تعیین حدود آتربرگ، موئینگی و نفوذپذیری خاک

تعیین حدود آتربرگ

آزمایش‌های تعیین حد روانی، حد خمیری و حد انقباض را که در مکانیک خاک از اهمیت بیشتری برخوردارند، شرح خواهیم داد. همه این آزمایش‌ها بر روی نمونه‌های دست‌خوردهٔ خاک چسبنده انجام می‌شود.

آزمایش تعیین حد روانی

برای این آزمون، حدود 200 خاک در حالت رطوبت طبیعی، بدون دانه‌هایی با قطر بیش از 0,5 mm، برداشت می‌شود؛ دانه‌هایی که می‌توانند دقت نتایج آزمون را مختل کنند. نمونه نباید در آون خشک شود، بلکه بلافاصله در یک فنجان چینی حاوی آب مقطر قرار داده می‌شود و باید چندین ساعت در آن بماند تا به‌خوبی مرطوب شود. برای لومی با شاخص خمیری IP < 20، مرطوب‌سازی حدود 4 ساعت طول می‌کشد؛ برای رس با IP > 20، از 18 تا 18 ساعت. سپس نمونه مرطوب‌شده روی صفحه شیشه‌ای منتقل می‌شود و با کمک چاقوی آزمایشگاهی به‌خوبی مخلوط می‌گردد تا خمیری غلیظ با ترکیب یکنواخت به دست آید. اگر ذراتی بزرگ‌تر از 0,5 mm مشاهده شوند، هنگام مخلوط کردن حذف می‌شوند.

نمونهٔ بدین‌گونه آماده‌شده در کاسهٔ برنجیِ دستگاهِ کازاگرانده برای تعیینِ حدِّ روانی (شکل. 1) ریخته می‌شود، که در آزمایشگاه‌های ما به نامِ لرزانندهٔ کازاگرانده شناخته می‌شود.

شکل 1. دستگاه کاساگرانده برای تعیین حد تسلیم

این دستگاه از یک کاسه برنجی تشکیل شده است که به‌وسیله اتصال ویژه‌ای به دستگاه متصل می‌شود، یک پایه انعطاف‌پذیر از لاستیک سخت، با یک اکسنتریک در بخش بالایی و یک دسته برای چرخاندن، به‌طوری‌که اکسنتریک تا ارتفاع 1 cm بالا می‌آید و در نتیجه کاسه سقوط کرده و به پایه ضربه می‌زند (شکل 1a). ابعاد دستگاه استاندارد شده‌اند. علاوه بر این، یک چاقوی پروفیل‌دار با ابعاد دقیقاً معین نیز وجود دارد (شکل 1b).

نمونهٔ منتقل‌شده در کاسهٔ برنجی با چاقو هموار می‌شود، به‌گونه‌ای که سطح نمونه کاملاً صاف باشد و نمونه اندکی بیش از نصف بخش جلویی کاسه را بپوشاند، به‌طوری‌که ارتفاع آن از پایین‌ترین نقطهٔ کف کاسه حدود 12 mm باشد. سپس کاسه در دستگاه قرار داده می‌شود و با چاقوی پروفیل‌دار شیار در وسط بریده می‌شود، به‌گونه‌ای که کاملاً مستقیم باشد و کف برنجیِ کاسه دیده شود؛ این کار با کشیدن دقیق چاقو عمود بر کف کاسه انجام می‌گیرد. طول شیار باید حدود 40 mm باشد. بلافاصله پس از آن، دستهٔ دستگاه با سرعت 2 دور در ثانیه چرخانده می‌شود، در حالی که ضربه‌های کاسه به پایه شمرده می‌شود و شیار مشاهده می‌گردد که بر اثر ضربهٔ کاسه به پایه باریک می‌شود، زیرا بخش‌های بریده‌شدهٔ نمونه حرکت می‌کنند و می‌کوشند به هم بپیوندند. چرخاندن دستهٔ دستگاه تا زمانی ادامه می‌یابد که شیار در طول 10 mm به هم برسد. هنگامی که این حاصل شد، چرخاندن بیشترِ دسته متوقف می‌شود و بلافاصله با چاقو مقداری از نمونه در حدود 2 cm3 از ناحیهٔ اطراف شیارِ به‌هم‌پیوسته از هر دو طرف برداشته می‌شود، در شیشه‌های ساعت قرار داده می‌شود و رطوبت خاک تعیین می‌گردد.

این آزمون 3-4 بار به همان روش تکرار می‌شود، اما هر بار با رطوبت متفاوت؛ این امر با آن حاصل می‌شود که نمونه ابتدا با مقدار کمتری آب مخلوط شود و سپس برای آزمون‌های بعدی آب افزوده گردد. پس از هر آزمونِ انجام‌شده، نمونه روی صفحهٔ شیشه‌ای ریخته می‌شود، جایی که کمی آب اضافه و خوب مخلوط می‌شود تا توده‌ای یکنواخت و هر بار کمی روان‌تر و خمیری به‌دست آید.

برای انجام آزمایش، خمیرِ تهیه‌شده نباید بیش از حد غلیظ یا بیش از حد روان باشد، زیرا حالت‌های قوامِ خاک که بیش از اندازه از حد روانی دور باشند، دقت لازم را برای این آزمایش فراهم نمی‌کنند. معمولاً پذیرفته می‌شود که اگر تعداد ضربه‌ها کمتر از 10 یا بیشتر از 50 باشد، آزمایش موفق نبوده است؛ با این حال، دقت آزمایش زمانی بهتر دانسته می‌شود که فاصلهٔ این حدود 10-40 ضربه باشد.

تذکر داده می‌شود که بر اساس یکی از روش‌ها، هر بار پس از پایان چرخاندن دسته تا بسته‌شدن شیار در طول 1 cm، نمونه در کاسهٔ برنجی فوراً با چاقو مخلوط می‌شود و سطح نمونه در کاسه دوباره صاف می‌گردد، شیار تازه‌ای بریده می‌شود، سپس دستهٔ دستگاه چرخانده می‌شود. این روند آن‌قدر تکرار می‌شود تا سه بار پیاپی، هنگام بسته‌شدن شیار در طول 1 cm، همان تعداد ضربه به‌دست آید؛ این تعداد برای ادامهٔ روش تعیین حد روانی پذیرفته می‌شود. نتایج آزمایش را در نمودار با تقسیم نیمه‌لگاریتمی ترسیم می‌کنیم (شکل 2). روی محور افقی، تعداد ضربه‌ها در مقیاس لگاریتمی و روی محور عمودی، مقدار آب بر حسب درصد وزن خشک نمونه در مقیاس حسابی ثبت می‌شود. از آن‌جا که در هر آزمایش مقدار آب w متفاوت است، نقاط A، B، C و D را به‌دست می‌آوریم که با تعداد ضربه‌های متفاوت متناظرند، به‌طوری‌که هرچه مقدار آب بیشتر باشد تعداد ضربه کمتر است و برعکس. با وصل کردن این نقاط، یک خط راست مایل به‌دست می‌آوریم که روی آن نقطهٔ M را برای 25 ضربه می‌یابیم. مقدار آبی که با این نقطه متناظر است، به‌عنوان حد روانی wL پذیرفته می‌شود.

شکل 2. تعیین حد تسلیم

تعیین حد خمیری

نمونه خاکی که به روش شرح‌داده‌شده در بالا تهیه شده است، اما با آب کمتر، به‌گونه‌ای که به صورت توده‌ای پلاستیک و تقریباً در حالت خمیریِ سفت باشد، به صورت گلوله‌ای با حجم حدود 2-3 cm3 درآورده می‌شود و سپس با کف دست روی سطح کاغذ معمولی یا جاذب به صورت رشته‌ای با ضخامت 3 mm غلتانده می‌شود. اگر نمونه تا آن ضخامت بدون شکست غلتانده شود، دوباره به گلوله تبدیل شده و به همان روش غلتانده می‌شود. این عمل آن‌قدر تکرار می‌شود تا رشته در ضخامت 3 mm شروع به شکستن کند. آنگاه رشته‌های شکسته را در شیشه ساعت قرار می‌دهند و مقدار آب را تعیین می‌کنند. این مقدار آب، که به صورت درصدی از وزن خشک نمونه بیان می‌شود، برابر با حد خمیری wP است.

تعیین حد انقباض

شکل 3. تعیین حد جمع‌شدگی

نمونه خاک را با آب مقطر، به روشی که زیر عنوان آزمایش تعیین حد روانی شرح داده شده است، مخلوط می‌کنند، به‌طوری‌که قوام آن تقریباً در حد روانی باشد، یعنی هنگامی که همهٔ منافذ از آب اشباع شده‌اند. سپس گلوله‌ای ساخته می‌شود که ابتدا در هوا و سپس در آون در دمای 105°C برای خشک‌شدن رها می‌شود. این ترتیبِ خشک‌کردن لازم است تا از ایجاد ترک در نمونهٔ خشک‌شده جلوگیری شود، ترک‌هایی که می‌توانند آزمایش را مختل کنند. در آغاز، وزن W1 نمونه اندازه‌گیری می‌شود و حجم V1 آن با آزمایش غوطه‌ور کردن در جیوه تعیین می‌گردد، سپس نمونه بیشتر در هوا و بعد در آون خشک می‌شود، با برداشت‌های دوره‌ای، سردکردن در دسیکاتور و اندازه‌گیری وزن W2، W3، W4 و غیره و حجم V2، V3، V4 و غیره. به این ترتیب مشخص می‌شود که در یک حالت معینِ رطوبت، حجم نمونه از کاهش بازمی‌ایستد، هرچند وزن آن بر اثر خشک‌شدن همچنان کاهش می‌یابد. اگر نمونه در حالت اولیهٔ خود از آب اشباع باشد، یعنی در منافذ آن هوا وجود نداشته باشد، از دست‌رفتن آب بر اثر خشک‌شدن نمونه تا حد جمع‌شدگی تقریباً برابر با کاهش حجم نمونه است. پس از آن، خشک‌کردن بدون اندازه‌گیری حجم همچنان ادامه می‌یابد، تا زمانی که نمونه کاملاً خشک شود، یعنی تا ثابت‌شدن وزن. سپس مقدار آب به درصدِ وزن خشک نمونه برای هر اندازه‌گیریِ حجم و وزن نمونه تعیین می‌شود و نتایج آزمایش در نمودار (شکل 3) رسم می‌گردد. بدین ترتیب نقاط A، B، C، D و E به دست می‌آیند که به هم متصل می‌شوند، و معمولاً خطی با شکست تند در ناحیهٔ حد جمع‌شدگی حاصل می‌شود. در نقطهٔ شکست S، رطوبت w به دست می‌آید که متناظر با حد جمع‌شدگی W_S است.

تعیین مویینگی

آزمایش تعیین ارتفاع صعود موئین آب به دو روش انجام می‌شود: اندازه‌گیری مستقیم ارتفاع صعود موئین آب و اندازه‌گیری غیرمستقیم به کمک کپیلاری‌متر.

آزمایش تعیین ارتفاع موئینگی با اندازه‌گیری مستقیم

از نمونه دست‌خورده، حدود 300 پوندی خاک برداشته می‌شود که در 105°C خشک می‌گردد، سپس پس از سرد شدن، بدون خرد کردن دانه‌ها، به پودری کاملاً ریز تبدیل می‌شود. پودر حاصل در یک لوله شیشه‌ای با قطر ø 25 mm، به طول 1,5 - 2,5 m، که از هر دو طرف باز است، ریخته می‌شود و انتهای پایینی آن قبلاً با پنبه شیشه‌ای یا تکه‌ای پارچه بسته می‌شود. در انتهای بالایی باز، پودر خشک‌شده را تا ارتفاع حدود 10 cm می‌ریزیم، سپس لوله را بالا می‌بریم و می‌گذاریم با ضربه بر کف چوبی یا تکیه‌گاه الاستیک دیگری بیفتد، تا زمانی که نشست پودر در لوله دیده شود. کنترل نشست پودر را با علامت‌گذاری خطوطی با گچ چرب روی لوله انجام می‌دهیم. پس از آن، 10 cm پودر دیگر می‌ریزیم و همان روش را تکرار می‌کنیم تا لوله را با پودر خشکِ متراکمِ نمونه خاکی که موئینگی آن را می‌سنجیم، پر کنیم. سپس ته لوله را در یک ظرف شیشه‌ای حاوی آب مقطرِ بدون جریان فرو می‌بریم، به‌طوری که انتهای پایینی لوله نباید روی کف ظرف قرار گیرد (شکل 4). لوله شیشه‌ای را با یک تخته به مقیاس ثابت می‌کنیم، به‌گونه‌ای که هم لوله و هم مقیاس عمودی باشند. پس از آن، بالاروی آب در لوله را مشاهده می‌کنیم که از روی رنگ به‌خوبی تشخیص داده می‌شود: نمونه خشک رنگ روشن دارد و نمونه مرطوب تیره است. فاصله میان سطح آب در ظرف و لبه بالایی نمونه مرطوب، ارتفاع بالاروی موئینه hk را نشان می‌دهد.

شکل 4. تعیین ارتفاع صعود موئین آب با اندازه‌گیری مستقیم

معاینه معمولاً پس از 1، 2، 4، 8، 16، 32، 64 و غیره ساعت انجام می‌شود. نتایج معاینه بر روی نمودار ثبت می‌شود که محور افقی آن زمان بر حسب ساعت و محور عمودی آن ارتفاع صعود مویین آب بر حسب میلی‌متر را نشان می‌دهد (شکل 5).

در مصالح شنی، بالا‌آمدن موئین در ابتدا سریع است، سپس کندتر می‌شود و ارتفاع نهایی بالا‌آمدن به‌سرعت به دست می‌آید. در مصالح رسی، بالا‌آمدن موئین در آغاز کندتر است، اما مدت بیشتری ادامه می‌یابد و به ارتفاعی به‌مراتب بیشتر می‌رسد.

این روش تعیین ارتفاع موئینگی زمان‌بر است، به‌ویژه در خاک رسی. افزون بر این، ارتفاع صعود موئینگی به دمای هوا و نیز به رطوبت آن بستگی دارد، ازاین‌رو لازم است این عوامل تا حد امکان ثابت نگه داشته شوند.

شکل. 5. نمودار صعود موئینه آب در خاک، الف-ماسه؛ ب-گرد و غبار؛ ج-خاک رسی

آزمایش تعیین ارتفاع موئینگی به‌وسیلهٔ موئین‌سنج

چندین نوع کپیلاریمتر با ساختارهای مختلف وجود دارد، مانند کپیلاریمترهای Beskowa، Jürgenson و Engelhardt. در اینجا اصل کار با کپیلاریمتر Beskowa را شرح خواهیم داد، که بیشترین کاربرد را دارد.

این آزمایش بر روی نمونه‌های دست‌نخورده یا دست‌خورده انجام می‌شود. اگر نمونه دست‌خورده باشد، آن را در وضعیت حد روانی به دستگاه وارد می‌کنند.

شکل 6. موئین‌سنج بسکوف

کاپیلاریمتر بِسکوف از دو مخزن (شکل 6) تشکیل شده است که در بخش‌های پایینی به‌وسیله یک شیلنگ لاستیکی مسلح به یکدیگر متصل‌اند. در مخزن 1 نمونه خاک روی کف صافی قرار داده می‌شود، در حالی که زیر آن مخزنی قرار دارد که بخشی با آب مقطر و بخشی با جیوه پر شده است؛ جیوه در بخش پایین قرار دارد، به‌گونه‌ای که هم سراسر شیلنگ لاستیکی و هم بخش پایینی مخزن 2 را پر می‌کند. در آغاز آزمایش، سطح جیوه در هر دو مخزن یکسان است. سپس مخزن 2 به پایین کشیده می‌شود و در نتیجه در زیر کف صافی مخزن 1 فشار منفی ایجاد می‌گردد. هنگامی که این فشار منفی از نیروهای موئین در نمونه بیشتر شود، هوا از میان نمونه به کف صافی نفوذ می‌کند و پس از آن سطح جیوه در هر دو مخزن فوراً با پایین‌رفتن مخزن 2 برابر می‌شود. اختلاف Hg بین سطح جیوه در یکی و دیگری از مخازن در لحظه برابر شدن فشار منفی و نیروهای موئین، یعنی درست پیش از آن‌که هوا شروع به نفوذ در نمونه کند، پس از تبدیل به ارتفاع ستون آب و افزودن ارتفاع ستون آب h زیر نمونه، ارتفاع موئین hk را به‌دست می‌دهد. از آنجا که جیوه 13,6 برابر سنگین‌تر از آب است، ارتفاع بالاروی موئین hk چنین است:

hk = 13,6 Hg + h

تعیین نفوذپذیری خاک

آزمایشگاهی برای تعیین نفوذپذیری خاک با دستگاه‌های ویژه‌ای که پرمئامتر نام دارند انجام می‌شود. انواع مختلفی از پرمئامترها وجود دارد که با این حال می‌توان آن‌ها را به دو گروه تقسیم کرد: پرمئامترهای با فشار آب ثابت برای خاک‌های درشت‌دانه و پرمئامترهای با فشار آب کاهنده برای خاک‌های ریزدانه. در هر دو حالت، آزمایش بر روی نمونه‌های دست‌نخورده انجام می‌شود.

با آزمون آزمایشگاهی ضریب نفوذپذیری خاک تعیین می‌شود که مقدار آن در دمای معینی بیان می‌شود، زیرا گرانروی آب در دماهای مختلف متفاوت است و این امر بر مقدار ضریب نفوذپذیری k اثر می‌گذارد. معمولاً ضریب k در دمای t =10°C بیان می‌شود. بنابراین، اگر 10°C، دمای آب هنگام تعیین ضریب k برابر با T و متفاوت از t = 10°C بوده باشد، آنگاه مقدار آن طبق رابطه زیر محاسبه می‌شود:

k10oC = ηt /η10oC * kT

که در آن ηt و η10oC ویسکوزیتهٔ آب در دمای کار T، یعنی در دمای پذیرفته‌شدهٔ t =10°C هستند.

kT مقدار به‌دست‌آمدهٔ ضریب نفوذپذیری خاک در دمای کاری T.

مقادیر ویسکوزیته برای دماهای مختلف T در جدول 1 آمده است.

آزمایش با فشار آب ثابت

شکل 7. Permeametar sa konstantnim pritiskom vode

برای این آزمایش، یک نمونه دست‌نخورده از خاک در یک استوانه فلزی با قطر D و ارتفاع h، با لبه پایینی تیزشده، با فروبردن در خاک یا در یک نمونه بزرگ‌ترِ دست‌نخورده برداشت می‌شود. پس از هم‌سطح کردن سطح بالایی و پایینی نمونه با لبه‌های استوانه، نمونه درون استوانه در دستگاه (شکل 7) میان فیلتر بالایی و پایینی قرار داده می‌شود. فیلتر پایینی از یک توری متراکم و یک سنگ فیلتر تشکیل شده است تا عبور آب از میان نمونه ممکن شود و از شسته‌شدن ذرات خاک جلوگیری گردد. فیلتر بالایی بدون توری است، زیرا احتمال شسته‌شدن ذرات کمتر است. آب از تراز N به نمونه وارد می‌شود که به‌وسیله سرریز ثابت نگه داشته می‌شود، به‌گونه‌ای که فشار هیدرواستاتیکی H ثابت بماند. تحت این فشار، آب از نمونه‌ای به ضخامت h عبور می‌کند و به‌وسیله لوله‌ای که به بخش بالایی دستگاه متصل است، به استوانه مدرج شیشه‌ای M می‌رسد و در آن چکه می‌کند.

به‌محض آنکه جریان آب از نمونه به استوانهٔ مدرج آغاز شود، کرنومتر را به کار می‌اندازیم و مقدار آب q را که در مدت t وارد استوانه می‌شود، مشاهده می‌کنیم. طبق قانون دارسی،

q = k*A*t*i

که در آن k ضریب نفوذپذیری بر حسب cm/sec، A سطح مقطع نمونه، i افت هیدرولیکی، i = H/h.

از معادله بالا داریم k= qh/Ath [cm/sec].

مقدار آبی را که از نمونه عبور می‌کند، در بازه‌های زمانی جداگانه از آغاز تا پایان مشاهده قرائت می‌کنیم، به‌طوری‌که هم مقادیر جزئی و هم مقدار کل آب عبوری از نمونه را در اختیار داریم.

برای حذف حباب‌های هوا در نمونه و در آب، که می‌توانند به نتایج نادرست آزمایش منجر شوند، لازم است پیش از آزمایش نمونه در حالت اشباع باشد، و نیز برای انجام آزمایش از آب جوشانده یا دست‌کم مانده استفاده شود.

به‌جای دستگاهی که در بالا توصیف شد و بر فشار هیدرواستاتیکی ناشی از اختلاف سطح آب H متکی است، دستگاه‌هایی نیز وجود دارند که در آن‌ها فشار هیدرواستاتیکی به‌وسیلهٔ فشار هوا از 10 تا 15 kp/cm2 ایجاد می‌شود و به‌وسیلهٔ کمپرسور ثابت نگه داشته می‌شود.