تعیین خواص مکانیکی خاک یک جز اساسی در بخش مهندسی است که دقیق بودن آن اهمیت ویژه‌ای دارد. علت مهم بودن آزمایش دانه بندی خاک این است که اطلاعات ابزاری در مورد ویژگی‌های استاتیکی خاک ارائه می‌دهد و مناسب‌بودن آن را برای یک پروژه ساختمانی مشخص می‌کند. تعیین توزیع اندازه دانه خاک با استفاده از تست دانهبندی، زمینه تعیین پارامترهای مرتبط با نفوذپذیری آب، ظرفیت باربری، حساسیت به یخبندان، حساسیت به فرسایش و چندین ویژگی حیاتی دیگر را ایجاد خواهد کرد که خواص دقیق خاک را نشان می‌دهد.
هدف از انجام این نوع آزمایش خاک با استفاده از تجزیه و تحلیل غربال آزمایشگاهی، مشخص‌کردن توزیع اندازه دانه‌ها بر حسب درصد جرمی برای هر بخش دانه رس، سیلت، ماسه، شن و سنگفرش است که به‌موجب آن، تعیین ریزدانه‌ها در خاک انجام میگیرد. پایه و اساس ایمنی ساختاری پروژه‌های ساختمانی، به اندازه‌گیری صحیح و قابل اعتماد توزیع اندازه دانه خاک در زمین‌های ساختمانی مرتبط است.
آزمایش دانهبندی به کشاورزان و مهندسان محیط‌زیست کمک می‌کند تا شناخت بهتری از خاک داشته باشند و از آن بهره بهتری ببرند. در ادامه این مقاله از آرمیکو، توضیح جامع‌تری در مورد روش‌ها و کاربردهای آزمایش دانه بندی خاک ارائه خواهیم داد.
دانه بندی خاک
خاک‌ها مخلوطی از ذرات مختلف هستند که اندازه‌های متفاوتی از یکدیگر دارند. اندازه‌گیری اندازه تک‌تک ذرات امکان‌پذیر نیست؛ ازاین‌رو برای اندازه‌گیری ذرات خاک از الک‌ها استفاده می‌کنند. در آخر از طریق وزن باقیمانده روی هر الک می‌توان تشخیص داد چه میزان از خاک در آن بازه قرار دارد.
مقدار خاکی که روی هر الک باقی می‌ماند نشان‌دهنده محدوده‌ای از دانه‌هایی است که اندازه آن دانه‌ها از قطر سوراخ روی الک مقدار بزرگ‌تری دارد. با آزمایش دانه بندی خاک متوجه می‌شویم که بیشتر اندازه‌های دانه‌ها از چه نوعی هستند. برای مثال اگر اکثر ذرات یک نوع خاک اندازه‌ای بیشتر از ۴.۷۵ میلیمتر داشته باشند آن خاک در دسته شن قرار میگیرد. به تمام فرایندهای ذکر شده در این بخش فرایند دانهبندی خاک گفته میشود.
جدول دانه بندی خاک
خاک‌ها بر اساس اندازه طبق جدول زیر تقسیم‌بندی می‌شوند:
انواع خاک | قطر دانه‌ها بر حسب میلی متر |
شن | بیشتر از ۴٫۷۵ |
ماسه درشت | بین ۲ تا ۴٫۷۵ |
ماسه متوسط | بین ۰٫۴۲۵ تا ۲ |
ماسه ریز | بین ۰٫۰۷۵ تا ۰٫۴۲۵ |
لای یا رس | ریزتر از ۰٫۰۷۵ |
هدف آزمایش دانه بندی خاک چیست؟
آزمایش دانه بندی خاک ازجمله مهم‌ترین آزمایش‌های خاک به شمار می‌رود. نحوه توزیع دانههای خاک به دو صورت و بر اساس ASTMD422-63 انجام میگیرد. اگر دانههای مورد آزمایش بزرگ‌تر از الک شماره ۲۰۰ باشند از روش الک استفاده میشود و در صورتی‌که دانه‌ها ریزتر از الک شماره ۲۰۰ باشند از روش هیدرومتری بهره می‌برند.
در روش اول یعنی دانهبندی به‌وسیله الک، نتیجه به‌صورت درصدی از کل نمونه‌برداری اعلام شده و برای نمایش بهتر نتایج، از نمودار نیمه لگاریتمی استفاده می‌کنند.
مطلب پیشنهادی: یکی از پرکاربردترین انواع آزمایش ها، آزمایش نفوذ استاندارد است. spt یک معیار قابل قبول برای مهندسان خاک و ساخت و ساز در راستای حفاری زیرسطحی است.
وسایل مورد نیاز برای دانه بندی خاک
ابزار و لوازم موردنیاز برای آزمایش دانه بندی خاک به شرح زیر است:
- ترازو بادقت ۰٫۱ گرم
- الک آزمایشگاهی استاندارد در ابعاد مختلف
- چکش لاستیکی
- گرمخانه یا آون
- فرچه برای تمیزکردن الک‌ها
- دسیکاتور
- آب‌فشان
- هاون
- شیکر
تفسیر نتایج آزمایش دانه بندی
کارشناسان مکانیک خاک قادر به تفسیر نتایج آزمایش دانه بندی خاک هستند. تفسیر نتایج تست دانهبندی خاک به 4 نتیجه دسته‌بندی میشود که شامل موارد زیر است:
شیب منحنی تند
اگر شیب منحنی دانهبندی تند باشد نشان‌دهنده این است که دانههای موجود در توده خاک به طور تقریبی به یک اندازه بوده و آن را دانهبندی یکنواخت می‌نامند.
شیب منحنی ملایم
اگر منحنی دانهبندی دارای شیب ملایم باشد این منظور تداعی می‌گردد که اختلاف دانهبندی در بین دانههای خاک زیاد بوده و خاک مخلوطی از دانههای درشت و ریز است. این نوع خاک را دانهبندی خوب می‌نامند که منحنی دانهبندی با شیب یکنواخت بوده و بخش افقی یا عمودی ندارد.
شیب منحنی پلکانی
اگر منحنی دانهبندی خاک به شکل پلکانی باشد نشان‌دهنده این است که آن خاک مخلوطی از دو یا چند خاک با دانهبندی یکنواخت بوده و ترتیب توده خاک فاقد برخی از اندازه دانه‌ها است.
خاک‌هایی که به‌صورت مصنوعی ساخته شده باشند و در طبیعت وجود نداشته باشند نمودارشان به‌صورت نمودار دانهبندی پله‌ای خواهد بود. خاکهای مصنوعی حالت خاصی از خاکهای میانتهی هستند.
نمودار دانهبندی افقی یا عمودی
اگر بخشی از نمودار دانهبندی به‌صورت افقی باشد؛ یعنی خاک مدنظر اندازه‌های تعیین شده را ندارد و به‌اصطلاح این نوع خاک بد دانهبندیشده است که به آن خاک میانتهی می‌گویند. حال اگر بخشی از منحنی دانهبندی عمودی باشد بیانگر این است که درصد قابل توجهی از خاک، از یک اندازه به‌خصوص تشکیل‌یافته و این خاک، تنوعی در دانهبندی ندارد.
مطلب پیشنهادی: آزمایش حد روانی خاک
انواع روش دانه بندی خاک
دانهبندی خاک به‌طورکلی به دو روش خشک و تر انجام میگیرد. آزمایش دانه بندی خاک به روش خشک بیشتر برای خاکهای درشتدانه مناسب بوده و نسبت به روش تر تست ساده‌تری دارد. با اینکه روش تر بسیار سخت و زمان بر است؛ ولی دقت بسیار بالایی داشته و برای تست آزمایشگاهی توصیه میشود؛ زیرا نتایج حاصل از آن بهتر و دقیق‌تر هستند.
ازآنجایی‌که در روش تر خاک‌ها را شستشو می‌دهند چسبندگی بین ذرات تا حدود زیادی از بین می‌رود و امکان تشکیل دانههای بزرگ‌تر از اندازه واقعی وجود ندارد؛ بنابراین می‌توان نتیجه گرفت که در روش تر با اندازه‌های واقعی خود در آزمایش دانهبندی مورد تست قرار می‌گیرند. در ادامه به توضیح جامع‌تری از این دو روش پرداخته‌ایم:
روش خشک
در روش خشک، ابتدا مقداری از خاک را برای آزمایش دانه بندی خاک انتخاب می‌کنند؛ سپس آن را داخل آون یا گرمخانه قرار می‌دهند. برای اطمینان از خشک‌شدن کامل به مدت ۲۴ ساعت در دمای ۱۱۰ درجه سانتیگراد، باید خاک داخل آون بماند. بعدازاین مرحله نمونه خاک انتخاب شده را روی بالاترین مجموعه الک ریخته و الک‌ها را روی دستگاه لرزاننده قرار می‌دهند تا با لرزش خاک‌ها، ذرات آن به الک‌های پایینی منتقل شوند.
طبق توصیه آیین‌نامه، حداقل زمان لرزش تا حدی است که خاکی از الک شماره ۲۰۰ عبور نکند و این مدت زمان به طور تقریبی ۱۰ دقیقه محاسبه می‌گردد. پس از پایان فرایند لرزش الک‌ها را از داخل جعبه شیکر خارج نموده و وزن باقیمانده روی هر الک یادداشت میشود تا از طریق آن درصد عبوری هر الک را محاسبه کنند. در آخر با استفاده از یکی از روش‌های طبقه‌بندی خاک نوع خاک را مشخص خواهند کرد.
روش تر
برای خاکهای چسبنده بیشتر از روش دانهبندی تر استفاده میشود تا دقت آزمایش دانه بندی خاک بالاتر رود. در روش تر به طور کامل کلوخه‌ها از بین می‌روند. در این شیوه پس از انتخاب خاک مناسب و چیدن الک‌ها، آب را از الک بالاتر روی مجموعه الک‌ها می‌ریزیم.
پس از تکمیل این فرایند باید مجموعه الک‌ها و خاکهای درون آن را داخل گرمخانه قرار دهیم تا خشک شوند.
در مرحله بعدی الک‌ها را از داخل جعبه شیکر خارج کرده و وزن باقیمانده روی هر الک را یادداشت میشود. پس از وزن‌کردن خاک باقیمانده، زمان محاسبه درصد عبوری هر الک است تا بر اساس یکی از روش‌های طبقه‌بندی خاک بتوان نوع خاک را مشخص کرد.
مراحل آزمایش دانه بندی خاک
مراحل انجام آزمایش دانه بندی بر روی انواع خاک به شرح زیر است:
گام اول انتخاب خاک مناسب
در ابتدا باید مقداری از خاک را برای آزمایش دانهبندی انتخاب کنیم. مقدار خاک انتخاب شده باید به‌اندازه‌ای باشد که به‌عنوان نماینده خاک تلقی گردد.
گام دوم چیدن الک‌ها
در مرحله بعدی الک‌ها را به‌صورت مرتب از سوراخ بزرگ به سوراخ کوچک روی‌هم می‌گذارند و به‌صورت نر و ماده داخل یکدیگر جفت می‌کنند تا به‌صورت ستونی درآیند. الک‌هایی با اندازه بزرگ‌تر در بخش بالا و الک‌هایی با سوراخ ریزتر در بخش پایینی قرار می‌گیرند.
گام سوم شست‌وشوی الک‌ها
شستشوی الک‌ها فقط برای روش تر مورد استفاده قرار می‌گیرند و برای روش خشک کاربردی ندارد. برای این کار ابتدا آب را از الک بالاتر روی تمام مجموعه الک‌ها می‌ریزیم و این کار را تا زمانی که آب خروجی از الک پایینی به حالت زلال و شفاف درآید ادامه خواهیم داد.
گام چهارم خشک‌کردن الک‌ها
در این مرحله به‌منظور خشک‌کردن الک‌ها، مجموعه الک‌ها را همراه با خاکهای درون آن، داخل آون قرار می‌دهیم. دمای آون یا گرمخانه، ۱۱۰ درجه و مدت زمان قرارگیری مجموعه الک، ۲۴ ساعت است.
گام پنجم وزن‌کردن الک‌ها
پس از اینکه فرایند شست‌وشو و خشک‌کردن به پایان رسید باید الک‌ها را از داخل جعبه شیکر خارج کنیم؛ سپس به یادداشت مقدار وزن باقیمانده روی هر الک بپردازیم. نکته مهم این است که مقدار باقیمانده روی هر الک نباید اختلاف چشمگیری با وزن خاک انتخاب شده در ابتدای آزمایش داشته باشد.
گام ششم ترسیم نمودار دانهبندی
پس از اینکه خاک باقیمانده روی هر الک را مشخص کردیم باید به سراغ محاسبه درصد عبوری هر الک برویم. در مرحله پایانی از طریق روش‌های طبقه‌بندی خاک که شامل روش الک، آزمایش هیدرومتری و ترکیبی از هر دو آزمایش است به نوع خاک پی خواهیم برد.
مطلب پیشنهادی: آزمایش درصد طوبت خاک
نکات مهم درباره ی آزمایش دانه بندی خاک
درصورتیکه قصد انجام آزمایش دانه بندی خاک را دارید باید به نکات زیر توجه کنید:
- آزمایش دانهبندی با اینکه اطلاعات مفیدی درباره ویژگی‌های فیزیکی خاک ارائه می‌دهد؛ ولی جهت تعیین شکل دانه‌ها کاربردی نیست.
- آزمایش دانه بندی خاک یک نقطه نمی‌تواند بیانگر دانهبندی کل خاکهای آن منطقه باشد.
- آزمایش دانهبندی با استفاده از الک تنها برای خاکهای درشت‌تر از الک ۴ دقت بالایی دارد و برای ذرات خاکهای ریزتر میزان دقت تست را کاهش می‌دهد.
- حین انجام آزمایش دانهبندی باید دقت کنید که گردوغبار حاصل از آزمایش بیش از ۲ درصد وزن کل خاک اولیه نباشد زیرا بخشی از خاک به‌صورت گردوغبار در هوا پخش خواهد شد که نباید مقدار آن از حد طبیعی فراتر رود.
- دستگاه لرزاننده (شیکر) بهتر است که لرزش قائم به نمونه خاک اعمال کند.
- حین انتقال نمونه‌های خاک از محل حفاری گمانه تا آزمایشگاه، از کیسه‌های پلاستیکی مخصوص بهره ببرید تا از خروج ذرات ریزدانه جلوگیری شود.
- اگر قصد دارید همراه با آزمایش دانهبندی خاک، تست درصد رطوبت خاک را نیز انجام دهید استفاده از کیسه‌های پلاستیکی کیپ زیپ حین حمل نمونه‌های خاک ضرورت دارد تا رطوبت آن هنگام انتقال به آزمایشگاه از بین نرود.
نتیجه گیری
درجه‌بندی خاک یکی از جنبه‌های مهم مکانیک خاک و مهندسی ژئوتکنیک است؛ زیرا مقدار تراکم‌پذیری، مقاومت برشی و هدایت هیدرولیکی خاک را مشخص می‌کند. خاک با عنوان دانهبندی خوب یا دانهبندی ضعیف درجه‌بندی میشود؛ این درجه‌بندی با تجزیه‌وتحلیل آزمایش دانه بندی خاک تعیین می‌گردد. خاک با درجه‌بندی خوب به خاکی گفته میشود که حاوی ذرات با طیف وسیعی از اندازه‌ها باشد و خاک با درجه ضعیف به خاکی گفته میشود که نمایش خوبی از تمام اندازه‌های ذرات ندارد و نسبت به خاکهای با درجه‌بندی خوب بیشتر مستعد روان‌شدن خاک میشود.
درجه‌بندی خاک با تجزیه‌وتحلیل نتایج آنالیز هیدرومتر، تعیین خواهد شد که در آن نمونه خاک را از طریق یک سری الک‌های مخصوص عبور و تکان می‌دهند. هر الک متوالی نسبت به الک بالاتر دهانه‌های کوچک‌تری دارد که این امر باعث میشود ذرات بزرگ‌تر روی قسمت بالای الک باقی بمانند. با وزن‌کردن مقدار باقیمانده در هر الک و مقایسه آن با وزن کل نمونه، درصد اندازه خاک محاسبه می‌گردد و نتایج آن به‌عنوان منحنی توزیع اندازه دانه رسم میشود. در آخر با تفسیر نتایج آزمایش دانهبندی و نمودار آن می‌توان به نوع خاک و خواص مکانیکی آن پی برد.
سوالات متداول
تفسیر نتایج آزمایش دانه بندی خاک از طریق تفسیر نمودار دانهبندی خاک انجام میگیرد. در این مرحله هرچقدر شیب منحنی دانهبندی کمتر باشد تغییرات اندازه دانههای خاک نیز کمتر خواهد بود و هرچه میزان شیب منحنی بیشتر باشد دانههای خاک یکنواختتر هستند. اگر منحنی دانهبندی به سمت راست حرکت کند خاک در دسته درشتدانه و اگر به سمت چپ حرکت کند خاک در دسته ریزدانه قرار میگیرد. نمودارهایی که بخشی از آن افقی باشد به خاکهای میانتهی اشاره دارد و درصورتیکه حاوی بخش عمودی باشد جز خاکهای بد دانهبندیشده محسوب میشود.
از آزمایش دانه بندی خاک جهت ساخت جاده، فرودگاه، طراحی سد و... بهره می‌برند. با انجام این آزمایش می‌توان اطلاعات مفیدی از خاک به دست آورد و مقدار نفوذپذیری خاک، خاصیت مویینگی، حساسیت خاک و... را تخمین زد. از جمله کاربردهای آزمایش دانهبندی خاک می‌توان به طبقه‌بندی و نام‌گذاری خاک بر اساس استانداردهای بین‌المللی، طراحی اجزای مختلف سدهای خاکی، ارائه طرح اختلاط بتن، تشخیص خطرناک بودن خاک در برابر ریسک‌های ژئوتکنیکی، تخمین عامل‌های ژئوتکنیکی (نفوذپذیری، مقاومت برشی و...) و تعیین منبع قرضه مناسب جهت خاکریزی، اشاره کرد.تفسیر نتایج آزمایش دانه بندی به چه شکل است؟
کاربرد آزمایش دانه بندی خاک چیست؟
