خلاصه مطلب :آزمایش تحکیم خاک
هدف از انجام آزمایش تحکیم خاک تخمین سرعت نشست تحكیمی و میزان نشست در سازههای واقع بر خاکهای رسی و همچنین محاسبه فشار پیشتحكیمی است. در این آزمایش پارامترهای مؤثر در پیشبینی شدت نشست و میزان آن در سازههای ساختهشده بر روی خاکهای چسبنده اشباع تعیین میشوند. در این آزمایش نمونه استوانهای خاک با قطر تقریبی ٧ سانتیمتر تحت اثر فشار محوری قرار میگیرد، حلقه فلزی که در دور نمونه قرار میگیرد مانع از ایجاد تغییرشكلهای جانبی میگردد.
آزمایش تحکیم خاک
استانداردها
AASHTO T216-83, ASTM D2435, ASTM D4186
مقدمه
هدف از انجام آزمایش تحکیم خاک تخمین سرعت نشست تحكیمی و میزان نشست در سازههای واقع بر خاکهای رسی و همچنین محاسبه فشار پیشتحكیمی است. در این آزمایش پارامترهای مؤثر در پیشبینی شدت نشست و میزان آن در سازههای ساختهشده بر روی خاکهای چسبنده اشباع تعیین میشوند. در این آزمایش نمونه استوانهای خاک با قطر تقریبی ٧ سانتیمتر تحت اثر فشار محوری قرار میگیرد، حلقه فلزی که در دور نمونه قرار میگیرد مانع از ایجاد تغییرشكلهای جانبی میگردد.
این آزمایش روشی است برای محاسبه میزان نشست خاک و سرعت تحكیم خاک در شرایط یک بعدی تحت اثر بارگذاری تنش-كنترل. در این آزمایش یک نمونه در شرایطی كه به صورت جانبی محدود شده است تحت اثر بارگذاری محوری قرار میگیرد. بار بهصورت مرحلهای به نمونه اعمال میشود در هر مرحله از بارگذاری ضمن اندازهگیری تغییرات ارتفاع، به نمونه امكان تحكیم (خارج شدن آب حفرهای) داده میشود. مقادیر اندازهگیری شده برای محاسبه رابطه تخلخل- تنش مؤثر و همچنین سرعت تحكیم مورد استفاده قرار میگیرند.
برای تعیین میزان نشست خاکها به علت تحكیم از تئوری تحكیم ترزاقی با فرضیات زیر استفاده میشود:
- خاک همگن است
- خاک اشباع است
- زهكشی و تراكم یک بعدی هستند
- خواص خاک ثابت است
- منحنی e-logp یك خط راست را تشكیل میدهد
منحنی زیر فشردگی نمونه خاک نسبت به جذر زمان را نشان میدهد. در این منحنی d0 شروع فشردگی است و ds نقطه شروع اصلاح شده است كه از امتداد مماس بر منحنی بهدست آمده است. نقطه 100% فشردگی و df حد نهايی آن است. فشردگی از d0 تا d100 تحكيم اوليه خوانده میشود و از d100 تا df تحكیم ثانويه خواهد بود. d0 معمولاً بالاي ds قرار دارد.
با اعمال بارگذاری، تحكیم اولیه شروع میشود و بعد از اتمام تحكیم، فشردگی ادامه مییابد. در این حالت هیچ نوع فشار هیدرواستاتیكی اضافه یا محو نمیشود. در واقع این حالت تحكیم ثانویه است كه به علت شكستگی تدریجی باندهای بین دانهها یا زهكشی آب جذب سطحی خود ذرات است. محاسبات زمانی تئوری ترزاقی فقط برای تحكیم اولیه صحت دارد. نسبت فشردگی اولیه به فشردگی نهایی یعنی نمایانگر میزان فشردگی كل است كه با تئوری ترزاقی پوشش داده میشود. به عبارت دیگر هر چه بیشتر شود، تئوری ترزاقی جوابهای بهتری میدهد. درغیر اینصورت معمولاً نشستی كه پیشبینی میشود بزرگتر از نشست واقعی خواهد بود.
آزمایش تحكیم معمولاً بر روی نمونههایی كه از نمونههای دست نخورده خاک ریزدانه تهیه شدهاند انجام میشود. این آزمایش را میتوان بر روی نمونههای ساختهشده نیز انجام داد. نتایج آزمایش تحكیم پایهای برای محاسبه مقدار و سرعت نشست پیهای سازهای و خاک ریزهایی كه بر روی خاک ریزدانه ساخته میشوند خواهد بود. همچنین از این آزمایش میتوان برای تعیین پارامترهای مدلهای رفتاری مصالح مانند مدل تحكیم یک بعدی ترزاقی یا مدهای حالت حدی استفاده كرد. با استفاده از مدل تحكیم یک بعدی ترزاقی و نتایج این آزمایش میتوان نفوذپذیری خاک مورد آزمایش را نیز تخمین زد.
در این آزمایش نمونه خاک که درون حلقه مخصوص و سپس سلول تحکیم مستقر شده است، طی چندین مرحله تحت اثر تنشهای مختلف قرار گرفته و در هر مرحله مقدار نشست نمونه خاک در طول زمان قرائت شده و ثبت می شود. در پایان آخرین مرحله بارگذاری و پس از خاتمه مرحله نشست، نمونه در مراحل مختلف باربرداری شده و مقدار تورم خاک در اثر باربرداری نیز در چندین تنش مختلف قرائت و ثبت میشود. آزمایش معمولاً در حالت استغراق کامل نمونه انجام میگیرد. در بعضی از انواع آزمایشهای تحکیم برای مدلسازی نحوه رفتار عملی خاک، ابتدا با رطوبت طبیعی تا تنش معینی بارگذاری انجام میشود و سپس در این تنش، سلول تحکیم پر از آب شده و نمونه کاملاً مستغرق میشود و ادامه آزمایش تحکیم در این شرایط تکمیل میگردد.
نمونهگیری
اندازه نمونهها
۱.حداقل قطر نمونه باید 50 میلیمتر باشد.
۲.حداقل ضخامت اولیه نمونه باید 12 میلیمتر باشد. این ضخامت نباید كمتر از 10 برابر حداكثر اندازه دانههای موجود در خاک باشد.
۳.حداقل نسبت قطر به ضخامت نمونه باید 2.5 باشد.
آمادهسازی نمونهها
در آمادهسازی نمونهها باید دقت كرد كه حداقل دستخوردگی یا تغییر در رطوبت یا دانسیته مصالح به وجود آید. نمونههای دستنخورده كه از محل تهیه شدهاند باید پس از خارج شدن از نمونهگیر به اندازه حلقه دستگاه تحكیم بریده شده و در داخل آن قرار گیرند. این نمونهها باید قطری به اندازه حداقل 5 میلیمتر بزرگتر از قطر حلقه فلزی دستگاه داشته باشند پس از بریدن نمونه بهوسیله استوانه مخصوص به آرامی آن را در داخل حلقه قرار میدهیم. برای بریدن نمونه در خاکهای نرم از اره سیمی و برای خاکهای سفت از یک تیغه لب تیز استفاده میشود. در خاکهای آلی یا خاکهای الیافدار كه در اثر بریدن دستخوردگی در آنها ایجاد میشود میتوان نمونهها را مستقیماً از لولههای نمونهگیر به داخل حلقه تحكیم وارد نمود در این صورت باید قطر نمونهگیر و حلقه تحكیم یكسان باشند.
تعیین مشخصات نمونه
۱. جرم اولیه مرطوب نمونه یعنی MT0 را محاسبه میکنیم (جرم آزمونه و حلقه از جرم حلقه فلزی كم میشود)
۲. ارتفاع اولیه نمونه (H0) حداقل در 4 نقطه از نمونه اندازهگیری میشود (با دقت 0.025 میلیمتر)
۳. حجم اولیه (V0) با دقت 0.25 سانتیمتر مربع با استفاده از قطر نمونه و ارتفاع اولیه آن محاسبه میشود
۴. درصد رطوبت نمونه با استفاده از قطعههایی كه در هنگام آمادهسازی نمونه بهدست آمدهاند محاسبه میشود
۵. برای انجام محاسبات و تفسیر نتایج، مشخص بودن حدود آتربرگ و وزن مخصوص دانههای خاك لازم است.d0
وسایل مود نیاز آزمایش تحکیم
۱- دستگاه بارگذاری
دستگاه باید به طور مناسبی بار عمودی را به نمونهها وارد كند. بار عمودی به وسیله وزنههایی كه بر روی دستگاه قرار میگیرند به نمونهها اعمال میشوند. دستگاه باید قادر باشد بار مورد نظر را برای مدت طولانی با خطای كمتر از 0.5 درصد ثابت نگه دارد. هر افزایش بار بدون وارد كردن ضربه در زمان حدود 2 ثانیه انجام میشود. افزایش بار باید در زمانی حدود به نمونه اعمال شود.
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 (Vs) و حجم آب (Vw) است از حاصل ضرب ارتفاع (Hi) در سطح مقطع نمونه (A) بهدست میآید:
حجم آب در انتهای آزمایش كه Vwf نامگذاری میشود، از آزمایش درصد رطوبت در انتهای آزمایش بهدست میآید. در این حالت، درصد اشباع 100 درصد است.
بنابراین ارتفاع معادل خاک عبارت است از:
در روابط فوق A مساحت حلقه فلزی است.
ارتفاع منافذ عبارت خواهد بود از:
بنابراین نسبت منافذ اولیه عبارت است از:
برای محاسبه زمان تحكیم و مقدار تحكیم (نشست خاکها)، با توجه به اطلاعات بهدستآمده از آزمایشها، منحنی نشست نسبت به لگاریتم زمان رسم میشود. از روی این منحنی مقدار 100% تحكیم اولیه نمونه را در هر فشار به دست میآوریم. محل برخورد مماسهای قسمت با شیب زیاد و شیب كم در انتهای آزمایش را انتهای تحكیم اولیه میگویند. زمان مربوط به این نقطه را زمان 100 درصد تحكیم یا t100 مینامند.
برای یافتن قرائت گیج در صفر درصد تحكیم اولیه (یعنی زمانی كه هنوز تغییر ضخامت نمونه شروع نشده است)، از دو زمان انتخابی كه معمولاً در ابتدای قسمت سهمی شكل منحنیاند و نسبت آنها بین 1 به 4 است، استفاده میشود. به اندازه فاصله بین دو زمان روی محور قرائت گیج از t1 به طرف بالا جدا كرده و از آن بر محور تغییرمكان عمود میكنیم. در محل تقاطع این عمود با محور میتوان رابطه زیر را برای تغییرمكان در حالت تحكیم اولیه نوشت:
برای یافتن تحكیم 50 % در هر افزایش بار روی منحنی زیر میانگین تحكیم صفر درصد (d0) و تحكیم صد درصد (d100) را محاسبه کرده و روی نمودار محل آن را پیدا میكنیم، سپس زمان تحكیم 50% (t50) را نیز بهدست میآوریم.
برای هر افزایش بار ضریب تحكیم (Cv) را در 50% تحكیم از رابطه زیر به دست میآوریم:
در رابطه فوق H میانگین طولانیترین راه زهكشی آب در بارگذاری است.
روش دیگر برای تعیین Cv و d100 و d0 رسم منحنی قرائت گیج-جذر زمان است. قسمتی از ابتدای منحنی را که تقریباً خط مستقیم است با خطکش از دو طرف ادامه میهیم، محل تقاطع این خط با محور زمان را بهدست آورده و به این زمان مقدار 15% اضافه میكنیم و از نقطه جدید روی محور زمانها به d0 وصل میكنیم. محل تقاطع این خط با منحنی، نقطه تحكیم 90% است. t90 و d90 را به دست میآوریم. با کمک رابطه زیر مقدار d100 را بهدست میآوریم:
ضریب تحكیم در این روش از رابطه زیر بهدست میآید:
شیب قسمت دوم نمودار نشست لگاریتم زمان نشاندهنده خزش و تحكیم ثانویه است. برای یك خاک این شیب تقریباً ثابت است. این شیب از رابطه زیر بهدست میآید:
میتوان نسبت منافذ اولیه (ei) را از رابطه زیر بهدست آورد:
ΔH همان است كه از قرائتسنجها خوانده میشود.
درصورتیكه منحنی e-p رسم شود، میتوان ضریب تراكمپذیری (av) را از رابطه زیر بهدست آورد:
ضریب تغییر حجم (mv) نیز از رابطه زیر بهدست میآید:
دیده میشود كه ضریب تغییر حجم mv معادل عكس مدول الاستیسیته تحكیم (مدول اودومتری Eoed) است. در این مرحله میتوان ضریب نفوذپذیری خاک را از رابطه زیر بهدست آورد:
درصورتیكه منحنی e-logp رسم شود، شاخص فشردگی CC از رابطه زیر بهدست میآید:
درصورتیكه شیب قسمت باربرداری محاسبه شود، شاخص تورم Cs عبارت خواهد بود از:
شیب بخش بارگذاری مجدد، اندیس تراكم مجدد است كه از رابطه زیر بهدست میآید:
اثر فشار آب حفرهای
زهکشی ناشی از افزایش فشار آب حفرهای کاملاً آنی است. زهکشی آب حفرهای با کاهش حجم توده خاک همراه است که خود به نشست منجر میگردد. به دلیل زهکشی سریع آب حفرهای در خاکهای ماسهای نشست آنی و تحکیمی بهطور همزمان رخ میدهد. زمانی که لایه رس تراکمپذیر اشباع تحت تأثیر افزایش تنش قرار میگیرد نشست آنی بلافاصله انجام میشود. ضریب نفوذپذیری رس نسبت به ماسه بسیار کم میباشد از این رو فشار آب حفرهای که بر اثر بارگذاری افزایش یافته است، ناشی از بارگذاری بهصورت تدریجی در طی زمان طولانی مستهلک میشود . بنابراین، تغییر حجم مربوط به خاک رس (تحکیم) تا مدت زمان طولانی پس از نشست آنی ادامه مییابد. نشست ناشی از تحکیم در خاک رس ممکن است چندین برابر بزرگتر از نشست آنی باشد.