکه وزنه های سرباری که شامل یک وزنه فلزی حلقوی که دارای سوراخی به قطر 12/2 اینچ بود که وزن آن حدود 5 پوند و چند وزنه فلزی نیم حلقوی که وزن هر یک حدود 5 پوند بود را روی قالب و دو وزنه حلقوی بدون سوراخ نیز زیر قالب قراردادیم  و متعلقات سنجش دستگاه را تنظیم نمودیم سپس دستگاه را به کار انداختیم ، این دستگاه دارای دو گیج است که یکی میزان نفوذ (این گیچ عقربه ای است که چرخش هر دور عقربه برابر یک میلیمتر نفوذ پیستون است ) و دیگری نیروی اعمال شده توسط پیستون دستگاه را نشان می دهد  که با توجه به سطح قالب و سطح پیستون میزان نیروی وارد شده بر واحد سطح محاسبه و همچنین با توجه به میزان نیرو میزان نفوذ و در نتیجه نشست خاک تحت اثر نیروی مذکور محاسبه می گردد .

قطر پیستون دستگاه 5  سانتیمتر است. پس سطح مقطع آن 19.63 سانتیمتر مربع است.

توجه : شماره استاندارد این آزمایشASTM D 1883  و ASHTOO T 193 می باشد.

5- اندازه‌گیری‌ها

الف)

وزن قالب: gr 5774         

قطر قالب: Cm 15.22 

 ارتفاع قالب: 11.67 cm          

شماره ظرف	وزن ظرف gr
21	9.4
39	9.6
35	9.6
34	9.6
10	9.2

مراحل	وزن قالب + خاک gr	آب اضافه شده cc	شماره ظرف نمونه نماینده gr	وزن ظرف+ نمونه نماینده gr (قبل ازخشک شدن)	وزن ظرف+ نمونه نماینده gr (پس از خشک شدن)
مرحله اول	9825	170	34	139.5	129.6
مرحله دوم	10025	170	39	201.7	183.1
مرحله سوم	10249	160	35	181.3	161.3
مرحله چهارم	10283	160	10	218.4	18.6
مرحله پنجم	10246	170	21	267.4	226.0

ب) تست CBR :

اعداد قرائت شده به شرح زیر است:

فشار	فشار	نفوذ
5.2	50.9	2.5
12.5	122.3	5
17.7	173.2	7.5

 6- محاسبات

الف)

مراحل	حجم قالب V Cm3	Wwet  gr
مرحله اول	2123.2	4254	2.00
مرحله دوم	2123.2	4451	2.10
مرحله سوم	2123.2	4675	2.20
مرحله چهارم	2123.2	4709	2.22
مرحله پنجم	2123.2	4672	2.20

مراحل	w%
مرحله اول	8.3	1.85
مرحله دوم	10.7	1.90
مرحله سوم	13.2	1.94
مرحله چهارم	16.6	1.90
مرحله پنجم	19.1	1.85

حجم قالب/(تعداد ضربات*ارتفاع چکش*وزن چکش‌*تعداد لایه)=انرژی تراکم                                       = انرژی تراکم

از روی نمودار رسم شده مشخص میشود که مقدار  و  است.

نمودار تراکم:

ب)

قرائت عقربه ها یکی میزان نفوذ و دیگری نیروی وارده در دو عمق 5/2 میلیمتر نفوذ و 5 میلیمتر نفوذ قرائت گردید.

چون  بزرگتر از  است ،در جدول وضعیت سنگ معادل  را در نظر میگیریم و به این نتیجه می رسیم که خاک ما نسبتا خوب تا خوب است.

7- خطاها

1) خطای قرائت وزن ها

2) خطای کالیبره نبودن ترازو

3) چون فقط از خاک عبوری از الک شماره (4) استفاده کردیم با دور انداختن بخش درشت دانه‌تر خاک، عموماً چگالی حداکثر پایین‌تر و درصد آب بهینه بالاتری به دست می‌آوریم.

4) ممکن است در هنگام ضربه زدن،قالب ارتعاش داشته و انرژی چکش هدر رود.

5) ممکن است در اثر یکسان نبودن ضخامت لایه‌هاخطاایجاد شده باشد.

6) ممکن است ضربات چکش در همه جای نمونه به یک اندازه پخش نشده باشد و بعضی قسمتها بیشتر و بعضی قسمتها کمتر کوبیده شده باشند.

7) ممکن است با توجه به اینکه در هر مرحله به نمونه باقیمانده از مرحله قبل مقدار بیشتری آب اضافه می‌کردیم ایجاد خطا کند و بهتر است در هر مرحله نمونه جدیدی تهیه شود.

8)چون خاک استفاده شده در آزمایش تراکم صحرایی و آزمایش تراکم استاندارد از یک جنس نبودند ،تراکم نسبی محاسبه شده دارای خطا است.

8- نظرات شخصی

می توان از مواد شیمیایی برای افزایش تراکم خاک استفاده کرد. به عنوان مثالاستفاده از سیمان ، آهک یا اسید فسفریک میتواند مفد واقع شود.

همچنین بهتر است در ابتدای آزمایش از خاک خسک استفاده کنیم.

نظر به اینکه در آزمایش وزن نمونه ها جهت تعیین درصد رطوبت نمونه توزین آن با دقت بالا نتایج بهتری حاصل می شود بنابراین استفاده از ترازو با دقت بالا برای وزن نمونه ها بسیار ضروری است . با توجه به اینکه افزایش رطوبت در مرحله اول با توجه به وزن خاک است و در نهایت براساس مراحل آزمایش به رطوبت اپتیمم می رسیم بهتر است که در مرحله اول از خاک کاملاَ خشک استفاده گردد و در صورت افزایش زمان امکان آن فراهم گردد که در هر مرحله از آزمایش ،از دستگاه C.B.R  استفاده گرددو بتوان از نتایج حاصل برداشتهای مناسب تری کرد و با دقت بیشتر و اطمینان بهتری در خصوص نتایج آزمایش صحبت کرد .

1) بهتر است ضربات چکش به صورت مکانیکی وارد شود تا انرژی که توسط هر ضربه به خاک وارد می‌شود یکسان باشد.و در همه جای قالب به صورت یکسان توزیع شود.

2) بهتر است که از آزمایش آشتو اصلاح شده استفاذه کنیم چون در آن آزمایش انرژی بیشتری به خاک وارد می شود و خاک متراکم تر می شود.

اما در کل آزمایش تراکم استاندارد و اصلاح شده معیار خوبی برای محاسبه تراکم خاک به نظر می رسد.

نظر به اینکه در آزمایش CBR  نتایج حاصل از تغییرات فشار وارده بر سطح خاک اندازه گیری می شود بهتر است که سعی شود جهت انجام آین آزمایش وقت بیشتری در نظر گرفته شود تا بتوان با استفاده از نتایج حاصل تا حدودی به نتایج حقیقی نزدیکتر شد . بنابراین انجام این آزمایش در تمامی مراحل تراکم پیشنهاد می گردد که علاوه بر مطلب بالا بتوان تغییرات را برحسب افزایش آب نیز ملاحظه نمود.

همچنین با انواع دستگاه های تست CBR مواجه هستیم که در زیر بعضی از آنها را میبینیم.

·  (Field type) IS- 2720 part XXXI/69.

·  (hand operated) (laboratory type) IS- 2720 part XVI/65.

·  app. Motorised laboratory type as per IS- 2720 part XVI- 1965.

9- منابع ومآخذ اینترتی:

http://www.mbt.co.id/equipment/so-350.html

http://www.ileil.com/soil-testing-machines.html

http://www.concrete-catalog.com/soil_compaction.html

http://www.shambhaviimpex.com/compaction.html

http://cee.engr.ucdavis.edu/faculty/boulanger