12:30 ق.ظ

حدود اتربرگ (Atterberg Limits)

یکی از اصلی ترین آزمایش های مکانیک خاک آزمایش حدود اتربرگ (Atterberg Limits) می باشد که طی این آزمایش حد خمیری، حد روانی و حد انقباض خاک تعیین می شود. آزمایش حدود اتربرگ یکی از متداول ترین آزمایش ها جهت بررسی خواص خمیری خاک های چسبنده می باشد.

معنی و مفهوم حدود اتربرگ

در طبیعت، مواد مختلف به سه شکل جامد، مایع و گاز یافت می شوند. برخی از مواد تنها به خودی خود در یک حالت نبوده و در شرایط مختلف تغییر حالت می دهند.

خاک رس خشک شده ای را در نظر بگیرید، مقداری به آن آب بزنید و آن را مرطوب کنید. حال اگر رطوبت خاک به اندازه کافی باشد شما مشاهده خواهید کرد که خاک به حالت خمیری در می آید. در صورتی که اگر مقدار آب را افزایش دهید خاک از حالت خمیری خارج شده و به حالت مایع تری در می آید. در اینجا شما می توانید مشاهده کنید که خاک از حالت جامد خود در آمده و به حالت مایع تبدیل شده است. پس به این نتیجه می رسیم که خاک در صورت وجود آب می تواند از حالت جامد به حالت مایع تبدیل شود. در اینجا سوالاتی در ذهن مطرح می شود که چه مقدار خاک به آب بی افزاییم تا به حالت خمیری در بیاید و یا چه مقدار آب به خاک اضافه کنیم تا خاک از حالت جامد به مایع درآید. همه این سوالات را دانشمندی به نام اتربرگ پاسخ داده است که در این مقاله به بررسی تمامی ابعاد آزمایش حدود اتربرگ می پردازیم.

وقتی در خاک های ریزدانه، کانی های رسی ظاهر گردد، با مرطوب کردن، خاک حالت خمیری به خود خواهد گرفت و آن را می توانیم بدون خرد شدن شکل بدهیم. این خاصیت چسبندگی به علت آب جذب شده ای می باشد که ذرات رس را احاطه کرده است. در اوایل دهه 1900، دانشمند سوئدی، اتربرگ روشی برای توصیف سفتی خاک های ریزدانه بر حسب میزان رطوبت ابداع کرد. در میزان رطوبت خیلی کم، خاک مثل یک جسم جامد عمل نموده و در طوبت خیلی بالا، مخلوط آب و خاک می تواند به صورت یک مایع جاری شود به طور کلی همانند شکل بالا بر حسب میزان رطوبت، طبیعت رفتار خاک به یکی از چهار حالت جامد، نیمه جامد، خمیری و مایع خواهد بود.

میزان رطوبت (برحسب درصد) در نقطه انتقال از جامد به نیمه جامد، حد انقباض و در نقطه انتقال از نیمه جامد به خمیری، حد خمیری و از خمیری به مایع، حد مایع یا حد روانی نامیده می شود. حدود نامبرده به حدود اتربرگ معروف می باشد.

حد مایع یا حد روانی (LL)

حد روانی یا حد مایع درصد رطوبتی است که طی آن مقاومت برشی خاک تا حدی کم می گردد که به حالت روان در بیاید و با نماد (LL) نمایش داده می شود.

در شکل زیر نمای جانبی وسیله اندازه گیری حد مایع نشان داده شده است. این وسیله شامل یک فنجان برنجی و یک پایه لاستیکی سخت است. با پیچاندن دسته آن، فنجان از روی پایه مقداری بلند می شود و به طور ناگهانی روی آن خواهد افتاد. برای انجام آزمایش تعیین حد روانی، خمیر خاک در فنجان قرار داده شده و با استفاده از شیار زن استاندارد شیاری در وسط نمونه خمیری خاک ایجاد می گردد. سپس با پیچاندن دسته دستگاه، فنجان از روی پایه بلند شده و از ارتفاع 10 میلی متری بر آن خواهد افتاد. درصد رطوبتی که به ازای آن به علت 25 ضربة فنجان، شیار ایجاد شده بسته شود را حد روانی می گویند.

آزمایش حد روانی (الف) نمای جانبی دستگاه تعیین حد روانی (ب) شیار زن (پ) دستگاه تعیین حد روانی

کاساگرانده (1932) چنین نتیجه گیری کرد که هر ضربه در وسیله استاندارد تعیین حد مایع متناظر با مقاومت برشی 0.1 کیلو نیوتون بر متر مربع است. بنابراین حد مایع برای خاک های ریزدانه، میزان رطوبتی را به دست می دهد که مقاومت برشی به ازای آن تقریباً مساوی 2.5 کیلو نیوتون بر متر مربع می باشد.

حد خمیری (PL)

حد خمیری میزان رطوبتی (بر حسب درصد) است که به ازای آن فتیله ای از خمیر خاک به قطر 3.2 میلی متر با روش غلتاندن خرد گردد. حد خمیری پایین ترین میزان رطوبت مربوط به حالت خمیری خاک می باشد. روش آزمایش ساده است و مطابق شکل زیر با غلتاندن تکه ای از خمیر خاک بر روی یک صفحة شیشه ای به وسیله دست صورت می پذیرد و می توان به نتیجه حاصله دست یافت. به عبارت دیگر، این درصد رطوبت، جداکننده حالت نیمه جامد و خمیری در خاک بوده که با افزایش درصد رس، حد خمیری در خاک پایین آمده و علت آن هم بیشتر شدن آب جذب سطحی است که موجب می شود، خاک با رطوبت کمتری به حالت خمیری تبدیل شود.

آزمایش تعیین حد خمیری (الف) وسایل مورد نیاز آزمایش (ب) روش غلتاندن نمونه

باید به این نکته توجه داشت هر چه در خاکی ریز دانه های آن جاذب آب بیشتری باشند، خاک چسبنده تر خواهد شد و این چسبندگی بیشتر سبب می شود تا اولاً حد روانی افزایش یابد چرا که خاک چسبنده دیرتر روان شده و برای روان شدن به رطوبت بیشتری نیاز خواهد داشت، ثانیاً سبب می شود حد خمیری کاهش پیدا کند زیرا خاک چسبنده استعداد خمیری شدن بیشتری را دارد و زودتر و با رطوبت کمتری به حالت خمیری در خواهد آمد. بنابراین می توان به این نتیجه دست یافت که هرچه فاصله بین حد خمیری و حد روانی بیشتر باشد، خاک چسبنده تر و خمیری تر خواهد بود. لذا این فاصله را نشانه خمیری نام نهاده اند. نشانه خمیری (PI) اختلاف بین حد مایع و حد خمیری خاک می باشد:

PI= LL – PL

حد انقباض (SL)

با از دست دادن رطوبت، خاک منقبض می گردد (حجم آن کم می شود). با کاهش پیوسته رطوبت، به مرحله ای خواهد رسید که از آن به بعد، کاهش رطوبت دیگر سبب کاهش حجم نخواهد شد. میزان رطوبت، بر حسب درصد که در آن کاهش حجم خاک متوقف می گردد، حد انقباض نامیده می شود.

یکی از کاربردهای حد انقباض، بررسی پتانسیل تغییر حجم خاک ها می باشد. هرچه حد انقباض پایین تر باشد، پتانسیل تغییر حجم در آن خاک بیشتر خواهد بود. دلیل این پدیده، آن است که آب کمتری برای شروع تغییر حجم نیاز دارد.

نشانه خمیری (PI)

نشانه خمیری به صورت PI=LL-PL تعریف شده و پارامتری مناسب جهت ارزیابی میزان خاصیت خمیری در خاک ها به حساب می آید. نشانه خمیری محدوده ای از درصد رطوبت را نشان می دهد که خاک، در آن محدوده حالت خمیری دارد. هر چقدر PI در خاک بالاتر باشد، نشان دهنده آن است که خاک خصوصیت خمیری بیشتری دارد. نشانه خمیری تابعی از مقدار رس موجود در خاک و نوع کانی های رسی آن خاک بوده و تابعی از درصد رطوبت نخواهد بود.

نشانه مایع یا نشانه روانی (LI)

سفتی نسبی یک خاک چسبنده در وضعیت طبیعی را می توان توسط نسبتی که نشانه مایع (LI) نامیده می شود بیان نمود:

که در آن ω میزان رطوبت در جای خاک می باشد.

میزان رطوبت درجای یک خاک تحکیم نیافته می تواند بزرگتر از حد مایع باشد. در این حالت:

LL > 1

در صورت به هم خوردگی، چنین خاک هایی می توانند به شکل یک مایع غلیظ روان شوند (آبگونگی).

در خاک های پیش تحکیم یافته، میزان رطوبت طبیعی می تواند کمتر از حد خمیری گردد. در این حالت:

LL < 1

نشانه مایع چنین خاک هایی می تواند نزدیک به صفر یا منفی گردد.

در دو حالت، خاک غیر خمیری محسوب می شود:

اول آنکه از آزمایش فتیله کردن قادر به دریافت درصد رطوبت حالت خمیری خاک نباشیم.

دوم زمانی است که حد خمیری با حد روانی برابر شده و یا اینکه حد خمیری بزرگتر از حد روانی بشود.

نمودار خمیری

روش به دست آوردن حد انقباض از نمودار خمیری:

نمودار خمیری خاک برای اولین بار توسط کاساگرانده شناخته و رونمایی گردید.

این نمودار رابطه بین PI و LL را بیان می نماید و به وسیله این نمودار می توان حد انقباض خاک های ریزدانه را به ترتیب زیر به دست آورد:

گام اول:

خط A و u که در شکل زیر ترسیم شده را ادامه داده تا یکدیگر را در نقطه فرضی مثل B قطع کنند.

گام دوم:

با داشتن LL و PI مختصات آن را روی نمودار خمیری (نقطه A) مشخص کنند.

گام سوم:

نقاط به دست آمده A و B را به یکدیگر متصل نموده. این خط محور مربوط به حد مایع را در نقطه ای مثل C قطع می کند. طول نقطه C به صورت تقریبی، حد انقباض خاک خواهد بود.

نحوه به دست آوردن حد انقباض - ایستاسازه — نحوه به دست آوردن حد انقباض

از جمله کاربردهای آزمایش حدود اتربرگ کنترل مصالح در عملیات اجرایی و یکی از ابزارهای مفید جهت طبقه بندی و نام گذاری خاک های ریزدانه می باشد و همچنین از مقایسه حد روانی خاک قبل و بعد از خشک کردن در آون، میزان مواد آلی موجود در خاک را می توان تشخیص داد.

تعیین حدود مایع و خمیری، آزمایش های نسبتاً ساده آزمایشگاهی می باشد که اطلاعاتی در مورد طبیعت خاک های چسبنده به دست می آید که به طور وسیعی توسط مهندسان برای شناسایی خاک و ارتباط دادن پارامترهای فیزیکی آن مورد استفاده قرار می گیرند. کاساگرانده رابطه بین نشانه خمیری و حد مایع را برای حالات متنوعی از خاک های طبیعی مورد مطالعه قرار داده است.

آزمایش های حدود اتربرگ

1. آزمایش حد روانی.

2. آزمایش حد خمیری.

3. آزمایش تعیین حد انقباض.

وسایل مورد نیاز برای آزمایش حدود اتربرگ به ترتیب زیر بیان می شود:

وسایل آزمایش حد روانی به شرح زیر است:

1. دستگاه کاساگرانده و شیار زن استاندارد.

2. صفحه شیشه ای و کاردک های مخصوص.

3. آون و دسته آن جهت جداسازی ذرات خاک.

4. الک شماره چهل.

5. ترازو با دقت یک صدم گرم.

وسایل آزمایش حد خمیری به شرح زیر است:

1. صفحه شیشه ای و کاردک های مخصوص جهت ورز دادن خاک.

2. ترازو با دقت یک صدم گرم.

3. آون با درجه حرارت ۱۱۰ درجه سانتی گراد.

وسایل آزمایش تعیین حد انقباض به شرح زیر است:

1. ظرف شیشه ای با سه پایه.

2. ظرف انقباض.

3. جیوه.

4. ترازو با دقت یک صدم گرم.

5. دستگاه سنجش حجم.

در زمینه مطالعات ژئوتکنیک بیشتر مطالعه کنید :

در زمینه پایدارسازی گود بیشتر مطالعه کنید :

در زمینه طراحی و مشاوره ژئوتکنیک بیشتر مطالعه کنید :

در زمینه بهسازی خاک بیشتر مطالعه کنید :

در زمینه تخریب و خاکبرداری بیشتر مطالعه کنید :

در زمینه ابنیه و ساختمان بیشتر مطالعه کنید :

مطالب مرتبط :

دسته بندی: خدمات ایستاسازه, مطالعات ژئوتکنیک, مقالات تخصصی ژئوتکنیک و سازه فلزی

حدود اتربرگ (Atterberg Limits)