آزمایش دانه بندی و هیدرومتری مکانیک خاک

آزمایش دانه بندی خاک نوعی تست خاک است که بر اساس استاندارد ASTMD422-63 انجام می شود. ازمایش دانه بندی خاک ، معمولا به سه روش عمده که تابع اندازه ذرات خاک است، انجام می گیرد. در روش اول که آزمایش دانه بندی خاک به روش الک انجام می گیرد، عمدتا برای خاکی قابل استفاده است که بیش از ۹۰ درصد دانه هایش بزرگتر از الک شماره ۲۰۰ باشند. اما برای خاک هایی که بیش از ۹۰ درصد دانه هایش ریزتر از الک شماره ۲۰۰ باشند، از آزمایش هیدرومتری خاک برای دانه بندی خاک استفاده می گردد.

روش سوم آزمایش خاک دانه بندی ، برای خاک هایی که در هیچکدام از دو دسته دیگر جای نگیرند و به اصطلاح مخلوط باشند، قابل استفاده است. به طوری که در این روش از ترکیبی از هر دو آزمایش دانه بندی و ازمایش هیدرومتری برای طبقه بندی خاک استفاده می گردد. برای بخش ریزدانه خاک از آزمایش هیدرومتری و برای بخش درشت دانه خاک از آزمایش دانه بندی خاک به روش الک استفاده می شود.

هزینه آزمایش دانه بندی و هیدرومتری مکانیک خاک

آزمایش دانه بندی و آزمایش هیدرومتری مکانیک خاک یکی از روش های مهم و حیاتی خاک جهت سنجش توزیع ابعادی خاک است. با توجه به اهمیت آن عمدتا صرف نظر از هزینه و قیمت آزمایش خاک برای احداث ساختمان ، جهت سنجش ابعاد خاک مورد استفاده قرار می گیرد. اما به طور کلی هزینه آزمایش دانه بندی خاک و هیدرومتری مکانیک خاک بر حسب نوع خاک متفاوت است.

آزمایش دانه بندی خاک به روش الک

جهت بیان کاربرد آزمایش دانه بندی خاک به روش الک می توان به این مورد اشاره کرد که بسیاری از خواص مکانیکی و فیزیکی خاک به اندازه، شکل، جنس و چگونگی توزیع دانه ها بستگی دارد. همین توزیع دانه ها باعث به وجود آمدن نامگذاری مطابق با جدول زیر می گردد.

طبقه بندی خاک ها به روش ASTM

آزمایش هیدرومتری مکانیک خاک 

تحلیل هیدرومتری برای ارزیابی منحنی توزیع اندازه دانه های ریز خاک (عموما کوچک تر از 75 میکرومتر) که به دلیل کوچک بودن اندازه آن ها از طریق روش مکانیکی الک قابل طبقه بندی نیستند، انجام می گردد. دقت شود که نتایج آزمایش هیدرومتری مکانیک خاک برای طبقه بندی خاک ها به کار نمی رود بلکه برای به دست آوردن اطلاعاتی در رابطه با رفتار مهندسی دانه های ریز خاک ، مورد استفاده قرار می گیرد.

وسایل آزمایش دانه بندی خاک به روش الک

تجهیزات آزمایش دانه بندی خاک به روش الک نیازمند تجهیزات ذیل است که رایج ترین آن ها به شرح ذیل می باشند.

ترازو

 ترازو هایی که برای آزمایش مصالح، دانه بندی خاک و آزمایش هیدرومتری به کار برده می شوند، باید دارای دقت هایی به شرح زیر باشند.

• جهت انجام آزمایش دانه بندی و آزمایش هیدرومتری خاک مصالح ریز دانه ، دقت ترازو لازم است 0.1 گرم یا 0.1 درصد مصالح مورد آزمایش باشد (هر کدام که بزرگتر است).
• جهت انجام آزمایش دانه بندی و ازمایش هیدرومتری مصالح ریز دانه و درشت دانه ، دقت ترازو 0.5 گرم یا 0.1 درصد مصالح مورد آزمایش باشد (هر کدام که بزرگتر است).

الک 

• الک ها جهت انجام ازمایش دانه بندی خاک باید به نحوی بر روی هم سوار شوند که از هدر رفتن مصالح هنگام الک کردن جلوگیری شود.
• الک ها جهت انجام آزمایش دانه بندی خاک به روش الک باید مشخصات ذکر شده در ASTM E11 را دارا باشند.
• تغییرات قطر متوسط چشمه الک هایی که بزرگتر از 125 میلی متر (5 اینچ) است، می تواند 2± درصد بوده و قطر اسمی سیم الک ها باید 8 میلی متر یا بزرگتر باشد.

الک های استاندارد آزمایش دانه بندی خاک به روش الک

لرزاننده مکانیکی الک (شیکر)

لرزاننده مکانیکی الک ، لازم است لرزش قائم یا لرزش جانبی را به الک دانه بندی خاک منتقل کند. این لرزش باید به شکلی اعمال شود که دانه ها بر روی الک ، به بالا و پایین پریده و بلغزند تا در جهات مختلف بر روی سطح الک قرار بگیرند.

کوره 

جهت انجام آزمایش دانه بندی خاک به روش الک لازم است از کوره ای با اندازه مناسب که قادر باشد دمای یکنواخت 5± 110 درجه سانتی گراد (9 ± 230 درجه فارنهایت) را حفظ نماید، استفاده شود.

نمونه برداری آزمایش دانه بندی خاک به روش الک

وزن نمونه ای که برای آزمایش دانه بندی خاک به کار می رود باید پس از خشک کردن تقریبا برابر وزن خواسته شده باشد. همچنین در آزمایش دانه بندی خاک به روش الک ، مقدار نمونه لازم برای مخلوط های درشت دانه به میزانی است که امکان انجام آزمایش با لرزاننده های مکانیکی وجود داشته باشد.

نتیجه ازمایش دانه بندی خاک برای نمونه هایی از سنگدانه های بزرگ تر از 50 میلی متر نیز رضایت بخش خواهد بود، مشروط بر آن که مقدار نمونه کم باشد و معیار پذیرش یا عدم پذیرش مصالح ، متوسط نتایج چند آزمایش باشد.

روش انجام آزمایش دانه بندی خاک به روش الک

در اولین گام از آزمایش دانه بندی خاک به روش الک لازم است نمونه آزمایش تا رسیدن به وزن ثابت، در دما 5± 110 درجه سانتی گراد (9±230 درجه فارنهایت) خشک گردد. سپس الک ها به ترتیب شماره، از بزرگ به کوچک و از بالا به پایین بر روی هم قرار داده شده و نمونه خاک بر روی الک بالایی ریخته می شود. لازم است توجه شود که الک ها به وسیله دست یا به کمک لغزنده مکانیکی به مدت کافی تحت لغزش قرار می گیرند.

در گام بعدی از آزمایش دانه بندی خاک به روش الک لازم است مقدار مصالح بر روی الک ، تا حدی محدود گردد که تمامی دانه ها فرصت چندین مرتبه قرارگیری در برابر سوراخ های الک را داشته باشند. 

برای الک هایی که چشمه آن ها کوچک تر از 4.75 میلی متر ( شماره 4) است، نباید وزن مصالح باقی مانده بر روی الک بیش از 6 کیلو گرم بر متر مربع (4 گرم بر اینچ مربع) سطح الک باشد. همچنین در ازمایش دانه بندی خاک ، الک هایی که چشمه آن ها 4.75 میلی متر (شماره 4) یا بزرگتر است، وزن مصالح بر روی الک بر حسب کیلوگرم بر متر مربع باید از 2.5 برابر اندازه سوراخ های الک (برحسب میلی متر) بیشتر نباشد. 

لازم به ذکر است که در آزمایش دانه بندی خاک به روش الک ، نباید وزن مصالح بر روی الک به اندازه ای باشد که بافت الک ، تغییر شکل دائمی بدهد.

دقت شود، در آزمایش دانه بندی خاک ، الک کردن تا زمانی ادامه پیدا می کند که پس از آن به ازا هر یک دقیقه الک کردن ، کمتر از یک درصد وزن مصالح باقی مانده بر روی هر الک ، از آن عبور کند.

در طی دانه بندی خاک ، قسمتی از نمونه که ریزتر از 4.75 میلی متر (شماره 4) است را می توان بر روی دو یا چند سری الک توزیع نمود تا از انباشته شدن بیش از حد مصالح بر روی الک جلوگیری شود.

در نهایت وزن مصالح مانده بر روی هر الک ، با ترازو با دقت 0.1 درصد وزن نمونه خشک اولیه تعیین می گردد. همچنین در طی آزمایش دانه بندی خاک به روش الک لازم است وزن کل مصالح پس از الک کردن باید با وزن اولیه نمونه کنترل شود و در صورتی که اختلاف این دو بیش از 0.3 درصد باشد، نتایج قابل قبول نیست.

گزارش کار آزمایش دانه بندی خاک به روش الک

بسته به مشخصات مورد نیاز مصالح تحت آزمایش دانه بندی خاک ، گزارش دانه بندی خاک لازم است شامل موارد ذیل باشد.

• درصد کل مصالح عبور کرده از هر الک
• درصد کل مصالح باقی مانده بر روی هر الک
• درصد مصالح باقی مانده بین الک های متوالی

تئوری آزمایش هیدرومتری مکانیک خاک 

برای تخمین هدایت هیدرولیکی خاک از روابط هایزن یا از معادله کلی ترک وزنی کارمان استفاده می شود. آزمایش هیدرومتری مکانیک خاک بر مبنای این استوار است که قانون استوکس می تواند برای رسوب دانه های ریز خاک استفاده شود. قانون استوکس فرایند رسوب دانه های کروی را که با هم اندرکنش ندارد، توصیف می کند.

وسایل آزمایش هیدرومتری خاک

• دستگاه مخلوط کن برقی
• هیدرومتر
• محلول جداکننده ذرات خاک از یکدیگر
• آب مقطر
• هگزامتافسفات سدیم
• دماسنج با دقت نیم درجه سانتی گراد
• استوانه رسوب گذاری (Sedimentation Cylinder) و استوانه شاهد
• زمان سنج (کرنومتر)
• الک استاندارد شماره 10 همراه با سر الک و Pan

نحوه انجام ازمایش هیدرومتری

برای انجام آزمایش هیدرومتری مکانیک خاک ، از 50 گرم خاک عبوری از الک شماره 10 که توسط ترازوی دیجیتالی (با دقت 0.1 گرم) توزین شده، استفاده می گردد.

در آزمایش هیدرومتری خاک ، محلول جدا کننده با غلظت 40 گرم پودر هگزامتافسفات سدیم NaPO3 در 1 لیتر آب مقطر تهیه شده و سپس 125 سی سی از محلول جداکننده با 50 گرم خاک عبوری از الک شماره 10 در داخل کاسه همزن به مدت 5 تا 10 دقیقه به وسیله دستگاه مخلوط کن، مخلوط می گردد.

بر اساس آیین نامه  ASTM D422-6، خاک باید 16 ساعت در محلول خیس بخورد. اما در آزمایشگاه ژئوتکنیک ممکن است به دلیل کمبود وقت، چنین زمانی برای خیس شدن خاک اختصاص داده نشود، بنابراین محلول مجددا برای مدت 5 تا 10 دقیقه، مخلوط می گردد.

در گام بعدی از آزمایش هیدرومتری مکانیک خاک ، پس از این که حجم محلول با آب مقطر 1000 میلی لیتر گردید، با استفاده از یک حمام آب گرم با دمای ثابت، دمای محلول به یک دمای ثابت رسانده می شود. البته اگر  دما 20 درجه سانتی گراد باشد، دیگر نیازی به اعمال ضریب اصلاح دما نخواهد بود .

در این گام از آزمایش هیدرومتری خاک و پس از تثبیت دما با یک سرپوش پلاستیکی، استوانه به مدت یک دقیقه و حداقل پنجاه بار سر و ته می گردد. سپس استوانه مدرج در موقعیت کاملا ثابت قرار داده شده و بلافاصله با استفاده از هیدرومتر ، قرائت اول انجام می گیرد. اما قرائت های بعدی در زمان های 0.5 و 1 و 2 و 3 و 4 و 5 و 15 و 30 و 60 و 250 و 1440 دقیقه انجام می گردد.

محدودیت های آزمایش هیدرومتری مکانیک خاک 

آزمایش هیدرومتری مکانیک خاک دارای دو محدودیت مهم می باشد:

اولین محدودیت آزمایش هیدرومتری مکانیک خاک در نظر گرفتن این فرض است که دانه ها با یکدیگر اندرکنش ندارد. این فرض مخصوصا برای رس ها صحیح نیست زیرا بار الکتریکی بر روی سطح رس ها باعث ایجاد نیروهای جاذبه و دافعه الکتریکی بین دانه های مجاور می شود.

دومین محدودیت آزمایش هیدرومتری مکانیک خاک این است که دانه های رس کروی نیستند. بلکه به شکل صفحه ای یا سوزنی می باشند. بنابراین آزمایش هیدرومتری برای دانه های رس دقیق نبوده و جزئی از تقریب های ازمایش هیدرومتری می باشد. به علاوه آزمایش هیدرومتری خاک با اندازه گیری زمان و فاصله سقوط برای هر ذره انجام نمی گیرد بلکه به جای آن تغییرات زمانی چگالی دوغاب محلول خاک ، اندازه گیری می شود. با ته نشین شدن دانه های خاک درون یک سیلندر استوانه ای رسوب، چگالی دوغاب کاهش می یابد و هیدرومتر داخل محلول به سمت پایین فرو می رود. 

اصلاح ازمایش هیدرومتری

اصلاحات لازم برای آزمایش هیدرومتری مکانیک خاک نه تنها شامل اصلاحات هلالی، حرارت و چگالی می باشد بلکه شامل اصلاحات هندسه، حجم بلور و مساحت سطح مقطع سیلندر رسوب نیز می باشد.