ممکن است شما نیز تصمیم به شروع یک پروژه عمرانی داشته باشید. در این مواقع نیاز خواهید داشت تا آزمایش هیدرومتری خاک را انجام دهید. با آزمایش هیدرومتری میتوان خاک‌ها را با توجه به ویژگی‌های آنها دانه بندی کرد. همانطور که ممکن است بدانید؛ دانه‌های خاک پایه و اساس نام‌گذاری و طبقه‌بندی خاک‌ها را بنیان می‌نهند و ویژگی‌های روشن و ثابتی دارند. به ریزترین بخش از خاک دانه گفته می‌شود. دانه ممکن است از یک کانی یا کانی‌های گوناگونی تشکیل شده باشد که به دلیل وجود آب یا فشار، به یکدیگر متصل شده‌اند. در این نوشته از آرمیکو، چگونگی انجام آزمایش هیدرومتری خاک را برای شما شرح می‌دهیم، با ما تا انتهای مقاله همراه باشید.
آزمایش هیدرومتری خاک چیست؟
نوعی از آزمایش‌های دانه بندی خاک که برای دانه بندی خاک‌هایی که بسار ریز دانه هستند و از الک شماره ۲۰۰ عبور می‌کنند، آزمایش هیدرومتری خاک است. در این آزمایش دانه بندی بر اساس تفاوت در سرعتی که ذرات خاک ته نشین می‌شوند، بنا شده است. در آزمایش هیدرومتری، قانون استوکس مورد استفاده قرار می‌گیرد. مطابق این قانون ذراتی که چگالی و قطر بیشتری دارند، سریع‌تر ته‌نشین می‌شوند.
در این آزمایش وسیله‌ای به نام هیدرومتر که از چگالی ثابت و مشخصی برخوردار است، مورد استفاده قرار می‌گیرد. توجه داشته باشید که آزمایش هیدرومتری را نمی‌توان برای سنجش خاک‌های درشت دانه به کار برد. علت آن امر این است که، اندازه بزرگ ذرات خاک موجب مغشوش شدن جریان می‌شود و در این شرایط، دیگر قانون استوکس برقرار نیست؛ در نتیجه دانه‌های خاک سقوط نمی‌کنند.
وسایل مورد نیاز برای آزمایش هیدرومتری
برای انجام و شروع این نوع آزمایش خاک، به وسایل و تجهیزات زیر نیاز پیدا می‌کنید:
- ترازو دارای دقت ۰٫۰۱ گرم
- یک مخلوط کن استاندارد
- ابزاری به نام هیدرومتر با استاندارد ۱۵۱H و یا ۱۵۲H
- مادهای پراکنده ساز نظیر هگزامتافسفات سدیم
- یک وسیله برای سنجش زمان مثل ساعت
- یک استوانه رسوب گذاری مدرج دارای ارتفاع ۱۸ اینچ و قطر ۲٫۵ اینچ با حجم یک لیتر
- یک دماسنج دارای دقتی در حدود ۰٫۵ درجه سیلسیوس
مراحل و نحوه اجرا آزمایش هیدرومتری خاک
مراحل آزمایش هیدرومتری بر اساس استاندارد ASTM D 422-63 به شرح زیر است:
- پیش از هرچیز باید یک نمونه خاک مناسب آماده کنید. دقت داشته باشید چنانچه بیشتر دانه‌هایی که در نمونه خاک مد نظر وجود دارند، سیلتی یا رسی است، ۵۰ گرم نمونه و اگر اکثر دانه‌ها ماسه‌ای هستند ۱۰۰ گرم خاک برای انجام آزمایش هیدرومتری انتخاب کنید.
- سپس نمونه خاک را با ۱۲۵ میلی لیتر از محلول ۴۰ گرم بر لیتر هگزا متا فسفات سدیم مخلوط نمایید.
- پس از آن حدود 16 ساعت اجازه دهید نمونه در این حالت قرار بگیرد. در این صورت نمونه کاملا خیس میخورد و در نتیجه دانه‌های به هم چسبیده از هم جدا خواهند شد.
- در مرحله بعد باید نمونه را درون مخلوط کن بریزید و به طور کامل مخلوط کنید.
- همه محتویات درون مخلوط کن را داخل استوانه مدرج ریخته و آب مقطر به آن اضافه کنید تا حجم آن، به یک لیتر برسد.
- با قرار دادن درپوش لاستیکی روی دهانه استوانه آن را ببندید.
- استوانه را واژگون کرده و کاری کنید تا محتویات درون آن کاملا مخلوط گردد.
- این کار را به مدت یک دقیقه ادامه دهید تا مطمئن شوید که همه ذرات معلق باشند و هیچ دانه‌ای ته نشین نشده باشد.
- سپس بعد از قرار دادن استوانه در محلی صاف و بدون حرکت، هیدرومتر را درون آن قرار دهید.
- در بازه‌های زمانی ۲، ۵، ۱۵، ۳۰، ۶۰، ۲۵۰ و ۱۴۴۰ دقیقه، عددهای هیدرومتر را مشاهده کنید.
- پس از مشاهده اعداد، دمای مخلوط را اندازه گیری کنید.
محاسبات آزمایش هیدرومتری
محاسبات عددهای به دست آمده توسط هیدرومتر به شکل زیر انجام می‌شود.
قدم اول: محاسبه عمق موثر (L)
در این بخش باید عمق موثر را با توجه به جدول زیر محاسبه کنید:
توجه داشته باشید که عمق موثر در جدول زیر بر اساس سانتی متر است.
قرائت اولیه هیدرومتر | عمق موثر (L) | قرائت اولیه هیدرومتر | عمق موثر (L) |
0 | 16/3 | 31 | 11/2 |
1 | 16/1 | 32 | 11/1 |
2 | 16 | 33 | 10/9 |
3 | 15/8 | 34 | 10/7 |
4 | 15/6 | 35 | 10/5 |
5 | 15/5 | 36 | 10/4 |
6 | 15/3 | 37 | 10/2 |
7 | 15/2 | 38 | 10/1 |
8 | 15 | 39 | 9/9 |
9 | 14/8 | 40 | 9/7 |
10 | 14/7 | 41 | 9/6 |
11 | 14/5 | 42 | 9/4 |
12 | 14/3 | 43 | 9/2 |
13 | 14/2 | 44 | 9/1 |
14 | 14 | 46 | 8/9 |
15 | 13/8 | 47 | 8/8 |
16 | 13/7 | 48 | 8/6 |
17 | 13/5 | 49 | 8/4 |
18 | 13/3 | 50 | 8/3 |
19 | 13/2 | 51 | 8/1 |
| 20 | 13 | 52 | 7/8 |
21 | 12/9 | 53 | 7/8 |
22 | 12/7 | 54 | 7/6 |
| 23 | 12/5 | 55 | 7/4 |
24 | 12/4 | 56 | 7/3 |
| 25 | 12/2 | 57 | 7/1 |
26 | 12 | 58 | 7 |
| 27 | 11/9 | 59 | 6/8 |
28 | 11/7 | 60 | 6/6 |
| 29 | 11/5 | 6/5 | |
30 | 11/4 |
قدم دوم: محاسبه مقدار K
در قدم دوم باید مقدار K را با در نظر گرفتن جدول زیر محاسبه کنید:
در این جدول مقدار دما، بر حسب سیلسیوس است.
دما | دما | مقدار چگالی ویژه خاک (Gs) | مقدار چگالی ویژه خاک (Gs) |
15 | ۲٫۵۵ | ۲٫۶۵ | ۲٫۷۵ |
16 | ۰٫۰۱۴۸ | ۰٫۰۱۴۴ | ۰٫۰۱۳۹ |
17 | ۰٫۰۱۴۶ | ۰٫۰۱۴۲ | ۰٫۰۱۳۸ |
18 | ۰٫۰۱۴۴ | ۰٫۰۱۴۰ | ۰٫۰۱۳۶ |
19 | ۰٫۰۱۴۳ | ۰٫۰۱۳۸ | ۰٫۰۱۳۴ |
| 20 | ۰٫۰۱۴۱ | ۰٫۰۱۳۷ | ۰٫۰۱۳۳ |
21 | ۰٫۰۱۳۹ | ۰٫۰۱۳۵ | ۰٫۰۱۳۱ |
| 22 | ۰٫۰۱۳۷ | ۰٫۰۱۳۳ | ۰٫۰۱۲۹ |
23 | ۰٫۰۱۳۶ | ۰٫۰۱۳۲ | ۰٫۰۱۲۸ |
24 | ۰٫۰۱۳۴ | ۰٫۰۱۳۰ | ۰٫۰۱۲۶ |
| 25 | ۰٫۰۱۳۳ | ۰٫۰۱۲۹ | ۰٫۰۱۲۵ |
26 | ۰٫۰۱۳۲ | ۰٫۰۱۲۷ | ۰٫۰۱۲۴ |
| 27 | ۰٫۰۱۳۰ | ۰٫۰۱۲۶ | ۰٫۰۱۲۲ |
28 | ۰٫۰۱۲۸ | ۰٫۰۱۲۴ | ۰٫۰۱۲۱ |
| 29 | ۰٫۰۱۲۷ | ۰٫۰۱۲۳ | ۰٫۰۱۲۰ |
30 | ۰٫۰۱۲۶ | ۰٫۰۱۲۲ | ۰٫۰۱۱۸ |
قدم سوم: محاسبه قطر ذرات (D)
می‌توانید قطر ذرات را با استفاده از فرمول زیر و با ملاحظه دو جدول قبلی، محاسبه کنید:
توجه داشته باشید که در رابطه بالا:
D: برابر با قطر ذرات بر حسب میلی متر است.
K: یک ضریب ثابت است و به دمای مخلوط و چگالی دانه‌های خاک بستگی دارد.
L: نشان از عمق موثر دارد و مطابق جدول مرحله اول به دست می‌آید.
T: نشان دهنده زمان قرائت بر حسب دقیقه می‌باشد.
قدم چهارم: محاسبه ضریب تصحیح هیدرومتر (α)
برای محاسبه ضریب تصحیح هیدرومتر برای انواع خاک مورد نظر، می‌توانید از جدول زیر استفاده کنید.
ضریب تصحیح هیدرومتر (α) | چگالی ویژه (Gs) |
| 0/94 | 2/95 |
0/95 | 2/9 |
| 0/96 | 2/85 |
0/97 | 2/8 |
| 0/98 | 2/75 |
0/99 | 2/7 |
| 1 | 2/65 |
1/01 | 2/6 |
| 1/02 | 2/55 |
1/03 | 2/5 |
| 1/05 | 2/45 |
قدم پنجم: محاسبه درصد ریزدانه
برای محاسبه مقدار درصد ریزدانه که میزان آنها از قطر حساب شده در مرحله سوم کمتر است، می‌توانید از فرمول زیر استفاده کنید:
در رابطه بالا:
Α: ضریبی برای خواندن هیدرومتر است.
P: درصد ریزدانه را نشان می‌دهد.
R: مقدار تصحیح شده هیدرومتر می‌باشد.
Ws: وزن کل خاک خشک شده انتخابی برای انجام آزمایش هیدرومتری را نشان می‌دهد.
Gs: چگالی ویژه دانه‌های خاک است.
قدم ششم: ترسیم نمودار دانه بندی
در این مرحله باید مراحل یک تا پنج را برای بازه‌های زمانی گوناگون تکرار کنید. با استفاده از مقادیری که در مراحل پنجم و سوم، به دست آمده است، می‌توانید ترسیم نمودار دانه بندی خاک ریزدانه را انجام دهید. نموداری که در نهایت ترسیم می‌شود، به این شرح است که بخش افقی، نشان دهنده اندازه دانه‌هاست که در مرحله سوم به دست می‌آید. قسمت عمودی نمودار، درصد ذرات ریزدانه کوچکتر از D را نشان می‌دهد که در مرحله پنجم به دست آمده است.
توجه داشته باشید که با پیشرفت‌های علم، امروزه رسم نمودار و محاسبات آزمایش دانه بندی به وسیله نرم افزارهای آزمایشگاه و آزمایش دانه یندی خاک انجام می‌شود.
نموداری که با توجه به این آزمایش ترسیم می‌شود، در واقع کامل کننده نمودار رسم شده در آزمایش دانه بندی خاک است. پس لازم است بدانید آزمایش هیدرومتری خاک و دانه بندی به نوعی مکمل هم هستند و در هنگام انجام این آزمایش، تست دانه بندی خاک را هم باید به خوبی انجام دهید.
خطاهای موجود در آزمایش هیدرومتری
در آزمایش هیدرومتری خطاهای زیر را میتوان مشاهده کرد:
- ممکن است قرائت در زمان دیگری به جز زمان مشخص انجام بگیرد.
- ممکن است خطا در حین قرائت چگالی سنج اتفاق بیفتد.
- در این آزمایش به طور معمول وزن ویژه خاک یا “Gs” 2.65 در نظر گرفته می‌شود که شاید وزن ویژه خاک برابر با این میزان نباشد.
- ممکن است ذرات خاک به صورت درست و کامل جدا نشوند.
- میزان محلول پراکنده ساز ممکن است نامناسب بوده و کافی نباشد.
- تعداد تکان‌های استوانه ممکن است در مراحل ابتدایی آزمایش کافی نبوده و یا استوانه به شکل درست تکان داده نشده باشد.
- ممکن است میزان خاک موجود در محلول از مقدار مورد نیاز بیشتر باشد.
- پیش از آزمایش، باید لوله هیدرومتر را به خوبی تمیز کرد؛ در غیر اینصورت ممکن است خطا ایجاد شود.
نتیجه گیری
از آنجایی که انجام ازمایش هیدرومتری از اهمیت ویژه‌ای برای مقاصد عمرانی برخوردار است، در این مقاله به شرح انجام این ازمایش و نوع محاسبات آن پرداختیم. دقت داشته باشید که این آزمایش بسیار حساس است و با وجود خطاها و محدودیت‌هایی که در هنگام انجام آزمایش اتفاق می‌افتد، باید توسط یک فرد ماهر که از دانش کافی در این زمینه برخوردار است، انجام شود. بنابراین بهتر است از یک شرکت معتبر در زمینه عمران مشاوره بگیرید تا در اثر نتیجه گیری اشتباه از آزمایش، دچار خسارات احتمالی نشوید.
سوالات متداول
محدودیت‌های موجود در آزمایش هیدرومتری خاک چیست؟
در هنگام انجام آزمایش هیدرومتری خاک معمولا با دو محدودیت مهم رو به رو خواهیم شد. اول اینکه در این آزمایش این چنین در نظر گرفته می شود که دانه ها باهم اندرکنشی ندارند. بین ذرات خاک به ویژه رس، به علت بار الکتریکی که بر روی سطح آنها وجود دارد، نیروی جاذبه و دافعه الکتریکی اتفاق می‌افتد. این امر فرض عدم اندرکنش دانه‌های خاک را بی اساس می‌کند. دوم اینکه آزمایش هیدرومتری خاک بر اساس قانون استوکس کار می‌کند و در این قانون فرض بر این است که دانه های خاک کروی هستند. از آنجایی که دانه های خاک رس، شکل صفحه ای یا سوزنی دارند، می توان گفت که این فرض می‌تواند یکی دیگر از محدودیت های این آزمایش باشد.
وسایل مورد نیاز برای آزمایش هیدرومتری خاک چیست؟
از وسایل مورد نیاز برای انجام آزمایش هیدرومتری میتوان به ترازو با دقت بالا در حدود ۰٫۰۱ گرم، مخلوط کن استاندارد، هیدرومتر با استاندارد ۱۵۱H و یا ۱۵۲H، ماده پراکنده ساز مثل هگزامتافسفات سدیم، یک وسیله برای سنجش دقیق زمان، استوانه رسوب گذاری مدرج و دماسنج با دقت بالا اشاره کرد.
