از اوایل دهه 1940 مطالعه مکانیک خاک در سراسر جهان پیشرفت زیادی داشته است. در حال حاضر یک دوره در مکانیک خاک برای دانشجویان مقطع کارشناسی در اکثر برنامه های مهندسی عمران چهار ساله مورد نیاز است. این دوره ها معمولاً شامل برخی از روش های آزمایشگاهی است که برای درک خواص خاک و رفتار آنها در شرایط مختلف تنش و کرنش خاک ها ضروری است. کتاب مکانیک خاک – راهنمای آزمایشگاهی برای استفاده در تدریس دانشجویان مقطع کارشناسی که چنین دوره ای را می گذرانند تهیه شده است.
رویه ها و تجهیزات توضیح داده شده در این راهنما نسبتاً رایج هستند. برای چند آزمایش مانند نفوذپذیری، برش مستقیم و مقاومت فشاری نامحصور، تجهیزات موجود در یک آزمایشگاه معین ممکن است کمی متفاوت باشد. در این موارد لازم است استاد، دانش آموزان را با نحوه عملکرد تجهیزات آشنا کند. مجموعه های آزمون سه محوری پر هزینه هستند و تجهیزات بسیار متفاوت هستند. به همین دلیل، تنها خطوط کلی برای آزمون های سه محوری ارائه شده است.
برای هر روش آزمایش آزمایشگاهی شرح داده شده، محاسبات نمونه و نمودارهای مربوطه و روش ترسیم آن گنجانده شده است. همچنین جداول خالی هر آزمون در انتهای دفترچه راهنما جهت استفاده دانش آموزان در آزمایشگاه و در تهیه گزارش نهایی ارائه شده است.
آزمایش آزمایشگاهی مناسب خاک ها برای تعیین خصوصیات فیزیکی آنها جزء جدایی ناپذیر طراحی و ساخت پی سازه ها، جانمایی و بهبود خصوصیات خاک و تعیین مشخصات و کنترل کیفی کارهای تراکم خاک است. باید در نظر داشت که رسوبات طبیعی خاک اغلب درجه بالایی از عدم همگنی را نشان می دهند. خواص فیزیکی یک خاک می تواند تا حد زیادی حتی در عرض چند صد فوت تغییر کند. معادلات بنیادی نظری و تجربی که در مکانیک خاک ایجاد می شوند، می توانند در عمل به درستی مورد استفاده قرار گیرند، اگر و تنها در صورتی که مشخصه های فیزیکی مورد استفاده در آن معادلات به درستی در آزمایشگاه ارزیابی شوند. بنابراین یادگیری انجام آزمایشات آزمایشگاهی خاک نقش مهمی در حرفه مهندسی ژئوتکنیک دارد.
استفاده از تجهیزات مناسب
تجهیزات آزمایشگاهی هرگز ارزان نیستند، اما هزینه ممکن است بسیار متفاوت باشد. برای نتایج آزمایشی دقیق، تجهیزات باید به درستی نگهداری شوند. کالیبراسیون برخی تجهیزات، مانند تعادل و حلقه های اثبات، باید هر از چند گاهی بررسی شود. همیشه لازم است که همه تجهیزات قبل و بعد از استفاده تمیز باشند. هنگامی که تجهیزات مورد استفاده تمیز باشد، نتایج بهتری به دست می آید، بنابراین همیشه تجهیزات را طوری نگهداری کنید که گویی متعلق به خودتان است.
ثبت داده ها
در هر آزمایش، همیشه یک عادت خوب است که همه داده ها را بلافاصله پس از گرفتن در جدول مناسب ثبت کنید. اغلب اوقات، خط نوشته های روی کاغذ خراش دار ممکن است بعداً ناخوانا یا حتی نادرست باشند که ممکن است منجر به انجام آزمایش مجدد یا به دست آوردن نتایج نادرست شود.
تهیه گزارش
در آزمایشگاه کلاسی، بیشتر آزمایش هایی که در اینجا توضیح داده شده است احتمالاً در گروه های کوچک انجام می شوند. با این حال، گزارش کار آزمایش باید توسط هر یک از افراد حاضر در گروه نوشته شود. این روش می تواند یکی از روش های موثر برای بهبود مهارت های نوشتاری فنی باشد.
هر گزارش باید شامل موارد زیر باشد:
1) صفحه جلد: این صفحه باید شامل عنوان آزمایش، نام و تاریخی باشد که آزمایش در آن انجام شده است.
2) پس از صفحه جلد، موارد ذکر شده در زیر باید در متن گزارش گنجانده شود:
آ. هدف آزمایش
ب تجهیزات مورد استفاده
ج نمودار اجمالی تجهیزات اصلی مورد استفاده
د شرح مختصری از روش آزمایش
3) نتایج: این بخش باید شامل برگه داده های آزمایش، محاسبات نمونه و نمودارهای مورد نیاز باشد.
4) نتیجه گیری: بحث در مورد دقت روش آزمون باید در نتیجه گیری گنجانده شود، همراه با هرگونه منبع احتمالی خطا.
رویه های آزمون استاندارد
در ایالات متحده، اکثر آزمایشگاه هایی که آزمایش هایی را بر روی خاک برای اهداف مهندسی انجام می دهند، از رویه هایی پیروی می کنند که توسط انجمن آمریکایی آزمایش و مواد (ASTM) و انجمن آمریکایی مقامات بزرگراه و حمل و نقل ایالتی (AASHTO) تعیین شده است.
روش ها و تجهیزات آزمایش خاک ممکن است از آزمایشگاهی به آزمایشگاه دیگر کمی متفاوت باشد، اما مفاهیم اساسی یکسان باقی می مانند. رویه های آزمایشی که در این راهنما توضیح داده شده است ممکن است دقیقاً مشابه آنچه توسط ASTM یا AASHTO مشخص شده است نباشد. با این حال، برای دانشجویان، دانستن نام های آزمون استاندارد و مقایسه آنها با کارهای آزمایشگاهی واقعاً انجام شده مفید خواهد بود. به همین دلیل برخی از نامگذاری های آزمون استاندارد AASHTO و ASTM انتخاب شده در جدول 1 آورده شده است.
در کتاب مکانیک خاک – راهنمای آزمایشگاهی نحوه انجام 18 آزمایش مورد بحث و بررسی قرار گرفته است. در فصل دوم این کتاب مخاطب با نحوه تعیین درصد رطوبت خاک های مختلف آشنا می شود چرا که درصد رطوبت یکی از مشخصه های تاثیر گذار در رفتار خاک ها می باشد و آشنا شدن با آن ضروری است. بیشتر خاک های طبیعی که طبیعت دانه ای دارند، ممکن است تا حدود 15 تا 20 درصد آب داشته باشند. در خاک های ریزدانه طبیعی (سیلتی یا رسی) میزان آب تا حدود 50 تا 80 درصد یافت می شود. با این حال، زغال سنگ نارس و خاک های بسیار آلی با محتوای آب تا حدود 500٪ غیر معمول نیستند. وزن مخصوص ویژه (Gs) یک ماده معین به عنوان نسبت وزن یک حجم معین از ماده به وزن حجم مساوی آب مقطر تعریف می شود. در مکانیک خاک، وزن مخصوص مواد جامد خاک (که اغلب به عنوان وزن مخصوص خاک از آن یاد می شود) یک مشخصه مهم برای محاسبه رابطه وزن و حجم است. نحوه تعیین این پارامتر در فصل 3 توضیح داده شده است.
برای طبقه بندی خاک برای اهداف مهندسی، باید از توزیع اندازه دانه ها در یک توده خاک مشخص مطلع بود. دانه بندی با الک روشی است که برای تعیین توزیع اندازه دانه در خاک استفاده می شود. الک ها از سیم های بافته شده با دهانه های مربعی ساخته می شوند. توجه داشته باشید که با افزایش شماره الک، اندازه دهانه ها کاهش می یابد. برای تمام اهداف عملی، الک شماره 200 الکی با کوچکترین دهانه است که باید برای آزمایش استفاده شود. الک هایی که بیشتر برای آزمایش خاک استفاده می شوند دارای قطر 8 اینچ هستند. (203 میلی متر). در فصل 4، مخاطبان اطلاعات مناسبی در مورد این آزمون پیدا خواهند کرد. علاوه بر آزمایش دانه بندی از آزمایش هیدرومتری نیز می توان برای طبقه بندی خاک ها و تهیه منحنی دانه بندی استفاده نمود. جزئیات این آزمایش در فصل 5 کتاب مکانیک خاک – راهنمای آزمایشگاهی بیان شده است. در فصول 6 تا 8 کتاب آزمایش های تعیین حدود اتربرگ از مهمترین خصوصیات فیزیکی خاک ها مورد بررسی قرار گرفته است. در فصول 9 تا 11 مباحث طبقه بندی مهندسی خاک ها و آزمایش ها بار ثابت و افتان که برای تعیین نفوذپذیری خاک های مختلف استفاده می شود توسط نویسنده توضیح داده شده است.
یکی از پرکاربردترین روش ها در بهسازی خاک ها به ویژه خاک های دانه ای متراکم کردن و فشرده سازی آنها است. به عنوان مثال، برای ساخت بزرگراه ها، فرودگاه ها و سازه های دیگر، اغلب لازم است خاک فشرده شود تا استحکام آن افزایش یابد. پروکتور (1933) یک روش آزمایش تراکم آزمایشگاهی را برای تعیین حداکثر وزن واحد خشک تراکم خاک ایجاد کرد که می تواند برای تعیین تراکم مزرعه استفاده شود. این آزمایش به عنوان “آزمون تراکم استاندارد پروکتور” نامیده می شود و بر اساس تراکم کسر خاک عبوری از غربال شماره 4 ایالات متحده است. آزمایش پروکتور استاندارد و پروکتور اصلاح شده در فصل های 12 و 13 مورد بررسی قرار گرفته اند. در فصل 14 آزمایش نفوذ مخروط که برای تعیین وزن مخصوص برجا و بسیاری از مشخصه های دیگر خاک ها استفاده می شود توضیح داده شده است. سه فصل پایانی کتاب نیز آزمایش های تحکیم و مقاومت برشی خاک ها را مورد بررسی قرار داده اند تا در مجموع بتوان گفت تعداد زیادی از آزمایش های رایج در مکانیک خاک در کتاب مکانیک خاک – راهنمای آزمایشگاهی پوشش داده شده است. در انتهای کتاب سه پیوست وجود دارد. در پیوست اول، روابط وزنی حجمی حاکم بر خاک ها که در حل بسیاری از مسائل خاکی کاربرد دارد آورده شده است تا مخاطب به صورت یکجا به مهمترین این روابط دسترسی داشته باشد. در پیوست دوم برگه های داده برای آزمایش های آزمایشگاهی مختلف که در کتاب ذکر شده است، بیان شده تا دانشجویان به ترتیب مراحل آزمایش را طی کرده و پارامتر مد نظر را به دست آورند. در پیوست پایانی نیز برگه هایی برای تهیه گزارش آزمایش ها آورده شده است تا از آن ها برای تهیه گزارش کار نهایی استفاده شود.
