خلاصه مطلب :آزمایش نفوذ پذیری خاک های دانه ای (ارتفاع ثابت)

استاندارد: ASTM D2434

1. هدف

1-1- این آزمایش ضریب نفوذ پذیری با روش ارتفاع ثابت برای جریان آرام آب از خاکهای دانه ای را تعیین می نماید. منظور بدست آوردن مقادیر معرف ضریب نفوذ پذیری خاکهای دانه ای می باشد که در لایه های روسوبی طبیعی موجود در خاکریزه ها یا هنگام استفاده در لایه های اساس ممکن است اتفاق بیوفتد. برای محدود کردن اثرات تحکیم در طول آزمایش، این روش به خاکهای دانه ای دست خورده ای محدود می گردد که محتوی بیش از 10% عبوری از الک 75 میکرن (نمره 200) نباشد.

2. استانداردهای ASTM

ASTM D422: روش آزمایش تعیین دانه بندی خاکها
ASTM D2049: روش آزمایش تعیین دانسیته نسبی خاکهای غیر چسبنده

3. شرایط اساسی آزمایش

1-3- شرایط ایده آل آزمایش به شرح زیر، برای جریان آرام آب در خاکهای دانه ای با روش ارتفاع ثابت، لازم می باشد:
1-1-3- ادامه جریان بدون تغییر حجم خاک در طول آزمایش
2-1-3- جریان با فضاهای تخلخل اشباع و بدون حباب هوا در فضاهای خاک
3-1-3- جریان در حالت پایدار و بدون تغییرات در گردیان های هیدرولیک پائین تر از مقادیر معین، که در آن جریان متلاطم شروع می شود.
2-3- تمام انواع دیگر جریان شامل اشباع جزئی فضاهای خاک، جریان متلاطم، جریان ناپایدار مشخصات زودگذر میباشد و ضرایب نفوذ پذیری متغیر و وابسته به زمان را حاصل می شود، لذا نیاز به شرایط و روش های خاص دارد.

4. لوازم آزمایش نفوذ پذیری خاک های دانه ای (ارتفاع ثابت)

4-1- نفوذ پذیری سنج؛ مطابق جدول 1 بایستی دارای استوانه های نمونه با حداقل قطرهای تقریبا 8 تا 12 برابر حداکثر اندازه دانه ها باشد. نفوذ پذیری سنج بایستی مجهز به یک صفحه متخلخل با پوسته، مسلح مناسب در پائین با نفوذ پذیری زیادتر از نمونه های خاک، که سوراخ ها به اندازه کافی ریز باشد (ته بزرگتر از 10 % اندازه ریزتر) تا از حرکات ذرات ممانعت شود. خروجی های فشارسنج برای اندازه گیری کاهش ارتفاع ،h، در طول ،L، حداقل معادل قطر سیلندر صفحه متخلخل با پوسته مسطح مناسبی با فنری متصل به بالا، یا هر وسیله دیگر، برای اعمال اندکی از بار کل 22 تا 45 نیوتن (5 تا 10 پوند) ناشی از فشار، هنگامیکه صفحه بالایی در محل بسته است. این عمل دانیسته و حجم خاک جای گرفته را در طول اشباع نمونه و آزمایش نفوذ پذیری، برای برآورد نمودن نیاز تعیین شده در بند 3-1-1، بدون تغییر مهمی محفوظ می دارد.
2-4- تانک فیلتردار ارتفاع ثابت؛ همانطوریکه در شکل 1 نشان داده شده است، برای تهیه آب و حذف بیشتر هوا از شیر آن و مجهز به دریچه های کنترل مناسب برای برای نگهداری شرایط شرح داده شده در بند 3-1-2 می باشد. آب بدون هوا، در صورتیکه ترجیح داده شود، می تواند مورد استفاده قرار گیرد.
3-4- قیف های بزرگ؛ به لوله های استوانه ای ویژه به قطر 25 میلی متر (یک اینچ) برای حداکثر اندازه 9.5 میلی متر  و به قطر 13 میلی متر   برای حداکثر اندازه ذرات 2 میلی متر (نمره 100) مجهز می باشد. طول لوله بایستی از طول کامل محفظه نفوذ پذیری حداقل 150 میلی متر (6 اینچ) بزرگتر باشد.
4-4- لوازم تراکم نمونه؛ می توان لوازم تراکمی را به نظر مناسب می رسد مورد استفاده قرار داد. به شرح زیر پیشنهاد می گردد: کوبنده ارتعاشی مجهز به پایه کوب به قطر 51 میلی متر (2 اینچ) ،کوبنده لغزان با پایه کوب به قطر 51 میلی متر (2 اینچ)، و یک میله برای لغزاندن وزنه های 100 گرمی (0.25 پوند برای ماسه ها) تا یک کیلوگرم (2.25 پوند برای خاک دارای شن درشت) و دارای ارتفاع سقوط قابل تنظیم، تا 102 میلی متر (4 اینچ) برای ماسه ها و 203 میلی متر (8 اینچ) برای خاکهای همراه با شن درشت می باشد.
4-5- پمپ خلاء یا شیر هواگیری
6-4- لوله های فشار سنج با درجه بندی متریک برای اندازه گیری ارتفاع آب
7-4- ترازو با ظرفیت 2 کیلوگرم (4.4 پوند) و دقت یک گرم (0.002 پوند)
8-4- بیلچه با ظرفیتی حدود 100 گرم (25/0 پوند) خاک
9-4- لوازم متفرقه مثل گرماسنج، ساعت با عقربه ثانیه شمار، پیمانه مدرج 250 میلی لیتری، پیمانه حدود یک لیتری، سینی برای مخلوط کردن و غیره

 لوازم کامل آزمایش نفوذپذیری با بار ثابت آزمایشگاهی

5. نمونه

1-5- نمونه ای معرف از خاک دانه ای در هوا خشک شده، کمتر از 10% درصد مصالح عبوری از الک 75 میکرون (نمره 200) دارا باشد، با روش چهار قسمتی به مقدار کافی برای تامین نیازهای شرح داده شده در بند های 5-2 و5-3 بایستی انتخاب شود.
قبل از آزمایش نفوذ پذیری، روی نمونه ای معرف از تمام خاک، بایستی دانه بندی (روش D 422 ) انجام شود. دانه های بزرگتر را 19 میلی متر  بایستی با الک جدا شود. این مصالح بزرگتر از اندازه نبایستی یادداشت شود. به منظور برقراری مقادیر معرف ضرایب نفوذ پذیری برای محدوده تغییراتی که ممکن است در محل مورد بررسی موجود باشد، نمونه هایی از خاکهای ریزتر، متوسط و درشت تر را بایستی برای آزمایش بدست آورد. از مصالحی که دانه های بزرگتر از اندازه از آنها حذف شده است (بند 5 -2 را ببینید) روش   را انتخاب کنید نمونه ای تقریبا دو برابر مورد نیاز برای پر کردن محفظه نفوذ پذیری، برای آزمایش انتخاب کنید.

6. تهیه نمونه ها

1-6- اندازه نفوذ پذیری سنج مورد استفاده باید مطابق جدول شماره 1 باشد.
2-6- اندازه گیری های اولیه به شرح زیر را به سانتیمتر یا سانتیمتر مربع انجام دهید و بر روی برگه دادها یادداشت نمایید (شکل 3). قطر داخلی نفوذپذیری سنج ،D، و طول بین خروجی های فشارسنج ،L، و عمق   در چهار نقطه به فواصل قرینه از سطح بالایی سطح فوقانی استوانه نفوذ پذیری تا رویه تور سیمی یا سنگ متخلخل بالایی که به طور موقت روی تور سیمی یا صفحه متخلخل پائینی قرار گرفته، اندازه گیری می شود. بنابراین به طور اتوماتیک ضخامت تور سیمی یا صفحه بالایی را از اندازه مورد استفاده برای تعیین حجم خاک جای گرفته در سیلندر نفوذ پذیری کم می کند. صفحه فوقانی دوتایی مورد استفاده قرار دهید که دارای چهار سوراخ بزرگ به فواصل قرینه باشد تا از وسط آنها مقدار میانگین   بتواند تعیین شود. سطح مقطع نمونه ،A، را تعیین کنید.
3-6- بخش کمی از نمونه، انتخاب شده مطابق با شرح بند 5-3، را برای تعیین درصد رطوبت بردارید. وزن باقی مانده نمونه در هوا خشک شده (بند 3-5) ،   ، را برای تعیین وزن مخصوص یادداشت کنید.
4-6- خاک آماده شده را با یکی از روش های زیر در لایه های نازک یکنواخت با ضخامت، بعد از تراکم، مساوی یا حداکثر اندازه ذرات جای دهید ولی ضخامت لایه ها کمتر از تقریبا 15 میلی متر (0.6 اینچ) نباشد.

1-4-6- برای خاکهای دارای حداکثر اندازه 9.5 نیم میلی متر   یا کمتر، همانطوریکه در بند 4-3 شرح داده شده، قیف با اندازه مناسب را با لوله در تماس با تور سیمی یا صفحه متخلخل زیرین، لایه تشکیل شده قبلی در دستگاه نفوذپذیری قراردهید قیف را برای تشکیل یک لایه به اندازه کافی پر کنید. خاک را از جاهای مختلف، نمونه در سینی، بردارید. قیف را تا 15 میلی متر (0.6 اینچ)، یا تقریبا ضخامت تحکیم نشده لایه ای که بایستی تشکیل شود، بالا ببرید خاک را با حرکتی مارپیچی و آهسته در پیرامون وسیله بطرف مرکز پخش کنید، بطوریکه لایه یکنواخت تشکیل شود. خاک در سینی را برای هر لایه مجددا مخلوط نمایید تا جدایی دانه ها ناشی از برداشتن خاک از سینی کاهش یابد.
6-2-4- برای خاکها با حداکثر اندازه بزرگتر از 9.5 میلیمتر  ، با بیلچه خاک را پخش کنید. با لغزاندن بیلچه ای در خاک به ته یا لایه تشکیل شده در وضعیت تقریبا افقی در امتداد سطح داخلی دستگاه سپس گچ کردن بیلچه و کشیدن آن بطرف مرکز با حرکتی آهسته، میتوان بخش یکنواختی را بدست آورد. این عمل باعث می شود تا خاک از بیلچه یکنواخت و بدون جدایی دانه ها ریخته شود. استوانه نفوذ پذیری را به اندازه کافی برای بیلچه بعدی بچرخانید، اینگونه گرداگرد پیرامون داخلی پیش رفته تا لایه متراکم یکنواختی به ضخامتی مساوی با حداکثر اندازه ذرات تشکیل شود.

5-6- لایه های متوالی خاک را تا دانیسته نسبی مطلوب با روش های مناسب تا ارتفاع حدود 2 سانتیمتر (0.8 اینچ) بالاتر از خروجی فشارسنج فوقانی متراکم نمائید.

1-5-6- دانیسته حداقل (دانیسته نسبی %) یکی از روش های مشروح در بند 6-4-1 یا 6-4-2، لایه های خاک را پی در پی قرار دهید تا دستگاه تا سطح مناسب پر شود.
2-5-6- دانیسته حداکثر (انیسته نسبی 100%)
1-2-5-6- تراکم با کوبنده ارتعاشی– هر لایه خاک را بطور کامل با کوبنده ارتعاشی متراکم نمائید. عمل کوبیدن آهسته را بطور یکنواخت و منظم در سراسر سطح لایه پخش نمائید. فشار تماس و و مدت زمان اثر لرزش در هر نقطه نباید باعث فرار خاک از زیر لبه های پایه کوب و درنتیجه سستی یایه گردد. برای بدست آوردن حداکثر دانیسته با اندازه کافی لایه اجرا نمائید، بطوریکه عملا ذرات سطح نزدیک به لبه های پایه کوب هیچ حرکت قابل مشاهده ای نداشته باشد.
2-2-5-6- تراکم با کوبنده ورنی لغزان- هر لایه خاک را با کوبیدن ضربات که بطور یکنواخت سراسر سطح لایه پخش شود، بطور کامل متراکم نمائید. ارتفاع سقوط را تنظیم نمائید. برای بدست آوردن حداکثر دانیسته، با توجه به درشتی و مقدار شن خاک، تعداد کافی لایه درنظر بگیرید.
3-2-5-6- تراکم با سایر روش ها-تراکم میتواند با سایر روش های تایید شده انجام شود، به عنوان مثال با دستگاه پر کننده ارتعاشی که در آن برای بدست آوردن نمونه ای یکنواخت بدون جدایی ذرات دقت می شود (روش آزمایش D 2049 ).
3-5-6- میانگین دانیسته نسبی بین صفر و صد در صد- با آزمایش در ظرف جداگانه با قطر مساوی با قطر استوانه نفوذپذیری، تراکم را تنظیم نمائید تا مقادیر مجدد دانیسته نسبی را بدست آورید. با این روش ها خاک را در لایه های نازک تا ارتفاعی در حدود 2 سانتیمتر (0.8 اینچ) بالای خروجی فشار سنج فوقانی متراکم نمائید.
به منظور طبقه بندی منظم معرف شرایط دانیسته نسبی که امکان دارد در لایه های طبیعی یا در خاکریزه متراکم حکم فرما باشد، مجموعه ای از آزمایشهای نفوذپذیری بایستی انجام شود تا محدوده دانیسته نسبی صحرائی طبقه بندی گردد.

6-6- تهیه نمونه برای آزمایش نفوذپذیری:

1-6-6- سطح بالایی خاک را، با در محل قراردادن تور سیمی با صفحه متخلخل بالایی و آرام چرخاندن به عقبب و جلو، تراز نمائید.
2-6-6- ارتفاع نهایی نمونه  ، که در آن   از سطح بالایی صفحه متخلخل فوقانی، که برای اندازه گیری   مورد استفاده قرار می گیرد، تا رو به تور سیمی با صفحه متخلخل بالائی می باشد را اندازه گیری و یاداشت نمائید و در حین اندازه گیری بایستی فنر را به آرامی فشار داده تا تور سیمی یا صفحه متخلخل جای گیرد. وزن نهایی خاک خشک شده در هوا مورد استفاده در آزمایش   (را، با وزن کردن خاک باقی مانده در سینی   ، نیز اندازه گیری و یادداشت نمائید. وزن مخصوص ها، نسبت تخلخل و دانیسته نسبی نمونه مورد آزمایش را محاسبه و یادداشت نمائید.
3-6-6- صفحه فوقانی را در حالیکه واشر آن در جایش می باشد بر فنر فشار دهید و محکم به بالای استوانه نفوذپذیرسنج وصل کنید و از هوا نفوذ ناپذیر نمائید. بنابرین شرایط توصیف شده در بند 3-1-1 در مورد نگهداری دانیسته اولیه بدون تغییر حجم قابل ملاحظه در طول آزمایش، را تامین می نماید.
4-6-6- با استفاده از پمپ تخلیه یا هواکش مناسب، نمونه را حداقل 15 دقیقه تحت 50 سانتی متر (20 اینچ) جیوه تخلیه نمائید تا هوای چسبنده به ذرات خاک و در فضاهای متخلخل بیرون رود. بمنظور آزاد کردن هوای باقی مانده در نمونه، یا اشباع کند نمونه تحت خلاء کامل از پائین به بالا (شکل 2) تخلیه را ادامه دهید. با استفاده از آب بدون هوا آب نگهداری شده در جریانی با درجه حرارت به اندازه کافی زیاد که باعث کاهش گردبان حرارتی در نمونه ای در طول آزمایش می شود، اشباع ممتد و بیش از حد میتواند ادامه یابد. آب محلی یا آب محتوی مواد معدنی کم را (توجه 4) بایستی برای آزمایش مورد استفاده قرارداد، اما در هر حالت مایع سیال بایستی روی فرم گزارش (شکل 3) تشریح گردد. این عمل شرط توصیف شده در بند 3-1-2، جهت اشباع فضای متخلخل خاک را تامین می نماید.