آزمایش CBR آزمایشگاهی یا آزمایش نسبت باربری کالیفرنیا (California Bearing Ratio)، برای تعیین مقاومت مصالح بستر، زیراساس و اساس روسازی بر روی نمونه‌های متراکم‌شده در آزمایشگاه استفاده می‌شود.
این روش عمدتاً برای ارزیابی مقاومت مصالح چسبنده‌ای در نظر گرفته شده است که حداکثر اندازه ذرات آن‌ها کمتر از 3/4 اینچ (19 میلی‌متر) باشد، هرچند کاربرد آن تنها به این نوع مصالح محدود نمی‌شود.
در این مطلب مراحل انجام آزمایش CBR، روش‌های خشک و غرقاب، نحوه محاسبه CBR، پارامترهای موردنیاز در گزارش آزمایش و تجهیزات مورد استفاده بررسی شده است.
آزمایش CBR چیست؟
CBR مخفف California Bearing Ratio یا «نسبت باربری کالیفرنیا» است. در این آزمایش مقاومت نمونه خاک متراکم‌شده در برابر نفوذ سنبه اندازه‌گیری شده و از نتایج آن
برای تعیین نسبت باربری مصالح استفاده می‌شود. آزمایش CBR می‌تواند به‌صورت خشک (غیرغرقاب) یا غرقاب انجام شود. نحوه آماده‌سازی و تراکم نمونه نیز با توجه به استاندارد و روش انتخاب‌شده تعیین می‌شود.
مراحل انجام آزمایش CBR آزمایشگاهی
پیش از انجام آزمایش CBR، نتایج آزمایش تراکم شامل حداکثر وزن مخصوص خشک آزمایشگاهی و درصد رطوبت بهینه باید مشخص شده باشد.
با توجه به روش آزمایش ASTM یا AASHTO، برای هر نقطه مورد آزمایش معمولاً سه قالب نمونه با سه سطح انرژی تراکمی آماده می‌شود.
تعداد ضربات در روش ASTM برابر با 10، 25 و 56 ضربه و در روش AASHTO برابر با 10، 30 و 65 ضربه است. تعداد لایه‌ها نیز مطابق روشی که در آزمایش تراکم نمونه استفاده شده است تعیین می‌شود.
ابتدا خاک خشک روی میز فلزی پخش می‌شود. سپس مقدار آب متناظر با درصد رطوبت بهینه، در چند مرحله به خاک اضافه شده و مخلوط به‌طور کامل همگن می‌شود.
پس از اختلاط، مطابق جدول و الزامات استاندارد مربوطه، زمان لازم برای عمل‌آوری نمونه در نظر گرفته می‌شود.
سپس لایه‌های خاک داخل قالب CBR ریخته شده و هر لایه با تعداد ضربات تعیین‌شده متراکم می‌شود.
آزمایش CBR خشک یا غیرغرقاب
اگر آزمایش به روش CBR خشک یا غیرغرقاب انجام شود، پس از تراکم خاک در قالب، قالب در وضعیت مناسب برای بارگذاری قرار گرفته و مجموعه زیر سنبه دستگاه CBR نصب می‌شود.
بارگذاری با سرعت 1.27 میلی‌متر بر دقیقه انجام می‌شود. از آنجا که رفتار بخش ابتدایی منحنی تنش–نفوذ اهمیت زیادی دارد، مقادیر بار یا تنش در نفوذهای مختلف قرائت و ثبت می‌شوند.
مقادیر نفوذ مورد قرائت شامل موارد زیر است:
- 0.025 اینچ
- 0.05 اینچ
- 0.1 اینچ
- 0.15 اینچ
- 0.2 اینچ
- 0.25 اینچ
- 0.3 اینچ
- 0.4 اینچ
- 0.5 اینچ
برای کنترل میزان رطوبت نمونه، بهتر است از خاک مخلوط‌شده در ابتدای آزمایش و همچنین پس از پایان آزمایش، نمونه‌هایی برای تعیین درصد رطوبت برداشت شود.
آزمایش CBR غرقاب
اگر آزمایش به روش غرقاب انجام شود، پس از کوبیدن و متراکم کردن نمونه در قالب CBR، قالب برگردانده شده و وزنه‌های سربار و سه‌پایه گیج تورم‌سنج نصب می‌شوند.
در حالی که صفحه کف قالب CBR مشبک است، قالب، گلویی و سایر متعلقات به‌آرامی داخل حوضچه آب قرار می‌گیرند. کف قالب نباید مستقیماً با کف حوضچه در تماس باشد و می‌توان آن را روی پروفیل، شبکه یا توری فلزی مناسب قرار داد.
سطح آب باید حداقل حدود یک اینچ بالاتر از تراز نمونه خاک قرار گیرد. نمونه به مدت 96 ساعت یا 4 روز در حالت غوطه‌وری باقی می‌ماند.
در طول این مدت، میزان تورم احتمالی نمونه با استفاده از گیج متصل به سه‌پایه اندازه‌گیری می‌شود.
پس از پایان مدت غرقاب، قالب از حوضچه خارج شده و حدود 15 دقیقه برای زهکشی و تخلیه آب اضافی در نظر گرفته می‌شود.
پس از انجام توزین‌های لازم، نمونه متراکم و غرقاب‌شده زیر سنبه نفوذ قرار گرفته و عملیات بارگذاری مشابه روش غیرغرقاب انجام می‌شود. در نهایت منحنی تنش–نفوذ رسم می‌شود.
دستگاه و تجهیزات مورد نیاز آزمایش CBR
مشاهده ملحقات و تجهیزات آزمایش CBR
محاسبات آزمایش CBR
رسم منحنی تنش – نفوذ
تنش نفوذی بر حسب پوند بر اینچ مربع یا مگاپاسکال محاسبه شده و منحنی تنش در مقابل نفوذ رسم می‌شود.
در بعضی نمونه‌ها به علت ناهمواری سطح یا عوامل دیگر، قسمت ابتدایی منحنی تنش–نفوذ ممکن است دارای تقعر رو به بالا باشد. در چنین شرایطی لازم است نقطه صفر منحنی تصحیح شود.
2. محاسبه نسبت باربری CBR
برای محاسبه CBR، مقادیر تنش تصحیح‌شده حاصل از منحنی تنش–نفوذ در نفوذهای 0.1 اینچ (2.54 میلی‌متر) و 0.2 اینچ (5.08 میلی‌متر) مورد استفاده قرار می‌گیرند.
نسبت باربری با تقسیم تنش تصحیح‌شده نمونه بر تنش استاندارد متناظر و ضرب حاصل در 100 محاسبه می‌شود. تنش‌های استاندارد ذکرشده در روش مورد استفاده عبارت‌اند از
1000 psi برای نفوذ 0.1 اینچ و 1500 psi برای نفوذ 0.2 اینچ. معمولاً نسبت باربری در نفوذ 0.1 اینچ به‌عنوان CBR خاک گزارش می‌شود.
اگر نسبت باربری در نفوذ 0.2 اینچ بزرگ‌تر باشد، آزمایش تکرار می‌شود. در صورتی که آزمایش کنترلی نیز نتیجه مشابهی داشته باشد، نسبت باربری مربوط به نفوذ 0.2 اینچ به‌عنوان مقدار CBR در نظر گرفته می‌شود.
3. تعیین CBR طرح برای یک درصد رطوبت
با استفاده از داده‌های حاصل از سه نمونه CBR، رابطه CBR در مقابل وزن مخصوص خشک رسم می‌شود. سپس CBR طرح در درصد موردنیاز از حداکثر وزن مخصوص خشک تعیین می‌شود.
4. تعیین CBR طرح برای محدوده‌ای از درصدهای رطوبت
داده‌های حاصل از آزمایش در سه سطح انرژی تراکمی رسم می‌شوند. این داده‌ها پاسخ خاک را نسبت به محدوده رطوبتی مشخص‌شده نشان می‌دهند. کمترین مقدار CBR در محدوده رطوبت موردنظر که دارای وزن مخصوص خشک بین حداقل وزن مخصوص خشک مشخص‌شده و وزن مخصوص خشک حاصل از تراکم باشد،به‌عنوان CBR طرح گزارش می‌شود.
گزارش نتایج آزمایش CBR
گزارش آزمایش CBR باید شامل اطلاعات و شرایط اصلی انجام آزمایش باشد.
از جمله:
- روش مورد استفاده برای آماده‌سازی و تراکم نمونه‌ها؛ مانند ASTM D698، ASTM D1557، AASHTO T99 یا AASHTO T180
- وضعیت نمونه به‌صورت خشک یا غرقاب
- دانسیته یا وزن مخصوص خشک نمونه پیش از غرقاب
- دانسیته یا وزن مخصوص خشک نمونه پس از غرقاب
- درصد رطوبت نمونه پیش از تراکم و پس از تراکم
- میزان رطوبت بخش بالایی نمونه پس از غرقاب
- میزان تورم به‌صورت درصدی از ارتفاع اولیه نمونه
- نسبت باربری نمونه به‌صورت درصد
- مقدار سربار استفاده‌شده در آزمایش
- روش‌های خاص آماده‌سازی نمونه در صورت وجود
- مشخصات نمونه شامل محل، شماره گمانه و سایر اطلاعات پروژه
جدول مطابقت تجهیزات آزمایش CBR با ASTM D1883 و AASHTO T193
در جدول‌های زیر تجهیزات و نحوه انجام آزمایش CBR با الزامات استانداردهای ASTM D1883 و AASHTO T193 مقایسه شده است.
سوالات متداول آزمایش CBR
آزمایش CBR چه چیزی را اندازه‌گیری می‌کند؟
این آزمایش نسبت باربری خاک یا مصالح مورد استفاده در بستر، زیراساس و اساس روسازی را بر اساس مقاومت نمونه در برابر نفوذ سنبه تعیین می‌کند.
تفاوت CBR خشک و CBR غرقاب چیست؟
در روش خشک، نمونه پس از آماده‌سازی و تراکم مستقیماً مورد بارگذاری قرار می‌گیرد. در روش غرقاب، نمونه پیش از بارگذاری برای مدت مشخص در آب قرار گرفته و میزان تورم آن نیز اندازه‌گیری می‌شود.
نمونه CBR غرقاب چه مدت در آب باقی می‌ماند؟
طبق روش شرح‌داده‌شده در این مقاله، نمونه به مدت 96 ساعت یا چهار روز در حالت غوطه‌وری نگهداری می‌شود.
سرعت بارگذاری در آزمایش CBR چقدر است؟
سرعت نفوذ سنبه در روش شرح‌داده‌شده برابر با 1.27 میلی‌متر بر دقیقه است.
مقدار CBR معمولاً در چه نفوذی گزارش می‌شود؟
معمولاً مقدار CBR متناظر با نفوذ 0.1 اینچ گزارش می‌شود. اگر مقدار به‌دست‌آمده در نفوذ 0.2 اینچ بیشتر باشد، آزمایش باید کنترل و تکرار شود.
منابع
راهنمای جامع آزمایشگاه مکانیک خاک، مهندسی خاک و ژئوتکنیک،نوشته مهندس داریوش مرادی
استاندارد ASTM D1883