پایگاه علمی سعید سان دانلود رایگان مقالات علمی کنفرانس و ژورنال
برخی از انواع آزمایشات کاربردی مکانیک خاک
- آزمایش هم ارز (معادل) ماسه مشهور به آزمایش SE (Sand Equivalent)
- آزمایش هیدرو متری
- آزمایش حد روانی
- آزمایش دانه بندی به روش سرند کردن (آزمایش الک)
- آزمایش برش مستقیم
- آزمایش سه محوری
- آزمایش ضریب نفوذ پذیری از طریق آزمایش بار آبی افتان
- تعیین ضریب نفوذپذیری از طریق آزمایش بار آبی ثابت
- آزمایش نسبت باربری کالیفرنیا CBR
- آزمایش تحکیم
- آزمایش تک محوری خاک چسبنده
- آزمایش تراکم
آزمایش هم ارز (معادل) ماسه مشهور به آزمایش( SE (Sand quivalent
هدف از آزمایش: بدست آوردن نسبت ماسه به کل خاک که به صورت درصد بیان می شود .
وسایل لازم : استوا نه مدرج_ پیمانه _ سمبه _ محلول شستشو.
تئوری آزمایش: به وسیله این آزمایش نسبت درصد خاک به ماسه را تعیین کرد تا نوع کارایی خاک بدست آید . این آزمایش مخصوص خاکهای درشت دانه می باشد که دانه ریز آن کم باشد (از خاک رد شده از الک نمره ۴ )
شرح آزمایش:
استوا نه مدرج که ارتفاع آن بر حسب اینچ مدرج شده است را آماده کرده و داخل آن محلول شستشو را تا ارتفاع ۴ اینچ پر می کنیم (محلول شستشو از کلرو کلسیم ،گلسیرین ، محلول فرمالین ۴۰% ) سپس پیمانه را پر از نمونه کرده و آن را داخل استوا نه می ریزیم ، بعد از ریختن خاک به درون استو انه در پوش آنرا گذاشته و آنرا به مدت ۳۰ ثانیه و به تعداد ۹۰ بار تکان می دهیم بعد از تکان دادن آن دیواره استوا نه را با محلول شسته و ارتفاع محلول را به ۱۵ اینچ می رسا نیم و سپس استوا نه را در یک جای آرام قرار داده و بعد ۲۰ دقیقه آنرا اندازه گیری می کنیم . اندازه گیری به دو روش آنجام خواهد گرفت .۱- به روش چشمی ۲- روش دستگاهی .روش چشمی : در این روش ارتفاع لای را طبق اندازه های درج شده روی استوا نه قرائت می کنند .روش دستگاهی : در این روش ابتدا قبل از آزمایش ارتفاع سمبه را داخل استوانه ثبت کرده و سپس آنرا بعد ته نشینی نمونه داخل استوا نه قرار داده و عدد بدست آمده را از عدد قبلی کم می کنیم و در فرمول قرار می دهیم .
آزمایش هیدرو متری
هدف از آزمایش: دانه بندی خاک های رد شده از الک نمره ۲۰۰ و (خاکهای ریز دانه ) تکمیل منحنی دانه بندی .
وسایل لازم: آبچکان ، استوانه مدرج ، آب ، ۵۰گرم خاک رد شده از الک نمره۲۰۰ ، لیوان فلزی ، همزن شیشه ای ، همزن برقی .
تئوری آزمایش : بدلیل اینکه ذرات خاک ریز هستند (قطر دانه ها از ۷۵٫ میلی متر کمتر هستند نمی توان این آزمایش را مانند آزمایشات دیگر تحت همان شرایط انجام دهیم و برای دانه بندی آن از آب استفاده می کنیم .
توضیحاتی در رابطه با آزمایش : خاک مورد آزمایش از نظر جنس به دو دسته تقسیم بندی می شود :
- آوارهای ریز سنگها و کانیها
- کانی های رسی
ویژگی کانی های رسی را می توان به دو صورت بیان کرد یکی همیشه ریز دانه هستند و دیگری آنکه حالت ورقه ورقه دارند . نمونه هایی از کانی های رسی از قبیل ایلیت ، مونت موریلونیت ، کا ئولونیت را می توان نام برد .
*لایه هایی که کانی های رسی را تشکیل می دهند دو نوع هستند :
لایه های سیلیسی : چهار وجهی های سیلیسی (تتراندر یعنی اکسیژن در چهار وجهش قرار دارد.)ا
لایه های آلومینا : هشت وجهی های هیدروکسید آلومینیم (اکتاندر) یعنی در وسط آلومینیم قرار می گیرد و در گوشه ها هیدروکسید.
شرح آزمایش:
به مقدار cc 125 محلول پراکنده ساز زا داخل لیوان ریخته و ۵۰ گرم از خاک رد شده از الک نمره ۲۰۰ (خاک ریز دانه) را روی آن ریخته و مخلوط می کنیم و آنرا به مدت ۱۰ دقیقه با هم زن شیشه ای به هم می زنیم تا تمامی ذرات با آب مخلوط شوند و سپس آنرا با استفاده از همزن برقی مخلوط کرده و آنرا داخل استوانه مدرج می ریزیم و ارتفاع آب داخل آنرا به ۸۰۰ رسانده و کف دست را روی استوانه گذاشته و آنرا ۶۰ بار تکان می دهیم تا خوب با آب مخلوط گردد (یکی از دلایلی که نفوذ پذیری خاک را بالا برده پیوند الکتریکی می باشد که باعث می شود آب خوب با خاک مخلوط نشود و علت آن قطبی بودن مولکول آب است ) و سپس ارتفاع آب داخل آنرا به ۱۰۰۰ رسانده و استوانه را در جای آرامی قرار داده تا نتایج آزمایش را ثبت کنیم .
- عواملی که در سقوط ذرات موثرند عبارتند از :
- قطر دانه ها با سرعت رابطه مستقیم دارد .
- اختلاف چگالی آب با ذرات رابطه مسقیم دارد .
- شتاب ثقل زمین با سقوط دانه ها رابطه مسقیم دارد .
- غلظت یا گرانروی آب رابطه مستقیم دارد (Viscosity)
*تعریف گرانروی : مقاومت مایعات در برابر فشارهای کششی را گرانروی گویند .
آزمایش حد روانی
هدف از آزمایش: به دست آوردن میزان رطوبتی که در آن رطوبت خاک از حالت خمیری خارج شده و به صورت روان در می آید .
وسایل لازم: آبچکان ، سینی ، آب ، ۳۰۰گرم خاک رد شده از الک نمره۴۰ ، کاسه گرانده ، گونومتر.
تئوری آزمایش : برای اینکه بتوانیم حد روانی (حدود اتربرگ) خاک را بدست آوریم و یا نقش آب در رفتار مکانیکی خاک را بدست آوریم از این آزمایش استفاده می کنیم .
شرح آزمایش : این آزمایش برای خاکهایی با مواد ریز دانه صورت می گیرد ، نحوه انجام آزمایش به این صورت است که ۳۰۰ گرم خاک رد شده از الک نمره ۴۰ را درسینی ریخته و به آن به اندازه دلخواه آب می افزاییم و آنرا خوب به هم می زنیم تا کاملاٌ مخلوط گردد و سپس مقداری از آن را با اسباتول براشته به کاسه دستگاه کاسه گرانده می مالیم که ارتفاع نمونه داخل کاسه حدود ۱ سانتی متر می باشد (اگر اسباتول را روی کاسه موازی با سطح افق بکشیم باید نمونه با اسباتول هم سطح باشد) . سپس شیاری را روی نمونه می کشیم و دسته دستگاه را به تعداد۶۰ بار در ثانیه می چرخا نیم ، تا آخرین ضربه ای که در آن نمونه به اندازه حدود۱ سانتی متر بسته شود را ثبت کنیم .
سپس در هر مرحله مقداری از نمونه ها برداشته وبه طور جداگانه در اون می گذاریم تا با استفاده از آن بتوانیم مقدار رطوبت را بدست آورده و نمودار خط روانی آنرا رسم کرده و با استفاده از آن مقدار آب لازم (اپتیمم) برای حد روانی را بدست آوریم (در نمودار از عدد ۲۵ خطی عمود یا موازی محور در صد رطوبت رسم می کنیم تا مقدار آب لازم را برای آن خاک تعیین می کند ).
باید توجه داشته باشیم که در مرحله اول تعداد ضربات نباید ار ۵۵ بیشتر باشد و همچنین در مرحله سوم نباید از ۱۰ ضربه کمتر باشد .
آزمایش دانه بندی به روش سرند کردن (آزمایش الک)
هدف از آزمایش: دانه بندی، همان طور که از نام آن مشخص است، تفکیک سازی ذرات تشکیل دهنده خاک (توزیع اندازه دانه‌های شن و ماسه) می باشد که به تبع آن بر حسب محدوده سازی و دسته بندی ذرات، دانه های خاک را از نظر بعد، می توان در این محدوده ها قرار داد. به طور مشخص، برای مقایسه خاک ها از نظر اندازه بعد ذرات، باید از یک استاندارد معین استفاده نمود تا راحت تر بتوانیم خاک مورد نظرمان را انتخاب کنیم. بطور مثال دو استاندارد معروف در جهان، استاندارد های آشتو ASTM امریکا و BS انگلستان می باشند که در ایران مورد اولی کاربرد عملی بیشتری دارد.
برای این کار از دسته‌ای از الک‌ها که سوراخ‌های کف آنها دارای اندازه دقیق و مشخص است و این شبکه بندی کف الک به کمک سیم صورت گرفته‌است استفاده می‌شود. به این ترتیب که مجموعه الک‌ها را بر روی هم قرار می‌دهند، الک با سوراخ‌های بزرگتر در بالا و الک‌های ریزتر را در پایین قرار می‌دهند پس از آن خاک خشک که تمام کلوخه‌های آن شکسته شده و تنها دانه‌های خاک در آن حضور دارد را بر روی الک بالایی می‌ریزند و الک را برای مدت معلومی (استاندارد) تکان می‌دهند تا دانه‌های خاک از آن عبور کند واضح است که دانه‌های با اندازه کوچکتر از سوراخ‌های الک عبور می‌کنند و دانه‌های بزرگتر بر روی سیم‌های الک باقی می‌مانند. این روش برای دانه‌های درشت‌تر خاک منطقی است ولی برای دانه‌های کوچکتر از یک حدی مناسب نیست زیرا دانه‌های بسیار ریز خاک به یکدیگر می‌چسبند و درنتیجه روش الک دیگر جواب‌های مناسبی نخواهد داشت. اگر میزان دانه‌های ریز خاک زیاد باشد ممکن است مجبور شویم اول از روی خاک و دانه‌های خشن آن آب عبور دهیم و پس از شسته شدن ذرات بزرگتر و از بین رفتن کلوخه‌ها، شروع به الک کردن کنیم.
مجموعه‌ای از الک‌های با اندازه‌های مختلف در دسترس است. مرز میان ماسه و لای به دلخواه انتخاب می‌شود. مطابق سامانه اتحادیه دسته‌بندی خاک برای جداکردن ماسه از شن از الک شماره ۴# (۴ سوراخ در طول ۱ اینچ) استفاده می‌شود اندازه سوراخ‌های این الک ۴٫۷۵ میلی‌متر می‌باشد و برای جدا کردن ماسه از لای و رس از الک شماره ۲۰۰# که اندازه سوراخ‌های آن ۰٫۰۷۵ میلی‌متر است استفاده می‌شود. مطابق استاندارد انگلیسی ۰٫۰۶۳ میلی‌متر مرز میان ماسه و لای و ۲ میلی‌متر مرز میان ماسه وشن است.
آزمایش برش مستقیم
هدف از این آزمایش: راهی برای بدست آوردن پارامتر های مقاومت برشی خاک، برای نمونه خاک مورد آزمایش می باشد. از این پارامتر ها برای بدست آوردن ضریب اطمینان و میزان ایمنی در مورد مسائل پایداری خاک از جمله پایداری شیب ها وسطوح شیروانی ها وفشارهای جانبی استفاده می شود به این نحو که ابتدا ما باید خصوصیت خاک آن قسمت را در برابر تنش های برشی بررسی کنیم که لازم این کار محاسبه ی پارامتر های برشی خاک است.
البته بستگی به نوع خاک و بسته به نوع مورد بررسی پایداری ، نوع و روش آزمایش برش مستقیم کمی تفاوت می کند که این روش ها را می توان به تحکیم نیافته و زهکشی نشده ، تحکیم یافته و زهکشی نشده و تحکیم یافته و زهکشی شده تقسیم بندی کرد.
آزمایش سه محوری
هدف از این آزمایش: بدست آوردن پارامتر های مقاومت برشی، در خاک های چسبنده و غیرچسبنده و دانه ای می باشد. این آزمایش بسیار جامع بوده و انواع خاک ها را پوشش می دهد. در آزمایش سه محوری همچنین می توان انواع حالت های محیطی را نیز شبیه سازی کرد.
از این پارامتر ها برای بدست آوردن ضریب اطمینان و میزان ایمنی در مورد مسائل پایداری خاک از جمله پایداری شیب ها وسطوح شیروانی ها و فشارهای جانبی استفاده می شود به این نحو که ابتدا ما باید خصوصیت خاک آن قسمت را در برابر تنش های برشی بررسی کنیم که لازم این کار محاسبه ی پارامتر های برشی خاک است.
آزمایش ضریب نفوذ پذیری از طریق آزمایش بار آبی افتان
برای تعیین ضریب نفوذپذیری، روش های مختلفی را می توان اجرا کرد که از بهترین این روش ها، بار آبی ثابت و افتان است. ضریب نفوذپذیری برای خاک های دانه ای (درشت دانه) را از روش بار آبی ثابت بدست می آورند. اما در این آزمایش یعنی بار آبی افتان، این محدودیت وجود نخواهد داشت و می توان آزمایش را برای خاک های درشت دانه و ریزدانه انجام داد.
در انتهای آزمایش ضریب نفوذ پذیری یعنی K را بدست می آید که باید ببینیم که با توجه به اهدافی که برای انجام کار داریم، آیا خاک نمونه، مناسب هست یا نه.
میزان نفوذپذیری خاک یکی از مهم ترین مشخصه های یک خاک محسوب می شود و در پروژه های بزرگ هم چون سدسازی، این شاخص از اهمیت دو چندان برخوردار خواهد گشت. البته باید توجه داشت که نفوذپذیری اندازه گیری شده در آزمایشگاه نمی تواند بیان کننده ی نفوذپذیری واقعی در محل باشد. چون مسلما خاک دست خورده با خاک دست نخورده تفاوت دارد. هر چند این مقدار k می تواند دید خوبی به میزان نفوذپذیری خاک در محل بدهد.
تعیین ضریب نفوذپذیری از طریق آزمایش بار آبی ثابت
هدف از این آزمایش: بدست آوردن ضریب نفوذپذیری خاک هایی است که درشت دانه اند و از ضریب نفوذپذیری نسبتاً زیادی برخوردارند . لازم به ذکر است که به ضریب نفوذپذیری ،ضریب تراوایی و ضریب نفوذپذیری مهندسی نیز گفته می شود.
معمولاً از ضریب نفوذپذیری برای بدست آوردن دبی در واحد عرض در ترواش در سد های خاکی یا در تراوش در جایی که پرده سپر قرار داده شده و در آن جا هد انرژی آب دو طرف پرده سپر متفاوت است استفاده می شود. همچنین در تحکیم و پدیده ی نشست خاک ها برای بدست آوردن ضریب تحکیم نیاز به محاسبه ی ضریب نفوذپذیری هستیم.
آزمایش نسبت باربری کالیفرنیا CBR
این آزمایش در سال ۱۹۲۹ میلادی در اداره راهسازی ایالت کالیفرنیای آمریکا کامل گردیده و مورد استفاده قرار گرفته است. به کمک این آزمایش مقاومت برشی خاک در یک رطوبت و وزن مخصوص معین مشخص می شود.
از جمله کاربردهای عملی آن این است که در پی سازی برای بیان کیفیت نسبی خاک زیر پی و در راهسازی مقدار ضریب مزبور در انعکاس مقاومت برشی خاک و تحمل آن در برابر بارهای ترافیکی از اهمیت بسزایی برخوردار است.
در حالت کلی، آزمایش یا نشانه باربری کالیفرنیا جهت تعیین ظرفیت باربری خاکهای زیر پی‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد. ارزش این آزمایش در راهسازی بسیار زیاد است و خاک یکی از مهمترین عوامل در طرح ضخامت رویه راه هاست. آزمایش را شخصی به نام پورتر در سال ۱۹۲۶ مطرح کرد که پس از آن در سال ۱۹۲۹ اداره راهسازی ایالت کالیفرنیای آمریکا آن را گسترش داد. این روش در سال های بعد نیز کامل تر شد تا اینکه در سالهای ۱۹۴۰ توسط گروه مهندسین و سپس در سال ۱۹۶۱ توسط انجمن آزمایش و مصالح آمریکا به عنوان یک روش استاندارد تعیین مقاومت خاک ها 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 آورد.
آزمایش تحکیم خاک
فشار ناشی از اعمال سربار در لایه های خاک موجب فشردگی، تغییر شکل فشاری و جابجایی ذرات در خاک شده که عملا موجب خروج آب و هوا از میان حفرات گشته و به نوعی، نشست در خاک را به وجود می آورد. در حالت کلی از نظر مدت زمان لازم برای فشردگی، نشست خاک را می توان در دو دسته ی زیر تقسیم نمود:
الف) نشست آنی (کوتاه مدت)
ب) نشست تحکیم (بلند مدت)
هم چنین از نظر شرایط برگشت پذیری، نشست خاک به نشست های «الاستیک» و «غیر الاستیک» تقسیم می شود.
تحکیم را این گونه می توان تعریف کرد: “کاهش حجم تدریجی یک خاک اشباع با نفوذپذیری کم در اثر زهکشی بخشی از آب موجود در در حفرات که نهایتا منجر به تغییر ضخامت و نشست خاک می گردد.”
بنابراین زهکشی (تغییر در فشار آب حفره ای) ارتباط تنگاتنگی با مقوله ی تحکیم و نشست خاک دارد. از زمانی که در اثر فشار سربار در داخل خاک اضافه فشار آب حفره ای به وجود می آید، پدیده ی تحکیم آغاز شده و تا زمانی که این اضافه فشار در اثر زهکشی زائل می شود، تحکیم ادامه خواهد داشت.
آزمایش تک محوری خاک چسبنده
هدف از این آزمایش: راهی برای بدست آوردن پارامتر های مقاومت برشی در خاک های چسبنده می باشد به این صورت که در نمونه خاک های چسبنده اشباع ، میزان چسبندگی بیشینه u محاسبه می گردد و در خاک های چسبنده غیر اشباع پارامترهای مقاومت برشی آن خاک ها ) در این آزمایش قابل محاسبه است. از این پارامتر ها ضریب اصطکاک برای بدست آوردن ضریب اطمینان و میزان ایمنی در مورد مسائل پایداری خاک از جمله پایداری شیب ها وسطوح شیروانی ها و فشارهای جانبی استفاده می شود به این نحو که ابتدا ما باید خصوصیت خاک آن قسمت را در برابر تنش های برشی بررسی کنیم که لازم این کار محاسبه ی پارامتر های برشی خاک است.
آزمایش تراکم خاک
عبارتست از کاهش دادن حجم خاک در اثر خارج ساختن هوا با استفاده از اعمال نیرو. که در این حالت اصطکاک بین ذره ها بیشتر می شود و وزن واحد آن زیاد می گردد.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 می شود و در نتیجه عبور آب از این منافذ کمتر است. در خاکهای رسی یک مشکل وجود دارد و آن افزایش پتانسیل تورم است.
عوامل موثر در تراکم خاک بستگی دارد به :
- نوع خاک
- انرژی
- رطوبت
نحوه تراکم خاکها با توجه به مشخصات فیزیکی آن مختلف است. عبارتنداز تراکم خاکهای غیر چسبنده و تراکم خاکهای چسبنده.
- تراکم خاک های غیر چسبنده(شن و ماسه):
خاکهای غیر چسبنده معمولا از ذرات درشت دانه و نسبتا کروی شکل تشکیل می شوند 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 می باشد.
- تراکم خاک های چسبنده(سیلت و رس):
به علت ساختمان ویژه 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.آزمایشهای دیگر نیز برای تراکم وجود دارد که اصولا به ۸ روش انجام پذیر است. ولی ما برای تراکم از روش های استاندارد و اصلاح شده استفاده میکنیم.روش کار در همه یکسان است ولی تفاوت در مقدار وزنه و دیگر مشخصات می باشد.در هنگام ساخت و اجرای بزرگراه ها و فرودگاهها و سازه ها دیگر متراکم کردن خاک یک امر ضروری جهت بهبود مقاومت خاک می باشد.پروکتور(۱۹۳۳) یک آزمایش تراکم آزمایشگاهی ابداع کرد تا به وسیله آن حداکثر وزن مخصوص خشک خاک که برای تراکم در محل می تواند استفاده شود را تعیین کند این آزمایش به نام آزمایش تراکم پروکتور مشهور می باشد.