آزمایش تحکیم خاک

 ۲- دستگاه تحكیم

دستگاه تحکیم شامل بدنه دستگاه تحكیم، سنگ­‌های متخلخل، صفحه بارگذاری، گیج اندازه‌­گیری، جک و حلقه فلزی.

بدنه دستگاه تحكیم

ظرفی استوانه‌­ای است كه در داخل آن حلقه فلزی جای داده می‌شود. به جداره ظرف استوانه‌‌ای دو نیرو سنج برای مشاهده سطح آب نصب می‌شود و حد فاصل حلقه فلزی و جداره ظرف استوانه‌­ای آب ریخته می‌شود. درنتیجه نمونه در طول آزمایش همیشه در داخل آب غوطه‌­ور است و به حالت اشباع باقی می‌ماند. بدنه اصلی از جنس آلومینیوم ریخته­‌گری صلب ساخته شده است. یاتاقان­‌ها و اهرم متحرک و سل تحکیم روی این بدنه قرار می­‌گیرند.

اهرم متحرک قسمتی از دستگاه تحکیم است که وزنه­‌ها بر روی آن قرار می­‌گیرند. این اهرم به گونه­‌ای ساخته شده است که درصورت گذاشتن وزنه در یک طرف آن نیرو را با سه نسبت متفاوت قابل تنظیم بر روی نمونه اعمال می‌‌کند. جنس اهرم متحرک از آلومینیوم سخت می­‌باشد. در انتهای اهرم یک وزنه ثابت تعبیه شده است که وظیفه تعادل اهرم را برعهده دارد. سل تحکیم از دیگر اجزای دستگاه تحکیم است که خود شامل محفظه­‌ای از جنس پلکسی­‌گلاس و کاتر و سنگ تخلخل می­‌باشد. سل تحکیم باید کاملاً آب‏‌بند باشد تا آب درون سل از آن خارج نشود.

سنگ­های متخلخل

این سنگ­‌ها در بالا و پایین نمونه قرار می­‌گیرند و باید دارای مشخصات زیر باشند:

الف. خلل و فرج سنگ­‌ها باید به حدی باشد كه دانه­‌های ریز خاک به داخل آن­‌ها نفوذ نكند. بهتر است از فیلتر كاغذی كه بین سنگ­‌های متخلخل و نمونه قرار داده می‌شود استفاده كرد تا از داخل شدن دانه­‌های ریز خاک به خلل و فرج سنگ جلوگیری شود. البته زه‌كشی نمونه نیز نباید به تأخیر افتد. همچنین سنگ­‌های متخلخل باید همیشه تمیز، بدون ترك و لب پریدگی و بدون غیریكنواختی باشد.

ب. ضخامت سنگ‌­های متخلخل باید به اندازه­ای باشد كه بر اثر بارگذاری نشكنند.

ج. سنگ­‌های متخلخل باید از اكسید آلومینیوم، سیلیكون كاربید یا فلزی ساخته شوند كه مواد موجود در خاک و رطوبت خاک روی آن­‌ها تأثیر نداشته باشد.

د. قطر سنگ متخلخل بالای نمونه بین 0.2 میلی­‌متر تا 0.5 میلی‌­متر كمتر از قطر داخلی حلقه فلزی است. اگر از حلقه شناور استفاده تا می‌شود، قطر سنگ متخلخل زیر نمونه باید مساوی قطر سنگ متخلخل بالایی باشد.

صفحه بارگذاری

صفحه بارگذاری صفحه فلزی ضدزنگی با قطر مساوی سنگ متخلخل بالایی است. بار وارده از طریق یك گلوله فلزی به صفحه سربار و نمونه وارد می‌شود و در نتیجه موجب سالم ماندن سنگ متخلخل بالایی می­‌گردد.

گیج اندازه ­گیری

برای تعیین تغییر ضخامت نمونه با دقت 2.5 میكرومتر.

جک

برای بیرون آوردن نمونه از قالب مورد استفاده قرار می­‌گیرد.

حلقه فلزی

از برنج یا هر فلزی دیگری که در برابر زنگ زدن مقاومت می‌­کند ساخته می‌شود. این حلقه باید شرایط زیر را داشته باشد:

الف. متناسب با حداقل ضخامت نمونه باشد. حداقل ضخامت نمونه 0.5 اینچ یا 13 میلی­‌متر است. باید توجه داشت كه این حداقل ضخامت نباید از 10 برابر قطر درشت­‌ترین دانه موجود در خاك كمتر باشد.

ب. متناسب با حداقل نسبت قطر به ضخامت نمونه باشد که عددی در حدود 2.5 است.

ج. متناسب با حداقل قطر نمونه باشد. حداقل قطر نمونه 2 اینچ یا 5 سانتی‌­متر است.

د. سختی و استحكام حلقه در بیشترین فشار هیدرواستاتیک وارد بر نمونه باید طوری باشد كه افزایش قطر آن از 3% تجاوز نكند. حلقه فلزی باید از فلز ضد­زنگ ساخته شده باشد و در برابر مواد موجود در خاک نیز مقاوم باشد. سطح داخلی حلقه باید كاملاً صیقلی باشد یا از ماده­ای با حداقل قابلیت اصطكاک پوشانده شده باشد. گریس سیلیكون یا پلی تترا فلورتیلن برای خاک‌­های غیر­ماسه‌­ای پیشنهاد می‌شود.

ه) وقتی در طی آزمایش تحكیم، بار به نمونه خاک وارد می‌شود، اصطكاک ایجاد­شده بین محیط داخلی حلقه برنجی و محیط جانبی نمونه برای دو نوع دستگاه تحكیم با حلقه ثابت و شناور تفاوت دارد. در اغلب موارد، اصطكاک جانبی در حدود 10 درصد بار اعمال شده است.

وسیله آماده­‌سازی نمونه

استوانه‌­ای است با لبه تیز كه می‌توان به­‌وسیله آن نمونه اولیه را كه قطر آن بیشتر از قطر داخلی حلقه است به راحتی و با كمترین دست­‌خوردگی برید و به اندازه قطر داخلی حلقه درآورده و سپس به داخل آن منتقل كرد. سطح داخلی این استوانه باید كاملاً صیقلی و با ماده­ای با حداقل ضریب اصطكاک پوشانده شود.

۳- سایر وسایل

شامل ترازو با حساسیت 0.1 گرم، گرمخانه با كنترل درجه حرارت، اره سیمی، كارد و كاردک، قوطی­‌های تعیین رطوبت و كرنومتر.

روش انجام آزمایش

۱. نمونه را درون حلقه قرار داده و صفحات متخلخل و صافی‌­ها را در دو طرف آن قرار می‏‌دهیم. برای خاک‌های خشک منبسط‌ ­شونده باید از سنگ­‌های متخلخل خشک استفاده شود. برای خاک­‌های نیمه اشباع از سنگ­‌های متخلخل مرطوب و برای خاک­‌های اشباع از از سنگ­‌های متخلخل اشباع استفاده می‌شود. صفحه سربار را بر روی سنگ متخلخل بالایی قرار داده و مخزن اطراف نمونه را از آب پر می­‌كنیم.

۲. استوانه تحكیم را در دستگاه اعمال بار قرار داده و باری به میزان 5 کیلوپاسکال به آن وارد می­‌كنیم. به محض وارد كردن این بار، تغییرمكان را خوانده و مقدار قرائت اولیه یعنی d0 را ثبت می‌­نماییم. در صورت نیاز برای جلوگیری از تورم نمونه باید بار بیشتری به آن اعمال نمود. اگر پیش‌بینی گردد كه بار 5 کیلوپاسکال تحكیم قابل­‌توجهی را ایجاد خواهد كرد می‌توان از باری كمتر مثلاً 2 یا 3 کیلوپاسکال استفاده كرد.

۳. اگر نمونه دست­‌نخورده اشباع شده باشد یا عمق برداشت نمونه زیر تر از آب زیرزمینی باشد بعد از اعمال بار 5 کیلوپاسکال به آرامی نمونه را غرقاب می­‌نماییم. برای جلوگیری از تورم بار وارده بر نمونه را افزایش می­‌دهیم. میزان بار لازم برای جلوگیری از تورم و میزان تغییرمكان ایجادشده را باید در طول زمان ثبت کرد.

۴. اگر شیب و شكل منحنی تراكم یا تعیین فشار پیش­‌تحكیمی مورد نظر باشد فشار نهایی وارد بر نمونه باید تا 4 برابر بیشتر از فشار پیش­‌تحكیمی باشد. برای تعیین پارامترهای مربوط به تغییرشكل خاک در باربرداری و بارگذاری مجدد لازم است یک سیكل باربرداری و بارگذاری در طول آزمایش انجام شود. نسبت افزایش بار برای آزمایش تحكیم باید یک باشد به این ترتیب در هر مرحله از بارگذاری مقدار بار 2 برابر می‌شود به عنوان مثال معمولاً مراحل بارگذاری به صورت 12 و 25 و 50 و 100 و 200 و … کیلوپاسکال می‌­باشد. نسبت كاهش بار برای باربرداری نیز معمولاً به صورت نصف كردن بار در هر مرحله از باربرداری انجام می‌شود. می‌توان تعداد مراحل باربرداری را نصف كرد به‌صورتی‌­كه در هر مرحله از باربرداری بار وارد بر نمونه یک­‌چهارم مرتبه قبل شود.

۵. قبل از اعمال هر بار اضافه‌­ای باید ارتفاع اولیه نمونه یعنی df ثبت شود.

۶. فاصله گام­‌های بارگذاری به اندازه 24 ساعت خواهد بود. در طول این مدت تغییرشكل نمونه را با قرائت عقربه میكرومتر در زمان‌های 6 و 12 و 30 ثانیه، 1 و 2 و 4 و 6 و 8 و 15 و 30 دقیقه و 1 و 2 و 4 و 8 و 24 ساعت اندازه­‌گیری می­‌کنیم.

روش­‌های محاسبه

برای یک افزایش بار مشخص روی نمونه خاک، جهت تعیین ضریب تحکیم CV از روی آزمون­‌های تحکیم یک بعدی آزمایشگاهی معمولاً از دو روش ترسیمی استفاده می‌شود. اولین روش، روش لگاریتم زمان است که توسط Casagrande و Fadum در سال 1940 پیشنهاد شده است و روش دوم، روش ریشه دوم زمان است که توسط Taylor در سال 1942 ارائه شده است.

دو رابطه دیگر نیز پیشنهاد شده است که کمتر مورد استفاده قرار می­‌گیرند:

• روش هذلولی که توسط Sridharan و Prakash در سال 1985 پیشنهاد شده است.
• روش لگاریتم t مرحله اولیه که توسط Allam و Robinson  در سال 1996 پیشنهاد شده است.

محاسبات آزمایش تحکیم

حجم كل نمونه كه برابر مجموع حجم مواد جامد (V_s) و حجم آب (V_w) است از حاصل ضرب ارتفاع (H_i) در سطح مقطع نمونه (A) به­‌دست می‌­آید:

حجم آب در انتهای آزمایش كه V_wf نام­گذاری می‌شود، از آزمایش درصد رطوبت در انتهای آزمایش به­دست می­‌آید. در این حالت، درصد اشباع 100 درصد است.