آزمایش تراکم خاک (پروکتور)

مقدمه:


آزمایش تراكم: عبارتست از كاهش دادن حجم خاك در اثر خارج ساختن هوا با استفاده از اعمال نیرو. كه در این حالت اصطكاك بین ذره ها بیشتر میشود و وزن واحد آن زیاد میشود.و این وزن، معیار تراكم خاك است.

تراكم به منظور افزایش مقاومت نیروی برشی است و كاهش نفوذپذیری، كه این به علت این است كه منافذ خاك كوچكتر میشود و در نتیجه عبور آب از این منافذ مشكلتر است.در خاكهای رسی یك مشكل وجود دارد و آن افزایش پتانسیل تورم می باشد.

عوامل موثر در تراكم خاك بستگی دارد به : 1- نوع خاك 2- انرژی 3- رطوبت

در این جا به نوع خاك اشاره شد. نحوه تراكم خاكها با توجه به مشخصات فیزیكی آن مختلف است. این خاکها عبارتنداز تراكم خاكهای غیر چسبنده و تراكم خاكهای چسبنده.

تراكم خاكهای غیر چسبنده(شن و ماسه):خاكهای غیر چسبنده معمولا از ذرات درشت دانه و نسبتا كروی شكل تشكیل میشوند و درجه تركم آنها بستگی به طرز قرار گرفتن ذرات در كنار یكدیگر دارد. از آنحایی كه ذرات تقریبا غیر قابل تغییر شكل و تراكم ناپذیر هستند استفاده از ارتعاش و لرزه بهترین وسیله جهت متراكم كردن اینگونه خاكها میباشد.



نوع ماسه روش ایجاد تراكم

ماسه خشك ارتعاش

ماسه مرطوب استغراق+ارتعاش

ماسه مستغرق ارتعاش

روشهای تراكم خاكهای درشت دانه:

به علت ساختمان خاص ذرات ریز دانه چسبنده مثل سیلت ریز و رس تراكم آنها به وسیله ارتعاش مقدور نیست و بار یا فشار استاتیك بهترین وسیله برای تراكم این گونه خاكهاست. برای نشان دادن تراكم پذیری این گونه خاكها تحت فشار میتوان مقداری آب به توده ای از خاك میكا افزود و آنرا در یك لیوان قرار داد.چنانچه با یك استوانه فلزی مقداری فشار روی سطح خاك در لیوان وارد اید مشاهده خواهد شد كه سطح خاك نشست قابل ملاحظه ای نموده است یعنی تحت تاثیر فشار استاتیك متراكم شده است.

با انرژی های مختلف میتوان تراكم های مختلف داشته باشیم.از طرفی برای تراكم كردن خاك میتوان رطوبت را نیز زیاد كرد. و برای این كه پروژه ای از لحاظ اقتصادی مقرون به صرفه باشد باید مقدار رطوبت به حد اپتیمم باشد.

آزمایشهای دیگر نیز برای تراكم وجود دارد كه اصولا به 8 روش انجام پذیر است. ولی ما برای تراكم از روشهای استاندارد و اصلاح شده استفاده میكنیم.روش كار در همه یكسان است ولی تفاوت در مقدار وزنه و دیگر مشخصات میباشد.

در هنگام ساخت و اجرای بزرگراه ها و فرودگاهها و سازه های دیگر،متراكم كردن خاك یك امر ضروری جهت بهبود مقاومت خاك میباشد.پروكتور (1933) یك آزمایش تراكم آزمایشگاهی ابداع كرد تا به وسیله آن حداكثر وزن مخصوص خشك خاك كه برای تراكم در محل میتواند استفاده شود را تعیین كند این آزمایش به نام آزمایش تراكم پروكتور مشهور میباشد و در این بخش توضیح داده میشود

روند آزمایش:

آزمایش پروکتور به دو روش انجام میپذیرد :

1) روش اشوی استاندارد (تراکم دستی) : در این روش از چکشی به وزن 5.5 پوند و ارتفاع سقوط 13 اینچ(یک فوت) وتعداد 56 ضربه در سه لایه تراکم، و قطر قالب 6 اینچ استفاده میگردد .

2) روش اشوی اصلاح شده (تراکم پیشرفته) : در این روش از چکشی به وزن 10 پوند و ارتفاع سقوط 18 اینچ (یک و نیم فوت) و تعداد 25 ضربه در پنج لایه تراکم، و قطر قالب 4 اینچ استفاده میگردد.

در این آزمایش از روش استاندارد استفاده نموده ایم که البته نتیجه همه آزمایشها یکی است و تفاوت فقط در عملکرد و حجم قالب ها و تعداد ضربه هاست که به دلیل اختلاف وزن چکش است.



وسایل:

1) الک 4/3 اینچ

2) چکش پروکتور

3) قالب (ارتفاع 4.6 اینچ)

4) سر قالب (ارتفاع 2.5 اینچ)

5) زیر قالب با متعلقات

6) ظرفی برای خاک مرطوب کردن (استانبولی)

7) ترازو با دقت 0.01 گرم

8) گرمخانه (Oven)

9) کاردک و خط کش

شرح آزمایش:

ابتدا قالب و زیر قالب را سرهم نموده و وزن می نماییم سپس مقداری خاک عبوری از الک 4/3 اینچ (تقریباً دو برابر حجم قالب)، را در داخل استامبولی ریخته و به مقدار تقریبی 15 درصد ،آب به آن اضافه می کنیم(با توجه به دانه بندی خاک که هر چه ریزتر باشد آب بیشتری مورد نیاز بوده و هر چه درشت دانه باشد آب کمتری نیاز دارد که به دلیل سطح مقطع دانه هاست) وبعد خاک را کاملا ترکیب میکنیم تا خاک مرطوبی یکدست بدست بیاید. سپس کمی بیش از 3/1 قالب را از خاک مرطوب بدست آمده پر میکنیم (تقریبا نصف قالب) و با چکش پروکتور به تعداد 56 ضربه تمام سطح خاک مرطوب را میکوبیم(متراکم می کنیم) و به همین ترتیب لایه دوم را نیز انجام میدهیم .

برای انجام لایه سوم ، سر قالب را بر روی قالب گذاشته و محکم بر روی قالب نگه می داریم و لایه سوم را تا سطح رویه سر قالب پر میکنیم و بعد شروع به کوبیدن ، طبق روال دو لایه قبلی میکنیم.

بعد از اتمام عمل تراکم ، سرقالب را باز نموده سطح قالب را با یک وسیله مانند کاردک یا خط کش فولادی یا هر وسیله دیگری کاملاً صاف کرده و قالب محتوی خاک مرطوب را وزن می نماییم.سپس قالب را باز نموده از قسمت سر و انتهای قالب نمونه برداری نموده، وزن کرده ، در داخل گرمخانه قرار میدهیم.

محتوای قالب را تخلیه نموده و به آن مقداری آب اضافه کرده دوباره خاک مرطوب را برای بدست آوردن ترکیبی یکنواخت ، کاملا هم می زنیم و اعمال فوق را تکرار نموده و نمونه گیری کرده ، نمونه را وزن نموده داخل گرمخانه قرار می دهیم.

برای بار سوم محتوای قالب کاملا تخلیه شده و به خاک مرطوب آب اضافه می نماییم و اعمال ذکر شده را انجام داده و در نهایت از آن نیز نمونه گیری نموده وزن کرده در داخل گرمخانه قرار می دهیم.

*نکته: تعداد ازمایشات انجام شده هر چه بیشتر باشد، نتیجه مطلوبتری به ما خواهد داد ولی حداقل تعداد آزمایشات سه بار میباشد تا با رسم نمودار، و پیدا نمودن این نقاط در آن یک سهمی بوجود آید که نقطه راس این سهمی رطوبت بهینه است که ما برای ایجاد تراکم حداکثری بدان نیاز داریم.

نمونه ها می بایست به مدت 24 ساعت در دمای 110 درجه سانتی گراد در داخل گرمخانه بمانند که پس از گذشت این مدت زمان، نمونه ها را خارج نموده وزن نموده و درصد رطوبت آنها را محاسبه می نماییم.

اینک با توجه به مقادیر بدست آمده از درصد رطوبت و داشتن وزن خاک مرطوب های محتوای قالب ، مقدار وزن مخصوص خشک خاک مرطوب ها را نیز محاسبه نموده و با رسم نموداری که محور افقی نشان دهنده درصد رطوبت و محر قائم نشان دهنده وزن مخصوص خشک مصالح می باشد در محیط Excel یک منحنی رسم می نماییم و با توجه به نمودار، نقطه ماکزیمم منحنی ، نقطه ای است که ما با آن رطوبت، بیشترین تراکم را در خاک، خواهیم داشت که رطوبت بهینه می باشد.

محاسبات:

وزن قالب با زیر قالب و متعلقات =W1 = kg 6.73

وزن خاک مرطوب اول + W1 =Wws1 = kg 13.074

وزن خاک مرطوب دوم + W1 =Wws2 = kg 13.278

وزن خاک مرطوب سوم + W1 =Wws3 = kg 13.030

وزن نمونه مرطوب اول = Ww1 = gr 45.51

وزن نمونه مرطوب دوم = Ww2 = gr 122.46

وزن نمونه مرطوب سوم = Ww3 = gr 71.56

وزن نمونه خشک اول = Wds1 = gr 39.57

وزن نمونه خشک دوم = Wds2 = gr 104.82

وزن نمونه خشک سوم = Wds3 = gr 59.17

اینک وزن مرطوب نمونه ها را از وزن خشک نمونه ها کم میکنیم تا وزن آب موجود آنها بدست آید و با تقسیم بر وزن خشک نمونه ها درصد رطوبت هر یک را محاسبه می نماییم.

وزن آب نمونه اول =Ww1= kg 5.94

وزن آب نمونه دوم =Ww2= 17.64 kg

وزن آب نمونه سوم =Ww3= 12.39 kg

در صد رطوبت نمونه اول = 15.01%

در صد رطوبت نمونه دوم = 16.82%

در صد رطوبت نمونه سوم = 20.94%

با تبدیل مقادیر( اینچ به سانتی متر)حجم قالب ها را برای بدست آوردن چگالی مرطوب خاکها ، را بدست می آوریم: =2130.25 cm3 (2.54×4.6)×2(2.54×3 )×3.14 = r2hπ = حجم قالب

حجم قالب = Vs= 2130.25 cm3

اکنون با تقسیم وزن خاک مرطوب ها بر حجم قالب، جرم حجمی مرطوب هر خاک مرطوب بدست می آید:

W= Wws ÷ Vs γ

γw1=6344 gr ÷ 2130.25 cm3 = 2.978 gr/cm3

γw2=6548 gr ÷ 2130.25 cm3 = 3.074 gr/cm3

γw3=6300 gr ÷ 2130.25 cm3 = 2.957 gr/cm3

حالا با توجه به محاسبات انجام شده جرم حجمی مخصوص خشک (dγ ) هر خاک مرطوب را محاسبه مینماییم:

γd1= γw1 ÷ {1+(w/100)} = 2.978 ÷ (1+ 0.1501) = 2.589

γd2= γw2 ÷ {1+(w/100)} = 3.074 ÷ (1+ 0.1682) = 2.631

γd3= γw3 ÷ {1+(w/100)} = 2.957 ÷ (1+ 0.2094) = 2.445



γd

وزن مخصوص خشک γw

وزن مخصوص مرطوب W%

درصد رطوبت Ww

وزن آب نمونه Wd

وزن نمونه خشک Ww

وزن نمونه مرطوب Wws

وزن خاک مرطوب شماره آزمایش

2.589 3.025 15.01 % 5.94 gr 39,57 gr 45.51 gr 6444 gr 1

2.631 3.074 16.82 % 17.64 gr 104.82 gr 122.46 gr 6548 gr 2

2.445 2.957 20.94 % 12.39 gr 59.17 gr 71.56 gr 6300 gr 3

با داشتن مقادیر بالا از ستون ششم و ستون هشتم( از راست) برای رسم نمودار سهمی ،استفاده می نماییم تا رطوبت بهینه را بیابیم(رطوبت بهینه راس یا قله سهمی ما میباشد) :

نتیجه:

1) رطوبت بهینه ما در این آزمایش برابر با عددتقریبی 16.5% میباشد یعنی بهترین میزان رطوبت برای بیشترین تراکمی که میتوان بر خاک اعمال نمود این مقدار است.

2) هر چه از این درصد رطوبت ، رطوبت بیشتری به خاک اعمال کنیم نتیجه عکس خواهد بود زیرا ذرات آب فضای بین خاکها را پر نموده و خود جایگزین ذرات خاک خواهند شد.

3) هر چه از این میزان درصد رطوبت ، رطوبت کمتری به خاک اعمال شود تراکم کمتر صورت میگیرد چرا که ذرات آب همانند روغن عمل کرده و باعث لغزش ذرات خاک روی هم شده در نتیجه ذرات ریز، فضای خالی ذرات درشت تر را اشغال نموده تراکم افزایش می یابد وبا کم بود رطوبت این امکان وجود نخواهد داشت.

منابع خطا:

خطا ها ممکن است در:1) وزن کشی ،2) چسبیدن خاک به بدنه قالب ،3) تغییر ارتفاع سقوط، 4) چسبیدن خاک مرطوب به داخل بدنه چکش و در نتیجه سقوط ناقص چکش ،5) تخلیه ناقص قالب ،6) ترکیب نا همگن آب با خاک و... بوجود آیند. مهدی حجتی

آزمایش دانسیته در محل

وسايل مورد نياز:


1- دستگاه sand bottle

2- ماسه استاندارد ( اتاوا )

3- ترازو با دقت gr 0.01

4- شلف

5- چكش و قلم

6- ظرف برای خاک (مثلا كيسه پلاستيكي) یا Pan

7- گرمخانه (oven)

مقدمه:

این آزمایش بر طبق استانداردASTM D1556 , D2419 انجام میپذیرد.

هدف از تعیین وزن مخصوص خاک، تعیین درصد کوبیدگی محل است. در واقع هر چه کوبیدگی بیشتر شود، نفوذپذیری کم و مقاومت بیشتر می شود. وزن مخصوص خشك خاك عبارت از نسبت وزن مخصوص مرطوب خاك در محل به در صد رطوبت همان خاك به اضافه 1 مي باشد با تعيين وزن مخصوص خشك خاك مي توان با انجام آزمايش تراكم در آزمايشگاه ميزان قابليت كوبيدگي خاك را درمحل بدست آورد .

درراهسازي ، فرودگاهها ، سدهاي خاكي ، جاده هاي درجه 1 و2 وحتي در ساخت پي ابنيه هاي ساختماني ، بدليل اينكه نياز به بستري محكم مي باشد انجام آزمايش ميزان كوبيدگي الزامي مي باشد طبق آيين نامه مي بايست حداقل تراكم راههاي اصلي 95 درصد وحداقل تراكم راههاي روستايي 85 درصد بوده واگر خاكي اين قدرت را نداشته باشد ، خاك ضعيف تلقي شده واز محل خارج شده وبجاي آن خاكي با قابليت تراكم پذيري مقبول جايگزين مي شود

نكته اي كه مي بايست به آن توجه كرد اين است كه در آزمايشگاه براي انجام آزمايش تراكم مي بايست همان انرژي كه در محل به خاك وارد مي گردد، در آزمايشگاه براي خاك مورد نظر وارد گردد

طریقه بدست آوردن درصد رطوبت با توجه به حالتهای قبلی، بیشترین وزن مخصوص خشک را تعیین می کند. ولی چون در کارگاهها معمولاً آن درصد رطوبت بصورت دقیق و با وزن مخصوص خشک کمتر ( و گاهی بیشتر ) از وزن مخصوص خشک ماکزیمم بدست می آید، لذا از آزمایش ماسه ای استاندارد استفاده می کنیم.

نكته : منظور از ماسه استاندارد اين است كه دانه بندي آن يكنواخت باشد يعني اندازه تمام ذرات آن يكسان بوده وميزان ريز دانه در آن زياد نباشد اين ماسه بايد از الك نمره 40 عبور كرده وروي نمره 50 باقي بماند در دو روش اول، حجم خاک محل گمانه مشخص می شود.

در روش ماسه ای دستگاه بطری ماسه ای از یک بطری که قیف شیرداری برای ریزش ماسه در آن قرار دارد، تشکیل شده است که دارای دو مدل شیشه ای و فلزی می باشد.

اندازه گیری دانسیته ماسه از تقسیم کردن وزن ماسه که در حجم معلومی ریخته شده است به حجم آن بدست می آید.



W1 : وزن ظرف

W2 : وزن ماسه به همراه وزن ظرف

V : حجم ظرف

اندازه گیری دانسیته خاک باید بوسیله تقسیم جرم به حجم صورت پذیرد. حال با داشتن دانسیته ماسه اگر وزن معادل حجم مجهولی را بدانیم می توانیم حجم آن را بدست آوریم. در نتیجه دانسیته خاک بدست می آید.



برای بدست آوردن دانسیته خشک خاک نیز با بدست آوردن رطوبت خاک و یا خشک کردن خاک و استفاده از روابط زیر می توان به مقصود رسید.

روند انجام آزمایش:

برای تعیین صحرایی از سه روش زیر استفاده می شود:

1- ماسه ای

2- بادکنکی ( بالنی )

3- هسته اي

یا





نکته : برای محاسبه وزن ماسه هم حجم خاک خارج شده از گودال آزمایش از اختلاف وزن ماسه استفاده می کند که باید توجه کرد که وزن مخروط ماسه ای باید از آن کم شود، که وزن آن از یک بار محاسبه کردن وزن مخروط بدست می آید.

* با توجه به عمومیت استفاده از روش اول و امکانات موجود،آزمایش را با روش اول ،انجام داده ایم.

شرح آزمایش:

ابتدا يك ظرف استوانه اي با حجم مشخص را برمي داريم و آنرا پر از ماسه استاندارد(اتاوا) مینماییم.(قبل از ریختن ماسه در ظرف استوانه ای وزن آن را اندازه مي گيريم)

وزن ظرف + ماسه : gr1353.5



حال از بطري ماسه اي كه انتهاي آن به صورت قيف(مخروطی شکل) مي باشد استفاده مي كنيم به اين صورت كه در آن مقداري ماسه ريخته تا محتوای آن کاملاً پر شود و با خط کش فولادی سطح آنرا صاف میکنیم بعد آنرا وزن مي كنيم. بدين ترتيب وزن خاك هم حجم مخروط بدست مي آيد.و یا ابتدای کار کل ماسه را که وزن نموده بودیم را تا حد پر شدن مخروط در داخل آن میریزیم و بعد سطح آنرا صاف میکنیم و بعد ماسه مانده را وزن میکنیم که وزن ماسه داخل مخروط بدست می آید.



سپس به محل مورد نظر رفته و بعد از مسطح نمودن یک نقطه تصادفی،

صفحه دستگاه را در محل قرار داده وداخل آن را بوسيله قلم وچكش حفر مي كنيم عمق اين چاله مي بايست 2 برابر قطر سوراخ صفحه دستگاه باشد . خاك كنده شده را در داخل كيسه يا قوطي دردار مي ريزيم سپس دستگاه را كه مجددأ از ماسه پر كرده بوديم ووزن كرده بوديم ، را روي صفحه و روي چاله قرار مي دهيم دريچه دستگاه را باز مي كنيم تا ماسه داخل حفره را پر كند پس از اينكه سطح ماسه درون دستگاه ثابت ماند ، دريچه دستگاه را بسته ومجددأ دستگاه را وزن مي كنيم در محاسبه وزن ماسه اي كه در چاله ريخته شده ، بايد به اين نكته توجه داشت ، وزن دستگاه وماسه داخل ظرف مي باشد وحال آنكه ماسه ريخته شده قيف را نيز پر كرده است .

قرائت ها :

وزن ظرف +نمونه خاک برداشته شده : gr 57.48

وزن ظرف : gr 20.2

وزن ظرف + خاک خشک شده : 52.4 gr

وزن ماسه اولیه : 1353.5 gr

وزن ماسه باقیمانده : 672 gr

وزن ماسه خارج شده : 681.5 gr





محاسبات

وزن ماسه هم حجم چاله : gr 380.08

وزن خاک مرطوب : gr 35.28

وزن خاک خشک : gr 32.2



حال مي توان وزن مخصوص مرطوب خاك را بدست آورد :



حال رطوبت خاكي را كه در داخل ظرف ريختيم اندازه مي گيريم :



حال كه در صد رطوبت را بدست آورديم مي توان وزن مخصوص خشك را بدست آورد .



نتیجه:

نتیجه اینکه دانسیته در محل، خاک ما 24.09  است

منابع خطا:

1- چسبیدن مقداری ماسه به جداره قالب بدلیل روغنی بودن قالب جهت تعیین وزن مخصوص که خطا در وزن کردن ایجاد می نماید.

2- سرعت ریختن ماسه در قالب یکسان ( تقریباً ) با سرعت ریختن ماسه در بطری ماسه ای نبوده است که باعث خطا در وزن مخصوص بدست آمده در دو حالت می شود.

3- خطا در وزن کردن و خطای ترازو

4- از دست رفتن مقداری از رطوبت خاک در حین حفاری و بوجود آمدن خطا در وزن مخصوص

5- دور ريخته شدن برخي از خاك حفر شده باعث بروز خطا مي گردد.

6- بايد اندازه دانه هاي ماسه يكنواخت بوده وماسه داراي دانه بندي يكسان باشد زيرا در صورت يكسان نبودن دانه بندي ، وزن مخصوص ماسه در نقاط مختلف داراي مقدار يكسان نمي باشد

7- حداقل عمق چاله ايجاد شده مي بايست 1.5 برابر قطر صفحه باشد در غير اين صورت نتيجه خوبي نخواهيم داشت

8- ماسه مورد استفاده در آزمایش بدلیل مرطوب بودن یا ریزدانه داشتن براحتی جریان نمی یابد.

9- دانسیته ماسه نادرست است . ممکن است مراحل کالیبراسیون با دقت انجام نشده یا نوع ماسه عوض شده است.

10- سینی کف روي سطح زمین تراز نیست.

11- جداره ها و ته گودال شامل بیرون زدگی یا تورفتگی هاي تیز است . این حالت ممکن است براي خاکهایی که شامل قسمت عمده اي از درشت دانه است غیر قابل اجتناب باشد.

12- خاك هنگام حفاري گودال هدر رود یا گودال خیلی کوچک باشد.

13- تجهیزات مخروط ماسه روي سینی بدرستی قرار نگیرد . خطاهاي دیگر شامل نادرست بودن جرم اولیه و نهایی تجهیزات مخروط ماسه و اینکه زمان کافی براي ریزش ماسه درون گودال صرف نکنیم.

14- هنگام انجام آزمایش ارتعاش موجود باشد و باعث شود ماسه متراکم تر شود و حجم چاله بدرستی محاسبه نشود.

15- ماسه از طریق ترکها یا حفرات به درون خاك برود و در نتیجه حجم گودال زیاد بدست آید.

(در اسرع وقت فرمولها و عکس های نمایش داده نشده را منتشر خواهیم نمود)

پل سازی چینی ها

روش جالب چینی ها برای ساخت پل معلق!



قضیه از این قرار است که چینی‌ها از ۴ سال پیش، پروژه ساخت پل معلق بزرگی به نام siduhe را در استان hubei شروع کرده‌اند. ساخت این پل در حال اتمام است و قسمت کف پل هم به تازگی نصب شده است.

هنگامی که ساخت این پل به اتمام برسد، بلندترین پل معلق دنیا محسوب خواهد شد. ارتفاع قسمت کف این پل تا سطح زمین، ۶۵۰ متر است، یعنی بیشتر از ارتفاع آسمان‌خراش معروف ایمپایر استیت یا برج میلاد ۴۳۵ متری!

پیش از این پل Royal Gorge با ارتفاع ۳۲۱ متر، بلند‌ترین پل معلق دنیا محسوب می‌شد. اما سؤالی که شاید به ذهن شما برسد، این است که کابل‌های این پل چگونه از پایه‌ای به پایه دیگر کشیده می‌شوند.

در برج‌های معلق از روش‌های مختلفی برای کابل‌کشی استفاده می‌شود، مثلا در ساخت پل معلق آبشار نیاگارا از کایت استفاده شد یا در ساخت پل «آکاشی کایکو» از هلیکوپتر استفاده شد.

اما چینی‌ها از روش منحصر به فردی برای کابل‌کشی استفاده کردند که پیش از این هیچگاه استفاده نشده بود! موشک!

آنها کابل‌هایی به طول ۹۷۵ متر را را به موشک می‌بستند و با شلیک دقیق موشک ، کابل را به برج بعدی می‌رساندند!

آزمایش حدود اتربرگ

مقدمه :
اصطلاح پلاستيسیته در مورد سيلتها و رس‌ها بكار مي‌رود و بيانگر قابليت لوله شدن و شكل پذيري بدون خرد شدن مي‌باشد. حدود آتربرگ به عنوان درصد رطوبت متناظر با شرايط رفتاري متفاوت سيلتها و رس‌ها تعريف شده است. اگر چه در اصل، شش محدوده توسط آلبرت آتربرگ (1911) تعريف گرديده است، در مهندسی ژئوتكنيك اصطلاح حدود آتربرگ تنها به حد رواني (LL) ، حد خميري (PL) و حد انقباض (SL) كه به شرح ذيل تعريف گرديده‌اند اطلاق مي‌گردد.
LL حد رواني : درصد رطوبت متناظر با تغيير رفتار بين حالتهاي روان و خميري سيلت يا رس مي‌باشد. حد رواني به طور قراردادي به عنوان درصد رطوبتي كه در آن يك توده شيار داده شده توسط شياركشي با ابعاد استاندارد،‌ درون دستگاه حد رواني استاندارد در اثر 25 ضربه در طولي معادل 7/12 ميليمتر (5/0 اينچ) به هم برسد تعريف گرديده است2000). (ASTM D 4318-98،

PL حد خميري : درصد رطوبت متناظر با تغيير رفتار بين حالتهاي خميري و نيمه جامد سيلت يا رس مي‌باشد. حد خميري به صورت قراردادي به عنوان درصد رطوبتي تعريف میشود كه در آن يك نمونه سيلت يا رس بهنگام مالش دادن جهت ايجاد يك فتیله به قطر 2/3 ميليمتر شروع به تكه تكه شدن مي‌كند 2000). (ASTM D 4318-98،

SL حد انقباض : درصد رطوبتی است که در آن تبديل حالتهاي نيمه جامد به جامد يك سيلت يا رس صورت میگیرد. حد انقباض را همچنين ميتوان بعنوان درصد رطوبتي كه كاهش بيشتر از آن درصد رطوبت منجر به كاهش حجم توده خاك نشود تعريف نمودD 4943-95،2000) يا (ASTM D427-98. حد انقباض به دليل مشكلات آزمايش و كاربرد محدود اطلاعات حاصله، عملاً‌ به ندرت انجام مي‌شود.
شرح آزمايش :

گام اول در آزمایشهای حد خميري و در حد رواني، آماده‌سازي نمونه بشرح زير مي‌باشد.
1. يك قسمت از خاك مورد استفاده جهت آزمایشهای دانه‌بندي و هيدرومتري مي‌‌بايست براي حدود آتربرگ كنار گذاشته شود. سه حالت براي آزمايش خاك محتمل است:

الف: خاك غيرپلاستيك (NP) : چنانچه خاك غير پلاستيك باشد، ‌آزمایشهای حدود آتربرگ انجام نمي‌گيرد. در بسياري موارد، غير پلاستيك بودن خاك از ظاهر آن مشهود است چون نمي‌توان آنرا شكل داد و يا فتیله نمود. اگر چه احتمال اينكه بدليل خشكي و يا شكنندگي، بعضي خاكها را اشتباهاً غير پلاستيك فرض نمود وجود دارد. به چنين خاكهائي جهت اطمينان از اينكه قابليت فتیله شدن و يا شكل‌پذيري در هيچ درصد رطوبتي را ندارد، مي‌بايست آب اضافه نمود. همچنين ممكن است پس از اتمام آزمایشهای حدود آتربرگ، نتايج نهائي نشان دهنده اين باشد كه حد خميري مساوي و يا بزرگتر از حد رواني است. چنين خاكي نيز مي‌بايست به عنوان غير پلاستيك طبقه‌بندي گردد.
ب: خاك حاوي درصد بالاي ريزدانه : اين روش در صورتيكه نتايج تحليل دانه‌بندي حاكي از اين باشد كه 100 درصد ذرات خاك ريزتر از الك 40 است بكار مي‌رود. در حدود 150 الي 200 گرم خاك مرطوب جهت آزمایشهای حدود خميري و رواني لازم است. خاك مي‌بايست به طور كامل مخلوط شده و مقداري آب مقطر براي ايجاد حالت خميري در خاك اضافه شود. سپس مي‌بايست خاك را در يك ظرف مقاوم در برابر تبخير نگهداري نمود و اجازه داد تا در طي شب رطوبت آن يكنواخت گردد.
ج: حالت ميانه : حالت ميانه در مورد خاكي به كار مي‌رود كه حاوي ذرات روي الك 40 بوده و در عين حال چسبنده نيز مي‌باشد (شكل پذير بوده و فتیله مي‌شود). در اين مورد، خاك مي‌بايست ابتدا روي الك 40 به صورت مرطوب الك شود(روش آماده‌سازي مرطوب). هدف از اينكار جدا نمودن ذرات درشت تر خاك است كه روي حدود آتربرگ تاثير مي‌گذارند.
الك شماره 40 حاوي خاك مرطوب را در يك ظرف قرار دهيد. سپس خاك را به طور دستي توسط مالش آرام خاك با نوك انگشتان روي الك خرد نموده و ذرات ريزتر از الك 40 را به كمك آبفشانِ حاوي آب مقطر بشوئيد (روش شستشو مشابه آزمايش هيدرومتري مي‌باشد). هنگاميكه تمام ذرات ريز خاك از الك شماره 40 شسته شدند،‌ ذرات درشت خاك باقيمانده روي الك شماره 40 را دور بريزيد. گام بعدي خشك كردن آب اضافي خاك است. ASTM‌ پنج روش متفاوت خشك كردن آب اضافه را ذكر نموده است(ASTM D 4318-98،2000 بخش 3-2-1-10 را ببينيد). ولي آسانترين راه ، قرار دادن ظرف حاوي خاك و آب مقطر در قسمت بالاي يك آون گرم مي‌باشد. خاك نمي‌بايست به طور كامل خشك شود، بلكه بهتر است ظرف را هراز چند گاهي كنترل نمود و مخلوط آب-خاك را براي جلوگيري از تشكيل پوسته سطحي بهم زد. خاك را مي‌بايست مانند تا رسيدن به حالت خميري خشك نمود. در حدود 150 الي 200 گرم از خاك مرطوب جهت حدود خميري و رواني مورد نياز مي‌باشد.

2) سپس خاك حاصل از گامهاي b‌1 يا c1 را به طور كامل مخلوط كرده و به دو قسمت تقسيم كنيد. قسمت اول را براي آزمايش حد رواني و قسمت دوم را براي آزمايش حد خميري استفاده نمائيد.
3) آزمايش حد رواني : گام اول در آزمايش حد رواني، قرار دادن خاك درون دستگاه حد رواني مي‌باشد. خاك را مي‌بايست درون جام دستگاه حد رواني فشرد و سپس به منظور ايجاد سطحي هموار و تراز كه در مركز، عمقی در حدود 4/0 اينچ (10 ميليمتر) دارد پهن نمود. هدف از اينكار قرار دادن خاك مرطوب در جام حد رواني، بدون حبس نمودن حبابهاي هوا مي‌باشد. سپس از يك شياركش جهت ايجاد شياري از بالا تا پايين خاك استفاده کنيد. شياركش مي‌بايست فقط خاك را ببرد و نمي‌بايست خاك واقع در دو طرف شيار را جابجا کند. هنگاميكه شيار ايجاد شد، خاك آماده آزمايش مي‌باشد. حركت رو به بالا و سقوط جام حد رواني از طريق چرخاندن دسته آن با سرعتي معادل 2 ضربه در ثانيه انجام مي پذيرد تا هنگاميكه دو نيمه خاك در طولي معادل 5/0 اينچ به هم برسند (شكل شماره 3). نمونه‌اي از خاك درون جام حد رواني را برداشته، در ظرفي تميز و خشك قرار داده و جرم خاك و ظرف را روي برگه داده‌ها ثبت نمائيد.

آزمايش حد رواني؛ تصوير بالا دستگاه حد رواني حاوي خاك و شيارايجاد شده درون خاك را نشان مي‌دهد (شياركش در سمت راست عكس مي‌باشد) تصوير پايين، خاك را پس از انجام آزمايشات نشان مي‌دهد (بعبارت ديگر پس از حركت رو به بالا و سقوط جام حد رواني)
نمونه خاك را در طول شب در يك آون تحت دماي 110 درجه سانتيگراد قرار دهيد. جام حد رواني را تميز نموده و گام سوم را با درصد رطوبتي متفاوت تكرار نمائيد. چنانچه در بار اول بيش از 25 ضربه براي بسته شدن شيار مورد نياز بود به منظور افزايش درصد رطوبت خاك، مقداري آب مقطر اضافه نمائيد و آنرا كاملاً‌ مخلوط کنيد. اگر كمتر از 25 ضربه براي بسته شدن شيار مورد نياز بود خاك را جهت كاهش درصد رطوبت، در هوا خشك نمائيد. در حالت ايده‌آل مي‌بايست 3 آزمايش انجام شود كه يكي داراي 15 الي 25 ضربه، ديگري داراي 25 الي 35 ضربه و سومي داراي ضرباتي در محدوده35 الي 50 ضربه باشد.
توجه کنيد كه دستگاه حد رواني و شياركش مي‌بايست در وضعيت كاري مناسبی نگهداري شوند. به طور مثال ارتفاع سقوط جام حد رواني از نقطه برخورد جام مي‌بايست 1 سانتيمتر باشد؛ اين ارتفاع را مي‌بايست قبل از انجام آزمايش كنترل نمود.

روشهاي كاليبراسيون در بخش نهم ASTM D 4318-98(2000) ذكر گرديده‌اند. مثلاً شياركش را مي‌بايست براي اطمينان از اينكه مستعمل نبوده و شياري با عرض بيش از 2 ميليمتر ايجاد نمي‌نمايد، كنترل نمود. مشخصات لازم و نیز ابعاد دستگاه حد رواني و شياركش در ASTM D 4318(2000) آمده است.

آزمايش حد خميري : گام اول در آزمايش حد خميري خشك کردن يك تكه 2 گرمي از خاك (حاصل از گام 2) در هوا است طوريكه ديگر به انگشتان نچسبد. سپس خاك را جهت فتیله کردن بر روي يك صفحه شيشه‌اي بغلتانید. غرض از غلتاندن خاك، كاهش درصد رطوبت آن تا حدي است كه فتیله قطري معادل 2/3 ميليمتر پیدا کرده و سپس ترك بخورد (تکه تکه شود). شكل شماره 4، اين عمليات را نمايش مي‌دهد كه در‌ آن، فتیله خاك بالائي هنوز خيلي مرطوب بوده،‌ فتیله خاك وسطي در حال رسيدن به حد خميري است و فتیله خاك پائيني به حد خميري رسيده و در قطري برابر 3.2 میلیمتر، تكه تكه شده است. قطعات تكه تكه شده خاک جمع‌آوري شده و درصد رطوبت آن اندازه‌گيري مي‌شود.

معمولاً‌ روش ذكر شده در بالا براي دو نمونه 2 گرمي ديگر از همان خاك براي كنترل نتايج آزمايش تكرار مي‌شود. داده‌هاي آزمايش حد خميري بر روي قسمت مربوطه ثبت مي‌گردد. تصوير صفحه بعد، خاك را پس از انجام آزمايش نشان مي‌دهد (پس از حركت رو به بالا و سقوط جام حد رواني).

چنانكه در گام 1 (مطابق با ASTM) ذكر گرديد حد خميري و رواني مي‌بايست تنها بر روي قسمتي از خاك كه از الك شماره 40 (425/0 ميليمتر) عبور كرده انجام شود در مورد بسياري از خاكها، بخش قابل توجهي از نمونه خاك (به عبارت ديگر ذرات خاك درشت‌تر از الك 40) به هنگام آزمايش كنار گذاشته مي‌شود.
به عبارتی آزمایش اتربرگ ایده ای از بلای الک 40 به ما نمی دهد و فقط با خاکهای عبوری از الک 40 ایده ای برای بیان دارد . دانه بندی با الک به همراه این آزمایش است که به ما در مورد چگونگی کل خاک اطلاعاتی میدهد به بیان دیگر دو آزمایش دانه بندی خشک و آزمایش اتربرگ مکمل یکدیگرند و هر یک به تنهایی بیانگر خاصیت کلی یک خاک نیستند.


شكل 4 : آزمايش حد خميري
محاسبات:

حد رواني : پس از اينكه نمونه‌هاي حاصل از گام3 درطول شب داخل آون در دمای 110 درجه به مدت 24 ساعت ،خشك گرديد، درصد رطوبت هر نمونه محاسبه مي‌گردد و با استفاده از كاغذ نيمه لگاريتمي نشان د‌اده شده در شكل شماره 3، نقاط متناظر درصد رطوبت نسبت به تعداد ضربات رسم ميگردد. داده‌ها مي‌بايست حاكي از اين باشد كه با افزايش تعداد ضربات مورد نياز جهت بسته شدن شيار، درصد رطوبت كاهش يابد. مناسبترين خط مستقيم از ميان نقاط، ترسيم شده و درصد رطوبت متناظر با 25 ضربه به عنوان حد رواني تعريف مي‌گردد. حد رواني معمولاً‌ به صورت نزديكترين عدد كامل گزارش مي‌گردد.
حد خميري : چنانكه قبلاً‌ اشاره شد، حد خميري بصورت درصد رطوبتي كه در آن، يك فتيله خاك چسبنده 2/3 ميليمتر قطعه قطعه شده و ديگر نتوان آنرا گلوله و فتیله نمود، تعريف میشود. حد خميري معمولاً‌ جهت كنترل دوباره نتايج تكرار مي‌گردد. از دو درصد رطوبت حاصله، ميانگين گرفته شده و مانند حد رواني، به صورت نزديكترين عدد كامل گزارش مي‌گردد.
منابع خطا :
بر اساس Rollings and Rollings(1996) اشتباهات معمول آزمايشگاهي شامل اين موارد است:‌

1. نمونه غير معرف (نمونه خاك مي‌بايست براي هر دو آزمايش حد رواني و خميري يكسان باشد)
2. نمونه‌هائي كه بطور مناسب آماده سازی و نگهداري نشده‌اند.
3. اندازه‌گيري غلط درصد رطوبت.
سایر اشتباهات معمول آزمايشگاهي در آزمايش حد رواني عبارتند از :
وسايل آزمايش به طور نامناسب يا بد كاليبره شده باشند؛ استفاده از وسايل مستعمل آزمايشگاهي؛ وجود خاك در نقطه تماس بين جام حد رواني و پايه پلاستيكي وسيله آزمايش؛ از دست رفتن رطوبت در حين آزمايش ساير اشتباهات معمول آزمايشگاهي آزمايش حد خميري عبارتند از: قطر نامناسب فتیله نهائي؛ متوقف كردن زودتر از موعد عمليات غلتاندن و فتیله كردن (دست نيافتن به حد خميري)
ه- نشانه خميري و رواني
ميزان خميري يك خاك، نشانه خميري است كه به صورت زير تعريف مي‌گردد.
PI=LL-PL
PI اغلب به صورت عدد گرد شده بيان ميگردد. نشانه خميري به دلیل مرتبط بودن با پارامترهای مهندسی متعدد خاک دارای اهمیت بسیاری بوده و در سيستم طبقه‌بندي خاك مورد استفاده قرار مي‌گيرد. پارامتر مفيد ديگر، نشانه رواني (LI) است كه بدين صورت تعريف مي‌گردد:
نشانه رواني را مي‌توان براي تشخيص رس‌هاي حساس مورد استفاده قرار داد. براي مثال، رس‌هاي سريع اغلب داراي درصد رطوبتي بالاتر از حد رواني مي‌باشند و در نتيجه نشانه رواني آنها بزرگتر از 1 است. در مقابل اين نوع رس‌ها،‌ رس‌هائي وجود دارند كه نشانه رواني آنها صفر و يا حتي منفي است. اين مقاديرِ نشانه رواني حاكي از خاكي خشك بوده و مي‌تواند داراي پتانسيل تورم قابل توجهي باشد. طبق ASTM، حدود آتربرگ بر روي خاك ريزتر از الك شماره 40 انجام ميگردد اما آزمايش درصد رطوبت بر روي خاك حاوي ذرات درشت‌تر خاك انجام مي‌گيرد؛ لذا نشانه رواني مي‌بايست فقط براي خاكي كه تمام ذراتش ريزتر از الك شماره 40 باشند محاسبه گردد.


مهدی حجتی