آزمایش دانه بندی خاک

آزمایش دانه بندی خاک یکی از انواع مهم آزمایش خاک می باشد که بر اساس ASTMD422-63 انجام میگیرد نحوه توزیع دانه های خاک به دو صورت انجام میگیرد.

اساس آزمایش دانه بندی، رده بندی انواع خاک ها بر اساس اندازه دانه ها و نیز رفتار خمیری آن هاست.
از جمله مهمترین کاربردهای آزمایش دانه بندی خاک ارائه زبانی مشترک در جهت توصیف و پیش بینی رفتار خاک ها می باشد.
در این نوشتار شرح کامل تست دانه بندی خاک به همراه جزییات، خدمت شما مهندسین گرامی ارایه می گردد.

مفهوم دانه بندی خاک

خاک ها مخلوطی از ذرات هستند که اندازه های مختلفی دارند. اندازه گیری اندازه تک تک ذرات امکان پذیر نیست.
چون تعداد آنها بی نهایت زیاد است. لذا با استفاده از الک ها، تعدادی بازه اندازه تعیین می شود.
با استفاده از وزن باقیمانده روی هر الک، می توان فهمید چه میزان از خاک در آن بازه قرار دارد.
مقدار خاک باقی مانده روی هر الک نشان دهنده یک محدوده از اندازه دانه هاست که اندازه آن دانه ها از قطر سوراخ روی الک بزرگ تر است.

در یک نگاه کلی خاک ها را بر اساس اندازه آنها بدین گونه می توان تقسیم بندی کرد:

بعد از انجام دانه بندی متوجه می شویم که بیشتر اندازه های دانه ها، از چه نوعی است.
به عنوان مثال اگر اکثر ذرات خاک، اندازه ای کمتر از ۰٫۰۷۵ میلی متر داشته باشند، مطابق جدول بالا، احتمالا آن خاک، رس است.
به این فرآیند دانه بندی کردن خاک می گویند.

کاربردهای آزمایش دانه بندیتست دانه بندی خاک، از جمله پرکاربردترین آزمایش های ژئوتکنیکی است.
از این آزمایش در ساخت جاده، ساخت فرودگاه، طراحی سد و… استفاده می شود.
با انجام دانه بندی، اطلاعات مفیدی از خاک می توان به دست آورد و بازه تقریبا درستی از پارامترهای طراحی خاک ها را تخمین زد.
از مهمترین پارامترهایی که با داشتن دانه بندی قابل تخمین است می توان به نفوذپذیری خاک، خاصیت مویینگی و حساسیت خاک اشاره کرد.
به طور خلاصه مهمترین کاربردهای آزمایش دانه بندی خاک عبارتند از:

• طبقه بندی و نامگذاری خاک ها بر اساس استانداردها و آیین نامه های بین المللی
• طراحی اجزای مختلف سدهای خاکی مثل طراحی هسته، فیلتر و …
• ارایه طرح اختلاط بتن
• تشخیص خطرناک بودن خاک در برابر ریسک های ژئوتکنیکی مثل روانگرایی، رگاب و…
• تخمین پارامترهای ژئوتکنیکی خاک مثل نفوذپذیری، مقاومت برشی و …
• تعیین منبع قرضه مناسب جهت خاکریزیّ

مطلب پیشنهادی: آزمایش حد روانی و خمیری خاک

هدف آزمایش دانه بندی خاک

آزمایش دانه بندی خاک از آزمایش های مهم خاک می باشد که بر اساس ASTMD422-63 انجام میگیرد نحوه توزیع دانه های خاک به دو صورت انجام میگیرد. اگر دانه ها از الک شماره ۲۰۰ بزرگتر باشند با استفاده از روش الک و برای دانه های ریزتر از الک شماره ۲۰۰ با استفاده از روش هیدرومتری انجام میگیرد. دانه بندی خاک با استفاده از الک به صورت درصدی نسبت به کل نمونه برداری اعلام میگردد و جهت تفسیر و نمایش بهتر نتایج از نمودار نیمه لگاریتمی استفاده میگردد.

انواع روش های دانه بندی

دانه بندی به طور کلی به دو شیوه انجام می شود. روش تر و روش خشک.
در ادامه به تشریح هر کدام از این دو روش پرداخته می شود.
تجربه نشان داده که دانه بندی به روش خشک ساده تر و کم دردسر تر از تست دانه بندی به روش تر است.
اما اگر قصد انجام آزمایشی با دقت بالا را داشته باشید به شما توصیه می کنیم این تست آزمایشگاهی را به روش تر انجام دهید.

آزمایش دانه بندی به روش خشک

در این روش کلوخه ای از خاک انتخاب شده و به حالت خشک روی مجموعه الک ها قرار میگیرند.
سپس به مدت ده دقیقه بر روی لرزاننده الک قرار می گیرد.
بعد از اتمام لرزش، وزن باقی مانده روی هر الک یادداشت می شود.
با محاسبه درصد باقی مانده روی هر الک، می توان منحنی دانه بندی را ترسیم کرد.
آزمایش دانه بندی به روش خشک، عمدتا برای خاک های درشت دانه مناسب تر است.
چرا که ذرات درشت دانه از یکدیگر منفصل هستند و به راحتی می توانند از سوراخ های الک عبور نمایند.
این روش همراه با خطاست. چرا که گاهی ذرات به دلیل داشتن چسبندگی به یکدیگر می چسبند و تشکیل ذره ای بزرگتر می دهند.
هرچند در واقعیت متشکل از چند ذره کوچک بوده است. این روش از نظر نحوه اجرا، بسیار راحت است و انجام آن زمان زیادی نمی برد.

آزمایش دانه بندی به روش تر

در این روش، خاک را بر روی الک ریخته و با فشار آب شستشو می دهند.
این عمل تا جایی ادامه پیدا می کند که آب خارج شده از الک به حالت شفاف در آید.
سپس خاک را خشک می کنند.
نتایج حاصل از دانه بندی به روش تر، عمدتا نتایج بهتر و دقیق تری می دهد.
چرا که با شستشو دادن خاک ها، چسبندگی بین ذرات تا حدود زیادی از بین می رود و امکان چسبیدن ذرات به هم و تشکیل دانه هایی بزرگ تر از اندازه واقعی، تقریبا غیرممکن است.
می توان اطمینان داشت در روش تر، ذرات با اندازه های واقعی خود در آزمایش دانه بندی شرکت می کنند.
این روش بسیار سخت تر و زمان بر تر از روش خشک است.
این روش برای دانه بندی خاک های ریزدانه مناسب تر است.

وسایل مورد نیاز جهت آزمایش دانه بندی

• ترازو با دقت ۰٫۱ گرم
• سری الک های استاندارد
• چکش لاستیکی
• فرچه یا مسواک برای تمیز کردن الک ها
• آون یا گرمخانه
• دسیکاتور
• هاون
• آب فشان

الک های استاندارد برای دانه بندی کدامند؟

استانداردها و آیین نامه های مختلف، الک های متفاوتی را به عنوان الک استاندارد معرفی کرده اند. اما اصلی ترین آنها مربوط استاندارد ASTM است که در جدول زیر خلاصه گردیده است.

چه مقدار خاک برای انجام آزمایش کافی است؟

نمونه خاکی که برای انجام آزمایش دانه بندی انتخاب می گردد، باید نماینده خوبی از خاک محل باشد.
پس در زمینی که تنوع سنگدانه های آن زیاد است و بزرگترین دانه آن ۵۰۰ گرم است، اگر ۳۰۰ گرم خاک انتخاب کنیم، نتیجه آزمایش نادرست خواهد بود.
مراجع معتبر ژئوتکنیکی حداقل مقدار خاک برای انجام آزمایش را به شرح جدول زیر پیشنهاد کرده اند:

تهیه نمونه دانه بندی خاک

نمونه برداری از مصالح مطابق با استاندارد AASHTO T88-70 انجام میگیرد و همچنین مطابق با دستور العمل AASHTO T248 مقدار خاک را برای آزمایش کاهش دهیم ولی به طور کلی دقت گردد وزن انتخاب شده معرف کل نمونه باشد و برای کاهش نمونه با اندازه مورد نیاز هم می توان از روش مکانیکی یا چهار قسمت کردن استفاده گردد. بدین ترتیب که کل نمونه بر روی یک سطح کاملا تمیز و ریخته شده و سپس مخلوط گردد.

بعد به صورت یک مخروط دربیاورید و مصالح مخروط شکل را با استفاده از دو قطر اصلی به چهار قسمت مساوی تقسیم کنید تا هر یک معرف یک نمونه قابل آزمایش باشد و اگر برای کاهش نمونه اولیه از این روش استفاده گردد در موقع تهیه نمونه صحرایی چهار برابر مورد نیاز تهیه گردد.

فرآیند آزمایش دانه بندی

1. در ابتدا لازم است مقداری خاک با وزن پیشنهادی در جدول پایین را انتخاب کنیم.
2. سپس الک ها را به صورت مرتب روی هم بچینید.
3. الک ها به صورت نر و مادگی داخل یکدیگر فرو می روند و همانند ستونی در می آیند.
4. الک ها باید به ترتیب چیده شده باشند.
5. به طوری که الک های با سوراخ گشادتر در بالا و الک هایی با سوراخ ریز پایینتر قرار بگیرند.
6. حال نمونه خاک انتخاب شده را روی بالاترین الک بریزید.
7. هم اکنون لازم است مجموعه الک ها را روی دستگاه لرزاننده قرار دهید تا خاک ها به لرزه درآیند و به الک های پایین منتقل شوند.
8. زمان لرزش بستگی به مقدار خاکی دارد که داخل الک ها ریخته ایم.
9. طبیعی است که هر چقدر خاک درون الک ها بیشتر باشد، لازم است دستگاه شیکر، زمان بیشتری روشن باشد.
10. آیین نامه ها توصیه کرده اند حداقل زمان لرزش تا زمانی باشد که هیچگونه خاکی از الک شماره ۲۰۰ عبور نکند. بعد از پایان فرآیند لرزش، الک ها را از داخل جعبه شیکر خارج نموده و وزن باقیمانده روی هر الک را یادداشت نمایید.

مجموع مقادیر باقیمانده روی هر الک نباید تفاوت چشمگیری با وزن خاک انتخاب شده در ابتدای آزمایش داشته باشد.

دانه بندی خاک درشت دانه

خاک های درشت دانه به دو دسته کلی خوب دانه بندی و بد دانه بندی شده تقسیم می شوند.
خاک های خوب دانه بندی شامل طیف با گستره مناسبی از خاک های ریز و درشت تشکیل شده است.
خاک های بد دانه بندی شده دارای دانه بندی یکنواخت بوده و یا دانه بندی منفصل دارند.
در دانه بندی یکنواخت اندازه دانه ها تقریبا یکسان است و در دانه بندی منفصل، منحنی دانه بندی دارای شکاف است.

دانه بندی خاک ریز دانه

خاک های ریزدانه شامل رس ها و لای ها هستند.
در خصوص نحوه تشخیص رس از لای، قبلا به طور مفصل صحبت کرده ایم.
لای ها عمدتا فاقد خاصیت خمیری می باشند.
اما رس ها دارای کانی های بلورین نظیر ایلیت، مونت موریلونیت و کائولینیت هستند که موجب پدید آمدن خاصیت خمیری، چسبندگی و قدرت جذب یون در آن ها می شود.
لای و رس از نظر اندازه ذرات تفاوت چندانی نداشته و برای تفکیک آنها از خاصیت خمیری استفاده می شود.

برای ترسیم منحنی دانه بندی خاک ها، بسته به اندازه ذرات تشکیل دهنده خاک می توان از روش الک، و یا از روش هیدرومتری استفاده کرد.
آزمایش الک برای ذراتی با قطر بیشتر از ۰٫۰۷۵ میلی متر و آزمایش هیدرومتری برای ذراتی با قطر کوچکتر از ۰٫۰۷۵ میلی متر کاربرد دارد.

امروزه ترسیم نمودارهای دانه بندی و تشخیص نوع خاک، با نرم افزارها انجام می شود.

مطلب پیشنهادی: آزمایش برش مستقیم خاک

محاسبات آزمایش دانه بندی

در اینجا میتوان جهت صحت فرآیند الک کردن مکانیک از فرمول زیر بهره برد یعنی به عبارتی زمانی میتوانیم توزین مصالح مانده بر روی الک و همچنین شستن مصالح روی الک ۲۰۰ را مورد قبول قرار دهیم که فرمول زیر برقرار باشد.

M1 وزن اولیه نمونه ریخته شده بر روی الکها

M2 وزن انباشتی مانده بر روی الکها

جرم اولیه مصالح وزن شده برابر با ۱۰۰۰ گرم می باشد و وزن مانده بر روی الکها نیز توزین گشته و جدول زیر به صورت تجمیعی آماده میگردد.

 گزارش آزمایش دانه بندی خاک

در نهایت میتوان داده های جدول فوق را بر روی یک جدول نیمه لگاریتمی ترسیم کرد. بدین ترتیب که اندازه ذرات که همان  شماره الک ها می باشد بر روی مولفه افقی نمودار و با مقیاس لگاریتمی و درصد رد شده بر روی مولفه قائم و به صورت طبیعی رسم میگردد.

نکته: بعد از رسم نموار جهت بررسی نوع خاک میتوان پارامترهای C_U  و C_C  که به صورت زیر تعیین میگردد. بهره جست.

واژه‌هایD60 و D10 و D30 یعنی قطر الک متناظر با درصدی عبور ۶۰ درصد و ۱۰ درصد و ۳۰ درصد می باشد یا به عبارتی:

واژه D60 : یعنی اندازه ای که ۶۰درصد وزنی خاک از آن کوچکتر می باشد.

واژه D30 : یعنی اندازه ای که ۳۰درصد وزنی خاک از آن کوچکتر می باشد.

واژه D10: یعنی اندازه ای که ۱۰درصد وزنی خاک از آن کوچکتر می باشد.

واژه Cu برای شن خوب دانه بندی شده بزرگتر مساوی ۴ و در ماسه خوب دانه بندی شده بزرگتر مساوی ۶

واژه Cc برای شن و ماسه خوب دانه بندی شده بزرگتر مساوی ۱ و کوچکتر مساوی ۳ و برای خاکهای یکنواخت اندازه این دو پارامتر برابر با ۱ می باشد.

شناخت خاک دانه بندی Fuller

یک راه دیگر برای شناخت خاک دانه بندی Fuller می باشد که با استفاده از الکهای مورد استفاده در آزمایش میتوان آن را رسم کرد در این نمودار اگر نمودار رسم شده بالاتر از نمودار Fuller قرار گیرد یعنی خاک ریزدانه و در صورت پایین قرار گرفت از نمودار Fuller معرف خاکی می باشد که همه دانه های لازم جهت ایجاد یک خاک توپر وجود داشته باشد. در برخی موارد با رسم این نمودار میتوان جهت تامین کاستی های خاک مورد نظر طرح اختلاط خاک موجود با دانه های کامل کننده خاک را داد. جهت رسم نمودار Fuller به طور مثال در خاک بالا میتوان به روش زیر درصد عبوری را تعیین کرد:

تعریف di : برابر با اندازه الکهای استفاده شده به میلیمتر

تعریف dmax : برابر با اندازه بزرگترین الک مورد استفاده

با مقایسه اعداد درصد عبوری آزمایش و Fuller   میتوان فهمید که نمودار نتایج آزمایش از نمودار Fuller بالاتر قرار گرفته و ریز دانه تر خواهد بود.

نکته: در اینجا نمونه ای از نمودار نیمه لگاریتمی به همراه داده های مربوطه که به صورت متداول در آزمایشگاهها گزارش میگردد آورده شده است ( اعداد جدول ارائه شده متفاوت از مثال فوق می باشد )

نکات مهم در مورد تست دانه بندی

در صورتی که در حال انجام آزمایش دانه بندی خاک هستید، لازم است به نکات زیر توجه داشته باشید:

• آزمایش دانه بندی اطلاعات مفیدی در خصوص ویژگی های فیزیکی خاک ها ارائه می کند. اما هیچگونه اطلاعاتی در خصوص شکل دانه ها مثل تیزگوشه گی یا گردگوشه گی ارایه نمی کند.
• دانه بندی خاک یک نقطه نمی تواند معرف دانه بندی کل خاک های آن منطقه باشد.
• دانه بندی خاک در یک عمق به خصوص می تواند با دانه بندی خاک در اعماق مختلف متفاوت باشد.
• برای خاک های چسبنده بهتر است از روش تر دانه استفاده شود.
• در روش تر باید کلوخه ها به طور کامل از بین بروند.
• آزمایش دانه بندی با استفاده از الک، برای خاک های درشت تر از الک ۴ دقت خوبی دارد. اما هر چه ذرات خاک ها ریزتر می شوند، دقت تست نیز کاهش می یابد. علت آن هم ساختار ورقه ای یا پولکی شکل ذرات ریزدانه است.
• در حین انجام این آزمایش، بخشی از خاک به صورت گرد و غبار در هوا پخش می شوند. مقدار کم این گرد و غبار طبیعی است. اما در هر صورت نباید بیش از دو درصد وزن کل خاک اولیه باشد.
• بهتر است دستگاه شیکر یا لرزاننده، به جای لرزش افقی، لرزش قائم به نمونه خاک اعمال نماید.
• در حین انتقال نمونه های خاک از محل حفاری گمانه تا آزمایشگاه، باید از کیسه های پلاستیکی مخصوصی استفاده شود، تا ذرات ریزدانه از آن خارج نشوند.
• در صورتیکه که قصد دارید همراه این آزمایش، تست درصد رطوبت خاک را نیز انجام دهید، لازم است نمونه های خاک در کیسه های پلاستیکی کیپ زیپ حمل شوند تا رطوبت آنها در حین انتقال به آزمایشگاه از بین نرود.
• با توجه به محدودیت های موجود در تعداد الک ها، منحنی دانه بندی صرفا تقریبی از خصوصیات فیزیکی خاک ارائه می کند و کاملا دقیق نیست.
• منحنی دانه بندی در خاک های ماسه ای و سیلتی، دقیق تر و قابل اعتماد تر از خاک های شنی و رسی است.

در خصوص آزمایش دانه بندی خاک سوالی دارید؟

در صورتی که پیرامون تست دانه بندی خاک سوالی دارید و یا با خواندن مطالب بالا ابهامی در ذهنتان ایجاد شده است، می توانید در بخش دیدگاه ها در زیر همین نوشتار آن را مطرح فرمایید.
کارشناسان ما پس از چند دقیقه پاسخگو خواهند بود.