یکی از مهم ترین مراحل برای آماده سازی و پی ریزی سازه، فرآیند تحکیم خاک بوده که اصولا دارای سه مرحله به نام های تحکیم ابتدایی، تحکیم اولیه و تحکیم ثانویه می باشد.

بررسی مرحله تحکیم ابتدایی: در این مرحله با اعمال تنش خارجی هوای داخل حفره های خاک فشرده شده و حجم توده ی خاک نیز به سرعت از بین می رود.

بررسی مرحله تحکیم اولیه: در این گام با نشست خاک، فشار آب حفره ای اضافی به اسکلت خاک منتقل خواهد شد.

بررسی تحکیم ثانویه: این مرحله که به عنوان خزش نیز مشهور است، بعد از تحکیم اولیه انجام شده و با تغییرات داخلی در ساختار خاک در حالی که تحت بار تقریبا ثابت قرار دارد همراه می باشد. تحکیم و بهسازی خاک سبب کاهش تدریجی حجم یک خاک اشباع با نفوذ پذیری کم به دلیل زهکشی بخشی از آب موجود درحفرات شده که در پایان سبب نشست خاک و تغییر ضخامت می شود.

بررسی تحکیم 

زمانی که خاک رس اشباع تحت بارگذاری باشد در ابتدا آب حفره ای، تمامی بارگذاری را تحمل کرده که این امر به  (افزایش فشار آب حفره ای) مشهور است. با انجام زهکشی و گذر زمان، حجم خاک کاهش پیدا کرده که این نکته سبب نشست خاک می شود از این روی به این فرآیند تحکیم می گویند.

تحکیم خاک چگونه پدید می آید؟

خوب است بدانید که نشست ناشی از فشردگی خاک (مانند برج پیزا واقع در ایتالیا) در گذر زمان ایجاد شده و می تواند سبب بروز خسارات جبران ناپذیری شود. از جمله عواملی که سبب فشردگی یا تحکیم خاک می شود می توان به موارد ذیل اشاره کرد.

• تغییر آرایش دانه های جامد خاک
• خارج شدن هوا و آب موجود در منافذ خاک

نشست تحکیمی خاک و زمان

جالب است بدانید که نشست خاک بر اساس زمان نیز به دو دسته ی نشست کوتاه مدت یا آنی و نشست بلند مدت یا تحکیمی تقسیم بندی می شود.

نشست کوتاه مدت: در نشست آنی یا کوتاه مدت، هوا و مقدار اندکی آب با سرعت بسیار بالا از خاک های دانه ای خارج می شود.

نشست بلند مدت: در این نشست بارگذاری ادامه دار بوده و افزایش فشار آب حفره ای در خاک های چسبنده یا ریز دانه اتفاق می افتد.

آزمایش تحکیم خاک چیست؟

تحکیم خاک بعد از احداث سازه می تواند سبب بروز مشکلات جبران ناپذیر و از همه مهم تر آسیب به سازه شود از این روی به کمک پارامترهای قابل استخراج از آزمایشگاه های صحرایی می توان نشست های پیش بینی شده را به حد مجاز آیین نامه محدود کرد. این آزمایش به جهت تعیین پارامترهای موثر در پیش بینی میزان نشست و شدت آن در سازه های متکی بر خاک رس انجام شده و نفوذ پذیری نمونه خاک نیز تاثیر بسیار زیادی بر نرخ تغییر حجم نمونه تحت بارگذاری دارد همین امر سبب شده تا آزمایش تحکیم خاک عموما در خاک هایی با نفوذ پذیری پایین (نظیر خاک رس) انجام شود.

هدف از انجام آزمایش تحکیم خاک

آزمایش تحکیم خاک جهت تعیین سرعت میزان نشست خاک در بارگذاری زهکشی قائم در شرایط محصور جانبی و تنش کنترل شده افزایشی انجام می شود. از جمله دیگر دلایل انجام این آزمایش میتوان به موارد ذیل اشاره کرد.

• قرار دادن بارهای گوناگون روی خاک و اندازه گیری تغییر شکل نهایی خاک در هر مرحله و یافتن رابطه ی بین نشست و بارهای گوناگون
• قرار دادن یک بار ثابت بر روی خاک و اندازه گیری تغییر شکل آن در گذر زمان و ادامه دادن اندازه گیری تا جایی که خاک تغییر شکل ندهد

تجهیزات مورد نیاز برای آزمایش تحکیم خاک

 جهت انجام آزمایش تحکیم خاک وجود تجهیزات زیر در آزمایشگاه الزامی است.

حلقه فلزی: این وسیله عموما از فلزات مقاوم در برابر خوردگی نظیر برنج ساخته شده و وظیفه ی آن نیز در برگیری نمونه خاک می باشد. بر اساس استانداردهای تعیین شده صلبیت حلقه ی مورد استفاده باید به گونه ای باشد که تحت بیشترین بارگذاری حداکثر (0.04 درصد) قطر خود را تغییر داده و تا حد امکان صلب و غیر قابل تغییر باشد. این نکته را به یاد داشته باشید که جنس آن به گونه ای باشد که اصطکاک زیادی با خاک داخل آن نیز نداشته باشد.

دستگاه تحکیم: از این وسیله به منظور اعمال بار محوری به خاک استفاده شده و وزنه های این وسیله میبایست نیروی اعمال شده به نمونه را در مدت زمان طولانی بدون تغییر حفظ کند. این نکته را به یاد داشته باشید که تعویض وزنه ها باید با بیشترین سرعت و بدون اعمال ضربه انجام شود.

صفحه بارگذاری: صفحه ای از جنس فلز که به جهت جلوگیری از آسیب سنگ متخلخل حین بارگذاری، در بالای آن قرار می گیرد.

نکته: قطر صفحه ی بارگذاری میبایست با قطر سنگ متخلخل بالایی برابر می باشد.

سنگ متخلخل: این سنگ ها در بالا و پایین نمونه به جهت عبور آب و جلوگیری از حرکت خاک قرار می گیرد. ضخامت سنگ ها باید به گونه ای باشد که تحت بارگذاری دچار شکستگی یا ترک نشود و هم چنین قطر هر دو سنگ بالایی و پایینی با یکدیگر برابر بوده و قطر هر دو آن ها  به میزان 0.2 تا 0.5 میلی متر از حلقه ی فلزی نیز کمتر می باشد.

درباره  سنگ های متخلخل به نکات زیر توجه کنید.

• سنگ ها میبایست از هر گونه گرد و خاک پاک باشد.
• لازم است قبل از استفاده به مدت 10 دقیقه در آب جوشانده شود.
• قبل از مصرف و پس از فرآیند جوشاندن نیز در آب قرار بگیرد.
• بهتر است بین نمونه خاک و سنگ از فیلتر کاغذی استفاده شود.

ابزار تراش نمونه: این وسیله یک حلقه استوانه ای با لبه ی تیز بوده که در داخل خاک فرو رفته و نمونه را هم قطر با حلقه فلزی تهیه می کند به دیگر سخن از این وسیله به منظور تراشیدن نمونه به اندازه قطر داخلی تحکیم سنج استفاده می شود. جالب است بدانید که به جهت کاهش اصطکاک با نمونه خاک میبایست سطح داخلی ابزار تراش نمونه با موادی اندود شده باشد.

نکته: گاها می توان از حلقه فلزی نیز به عنوان ابزار تراش نمونه نیز استفاده کرد

صفحات متخلخل: صفحات متخلخل عموما از متریال های مقاوم نظیر اکسید آلومینیوم، کاربید و یا سیلیکون ساخته شده و قطر صفحه متخلخل بالایی نیز میبایست به اندازه نیم میلی متر کمتر از قطر داخلی حلقه مورد استفاده باشد.

محفظه تحکیم: این وسیله یک ظرف استوانه ای از جنس پلاستیک بوده که داخل آن نیز یک حلقه ی فلزی قرار دارد هم چنین داخل این وسیله با آب پر شده تا نمونه همواره اشباع باشد. به جهت مشاهده بهتر سطح آب داخل این وسیله می توان از پیزومتر نیز در داخل محفظه ی آن استفاده کرد. به یاد داشته باشید که محفظه تحکیم را می توان به صورت موقت با گیره چسباند و یا به بدنه ی اصلی متصل کرد.

گیج اندازه گیری: دقت این وسیله میبایست 0.0025 میلی متر باشد. از جمله دیگر وسایل آزمایشگاهی مورد نیاز می توان به الک آزمایشگاهی، دستگاه تک محوری، دستگاه سایش، ترمومتر میله ای ساده، دماسنج بتن و آسفالت، قالب و چکش تراکم خاک، اره سیمی، کاردک، قوطی های آزمایش درصد رطوبت، ترازو و گرمخانه اشاره کرد.

بررسی مراحل و روش انجام آزمایش تحکیم

این آزمایش از طریق آزمایشگاه ژئوتکنیک و بر روی نمونه های بکر و دست نخورده خاک های ریزدانه آبرفتی انجام شده و هم چنین برای نمونه های دست نخورده ای که با تغییر ماهیت شیمیایی تشکیل شده اند نیز کاربرد دارد.

روش انجام این آزمایش به ترتیب عبارت است از:

(مرحله ی اول) استقرار دستگاه: در گام اول دستگاه تحکیم به نوعی مستقر شده که در حین انجام آزمایش نمونه خواص خود را از دست ندهد.

نکته: به یاد داشته باشید که سنگ های متخلخل و سایر صفحات میبایست برای خاک های متورم شونده کاملا خشک و برای خاک های اشباع مرطوب باشد. اکنون لازم است نمونه را داخل حلقه گذاشته و سنگ متخلخل و صفحات فلزی را نیز بر روی آن سوار کنید و به جهت اشباع نگه داشتن نمونه حین آزمایش، میان حد فاصل حلقه تحکیم و دستگاه از واشر لاستیکی استفاده کنید. در این بخش لازم است تا بر روی نمونه کاغذ صافی و بر روی کاغذ نیز سنگ متخلخل را قرار دهید. جالب است بدانید که از کاغذ صافی در آزمایش تحکیم به جهت جلوگیری از انسداد منافذ سنگ متخلخل و جلوگیری از تماس مستقیم آن با خاک استفاده می شود.

نکته: به جهت اشباع نمونه نیز می توان در ظرف استوانه ای آب ریخت یا به اصطلاح نمونه را غرقاب کرد. (در صورت دست نخورده بودن نمونه اشباع و یا استفاده از خاک زیر سطح آب زیرزمینی) حال جهت آماده سازی دستگاه اطراف محفظه را با آب پر کنید.

(مرحله دوم) بارگذاری: در این مرحله لازم است دستگاه تحکیم را در بخش بارگذاری قرار داده و 0.25 کیلوپاسکال به آن بار اعمال کنید. به سرعت بعد از اعمال بار جابه جایی انجام شده را ثبت کنید و با اعمال بار مخالف به نمونه، جابه جایی متناظر با آن را نیز محاسبه کنید. جالب است بدانید که در این گام افزایش بارگذاری هر 24 ساعت یکبار بوده و فشار آن معادل (5 و 10 و 20 و 40 و 80) کیلوپاسکال بر خاک می باشد.

نکته: جهت بدست آوردن پارامترهای تورمی خاک حداقل یک مرتبه بار برداری و به جهت بدست آوردن خصوصیات بیش تحکیمی خاک، میبایست بارگذاری تا چهار برابر فشار بیش تحکیمی ادامه پیدا کند.

(مرحله سوم) بررسی گیج: اکنون در این مرحله تغییر ضخامت خاک را در سه دوره بارگذاری و در فواصل زمانی (0.1 و 0.25 و 0.5 و 2 و 4 و 8 و 16 و 18 و 24 ) دقیقه و (2 و 4 و 8 و 16 و 18 و 24 ) ساعت بررسی کنید. جهت از بین بردن کامل فشار حفره ای داخل خاک، معمولا بار به مدت 24 ساعت بر روی نمونه خاک می ماند.

نکته: ابزاری جهت اندازه گیری فشار آب حفره ای داخل خاک وجود نداشته از این روی این زمان تقریبا 24 ساعت می باشد. اگر قصد رسم منحنی تغیر ضخامت در برابر ریشه زمان را دارید به شما پیشنهاد می کنیم در انتخاب اعداد دقت کنید تا محاسبات ساده تری داشته باشید.

(مرحله چهارم) خروج نمونه: در این گام لازم است جهت پیشگیری از تورم ناشی از باربرداری نمونه تحت فشار کم قرار گرفته و آن را با دقت بالا از حلقه خارج کرده و سپس آن را وزن کنید. حال اطراف آن را خشک کرده و بر اساس دستور، درصد رطوبت را بدست آورید.

(گام آخر) محاسبات: نمودار تحکیم را می توان با محاسبه ی فشار اعمالی و تخلخل هر مرحله از بارگذاری رسم کرد و به کمک شیب نمودار به پارامترهایی نظیر (Cr و Cc و Cs) دست یافت.

بیشتر بدانید:

بهسازی خاک

خوب است بدانید که محاسبات مذکور به کمک نرم افزارهای مربوطه انجام می شود.

روش تهیه نمونه خاک برای آزمایش

خاک های بکر و دست نخورده بهترین گزینه جهت انجام این آزمایش بوده و جالب است بدانید که امکان انجام آزمایش بر نمونه های دست خورده نیز وجود دارد.

نمونه مورد استفاده میبایست هر یک از شرایط ذیل را دارا باشد.

• کمینه ضخامت نمونه معادل 1.5 اینچ یا 13 میلی متر
• میزان حداقل قطر نمونه معادل 2 اینچ یا 50 میلی متر
• حداقل نسبت قطر به ضخامت در نمونه معادل 2.5

بررسی چشم انداز آزمایش تحکیم خاک

همان طور که پیش تر به این نکته اشاره کرده ایم از این آزمایش می توان سرعت میزان نشست خاک در اثر تراکم و فشردگی را تعیین کرد. از جمله دیگر کاربرد های این آزمایش عبارت است از:

• تخمین سرعت و مقدار نشست: به کمک این آزمایش می توان به اطلاعات ارزشمندی در خصوص میزان سرعت نشست کلی و جزئی سازه یا خاکریز دست پیدا کرد که این نکته از اهمیت بسیار بالایی در طرح سازه های مهندسی دارد.
• تعیین فشار پیش تحکیمی (برحسب پاسکال)
• تعیین زمان تحکیم کامل
• محاسبه ضریب تحکیم (بر حسب متر مکعب بر ثانیه)
• بررسی اثرات اشباع جزئی روی نتایج آزمون
• شاخص تورم
• نسبت پوکی اولیه
• شاخص تراکم و بازتراکم

فرمول ها و روش های محاسباتی

برخی از مهم ترین فرمول های محاسباتی آزمایش تحکیم خاک به شرح زیر می باشد.

• فرمول محاسبه جرم خشک کل آزمونه
• فرمول نسبت تخلخل بعد از آزمون
• فرمول نسبت تخلخل قبل از آزمون

تئوری تحکیم ترزاقی

بر اساس این تئوری خواص خاک در تمام خاک ثابت بوده و منحنی تنش تخلخل به صورت یک خط راست می باشد. همچنین خاک همگن و اشباع بوده و زهکشی و تراکم در خاک نیز به صورت یک بعدی می باشد.

از جمله دیگر فرضیات این تئوری می توان به موارد زیر اشاره کرد.

• جریان آب منفذی در جهت عمود می باشد.
• قانون دارسی برای جریان عبوری از میان منفذ ها قابل استفاده است.
• نسبت نفوذ پذیری خاک به تراکم پذیری ناشی از افزایش بار نیز ثابت می باشد.

زهکشی در خاک چیست؟

این نکته را نیز به یاد داشته باشید که زهکشی در خاک بر اساس حالت های مختلف انجام شده که می توان به زهکشی از بالا، زهکشی از جدار حلقه، زهکشی از بالا و پایین و  زهکشی از مرکز حلقه به صورت شعاعی اشاره کرد.

هزینه ی آزمایش حکیم خاک

نشست ناشی از فشردگی خاک عموما به مرور زمان ایجاد می شود از این روی می تواند سبب بروز خسارات جبران ناپذیری شود از این روی انجام این آزمایش فارغ از تمامی هزینه ها الزامی است. خوب است بدانید که انجام آزمایش تحکیم خاک هزینه ی بسیار کمتری به نسبت خسارات وارده بعد از نشست خاک به همراه دارد.

 کلام پایانی:

آزمایش تحکیم خاک یکی از پر اهمیت ترین آزمایش های مکانیک خاک بوده که می توان از طریق آن میزان نشست زمین بعد از ساخت سازه را پیش بینی کرد. در این مقاله به بررسی کامل این آزمایش پرداخته و شما عزیزان را با مهم ترین فرمول های محاسباتی نیز آشنا کرده ایم. شما می توانید با مطالعه کامل این مقاله اطلاعات ارزشمندی در زمینه آزمایش تحکیم خاک کسب کنید.