مکانیک خاک

آزمایش کاساگراند + تعیین حدود اتربرگ ، حد روانی و خمیری

آزمایش کاساگراند ، تعیین حدود اتربرگ ، حد روانی و خمیری

آزمایش کاساگراند + تعیین حدود اتربرگ ، حد روانی و خمیری مطابق استاندارد ایران ، 10731 ISIRI

آزمایش کاساگراند و هدف استفاده از دستگاه آن

آزمایش کاساگراند از سری آزمایش های مکانیک خاک، این نام را از این جهت به این آزمایش نسبت می دهند که با دستگاهی به نام دستگاه کاساگراند انجام می شود. از اين دستگاه در این آزمایش با هدف ارزيابی رابطه بین درصد رطوبت نمونه خاک و تعداد ضربات لازم براي بسته شدن شیار خاک به کار می رود و نیز براي تعیین اين که چه زمانی نمونه خاک از حالت پلاستیک به حالت روانی تغییر حالت می دهد.

کاساگراند

(خرید دستگاه کاساگراند ار فروشگاه تجهیزات آزمایشگاهی آزمان)

مطابق متن صریح استاندارد ایران شماره 10731، هدف از تدوین این استاندارد بیان روش هایی برای تعیین حد روانی، حد خمیری و نشانه خمیری خاک ها است.

اصطلاحات آزمایش کاساگراند

در این استاندارد (استاندارد ایران ، 10731 ISIRI) علاوه بر اصطلاحات و تعاریف ارایه شده در استاندارد ASTM D653 اصطلاحات و تعاریف زیر نیز به کار می رود. تعاریف زیر که در استاندارد مذکور ارائه شده است، برای سهولت در این استاندارد بیان شده است.

حدود اتربرگ (atterberg limits)

نخستین بار، آلبرت اتربرگ، 6 حد را برای قوام خاک های چسبنده ریزدانه، به صورت زیر تعریف کرد:

  • حد بالایی جریان لزج
  • حد روانی
  • حد چسبناکی
  • حد چسبانندگی
  • حد خمیری
  • حد انقباض

امروزه در کاربرد مهندسی حدود اتربرگ تنها به حد روانی، حد خمیری و در برخی از مراجع حد انقباض نیز گفته می شود. توجه شود که حرف ایتالیک [D]  نشان می دهد واحدهای به کار رفته برای بیان اصطلاحات و تعاریف، بدون بعد هستند.

حد روانی

حد روانی به لاتین (liquid limit) و با نماد (D] (LL , WL]، میزان رطوبت خاک های چسبنده برحسب درصد، در یک مرز تعریف شده قراردادی میان حالت نیمه روان و خمیری است. یادآوری: مقاومت برشی زهکشی نشده خاک در حد روانی، تقریبا دو کیلو پاسکال در نظر گرفته می شود.

حد خمیری

حد خمیری به لاتین (plastic limit) و با نماد (D] (PL , WP]، میزان رطوبت خاک های چسبنده بر حسب درصد در یک مرز میان حالت خمیری و نیمه جامد است.

خاک خمیری

خاک خمیری (plastic soil) خاکی است که در گستره ای از درصد رطوبت ، ویژگی خمیری از خود نشان می دهد. و به هنگام خشک شدن، شکل خود را حفظ خواهد کرد.

نشانه خمیری

نشانه خمیری (plasticity index) گستره ای از درصد رطوبت است که در آن خاک های چسبنده رفتار خمیری دارد. نشانه خمیری از نظر عددی با تفاضل حد روانی و حد خمیری برابر است.

قوام در خاک

قوام، سهولت نسبی در تغییر شکل یافتن خاک است.

قوام نسبی

قوام نسبی (D] (Iv , Cr] در خاک های چسبنده ، نسبت تفاضل میزان رطوبت و حد روانی در وضعیت مورد نظر به نشانه خمیری خاک است.

عدد فعالیت

عدد فعالیت (activity number) در خاک های چسبنده، نسبت «نشانه خمیری خاک» به «درصد جرمی ذرات دارای قطر معادل کوچک تر از دو میکرومتر» است.

نشانه روانی

نشانه روانی (LL) که همان نشانه خمیری می باشد در خاک های چسبنده نسبت «درصد رطوبت خاک منهای حد خمیری آن» به «نشانه خمیری خاک» است که به درصد بیان می شود.

روش های آماده سازی آزمونه برای آزمایش کاساگراند

دو روش برای آماده سازی آزمونه ها برای آزمایش کاساگراند بیان شده است: آماده سازی به روش اول (آماده سازی تر) و آماده سازی به روش دوم (آماده سازی خشک) که به ترتیب در بندهای بعدی شرح داده شده است.

روش مورد استفاده برای آماده سازی آزمونه، باید از سوی کارشناس درخواست دهنده آزمون مشخص شود. اگر روشی برای آماده سازی آزمونه مشخص نشده باشد، از روش آماده سازی تر استفاده شود.

روش های تعیین حد روانی

دو روش برای تعیین حد روانی به شرح زیر است :

  • تعیین حد روانی به روش الف: آزمون چند نقطه ای
  • تعیین حد روانی به روش ب: آزمون تک نقطه ای

روش مورد استفاده باید از سوی کارشناس درخواست کننده مشخص شود. چنانچه روشی مشخص نشده باشد، روش الف یا همان آزمون چند نقطه ای استفاده شود.

هدف آزمایش حد خمیری

آزمایش حد خمیری روشی برای تعیین مقدار عددی حد خمیری می باشد که این آزمایش روی مصالح آماده شده برای آزمون حد روانی انجام می شود.

غلتاندن در تعیین حد خمیری (فیتیله کردن)

غلتاندن برای تعیین حد خمیری به روش دستی یا با استفاده از دستگاه غلتاندن آزمونه انجام می شود.

غلتاندن و فتیله کردن در آزمایش کاساگراند

ارتباط حدود اتربرگ با هم

حد روانی و حد خمیری خاک ها (همراه با حد انقباض) ، اغلب حدود اتربرگ (Atterberg limits) خوانده می شوند. این حدها، مرز میان حالت های مختلف قوام خاک های خمیری را مشخص می کنند. نشانه خمیری با استفاده از نتایج آزمون حد روانی و حد خمیری محاسبه می شود.

روش های ارائه شده در این استاندارد (استاندارد 10731 ISIRI) تنها بر روی بخشی از خاک ، که از الک 425 میکرومتر (الک شماره 40) عبور کرده، انجام می شود. بنابراین هنگامی که این آزمون ها برای ارزیابی ویژگی های خاک به کار می روند، اثر نسبی این بخش از خاک بر ویژگی های کل نمونه باید در نظر گرفته شود.

در این استاندارد، مشخصات اندازه الک “جایگزین برای الک های 425 میکرومتری و 2 میلی متری که در استاندارد ASTM E11 بیان شده است در پرانتز ارایه شده است : الک ۴۲۵ میکرومتری (الک شماره 40)، الک 2 میلی متری (الک شماره 10).

نکات محاسبات حدود اتربرگ

تمام مقادیر مشاهده شده و محاسبه شده باید طبق راهنمای رقم های معنادار و گرد کردن در استاندارد ASTM D6026 باشد. روش های به کار رفته برای مشخص کردن چگونگی گردآوری، یادداشت یا محاسبه داده ها در این استاندارد، استاندارد صنعتی در نظر گرفته می شود. علاوه بر آن، این روش ها معرف رقم های معنا داری هستند که بهتر است نگه داری شوند.

خلاصه روش آزمون حدود اتربرگ

آزمونه از مصالح عبوری از الک 425 میکرومتری (شماره 40) فراهم می شود. حد روانی با انجام آزمون هایی تعیین می شود که در هر یک، بخشی از آزمونه در جام برنجی دستگاه کاساگراند پخش شده و با استفاده از شیارزن، دو بخش می شود، سپس با ضربه های ایجاد شده در اثر سقوط پیاپی جام در دستگاه مکانیکی استاندارد، این دو بخش به سوی هم جریان می یابند.

تعیین حد روانی به روش الف (روش چند نقطه ای)، یا روش ب (روش تک نقطه ای)، انجام می شود.

تعیین حد خمیری

برای تعیین حد خمیری، بخش کوچکی از خاک خمیری به طور پیاپی (میان انگشتان دست به هم فشرده و سپس روی یک صفحه شیشه ای غلتانده میشود تا فتیله ای به قطر 3.2 میلی متر تشکیل شود.

این عمل تا هنگامی که درصد رطوبت آن به اندازه ای کاهش یابد که فتیله خرد شود و دیگر نتوان آن را به هم فشرد و غلتاند، تکرار می شود. درصد رطوبت خاک در این نقطه به عنوان حد خمیری گزارش می شود.

محاسبه نشانه خمیری و کاربرد آن

نشانه خمیری با تفاضل حد روانی و حد خمیری محاسبه می شود، این روش های آزمون برای تعیین مشخصات بخش ریزدانه خاک ها (به استانداردهای ASTM D2487 و ASTM D3282 مراجعه شود) و تعیین مشخصات بخش ریزدانه مصالح ساختمانی ( به استاندارد ASTM D1241 مراجعه شود)، به عنوان بخش ضروری از روش های طبقه بندی خاک به کار می روند.

کاربرد حدود اتربرگ و اطلاعاتی که از خصوصیات خاک می دهند

همچنین حد روانی، حد خمیری و نشانه خمیری خاک ها، چه به صورت جداگانه و چه با هم، به همراه سایر ویژگی های خاک در برقراری همبستگی با رفتار مهندسی آن، مانند قابلیت فشردگی، هدایت هیدرولیکی (نفوذپذیری)، تراکم پذیری، انقباض – تورم، و مقاومت برشی به کار می روند.

حد های روانی و خمیری و درصد رطوبت خاک را می توان برای بیان قوام نسبی یا نشانه روانی خاک به کار برد. همچنین نشانه خمیری و درصد ذرات کوچک تر از 2 میکرومتر را می توان برای تعیین عدد فعالیت خاک استفاده کرد.

این روش ها اغلب برای ارزیابی مشخصه های هوازدگی مصالح رس – شیل کاربرد دارد. هنگامی که این مصالح در معرض چرخه های تر شدن و خشک شدن متوالی قرار می گیرند، حد روانی آن ها افزایش می یابد. مقدار این افزایش، میزان قابلیت هوازدگی شیل را نشان می دهد.

حد روانی خاکی که دارای مقادیر قابل توجهی از مواد آلی است و پیش از آزمون در گرمخانه خشک شده است، تا حد قابل ملاحظه ای کاهش خواهد داشت. مقایسه حد روانی نمونه قبل و بعد از خشک کردن در گرمخانه، می تواند به عنوان برآوردی کیفی از درصد مواد آلی خاک مورد استفاده قرار گیرد (به استاندارد ASTM D2487 مراجعه شود).

یاد آوری – کیفیت نتیجه به دست آمده با این استاندارد به مهارت آزمایشگر های آن و مناسب بودن تجهیزات و وسایل به کار رفته بستگی دارد. موسسه هایی که دارای معیارهایی طبق استاندارد ASTM D3740 هستند، معمولا توانایی انجام صحیح و علمی آزمون، نمونه گیری، بازرسی، و مانند آن را دارند. کاربران این استاندارد باید توجه داشته باشند که مطابقت با معیارهای استاندارد ASTM D3740 به تنهایی اعتبار نتایج را تضمین نمی کند. نتایج معتبر به عوامل بسیاری وابسته است و استاندارد ASTM D3740 معیاری برای ارزیابی برخی از این عوامل را فراهم می آورد.

تاثیر خشک کردن خاک در تغییر نتایج آزمایش

حد روانی و حد خمیری بسیاری از خاک هایی که پیش از انجام آزمون خشک شده اند، ممکن است تفاوت قابل ملاحظه ای با مقادیر به دست آمده از نمونه های خشک نشده داشته باشد.

اگر تعیین حد روانی و حد خمیری خاک ها برای تخمین یا هم بسته کردن با رفتار مهندسی خاک در حالت رطوبت طبیعی مورد نظر باشد، بهتر است نمونه ها قبل از انجام آزمون خشک نشوند؛ مگر آنکه داده های مربوط به نمونه های خشک، به طور مشخص درخواست شده باشد.

بنا به دلایل یاد شده، برای آماده سازی آزمونه از روش اول (روش آماده سازی تر) استفاده می شود به استثنای مواردی که روش دوم (روش آماده سازی خشک) از سوی کارشناس درخواست دهنده آزمون مشخص شود.

مقایسه روش چند نقطه ای و تک نقطه ای

تعیین حد روانی به روش الف (روش چند نقطه ای) معمولا دقیق تر از روش تک نقطه ای است. توصیه می شود در مواردی که ممکن است نتایج آزمون مورد تردید قرار گیرد با دقت بیشتر مورد نیاز است، از روش الف، یعنی روش چند نقطه ای استفاده شود.

در تعیین حد روانی به روش ب (روش تک نقطه ای)، تعیین این که چه هنگام آزمونه به طور تقریبی در حد روانی خود قرار دارد، نیازمند قضاوت آزمایش گر است. از این رو توصیه می شود آزمایشگر های کم تجربه از این روش استفاده نکنند.

رابطه همبستگی که در محاسبه تعیین حد روانی به روش ب (روش تک نقطه ای)، به کار می رود، ممکن است برای برخی از خاک ها مانند خاک های آلی یا خاک های به دست آمده از محیط های دریایی فاقد اعتبار باشد. برای تعیین حد روانی چنین خاک هایی به شدت توصیه می شود که روش چند نقطه ای به کار رود.

تعیین حد روانی به روش الف (روش چند نقطه ای)

روش اجرای آزمون در تعیین حد روانی به روش الف (روش چندنقطه ای)
آزمونه (خاک) را بار دیگر به طور کامل در ظرف اختلاط هم بزنید و در صورت ضرورت، درصد رطوبت آن را به گونه ای تنظیم کنید که قوام آن به اندازه ای برسد که حدود 25 ضربه تا 35 ضربه جام دستگاه حد روانی برای بسته شدن شیار لازم باشد.

با استفاده از کاردک، بخشی (بخش هایی از خاک آماده شده را در جام دستگاه حد روانی، در حالتی که جام روی کفی قرار دارد، بریزید؛ سپس آن را با فشار درون جام پخش کنید؛ چنان که عمق آن در عمیق ترین نقطه حدود 10 میلی متر شود و سطحی تقریبأ افقی تشکیل دهد.

توجه داشته باشید که حباب های هوا از خاک درون جام خارج شوند، اما این کار تا حد امکان با کمترین حرکت انجام شود. خاک استفاده نشده را در ظرف اختلاط نگه داری، نگهداری کنید. ظرف را با حوله نمدار (یا با وسیله دیگری) بپوشانید تا رطوبت خاک حفظ شود.

شیارزن را در حالتی که لبه شیب دار آن به سمت جلو است، در راستای خطی که بالاترین نقطه روی لبه جام را به پایین ترین نقطه متصل می کند، روی خاک بکشید تا شیاری در آن ایجاد شود. در هنگام ایجاد شیار، شیارزن را در برابر سطح جام نگه دارید و آن را در راستای کمان (لبه جام) بکشید.

هنگام حرکت شیارزن همواره آن را عمود بر سطح جام نگه دارید. در خاک هایی که نمی توان با یک حرکت و بدون گسیختگی خاک، شیار را در آنها ایجاد کرد، شیار را با چندین حرکت شیارزن به تدریج ایجاد کنید.

به عنوان جایگزین، با استفاده از کاردک، شیار را با ابعادی کمتر از ابعاد الزام شده، برش داده و با شیارزن، آن را به ابعاد نهایی برسانید. دقت کنید تا از لغزش خاک نسبت به سطح جام جلوگیری شود.

شیار زن کاساگراند

بررسی کنید که خرده های خاک بر روی کفی یا در زیر جام وجود نداشته باشد. دسته را با نرخ سقوط 1.9 تا 2.1 سقوط در ثانیه، تا زمانی که دو بخش خاک در پایین شیار در طول 13 میلی متر به هم برسند بچرخانید. کفی دستگاه در حالی که دسته می چرخد نباید با دست نگه داشته شود.
یاد آوری: توصیه می شود برای بررسی بسته شدن شیار به اندازه 13 میلی متر، از خط کش اندازه گیری استفاده شود.

بررسی کنید که وجود حباب هوا موجب بسته شدن زودهنگام شیار نشده باشد. برای این کار دقت شود دو وجه شیار با شکل تقریبا یکسان به سوی هم روان شده اند. اگر حباب هوا موجب بسته شدن زودرس شیار شده باشد، پس از افزودن مقدار کمی خاک (برای جبران کاهش مقدار خاک در اثر شیارزنی)، دوباره خاک را در جام هم بزنید.

اگر پس از چندین بار تکرار با درصدهای رطوبت بیشتر متوالی، لغزش خاک در جام ادامه یافت یا تعداد ضربه های لازم برای بستن شیار همیشه کمتر از 25 ضربه بود، یادداشت کنید که حد روانی را نمی توان تعیین کرد و بدون انجام آزمون حد خمیری، خاک را غیرخمیری گزارش کنید.

تعداد ضربه های مورد نیاز برای بسته شدن شیار (N) را یادداشت کنید. درصد رطوبت آزمونه را به دست آورید برای این کار، برشی از خاک، تقریبا به پهنای کاردک که از یک لبه تا لبه دیگر خاک (کیک خاکی) با زاویه قائم نسبت به محور شیار امتداد یافته است، را چنان بردارید که بخش به هم رسیده شیار را در بر داشته باشد، آن را در ظرفی با جرم معین قرار دهید و روی آن را بپوشانید.

خاک مانده در جام را به ظرف بازگردانید. جام و شیارزن را شسته و خشک کنید و برای آزمون بعدی، جام را دوباره به بدنه متصل کنید. در حالی که برای افزایش درصد رطوبت خاک و کاهش تعداد ضربه هایی که برای بستن شیار نیاز است به آن آب مقطر افزوده می شود، تمام آزمونه را دوباره در ظرف هم بزنید.

برای هر یک از حالت هایی که نیازمند 25 ضربه تا 35 ضربه، 20 ضربه تا 30 ضربه و 15 ضربه تا 25 ضربه برای بسته شدن شیار هستند، باید یک آزمون انجام شود.

برای هر آزمون، درصد رطوبت آزمونه (W) را طبق استاندارد ASTM D2216 تعیین کنید. توصیه می شود جرم های اولیه (ظرف به همراه خاک مرطوب) بلافاصله پس از پایان آزمون تعیین شود. اگر انجام آزمون برای بیش از حدود 15 دقیقه متوقف شود، جرم آزمونه های درصد رطوبت (که پیش از این به دست آمده اند) را در زمان توقف تعیین کنید.

محاسبه حد روانی به روش الف (روش چند نقطه ای)

رابطه میان درصد رطوبت (W) و تعداد ضربه های متناظر با آن (N) را روی یک نمودار نیمه لگاریتمی که در آن درصد رطوبت روی محور قائم و در مقیاس حسابی، و تعداد ضربه ها روی محور افقی و در مقیاس لگاریتمی است، ترسیم کنید. بهترین خط راست عبوری از سه یا تعداد بیشتری نقطه ترسیم شده را بکشید.

نمودار محاسبه حد روانی خاک

درصد رطوبت متناظر با محل برخورد این خط با خط قائم مربوط به 25 ضربه را به عنوان حد روانی خاک، LL در نظر بگیرید و آن را به نزدیکترین عدد صحیح گرد کنید. برای برازش یک خط راست به داده ها و تعیین حد روانی، می توان روش های محاسباتی را جایگزین روش نموداری کرد.

منبع

استاندارد ایران شماره 10731 ، دانلود مستقیم فایل pdf

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.