آزمایشات خاک در محل و آزمایشگاه

یکی از موضوعات حائز اهمیت در حوزه مهندسی عمران مقاومت و پایداری خاک در برابر نیروهای وارده می‌باشد. نوع و مشخصات خاک، ضخامت لایه‌ها، درصد رطوبت، درجه اشباع، نفوذپذیری و … مسائلی است که در انتخاب محل پروژه و دوام مدنظر مؤثرند. بنابراین مهندسین با انجام آزمایشات خاک که در محل و آزمایشگاه انجام می‌شوند اطلاعات لازم را کسب می‌کنند.

نحوه انجام آزمایشات خاک از جهت کاهش میزان خطا، بسیار اهمیت دارد. بنابراین جهت انجام آزمایشات خاک علاوه بر رعایت الزامات، به نیروی متخصص و ماهر نیاز می‌باشد.

آزمایشات مکانیک خاک به دو دسته تقسیم‌بندی می‌شوند:

۱- آزمایشات در محل:

آزمایش نفوذ استاندارد (SPT)، آزمایش نفوذ مخروط (CPT)، آزمایش بارگذاری صفحه (PLT) و …

۲- آزمایشات آزمایشگاهی خاک:

آزمایش (CBR)، آزمایشات سه محوری خاک، آزمایش تحکیم خاک، آزمایش برش مستقیم خاک و …

کتاب آزمایشگاه مکانیک خاک، مهندسی خاک و ژئوتکنیک تمامی آزمایشات خاک را با تصاویر و با جزئیات کامل شرح داده است.
در ادامه توضیحات مختصری راجع به یکی از مهم‌ترین آزمایشات در محل و آزمایشگاهی یعنی آزمایش نفوذ استاندارد (SPT) و آزمایش سه‌محوری خاک‌ها آمده است.

آزمایش نفوذ استاندارد (SPT):

این آزمایش عمدتا برای تعیین خصوصیات مقاومتی و نشست‌پذیری خاک‌های غیرچسبنده به کار می‌رود.

عدد SPT یا N: تعداد ضربه‌های لازم برای نفوذ نمونه‌گیر، در فاصله ۱۵ تا ۴۵ سانتی‌متر از کف گمانه را گویند.

مرحله اول: ابتدا لازم است حفاری انجام شود که برای حفاری روش‌های مختلفی وجود دارد.
در صورتی که دیواره گمانه پایدار نباشد، لازم است از لوله جدار استفاده شود.

مرحله دوم: سیستم سقوط چکش می‌تواند اتوماتیک، نیمه اتوماتیک، لغزشی و قرقره طنابی باشد.
در این مرحله ضربه‌های وارده برای هر ۱۵ سانتی‌متر نفوذ شمارش می‌شوند.

مرحله سوم: تحلیل و بررسی نتایج می‌باشد. و لازم است عدد N از طریق فرمول زیر اصلاح شود.

ضرایب اصلاحی شامل:

بازدهی چکش، قطر گمانه، نمونه‌گیر و طول میله می‌باشند.

N_۶۰ : عدد اصلاح شده N، که نسبت به انرژی مرجع، معادل %۶۰ انرژی تئوریک سقوط آزاد، اصلاح شده است.

این آزمایش می‌توان برای محاسبه نشست، ظرفیت باربری، ارزیابی پتانسیل روانگرایی در خاک‌ها و مقاومت جداره و نوک شمع‌ها استفاده کرد.

آزمایش سه‌محوری:

یکی از آزمایشات خاک متداول و کاربردی، آزمایش سه‌محوری می‌باشد. که دستگاه‌های آزمایشات خاک می‌تواند تنش کنترل یا کرنش کنترل باشند. آزمایشات سه‌محوری بر دو نوع زهکشی‌شده و زهکشی‌نشده انجام می‌شوند. این آزمایش معمولاً برای محاسبه مقاومت خاک‌ها انجام می‌شود.

مراحل انجام آزمایشات سه محوری خاک:

مرحله اول: نمونه‌ای دست‌نخورده از خاک را درون یک غشاء لاستیکی قرار می‌دهیم (لایه لایه خاک ریخته، متراکم کرده و لایه بعدی ریخته می‌شود)، سپس نمونه را درون یک محفظه پلاستیکی قرار می دهیم. محفظه را از آب پر می‌کنیم و فشاری برابر با فشار همه جانبه (σ_۳) به خاک وارد می‌کنیم.

مرحله دوم: اشباع سازی؛ ابتدا لازم است عدد اسکمپتون (B Value) تعیین شود. عدد اسکمپتون با اندازه‌گیری نسبت فشار آب حفره‌ای به فشار همه جانبه به‌دست می‌آید. که برای اشباع بودن این عدد باید حداقل ۰/۹۵ باشد. بنابراین مرحله اشباع سازی را تا زمانی ادامه می‌دهیم که به حداقل B برسیم.

بسته به شرایط، آزمایشات سه‌محوری خاک، سه حالت دارند:

الف) تحکیم ‌یافته زهکشی شده (CD)

ب) تحکیم ‌یافته زهکشی نشده (CU)

پ) تحکیم نیافته زهکشی نشده (UU)

در صورتی‌ که آزمایش از نوع تحکیم یافته باشد؛

مرحله سوم: لازم است پس از اشباع سازی، تحکیم خاک انجام شود، بنابراین نمونه خاک تحت فشار همه‌جانبه (σ_۳) شروع به تحکیم می‌کند. مرحله تحکیم تا زمانی ادامه پیدا می‌کند که زهکشی کامل انجام شود. و تغییر حجم نمونه ناچیز باشد. (تنش کل وارده برابر با تنش مؤثر می‌شود و فشار آب منفذی صفر می‌شود).

مرحله چهارم: برش زدن؛ در این مرحله بسته به این‌که شرایط زهکشی‌شده و یا زهکشی‌نشده باشد متفاوت است. درصورتی‌که زهکشی‌شده مد نظر باشد؛ حین برش لازم است شیر زهکشی باز باشد (نمونه تغییر حجم دارد). اما درصورتی که شرایط زهکشی‌نشده باشد در حین برش باید شیر زهکشی بسته بماند (نمونه تغییر حجم ندارد).
این مرحله با وارد کردن تنش انحرافی آغاز شده و تا زمانی که نمونه گسیخته شود ادامه می‌یابد. اعمال تنش با سرعت ثابت می‌باشد و بسته به نوع خاک سرعت متفاوت می‌باشد. تغییر ارتفاع نمونه در این مرحله با استفاده از یک کرنش سنج لازم است قرائت شود.

مرحله پنجم: تحلیل داده‌ها؛ با استفاده از مقادیر σ_۱ و σ_۳، برای نمونه‌های مختلف خاک دایره‌های موهر را رسم می‌کنیم، مماس مشترک این دایره‌ها، همان خط گسیختگی (خط پوش مقاومت موهر-کولمب) است، بنابراین طبق شکل زیر می‌توان چسبندگی خاک (c) و زاویه اصطکاک داخلی خاک (φ) را تعیین کرد. شکل زیر پوش گسیختگی برای ماسه و رس عادی تحکیم‌یافته را نشان می‌دهد. روابط تعیین چسبندگی و زاویه اصطکاک داخلی خاک در زیر آورده شده است.

آزمایشات خاک متفاوت و متنوع می‌باشند. یک مهندس با در نظر گرفتن تمامی جوانب از جمله موقعیت و اهمیت پروژه، نوع، جنس، ضخامت و … خاک، همچنین شرایط اقتصادی آزمایشاتی را جهت بررسی تعیین می‌کند.

کتاب “راهنمای جامع آزمایشگاه مکانیک خاک، مهندسی خاک و ژئوتکنیک”، و کتاب “دستورالعمل آزمایش‌های کاربردی مکانیک خاک” تمامی آزمایشات خاک در محل و آزمایشگاهی را به طور کامل همراه با استانداردهای مربوطه، شرح داده است.

همچنین کتاب “راهنمای جامع آزمایشگاه مکانیک خاک، مهندسی خاک و ژئوتکنیک” همراه با سی‌دی می‌باشد که شامل فیلم‌های آزمایشات آزمایشگاهی و صحرایی خاک بوده که می‌تواند درک بهتری به مخاطب دهد.