تراکم خاک چیست؟ (?What is Soil Compaction)

تراکم خاک (Soil Compaction)، به عنوان یکی از مراحل ثابت در عملیات خاکی و از روش‌های متداول بهسازی خاک می باشد که با خروج هوا از محیط، کاهش فاصله بین ذرات و افزایش قفل‌شدگی بین آن‌ها، چگالی مصالح را افزایش می‌دهد. هدف از افزایش چگالی خاک، بهبود ظرفیت باربری پی، افزایش دوام، افزایش مقاومت در برابر تغییرشکل (صلبیت)، کاهش احتمال آسیب های ناشی از یخ زدگی، افزایش پایداری و کاهش نفوذپذیری بستر سازه است. تراکم خاک را می‌توان به عنوان یکی از روش های مکانیکی بهسازی خاک در نظر گرفت. این روش، بستر مناسب برای اجرای پی سازه، جاده (خاکریز، زیرسازی و روسازی) و سدهای خاکی (فونداسیون و بدنه) را فراهم می‌کند. آزمایش تراکم خاک با هدف کاهش میزان تخلخل خاک به دو صورت پروکتور استاندارد و پروکتور اصلاح شده انجام می گردد.

اهمیت بهسازی و تراکم خاک

اگر پیش از شروع ساخت سازه های عمرانی، خروج هوای بین ذرات خاک محل اجرای پروژه به خوبی انجام نگیرد، احتمال رخ دادن جابجایی های ناخواسته و نفوذ آب به زیر سازه افزایش می یابد. این مسئله، ترک یا حتی شکست دیوارهای ساختمان، شکستگی و نشت لوله های زیر زمین، ایجاد گودال در جاده و مشکلات دیگر را در پی خواهد داشت.

از این رو، تراکم خاک، یکی از روش های بهسازی خاک است که در بسیاری از پروژه های عمرانی اجرا می شود. بروز نتیجه مناسب در این فرآیند، نیازمند انتخاب روش های مناسب و تجهیزات متناسب برای هر پروژه است. این کار نیز با اجرای آزمایشات مخصوص بر روی خواص خاک و تصمیم گیری بر اساس نتایج به دست آمده انجام می گیرد.

بیشتر بخوانید: ستون های مرکب بتن و فولاد از قبیل CFT و SRC

تراکم پذیری خاک

تراکم پذیری خاک (Soil Compressibility)، یکی از خواص مکانیکی خاک است که میزان سهولت کاهش حجم در صورت اعمال بار را نمایش می‌دهد. پیش از اجرای تراکم خاک، تراکم پذیری خاک محل پروژه بر حسب چگالی خشک و رطوبت بهینه، با استفاده از روش های آزمایشگاهی یا آزمایش های برجا محاسبه می شود.

آزمایش تراکم خاک

آزمایش تراکم خاک با هدف کاهش میزان تخلخل خاک صورت می گیرد. تراکم خاک در واقع افزایش چگالی خاک با خروج هوا از آن است که این کار نیازمند انرژی مکانیکی است. در آزمایش تراکم خاک، درجه تراکم یک خاک را بر حسب وزن واحد حجم خشک آن اندازه گیری می کنند.

اگر در آزمایشگاه خاک به هنگام متراکم کردن، به خاک مورد نظر آب اضافه کنند، تراکم خاک راحت تر انجام می شود. چرا که افزودن رطوبت موجب روغنکاری و آسان شدن تراکم خاک می گردد. اما اگر در این آزمون، مقدار آب از حدی بیشتر شود، چگالی خاک کاهش می یابد و تراکم به خوبی صورت نمی گیرد. به عبارتی هدف از انجام آزمایش تراکم خاک، یافتن مقدار رطوبت بهینه است.

روند کلی آزمایش تراکم خاک بدین صورت است که چندین قالب با حجم مشخص و یکسان از یک نوع خاک، اما با رطوبت های مختلف، در نظر گرفته می‌شود و با اعمال انرژی های یکسان کوبیده و متراکم می گردند. این کوبیدن و اعمال انرژی از طریق رها‌سازی وزنه ای با جرم مشخص و از یک ارتفاع معلوم انجام می گیرد.

در نهایت پس از کوبیدن و متراکم کردن خاک، با اندازه‌گیری وزن مخصوص خشک هریک از قالب ها با رطوبت های مختلف، نموداری مطابق نمودارهای زیر به دست می‌آید که در نهایت موجب یافتن رطوبت بهینه و وزن مخصوص خشک نظیر آن است.

نحوه انجام آزمایش تراکم

1- آزمایش پروکتور استاندارد  2- آزمایش پروکتور اصلاح شده

1- پروکتور استاندارد

نحوه انجام آزمایش تراکم به این شکل است که خاک مورد نظر هر بار با مقادیر مختلف آب مخلوط شده و در قالبی به قطر داخلی 4 اینچ در سه لایه تقریبا مساوی ریخته می شود و هر لایه با 25 ضربه چکش (که با وزن  2.5 کیلوگرم از ارتفاع حدود 30 سانتیمتر سقوط کرده و به خاک انرژی اعمال می کند) طوری متراکم می شود که ارتفاع سه لایه تقریبا مساوی شود. سپس خاک اضافی از روی قالب تراشیده شده و خاک و قالب را وزن می کنند.

بیشتر بخوانید: مبحث ۷ مقررات ملی ساختمان

پس از تعیین وزن مخصوص مرطوب نمونه خاک، آن را از قالب بیرون آورده و برای مشخص کردن رطوبت خاک، تکه ای کوچک از لایه بالایی آن جدا می کنند و بقیه خاک را خرد کرده و با مقدار بیشتری آب مخلوط و مجددا متراکم می نمایند.

وقتی رطوبت خاک برای هر آزمایش تعیین شد، با استفاده از رابطه زیر، وزن مخصوص خشک خاک نیز تعیین می شود. سپس مقدار ^γ_d به دست آمده را می توان در برابر میزان رطوبت مربوطه رسم کرد و از روی آن حداکثر وزن مخصوص خشک و میزان رطوبت بهینه نظیر را برای خاک مورد آزمایش به دست آورد.

انرژی تراکم در آزمایش پروکتور را می‌توان از رابطه زیر محاسبه کرد:

2- پروکتور اصلاح شده

فرآیند انجام آزمایش مشابه روش استاندارد است با این تفاوت که در این آزمایش وزن چکش 4.5 کیلوگرم، ارتفاع سقوط چکش 457 میلیمتر و تعداد لایه ها برابر 5 است و سایر مشخصات آن همانند آزمایش پروکتور اصلاح شده است.

در آزمایش پروکتور اصلاح شده، وزن چکش، ارتفاع سقوط و نیز تعداد لایه‌ ها بیشتر است، بنابراین آزمایش پروکتور اصلاح شده انرژی بیشتری دارد و به خاک تراکم بهتری می دهد.

عوامل موثر بر تراکم خاک:

1)‌ انرژی تراکم

 2) نوع خاک

1) انرژی تراکم

اگر در یک نوع خاک مشخص انرژی تراکم بیشتر شود، طبیعتا کار بیشتری نیز انجام خواهد شد که نتیجه آن، تراکم بهتر خاک خواهد بود. پس با توجه به تراکم بهتر، می توان منحنی های تراکم برای انرژی های مختلف از یک نوع خاک را به صورت زیر نشان داد:

با افزایش انرژی تراکم، وزن مخصوص خشک خاک به صورت شکل زیر افزایش می یابد ولی این افزایش تا یک حد مشخص ادامه دارد و بعد از آن حداکثر وزن مخصوص خشک ثابت می ماند. پس در یک کار عملی، تعداد رفت و برگشت های غلتک نباید از یک مقدار مشخص بیشتر باشد زیرا مفید واقع نمی‎ شود و غیراقتصادی خواهد بود.

2) نوع خاک

در خاک های دانه ای عمل تراکم با جا به جایی دانه ها بر روی هم و در هم فرورفتن آنها انجام می شود، در حالیکه در خاک های رسی عمل تراکم با شکسته شدن پیوند رس ها و بعضا شکستن صفحات رس در فشار‌های زیاد اتفاق می افتد. به دلیل اینکه ریزدانه ها سطح جانبی بیشتری در مقایسه با درشت دانه ها دارند، برای آغشته کردن آنها به آب و کاهش اصطکاک، نیاز به رطوبت بیشتری است و این رطوبت بیشتر، فضای زیادتری از فضای خالی خاک را اشغال کرده و مانع تراکم بیشتر خاک می شود، پس هرچه خاک درشت دانه تر باشد، تراکم آن بهتر است.

بیشتر بخوانید: مبحث دوازدهم مقررات ملی ساختمان

در خاک های رسی هر چقدر خاک خمیری تر بوده و دامنه‌ خمیری (PI) بزرگتری داشته باشد، بدین معنا که حد روانی (LL) آن بزرگتر و حد خمیری (PL) آن کوچکتر باشد، موجب می شود که خاک رس با کمی آب، چسبناک و خمیری شود و عملا ممکن است آبی که به قصد روغن‌کاری و کاهش اصطکاک بین ذرات، به رس اضافه می‌شود، به چسب زود هنگامی تبدیل شود که می‌ خواهد جلوی تراکم را بگیرد. از این رو می توان گفت که هر چقدر نشانه خمیری خاک رس بیشتر باشد، تراکم آن بدتر است.