آزمایش حد روانی و خمیری خاک

حد خمیری درصد رطوبتی است که در آن یک خاک چسبنده از حالت خمیری به حالت نیمه جامد تغییر می کند. در آزمایش حد خمیری درصد رطوبتی است که در آن، خاک در اثر فتیله شدن وقتی که قطرش حدود ۲/۳ میلیمتر می شود، شروع به ترک خوردن می کند(استاندارد ASTM D4318). در مکان هایی که خاک در مقابل رطوبت زیاد قرار دارد آزمایش حدود اتربرگ به ما در شناختن بهتر خصوصیات خاک کمک می کند.

تئوری آزمایش حد روانی

خاکهای ریزدانه با افزایش مقدار آب جذب شده حالات مختلفی به خود می‌گیرند. افزایش آب باعث پوشیده شدن دانه ها با یک لایه آب جذب سطحی می شود. با افزودن آب بیشتر، ضخامت لایه آب دور دانه ها اضافه شده، لغزش دانه ها روی یکدیگر راحت تر می شود. بنابراین رفتار خاک عملاً به میزان آب داخل مجموعه بستگی دارد.
کانی‌های رس به علت ساختمان بلوری، دارای نیروهای سطحی زیادی هستند که وجود آب جذب سطحی نیز به علت وجود همین نیروها می باشد و این نیروها می‌توانند بر نیروی ثقل آب غلبه نمایند.بنابراین تنها ریزدانه بودن، برای شناخت خاک کافی نیست بلکه باید نوع ریزدانه مشخص شود، زیرا ریزدانه های مختلف دارای رفتار مشابهی از جهت آب جذب سطحی نیستند.

وسایل آزمایش حد روانی

1. جام کاساگرانده
2. شیار کش
3. ظروف تعیین درصد رطوبت
4. کاردک
5. آون یا گرمخانه
6. ترازو با دقت ۰٫۰۱ گرم

وسیله اصلی این آزمایش دستگاه حد روانی کاساگرانده می باشد که دارای یک جام برنجی است. با چرخاندن دسته یک پیچ تا ارتفاع ۱۰ میلی متری جام برنجی بالا می آید و سپس تحت وزن خودش روی لاستیک کف به صورت سقوط آزاد رها می شود.

آماده کردن دستگاه کاساگرانده

جام کاساگرانده وسیله ای مکانیکی است که از سه بخش کلی تشکیل شده است:

• پیاله برنجی به قطر داخلی ۵٫۴ سانتی متر، ضخامت ۲ میلی متر و وزن ۲۰۰ گرم
• پایه لاستیکی، کائوجویی یا پلاستیکی
• تجهیزاتی که باعث بالا رفتن پیاله و رها شدن آن روی پایه می شوند

طبق استاندارد لازم دستگاه کاساگرانده را طوری تنظیم کنیم که ارتفاع سقوط پیاله روی پایه، یک سانتی متر باشد.
پس لازم است قبل از انجام آزمایش دستگاه را طوری کالیبره کنید که ارتفاع سقوط دقیقا ۱ سانتی متر شود.
قبل از شروع آزمایش باید موارد زیر را پیرامون جام کاساگرانده کنترل نمایید:

• سنجاق اتصال دهنده پیاله به پایه، ساییده شده نباشد تا موجب جابجایی یا حرکت پیاله نشود.
• کف پیاله در اثر استفاده زیاد صاف نشده باشد.
• پیچ های اتصال کاسه به دستگیره سفت باشد.

به همراه دستگاه کاساگرانده، شیارکش هم ارائه می شود.
شیارکش ها خود به دو دسته شیارکش ASTM و شیارکش کاساگرانده تقسیم بندی می شوند.
برای اینکه با تفاوت های این دو نوع شیارکش آشنا شوید، توصیه می کنیم ویدئویی که در انتهای این مطلب قرار داده شده توجه بفرمایید.

آماده کردن نمونه خاک

آزمایش های حدود اتربرگ اساسا برای خاک های ریزدانه تعریف شده اند.
لذا نمونه ای که برای این آزمایش انتخاب می شود، باید عبوری از الک شماره ۴۰ باشد.
برای انجام این تست آزمایشگاهی، حدود ۲۰۰ گرم خاک عبوری از الک شماره ۴۰ را انتخاب کرده، آن را در آون یا گرمخانه خشک کنید.
نمونه خاک را با مقداری آب به طور کامل مخلوط نمایید تا حالت خمیری به خود بگیرد.
دقت کنید که مخلوط کردن و ورز دادن نمونه آنقدر ادامه یابد تا آب به تمام نقاط خاک برسد.
سپس نمونه خاک را در یک نایلون کیپ زیپ قرار داده و اجازه می دهیم ۲۴ ساعت در این حالت باقی بماند.
اینکار به این دلیل است که آب به تمام خلل و فرج خاک نفوذ پیدا کند.

شرح آزمایش حد روانی

• حدود ۲۵۰ گرم خاک رد شده از الک نمره ۴۰ انتخاب می کنیم.
• قبل از انجام آزمایش باید خاک را چندین ساعت در مجاورت رطوبت قرار داد تا کاملا اشباع شود.
• هرچه خاک ریزدانه تر باشد زمان مجاورت با رطوبت را افزایش می دهیم. برای این کار خاک را به صورت کله قندی در آورده و در مرکزش حفره ای درست می کنند و داخل آن آب می ریزند.
• پس از اطمینان از اشباع کامل خاک آن را با کاردک ورز داده و سپس به شکل کروی در می آورند و از دستی به دست دیگر پرتاب می کنند تا در حد امکان حفرات هوا که داخل آن است خارج گردد.

بطور تجربی می توان گفت حد روانی حداکثر رطوبتی است که می توان خاک را بدون انکه به دست بچسبد، ورز داد. مقدار کمی از نمونه را برای آزمایش حدخمیری جدا می کنیم. (به اندازه حجم گردو) و قسمت دیگر را در محل برنجی دستگاه قرار داده و با استفاده از کاردک سطح خمیر را به صورت افقی و هم تراز لبه پایین جام پرداخت می کنیم. (به صورتی که حداکثر عمق خاک ۸ میلی متر شود)

حال با استفاده از شیارکش شیاری در طول محور تقارن جام می کشیم.

ایجاد شیار

دسته دستگاه را با سرعت ۲ دور در ثانیه می چرخانیم . با این کار جام بالا رفته و هر بار از ارتفاع ۱۰ میلیمتری پایین می افتد . خاک از دو طرف شروع به جریان یافتن به سمت مرکز جام می کند. تعداد ضرباتی (N) که لازم است تا شیار در یک فاصله ۰٫۵ اینچی (۱۲٫۷ میلیمتری) بسته گردد را یادداشت می کنیم.

اگر N بین ۲۰ تا ۳۰ بود یک نمونه از خاک را جهت تعیین درصد رطوبت در ظرفی گذاشته و شماره ظرف را یادداشت می کنیم و آن را وزن می کنیم. (تنظیم اینکه خاک دقیقا بین ۲۰ تا ۳۰ ضربه بسته شود مشکل است لذا باید این آزمایش را ۴ بار تکرار کنیم.) ظرف را در آون گذاشته و ۲۴ ساعت بعد ظرف را وزن می کنیم . در مرحله آخر در صد رطوبت نمونه را به دست می آوریم.

جهت سهولت کار می توان از رابطه زیر به عنوان یک رابطه تقریبی جهت تخمین درصد رطوبت استفاده نمود. رابطه زیر فقط برای زمانی که N بین ۲۰ تا ۳۰ باشد معتبر است.

LL = W_n(%) * (N/25)^0.121

در جدول زیر برای N های مختلف خواهیم داشت :

در مورد تعداد ضربات و تغییر در آزمایش حد روانی می توانیم از جدول زیر کمک بگیریم .

حدود اتربرگ

خاک در حالت معمول جامد است. در مرحله ای خاک از حالت جامد به نیمه جامد تبدیل می شود رطوبت این حالت را حد انقباض می گویند. با افزایش تدریجی رطوبت خاک از حالت نیمه جامد به حد خمیری و بعد به صورت مایع تبدیل می شود که مرز مابین این حالات نیز به ترتیب حد خمیری و حد روانی نام دارد.

تئوری آزمایش حد خمیری

هرچه ریزدانه های خاک جذب آب بیشتری داشته باشند، خاک چسبنده تر خواهد و چسبندگبی سبب می شود:

1. حد روانی افزایش یافته، یعنی خاک چسبنده برای روان شدن به رطوبت بیشتری نیاز دارد.
2. سبب می شود حد خمیری کاهش پیدا کند.

تعریف حد خمیری میزان رطوبتی است که به ازای آن فتیله ای به قطر ۳٫۲mm که از خمیر خاک نمونه ساخته می شود،ترک بخوردحدخمیری پایین ترین میزان رطوبت مربوط به حالت خمیری خاک است و  تعریف حد انقباض درصد رطوبتی است که به ازای کمتر از آن خاک تغییر حجم ندهد.

نسبت حد روانی به حد انقباض یک خاک اطلاعات خوبی در مورد خاصیت انقباض آن خاک بدست می دهد اگر نسبت بزرگ باشد خاک در محل ممکن است در اثر تغییر رطوبت، تغییر حجم نامطلوبی پیدا کند. این احتمال وجود دارد که پی هایی که بتازگی بر روی این خاک ها ساخته می شوند به دلیل انقباض یا انبساط خاک در اثر تغییرات رطوبت فصلی، ترکهایی دیده شود. در نتیجه هرچه رطوبت بیشتر باشد مقاومت خاک کمتر می شود.

وسایل ازمایش حد خمیری

• دستگاه کاساگرانده
• الک نمره ۴۰
• خاک عبوری از الک نمره  ۴۰ حداقل ۰.۵Kg
• آب به مقدار لازم
• ظروف چینی + گرمخانه
• ترازو با دقت ۰.۱
• ذستگاه فتیله ساز

وسیله اصلی این آزمایش دستگاه حد روانی کاساگرانده می باشد که دارای یک جام برنجی است. با چرخاندن دسته یک پیچ تا ارتفاع ۱۰ میلی متری جام برنجی بالا می آید و سپس تحت وزن خودش روی لاستیک کف به صورت سقوط آزاد رها می شود.

شرح آزمایش حد خمیری

حد خمیری در صد رطوبتی است که در آن خاک در اثر فیتیله شدن وقتی که قطرش به ۳٫۲ میلیمتر می رسد شروع به ترک خوردن می کند .

برای این آزمایش حد خمیری از آن مقدار از نمونه که در آزمایش حد روانی کنار گذاشته بودیم استفاده می کنیم . خاک را به صورت بیضوی در آورده و بر روی شیشه مسطح گذاشته و با استفاده از کف دست با سرعت ۸۰ دور در دقیقه نمونه را می غلتانیم . یک مرتبه به جلو رفتن دست و یک مرتبه عقب رفتن آن یک دور را تشکیل می دهد.

فیتیله را آنقدر می غلتانیم تا به قطر ۳٫۲ میلیمتر رسیده و ترک بخورد. در این موقع باید درصد رطوبت نمونه را اندازه گیری کنیم. برای این کار آن را وارد ظرفی می کنیم و شماره ظرف را یادداشت کرده و وزن آن را اندازه می گیریم سپس به مدت ۲۴ ساعت در آون می گذاریم و درصد رطوبت آن را اندازه می گیریم.

در مورد قطر فیتیله هنگام ترک و تغییر در آزمایش حد خمیری می توانیم از جدول زیر کمک بگیریم .

روابط محاسباطی:

ω =(W₂ – W₃)/(W₃ – W₁) * 100

W2 = وزن ظرف و خاک مرطوب (قبل از آون)
W3 = وزن ظرف و خاک خشک بعد از آون
W1 = وزن ظرف خالی
ω = درصد رطوبت
N = تعداد ضربات

LL = ω(%) * (N/25)0.12

آزمایش حد روانی یا تست جام کاساگرانده یا آزمایش Liquid Limit یکی از مهمترین آزمایش های تعیین حدود اتربرگ است.
هدف از این آزمایش تعیین حد روانی خاک است. این آزمایش، مکمل آزمایش حد خمیری خاک است.

خاک های ریزدانه در حالت خشک و بدون آب، به حالت جامد دیده می شوند.
اما با اضافه کردن آب به خاک، ابتدا به حالت خمیری و سپس به حالت مایع یا روان تغییر شکل پیدا میکنند.
در این آزمایش در پی این هستیم که بدانیم، چند درصد آب، به خاک اضافه کنیم تا خاک از حالت خمیری به حالت روان تبدیل شود.
در ابتدا تجهیزات لازم جهت انجام این آزمایش شرح داده می شود، سپس روش گام به گام تعیین حد روانی گفته می شود.
در انتها با یک ویدئو، مراحل انجام آزمایش کاساگرانده شرح داده می شود

در خصوص این آزمایش سوالی دارید؟

در صورتی که در خصوص روش این تست آزمایشگاه، سوالی دارید و یا با خواندن مطالب بالا ابهامی در ذهنتان ایجاد شده است، می توانید پرسش خود را در زیر همین مطلب و در بخش کامنت ها آنرا مطرح کنید.
کارشناسان ما پس از چند دقیقه پاسخ شما را خواهند داد.

از آنجایی که موضوع “آزمایش خاک” دارای اهمیت ویژه‌ای در زمینه عمران می‌باشد، پیشنهاد می‌کنیم در این زمینه حتما از یک شرکت مهندسی معتبر که علاوه بر مسائل فنی، میزان آشنایی بالایی با مسائل حقوقی عمران نیز داشته باشد، مشاوره بگیرید تا از خسارات احتمالی زیادی که در این مسیر وجود دارد، جلوگیری نمایید.