تراکم خاک

ساختمان لانه زنبوري:

ذرات ماسه خيلي ريز و سيليت يا آرد سنگ با قطري كمتر از 02/0 ميليمتر و بيشتر از 002/0 ميليمتر معمولاً به هنگام رسوب در آب به صورت ذرات كم و بيش مجرد و مستقل ته نشين مي شوند اما اين ذرات آنقدر كوچك هستند كه در اين فرايند نيروي وزن آنها تنها نيروي موثر براي جاي گيري ذرات خاك نيست بلكه نيروي جاذبه ملكولي در سطح ذرات نيز به هنگام تماس و مجاورت آنها با يكديگر موثر بوده و نيروي وزن را تحت الشعاع قرار مي دهد در نتيجه ذرات به آساني بر روي يكديگر نمي غلتند و مانند ذرات درشت در حالت ساختمان دانه اي به حالت تعادل نمي رسند در اين حالت اغلب چندين ذره به شكل قوسي روي ذرات زير خود قرار گرفته و در نتيجه فضاي نسبتاً بزرگي بين ذرات خالي مي ماند لذا در چنين حالتي نسبت به تخلخل خاك خيلي زياد بوده و ساختمان لانه زنبوري مي نامند.

در اين حالت توده خاك با ساختماني غير متراكم بوجود مي آيد كه در حالت خشك نسبتاً مقاوم و پايدار بوده و حتي به علت علكس العمل قوس ها به صورت طاق قادر به تحمل بارهاي سنگين بدون تغيير حجم زياد مي باشد اما قدرت تحمل بار اين نوع خاكها نسبتاً محدود بوده و پس از ميزان معيني افزايش بار يا در اثر غرقاب شدن پلهاي قوسي ايجاد شده خرد مي شوند و توده خاك به طور ناگهاني نشست مي كند. اين خاكها نسبت به ارتعاش و لرزه نيز حساسيت دراند و در اثر اين پدیده ها ساختمان خاك به هم خورده و نشست ناگهاني حاصل مي شود پس از فرو ريختن ساختمان فوق الذكر يك ساختمان كم وبيش دانه اي حاصل مي گردد.

ساختمان خاكهاي چسبنده:

در خاكهاي چسبنده نوع ساختمان تابع نوع ذرات رس شكل آنها و نيروهاي اعمال شده بين اين ذرات مي باشد همانطور كه قبلاً ديده شد به علت آنكه يك لايه آب نسبتاً ضخيم اطراف ذرات رس را فرا مي گيرد در نتيجه نيروهاي مختلفي بين ذرات اثر مي كنند بعضي از اين نيروها مانند نيروي جاذبه بين يونها در سطح ذرات باعث جذب مي شود و برخي ديگر مانند نيروهاي حاصل از بار الكتريكي حمل شده در سطح ذرات و توسط يونهاي هم بار باعث دفع مي گردد هر چه فاصله بين ذرات كمتر شود اين نيروهاي جاذبه يا دافعه نيز بيشتر مي گردد تحت تاثير چنين سيستمي از نيروها ذرات خاك رس در آب به آساني رسوب ننموده و نيروي وزن ذرات تقريباً نقش موثري در ته نشين شدن آنها ايفا نمي نمايد در چنين حالتي ذرات پولك مانند رس در هنگام رسوب حركتي مانند نوسانات برگ درختان به هنگام سقوط داشته و بسته به شرايط موجود ذرات به فرم خاصي در كنار يكديگر قرار مي گيرند اين نوع حركت اصطلاحاً حركت برونين خوانده مي شود، به طور كلي وضعيت قرار گرفتن ذرات بستگي به شدت نيروهاي دافعه يا جاذبه آنها داشته و ساختمان حاصله تابع اين عامل مي باشد در اين سيستم دو نوع ساختمان خاك بشرح زير به وجود مي آيد:

ساختمان پراكنده يا موازي:

چنانچه ذرات خاك به شدت يكديگر را دفع نمايند در يك حجم معين از خاك به فرمي قرار مي گيرند كه حداكثر فاصله بين آنها حاصل شود در اين حالت ساختمان حاصله شبيه به قرار گرفتن قطعات سنگي مسطح بر روي يكديگر مي باشد. البته ذرات درشت تري نيز ممكن است وجود داشته باشند كه بين اين ذرات پولكي شكل رس قرار گرفته وساختمان آن را تا حدي برهم مي زنند اما فرم كلي ساختمان خاك عوض نمي شود اين نوع آرايش و طرز قرار گرفتن ذرات را ساختمان پراكنده يا موازي مي نامند.

اين فرم ساختمان مخصوص خاكهايي است كه بر اثر پديده اي مخلوط شده و از حالت طبيعي اوليه خارج شده باشند مانند خاكهائي كه فرم طبيعي آنها بر اثر عمل يخچالها بر هم مي خورد و يا خاكهائي كه توسط انسان از محلي كنده شده و در محل ديگري مجدداً متراكم شده باشند. خاكهاي با ساختمان پراكنده نسبتاً متراكم و نسبت به آب كم نفوذ پذير مي باشند نسبت تخلخل اين نوع خاكها بسته به نوع خاك بين 5/0 تا 2 تغيير مي كند.

مواد شيميايي و پراكنده ساز مانند سيليكات سديم تترافسفات سديم و هكزا متافسفات سديم نيز باعث ايجاد بار مشابه شديد در ذرات خاك رس شده و پراكندگي آنها را موجب مي گردند لذا از اين مواد شيميايي در آزمايش هيدرومتري جهت پراكنده ساختن ذرات خاك استفاده مي شود.

ساختمان منعقد يا فلوكوله:

در اين نوع ساختمان نيروي جاذبه بين ذرات بر نيروي دافعه برتري داشته و ذرات به صورت نامنظم يكديگر را جذب مي نمايند در اين حالت گوشه هاي هر ذره در تماس با سطح ذرات ديگر قرار مي گيرند و ذرات درشت غير چسبنده مانند ذرات شن و ماسه نيز به طور اتفاقي در بين اين ذرات محبوس مي شوند.

در اين نوع ساختمان مقدار قابل ملاحظه اي آب آزاد بين ذرات و در داخل فضاي خالي بين آنها محبوس مي شود و اين مقدار اضافه بر آب جذب شده در اطراف ذرات رس مي باشد اين نوع ساختمان ويژه لايه هاي رسي رسوب كرده در آبهاي شور است. درجه فلوكولاسيون بستگي به نوع تمركز ذرات رس دارد از آنجا كه آب درياها الكتروليتي بسيار قوي است شدت فلوكولاسيون رس در آنها خيلي زياد بوده و نسبت تخلخل از 2 تا 4 تغيير مي كند. بالعكس لايه هيا رسي رسوبي در آبهاي شيرين داراي درجه فلوكولاسيون كم بوده و حتي اغلب ساختمان پراكنده حاصل مي شود اسيدهاي آلي حاصل از تجزيه گياهان نيز ممكن است باعث انعقاد شديد خاك گردند. خاكهاي فلو كوله از نظر وزني بسيار سبك و از نظر مقاومت بسيار تراكم پذير مي باشند اما از نظر پايداري نسبتاً قوي بوده و در مقابل ارتعاش و لرزه غير حساس مي باشند زيرا كه در اين حالت ذرات با نيروي جاذبه شديدي به هم متصل شده اند.

از جمله خصوصيات ويژه اين نوع خاكها حساسيت شديد نسبت به تغيير شكل مجدد و تغيير حالت طبيعي آن مي باشد چنانچه يك نمونه خاك فلوكوله طبيعي از محل خود خارج و ساختمان آن به هم زده شده و بدون اضافه كردن آب مخلوط گردد خمير خاك شل تر و چسبنده تر مي شود عيناً مثل آنكه به آن آب اضافه شده باشد در حقيقت نيز اين همان آب محبوس داخل خلل و فرج خاك مي باشد كه اكنون آزاد شده و اتصال بين ذرات خاك را كم مي كند و به طوريكه آب داخل خلل و فرج پس از مخلوط شدن خاك تبديل به آب جذب شده در اطراف ذرات مي گردد، اين نرم شدن خمير خاك همان پديده حساسيت است كه قبلاً در فصل سوم مورد بحث قرار گرفت. به علت وجود پديده فوق انجام عمليات ساختماني در خاكهاي فلوكوله اغلب مشكل بوده و موجب كاهش شديد مقاومت خاك مي شود.

ساختمان خاكهاي مخلوط:

در اين نوع خاكها ذرات غير چسبنده درشت و ذرات خاكهاي چسبنده ريز دانه مخلوط با هم يافت مي شوند در اين حالت اسكلت اصلي خاك را ذرات درشت دانه تشكيل مي دهند كه به وسيله خميري متشكل از مواد ريز دانه به هم اتصال يافته اند در اين نوع خاكها بسته به ميزان نسبي هر يك از مواد متشكله نوع خمير چسبانده و روش تشكيل اين نوع خاكها انواع ساختمانهاي مختلفي را مي توان مشخص نمود. خمير چسبانده مواد درشت تر ممكن است از مواد مختلفي تشكيل شده باشد مهمترين اين مواد خاك رس ريز دانه خميري كه شديداً فشرده شده يا خشك شده باشد و نيز كربنات كلسيم مي باشد اين خميرها معمولاً بقدر كافي مقاوم هستند اما گاه ممكن است در اثر تماس با آب سست شوند گاهي اوقات انواع اكسيدهاي آهن و سيليكات هاي كلوئيدي نيز كه از تجزيه سنگها حاصل شده اند بعنوان خمير يا ماده چسباننده عمل مي كنند اين دو ماه اخير در معرض آب به سهولت نرم شده و استحكام خود را از دست مي دهند در اين نوع خاكها بر حسب ميزان نسبي مواد متشكله مي توان سه ساختمان مختلف را بشرح زير تعريف نمود:

الف) ساختمان ماتريسي:

در اين نوع ساختمان حجم ذرات درشت دانه كمتر از دو برابر حجم مواد خميري چسباننده (مواد ريز دانه) مي باشد بطوريكه ذرات درشت به حال شناور و مجزا از هم در داخل خمير قرار مي گيرند و هيچگونه تماسي با يكديگر ندارند به عبارت ديگر رس باشد، مي توان اين نوع ساختمان را نوع ديگري از ساختمان خاكهاي چسبنده به شمار آورد در اين صورت خواص فيزيكي خاك صرفاً تابع خواص فيزيكي خمير ريز دانه چسباننده مي باشد.

اگر خمير چسباننده خاك رس نباشد و از مواد ديگري مثل كربنات كلسيم تشكيل شده باشد رد اين صورت ساختمان اسكلتي حاصل را مي توان جزو دسته سنگها به حساب آورد (كنگلومرا) خواص فيزيكي اين خاك بستگي به خواص خمير چسباننده يا ذرات درشت دارد و استحكام آن وابسته به اين است كه كداميك ضعيف تر باشند.

ب) ساختمان اسكلتي :

در اين نوع ساختمان خاكهاي مركب، حجم ذرات درشت دانه بيش از حجم خمير چسبانده است و لذا ساختمان اسكلتي به وجود مي آيد در اين وضعيت خمير نقاط اتكا قطعات درشت تر روي يكديگر به هم فشرده شده و نقاط تماس با اين خمير سفت و متراكم شده و از هم جدا مي شوند اين حالت عيناً نظير قرار گرفتن قطعات سنگي در يك ديوار بين لايه هاي ملات يا دانه هاي شن در بتن مي باشد.

اين نوع ساختمان وقتي به وجود مي آيد كه ذرات درشت دانه و مواد ريز دانه (خاك رس) همزمان با هم در داخل آب رسوب نمايند در اين صورت لايه هايي از خمير رس بين قطعات درشت محبوس شده و به تدريج بر اثر وزن قسمتهاي فوقاني فشرده و سخت مي شود در چنين حالتي مقداري مخلوط آب و خاك رس به صورت خمير رقيق در داخل حفره هاي موجود بين ذرات درشت تر محبوس مي شود كه البته نقشي در به هم چسباندن اين ذرات ندارد. همچنين اين نوع ساختمان وقتي كه مقدار زيادي ذرات درشت همراه با مقدار كمي رس مخلوط شده و سپس كوبيده يا متراكم شوند حاصل مي گردد. اين عمل در طبيعت توسط يخچالها در جايي كه ذرات ضمن كنده و مخلوط شدن تحت فشار يخ متراكم نيز مي شوند صورت مي گيرد، اين نوع ساختمان در عمليات زير سازي جاده ها و فرودگاهها نيز به هنگام مخلوط شدن ومتراكم شدن رس و ماسه و يا رس و شن مصنوعاً ايجاد مي شود. اين نوع ساختمان نسبتاً صلب و غيرقابل تراكم بوده و نسبت به ضربه و ارتعاش نيز مادام كه خمير چسباننده بين ذرات درشت پايدار باشد مقاوم خواهد بود چنانچه حفرات موجود بين ذرات درشت خيلي بزرگ و در معرض حركت آب باشد در اين صورت كربنات كلسيم و خاك رس (مواد چسباننده) در مجاورت آب سست شده و چنانچه ذرات درشت نيز در حالت غير متراكمي قرار داشته باشند توده خاك فرو مي ريزد.

ج) ساختمان اسكلتي پيوسته:

در اين حالت ذرات درشت با يكديگر مستقيماً در تماس بوده و در محل اتكا اين قطعات بر روي هم خمير ذرات ريز دانه وجود ندارد واين خمير فقط خلل و فرج بين ذرات درشت را پر مي كند اين نوع ساختمان وقتي به وجود مي آيد كه در هنگام تشكيل خاك ابتدا ذرات درشت دانه رسوب كرده و مستقيماً بر روي يكديگر قرار مي گيرند سپس ذرات ريز دانه داخل حفرات بين آنها را پر مي سازد در چنين حالتي اغلب كربنات كلسيم، ا كسيدهاي آهن، و يا سيليكا به صورت محلول در آب به داخل حفرات خالي نفوذ كرده و به تدريج در آنجا رسوب مي نمايند و بدين ترتيب اسكلت مقاوم و صلبي را به وجود مي آورند اين نوع ساختمان در اثر هوازدگي سنگ گرانيت كه مركب از ذرات درشت كواتز و ذرات ريز دانه ميكا و فلدسپار بين آنهاست نيز به وجود مي آيد. تجزيه سيليكاتها قالبي مركب از ذرات كوارتز كه خلل و فرج آنها توسط ذرات رس پر شده را به وجود مي آورد نسبت تخلخل در اين نوع ساختمان ممكن است حتي به 2/0 برسد ولي معمولاً در حدود 3/0 تا 5/0 تغيیر مي كند، اين نوع خاكها مقاوم و غير قابل تراكم بوده و بر اثر جريان آب سست نمي شوند.

تراكم خاك :

در بسياري از عمليات ساختماني مثل احداث سد هاي خاكي ، زير سازي راه ، خاكريزها و غيره كه در آنها خاك بعنوان مصالح اصلي بكار گرفته مي شود . لازم است لايه هاي خاك به گونه اي متراكم شوند كه نسبت تخلخل آنها به يك مقدار حداقل يا دانسيته خشك به يك ميزان حداكثر برسد اين عمل عموماً با افزودن مقداري آب به توده خاك و كوبيدن آن به ميزان معيني توسط وسايل كوبيده مثل انواع غلتك ها انجام مي پذيرد. از نقطه نظر مهندسي تعيين درصد رطوبتي كه بايد به خاك اضافه شود تا تحت نيروي تراكمي معين ، نسبت تخلخل خاك را به حداقل برساند و يا دانستن درصد رطوبتي كه با استفاده از حداقل نيروي تراكمي خاك را به يك نسبت تخلخل معين مي رساند داراي اهميت است .

از آنجا كه مقاومت خاك رابطه مستقيمي با درجه تراكم ذرات ودر نتيجه با وزن واحد حجم يا دانسيته آن دارد لذا مسئله افزودن دانسيته خاك با روشهاي مختلف يكي از مسائل مهمي است كه در مكانيك خاك مورد بررسي قرار مي گيرد. اين مسئله از نظر عملي نيز در كليه عمليات ساختماني كه در آنها از خاك بعنوان يك ماده ساختماني استفاده مي شود حائز اهميت است بنابراين هدف از تراكم بهبود خواص مهندسي توده خاك از طريق كسب مزاياي زير مي باشد:

-كاهش نشست پذيري

-كاهش نفوذ پذيري

-افزايش مقاومت برشي خاك و بهبود پايداري شيب هاي خاكي

-بهبود ظرفيت باربري بسترهاي خاكي

-كنترل تغيير حجم هاي نامطلوب نظير تورم ناشي از انجماد، انقباض و تورم ناشي از تغيير رطوبت و غيره.

با توجه به اهميت مسئله تراكم خاك در اين قسمت روشهاي مختلف تراكم و افزايش دانسيته خاكها مورد بحث قرار مي گيرد اما از آنجا كه ذرات خاكهاي چسبنده و غير چسبنده داراي ويژگيهاي متفاوت هستند لذا روش تراكم آنها نيز متفاوت بوده و در اين بخش هر كدام به طور جداگانه مورد بحث قرار خواهند گرفت.

تراكم خاكهاي غير چسبنده (شن و ماسه):

خاكهاي غير چسبنده معمولاً از ذرات درشت دانه و نسبتاً كروي شكل تشكيل مي شوندو درجه تراكم آنها بستگي به طرز قرار گرفتن ذرات در كنار يكديگر دارد از آنجا كه اينگونه ذرات تقريباً غير قابل تغيير شكل و تراكم ناپذير هستند لذا استفاده از بار استاتيك جهت افزايش درجه تراكم اينگونه خاكها تاثير چندان مثبتي ندارد. تجربه و آزمايش نشان داده كه استفاده از ارتعاش و لرزه بهترين وسيله براي متراكم كردن اينگونه خاكها مي باشد. با توجه به اينكه نيروي موئينگي در ذرات ماسه متوسط و ريز مرطوب مانع تراكم آنها مي شود در چنين مواردي بايد لايه ماسه را به صورت مستغرق در آورده و سپس با استفاده از ارتعاش آن را متراكم نمود در مورد تراكم ماسه خشك يا كاملاً مستغرق استفاده از نيروي ارتعاشي به تنهائي كفايت مي كند.

براي نشان دادن تراكم ماسه با عمل ارتعاش مي توان آزمايش ساده زير را انجام داد:

ليواني شيشه اي انتخاب و مقداري ماسه نرم در آن قرار داده مي شود سپس در ليوان را پوشانده و ليوان را به صورت وارونه در مي آورند تا همه ماسه روي آن جمع شود پس از آن ليوان به آهستگي به حال اول بر گردانيده مي شود تا ذرات ماسه به تدريج و خيلي آهسته در كف ليوان روي هم قرار گيرند. در اين آزمايش بايد سعي نمود كه از ايجاد ارتعاش يا ضربه جلوگيري شود. پس از آنكه تمام توده ماسه به ته ليوان ريخت مي توان فرض كرد كه ماسه در حالت غير متراكم قرار دارد در اين موقع يك پيستون فلزي انتخاب و به وسيله آن بر روي توده ماسه اعمال فشار مي شود، مشاهده خواهد شد كه فشار استاتيك تقريباً هيچگونه تغييري در حجم توده ماسه ايجاد نمي كند ماسه به حالت غير متراكم باقي خواهد ماند پس از آن چنانچه با ته ليوان چند ضربه بر روي ميز كار زده شود مشاهده خواهد شد كه سطح ماسه در ليوان پايين مي رود يعني حجم توده ماسه كاهش پيدا كرده و بنابراين درجه تراكم آن افزايش يافته است.

در عمليات صحرائي نيز براي متراكم كردن لايه هاي خاكهاي ماسه اي غير چسبنده از غلتكهاي ارتعاشي يا ويبراتورها استفاده مي شود، در صورتيكه ماسه كمي مرطوب باشد براي متراكم شدن يا بايد آن را به وسيله اي خشك نمود و يا آنكه ابتدا ماسه را به حالت غرقاب در آورده و سپس براي متراكم كردن آن از ارتعاش استفاده مي شود اين عمل در صحرا به وسيله روش غرقابي- ارتعاشي يا ويبره فلوتاسيون انجام مي پذيرد.

تراكم خاكهاي چسبنده (سيلت و رس):

به علت ساختمان خاص ذرات ريز دانه چسبنده مثل سيلت ريز و رس تراكم آنها به وسيله ارتعاش مقدور نيست و بار يا فشار استاتيك بهترين وسيله براي تراكم اينگونه خاكها مي باشد. براي نشان دادن تراكم پذيري اينگونه خاكها تحت فشار مي توان مقداري آب به توده اي از خاك ميكا افزود و آن را در يك ليوان قرار داد، چنانچه با يك استوانه فلزي مقداري فشار روي سطح خاك در ليوان وارد آيد مشاهده خواهد شد كه سطح آن نشست قابل ملاحظه اي نموده و تحت تاثير فشار استاتيك متراكم شده است. همچنين اگر قبل از اعمال فشار بر سطح خاك آن را تكان دهند يا مرتعش سازند هيچگونه تغييري در حجم خاك مشاهده نخواهد شد. همانطور كه اشاره شد در اين آزمايش براي متراكم ساختن خاكهاي ريز دانه مثل رس بايد به آن مقداري آب افزود.

براي بررسي نقش آب در افزايش تراكم پذيري خاكهاي رسي بايد به ساختمان خاص ذرات اينگونه خاكها توجه نمود، همانطور كه قبلاً ديده شد ذرات خاكهاي چسبنده خصوصاً رسها از صفحات پولك مانندي كه دور تا دور آنها را لايه هاي آب فرا گرفته تشكيل مي شوند قبلاً اشاره شد كه ضخامت اين لايه بستگي به مقدار آب موجود در خاك و نيز بستگي به نوع ذرات رس دارد هر چه مقدار آب كمتر باشد لايه آب جذب شده در اطراف اين ذرات نازك تر بوده و با شدت بيشتري به ذرات خاك مي چسبد و در حقيقت آب حالت كاملاً لزج پيدا مي كند ، با افزايش مقدار آب ضخامت لايه آب جذب شده بيشتر مي شود و واضح است كه در اين حالت با دور شدن از سطح ذرات خاك شدت جذب ملكولهاي آب به ذرات كمتر خواهد شد و در يك فاصله معين ملكولهاي آب تقريباً به حالت آزاد در مي آيند و به سهولت قابل انتقال مي باشند يعني در حقيقت لزجت آب جذب شده در اطراف ذرات رس با افزايش ضخامت لايه آب كاهش مي يابد.

حال چنانچه يك توده ذرات خاك رس خشك غير متراكم در نظر گرفته شود اين ذرات به شكل نا منظم و با نسبت تخلخل نسبتاً زياد در كنار يكديگر قرار مي گيرند چنانكه در شكل مذكور ديده مي شود هر ذره اي در گوشه هاي خود با سطح ذرات ديگر به صورت نامنظم تماس پيدا مي كند در حالتي كه خاك نسبتاً خشك باشد در محل هاي اتصال بين ذرات لايه نازكي از آب بسيار لزج كه با نيروي بسيار زيادي توسط خاك جذب شده قرار مي گيرد. براي آنكه خاك متراكم شود بايد موقعيت نسبي ذرات تغيير نمايد يعني اينكه ذرات از محل خود حركت كرده و با لغزش و دوران در جهت تقريباً موازي با هم قرار گيرند تا حجم كمتري اشغال شود و تراكم صورت پذيرد در اين حالت ديده مي شود كه هر چه خاك خشك تر باشد حركت دادن ذرات و در حقيقت لغزاندن آنها روي يكديگر مشكل تر است و با اعمال نيروي زيادتري انجام مي پذيرد حال اگر مقداري آب به توده خاك اضافه شود ضخامت لايه آب در اطراف ذرات افزايش يافته و لزجت آب جذب شده كمتر مي شود بنابراين گوشه هاي ذرات با سهولت بيشتري در امتداد يكديگر لغزيده و به وضعيت موازي با هم قرا رمي گيرند مي توان گفت كه افزايش آب و در نتيجه افزايش ضخامت لايه آب در اطراف ذرات رس مانند روغني كه در محل تماس دو سطح فلزي موجب لغزش آنها روي يكديگر مي گردد عمل نموده و باعث سهولت لغزش ذرات خاك روي هم خواهد شد.

اما بايد توجه داشت كه اين افزايش آب تا حد معيني موجب بهبود روند تراكم ذرات خاك مي گردد زيرا چنانچه اين مقدار آب از حد معيني بگذرد آب موجود در اطراف ذرات به حالت كاملاً آزاد در آمده و حفرات بين ذرات را پر و قسمت اعظم انرژي تراكمي را بخود مي گيرد زيرا معمولاً نفوذ پذيري خاكهاي ريز دانه كم است و لذا خروج آب تحت فشار عملاً امكان پذير نيست در اين شرايط خمير حاصل در اطراف چكش كوبنده يا چرخهاي غلتك بالا مي زند و عملاً تراكم صورت نمي گيرد.

از طرف ديگر از آنجا كه آب خود داراي حجم است جاي مقداري از ذرات خاك را گرفته و در نتيجه در حجم معيني از خاك باعث كاهش وزن واحد حجم خشك يا دانسيته خشك خاك مي گردد. از بحث فوق ديده مي شود كه براي يك نيرو تراكمي معين درصد رطوبت تقريباٌ ثابتي وجود دارد كه حداكثر وزن واحد حجم خشك خاك يا حداكثر تراكم را به وجود مي آورد. اين درصد رطوبت به نام رطوبت بهينه و وزن واحد حجم خشك خاك منطبق با اين رطوبت به نام ماكزيمم وزن واحد حجم خشك تحت نيروي تراكمي معين ناميده مي شود.

به طور خلاصه براي يك مقدار نيروي تراكمي معين درصد رطوبت بهينه اي وجود دارد كه در آن دانسيته خشك خاك يا تراكم آن به حداكثر مي رسد بنابراين براي افزايش اين تراكم بايد مقدار نيروي تراكمي را افزايش داد همچنين اگر براي يك نيروي تراكمي معين رطوبت خاك كمتر يا بيشتر از رطوبت بهينه باشد دانسيته خشك خاك يا تراكم آن كمتر از مقدار ماكزيمم خواهد شد.

مباني نظري تراكم خاكهاي ريز دانه اولين بار توسط پراكتور در سالهاي1930 بنيان نهاده شد و اصول اين نظريه طي مقاله اي در مجله اخبار مهندسي در سال 1933 انتشار يافت. بر اساس نظريه پراكتور عوامل موثر در تراكم خاكهاي ريز دانه عبارتند از:

الف) وزن واحد حجم خشك خاك

ب) رطوبت خاك

ج) انرژي تراكم

د) نوع خاك (دانه بندي، مقدار و نوع كاني هاي رسي و غيره)

بر اساس نظريه پراكتور، طي ساليان گذشته محققين مختلف تحقيقات متعددي را درباره چگونگي و ميزان اثر هر يك از اين عوامل بر فرآيند تراكم به عمل آورده اند كه نتايج آنها در مقالات و كتب معتبر انتشار يافته است.

براي نشان دادن اثر نسبي عوامل تراكم و تغييرات آنها در مشخصات فيزيكي خاك از منحني تغييرات وزن واحد حجم خشك ( در محور قائم) بر حسب رطوبت (در محور افقي)‌ استفاده مي شود. اين منحني كه به نام منحني تراكم ناميده مي شود بر حسب تغيیر هر يك از عوامل چهارگانه فوق الذكر مي تواند موقعيت و شكلهاي متفاوتي داشته باشد. ذيلاً قسمتي از ويژگيهاي منحني هاي تراكم مورد بحث قرار مي گيرد.

الف) اثر رطوبت:

همانطور كه اشاره شد اثر رطوبت در فرآيند تراكم ايجاد سهولت در لغزش و حركت ذرات خاكهاي چسبنده و در نتيجه ايجاد تراكم بيشتر (بزرگتر) مي باشد. اثر رطوبت پس از رسيدن به حد معين (رطوبت بهينه) منفي بوده و موجب كاهش وزن واحد حجم خاك مي گردد.

ب) اثر انرژي تراكم:

انرژي تراكم خاك بعنوان يكي از عواملي كه مستقيماً در فرآيند تراكم داراي تاثير مي باشد شناخته شده است. اين انرژي معمولاً بر حسب كار انجام شده در واحد حجم خاك با يكي از واحدهاي ژول بر متر مكعب يا پوند- فوت در فوت مكعب سنجيده مي شود هر پوند- فوت در فوت مكعب نيز معادل 88/47 ژول در متر مكعب مي باشد در عمل اين انرژي برابر با تعداد عبور غلتكي با وزن و ابعاد معين بر روي حجم معيني از خاك مي باشد.

تحقيقات انجام شده نشان داده است كه با افزايش انرژي تراكمي وزن واحد حجم خشك خاك افزايش و رطوبت بهينه آن كاهش مي يابد به گونه اي كه منحني تراكم در روي محورهاي مختصات به سمت بالا و چپ كشيده مي شود. شكل اثر انرژي هاي مختلف تراكمي اعمال شده بر روي حجم معيني از يك خاك متراكم شده در قالب 6 اينچي آزمايش C.B.R را نشان مي دهد انرژي هاي مختلف اعمال شده بر حسب تعداد ضربات يك چكش 10 پوندي كه از ارتفاع 8 اينچ سقوط كرده است بيان شده و خاك داراي وزن مخصوص 72/2 مي باشد.

هر چه مقدار انرژي تراكمي افزايش يابد درصد رطوبت بهينه براي رسيدن به حداكثر تراكم كاهش مي يابد اما عملاً تحت هيچ شرايطي نمی توان همه هواي موجود بين ذرات خاك را با متراكم نمودن آن خارج ساخت بطوريكه توده خاكم تحت رطوبت موجود اشباع گردد لذا منحني نمايش دهنده تغييرات تغييرات دانسيته خشك بر حسب درصد رطوبت همواره در زير منحني تغييرات دانسيته خشك بر حسب رطوبت اشباع مي باشد. اين منحني در حالتي كه در آن حجم هواي موجود در توده خاك به صفر برسد منحني حداكثر دانسيته قابل حصول از نظر تئوريك را نشان مي دهد. اين منحني براي رطوبت 100 درصد اشباع است مي توان نظير اين منحني را براي 90 درصد و 80 درصد اشباع نيز بدست آورد همانطور كه گفته شد منحني تغييرات دانسيته خشك بر حسب درصد رطوبت تراكم معمولاً در زير منحني 100 درصد اشباع قرار داشته و حداكثر مي تواند مماس بر آن قرار گيرد. عملاً منحني هاي تراكم به فاصله اي از منحني 100 درصد اشباع واقع مي شوند البته اين منحني ها مي توانند منحني 90 يا 80 درصد اشباع را قطع كرده يا بر آنها مماس گردند منحني تراكم صد درصد اشباع را منحني صفر درصد هوا ناميده و با علامت اختصاري ZAV نشان مي دهند.

ج) اثر نوع خاك:

همانطور كه اشاره شد نوع خاك (دانه بندي، ميزان ذرات رس، نوع كاني رس و...) از جمله عوامل موثر بر كيفيت و منحني تراكم خاك مي باشد بر اساس نتايج تحقيقات انجام شده هر چه بافت خاك درشت تر باشد ماكزيمم وزن واحد حجم خشك بيشتر و رطوبت بهينه آن كمتر شده و منحني تراكم به سمت بالا و سمت چپ محورهاي مختصات مربوطه تغيير مكان مي دهد. بالعكس با ريز بافت تر شدن خاك و افزايش ميزان ذرات رس و به ويژه با افزايش خميرائي خاك، وزن واحد حجم خشك كاهش يافته و رطوبت بهينه آن بيشتر مي گردد بطوريكه منحني تراكم در روي محورهاي مختصات به سمت پائين و راست كشيده مي شود. با اين توصيف مي توان انتظار داشت كه منحني تراكم خاكهاي حاوي مقدار قابل توجه ذرات درشت دانه (خاكهاي شن وماسه اي) در سمت چپ و بالاي سيستم محورهاي مختصات و بالعكس منحني تراكم خاكهاي ريز دانه در سمت راست و قسمت پائين سيستم مذكور واقع شود.

اين روند توسط محققين متعددي به اثبات رسيده . موقعيت منحني تراكم خاكهاي مختلف روي دياگرام بسيار متفاوت و كاملاٌ متمايز از يكديگر مي باشد .

آزمايشهاي تراكم خاك:

براي تعيين مشخصات تراكمي خاك (رطوبت بهينه و دانسيته خشك ماكزيمم) تاكنون روشهاي مختلفي ابداع گرديده كه اساس آنها بر پيشنهاد اوليه پراكتور استوار مي باشد. آزمايش پيشنهادي پراكتور بعد ها توسط سازمانهايي مانند AASHTO و ASTM به صورت استاندارد در آمد كه هم اكنون نيز مبناي كنترل عمليات خاكي در بسياري از كار گاههاي ساختماني و آزمايشگاهها مي باشد. در حال حاضر سه روش براي كنترل مشخصات تراكمي خاكها مورد استفاده مي باشند كه دو روش آن تحت عنوان روش استاندارد اصلاح شده بعنوان آزمايشهاي استاندارد شده مورد عمل مي باشند. روش ديگر تحت عنوان تراكم كوچك مقياس هاروارد عموماً در كارهاي تحقيقاتي مورد استفاده مي باشد ذيلاً شرح هر يك از اين روشها ارائه مي گردد.

آزمايش استاندارد پراكتور:

منظور از اين آزمايش تعيين رابطه بين درصد رطوبت و دانسيته خشك يا نسبت تخلخل يك نمونه خاك است كه تحت روش استانداردي متراكم شده و هدف آن تعيين رطوبت بهينه و حداكثر دانسيته خشك قابل حصول مي باشد. وسيله اي كه براي اين آزمايش به كار مي رود مركب از يك قالب استوانه اي از جنس فولاد ضد زنگ يا برنج است كه قطر داخلي آن 4 اينچ و ارتفاع آن 54/4 اينچ مي باشد، حجم داخلي اين قالب فوت مكعب (تقريباً يك ليتر) است اين قالب بر روي پايه اي فلزي از جنس خود قالب استوار مي شود كه در ضمن كف قالب را نيز تشكيل مي دهد همچنين اين وسيله داراي يك قسمت گردني به قطري معادل قطر قالب و با ارتفاع 2 اينچ است كه بر روي قالب سوار مي شود و ارتفاع آن را افزايش مي دهد اين قسمت گردني به راحتي قابل برداشتن و نصب است ومنظور از آن حفظ قسمت بالائي خاك متراكم شده در قالب در حين تراكم آخرين لايه مي باشد.

عمل تراكم توسط چكش يا كوبنده استانداردي انجام مي پذيرد كه قطر سر آن 2 اينچ و وزن آن 495/2 كيلوگرم ( 5/5 پوند) است اين كوبنده در داخل يك غلاف طوري نصب شده كه ارتفاع سقوط آزاد آن دقيقاً معادل با يك فوت (3048/0 متر) باشد. اين نوع كوبنده با دست كار مي كند اما انواع الكترومكانيكي آن نيز ساخته شده است. عمل تراكم خاك در سه لايه و با 25 ضربه كوبنده در هر لايه صورت مي گيرد. البته واضح است كه اين مقدار انرژي تراكمي استاندارد را نشان مي دهد و به منظور مقايسه مي توان مقدار انرژي را با تغيير تعداد ضربه يا لايه ها تغيير داد.

آزمايش استاندارد اصلاح شده (پراكتور اصلاح شده):

اين آزمايش شبيه آزمايش استاندارد پراكتور است با اين تفاوت كه مقدار انرژي تراكمي در واحد حجم بيشتر شده است يعني وزن كوبنده از 5/5 پوند به 10 پوند (736/4 كيلوگرم) و ارتفاع سقوط از 1 فوت به 5/1 فوت (7/45 سانتيمتر) افزايش يافته و تعداد لايه ها نيز از 3 به 5 افزايش يافته است.

اين آزمايش صرفاً براي ايجاد شرايط تراكمي كه توسط بعضي از غلتك هاي خيلي سنگين در راه سازي وزير سازي فرودگاهها حاصل مي شود طي جنگ جهاني دوم توسط هيئت مهندسي ارتش آمريكا طرح شده است.

چنانچه براي يك خاك معين منحني هاي تراكم با دو روش استاندارد و استاندارد اصلاح شده تعيين و ترسيم شوند بر اساس مطالبي كه ارائه شد دو منحني بر يكديگر منطبق نبوده و منحني تراكم اصلاح شده در موقعيت بالاتر و در سمت چپ منحني تراكم ساده قرار مي گيرد.

آزمايش تراكم كوچك مقياس هاروارد:

از آنجا كه استفاده از قالبهاي استاندارد يا استاندارد اصلاح شده مستلزم صرف مقدار زيادي خاك براي هر آزمايش مي باشد به منظور صرفه جوئي در ميزان خاك مصرفي و نيز به منظور راحت تر شدن عمليات آزمايشگاهي آزمايش تراكم كوچك مقياس در سال 1949 توسط S.D.WILSON ابداع شد سپس اين روش در دانشگاه هاروارد به صورت يك آزمايش استاندارد مورد استفاده قرار گرفت و به همين نام نيز مشهور گرديد. اين آزمايش در قالبي انجام مي پذيرد كه قطر داخلي آن 1 اينچ و ارتفاع آن 816/2 اينچ مي باشد و طوري طراحي شده كه حجم داخلي آن فوت مكعب است بنابراين اگر وزن محتويات قالب بر حسب گرم تعيين شود اين مقدار از نظر عددي برابر با وزن واحد حجم محتويات قالب بر حسب پوند در فوت مكعب نيز خواهد بود كه اين امر محاسبات را ساده تر مي سازد.

ويژگي فوق يكي از مزاياي اين آزمايش مي باشد. اين قالب نيز داراي يك پايه و يك قسمت گردني است. عمل تراكم ممكن است كه با يك كوبنده كوچك شبيه به كوبنده آزمايش استاندارد يا كوبنده اي كه داراي فنر كاليبره شده است انجام پذيرد. در نوع اخير فنر طوري تنظيم مي شود كه فشار وارد بر آن مقدار معيني خواهد بود و لذا مقدار انرژي تراكمي قابل كنترل است بدين ترتيب طول فنر يا خاصيت ارتجاعي آن را طوري مي توان انتخاب نمود كه به محض رسيدن فشار به مقدار مورد نظر فنر شروع به باز شدن كند و لذا فشار در اين لحظه حذف شود. همراه با اين دستگاه وسيله مخصوصي نيز براي خارج ساختن نمونه از داخل قالب بكار برده مي شود در اين آزمايش مي توان نمونه خاك خارج شده از قالب را به طور كامل براي تعيين درصد رطوبت به كار برد. مزاياي اين آزمايش به شرح زير است:

الف: چون حجم قالب بسيار كم است در نتيجه مقدار خيلي كمي از خاك ( در حدود 100 گرم) براي هر آزمايش مورد نياز است لذا از تلفات خاك جلوگيري مي شود.

ب:‌ به علت كوچك بودن قالب و حجم خاك داخل آن مقدار انرژي لازم براي تراكم آن كم بوده و در نتيجه در ميزان كار و زمان آزمايش صرفه جوئي مي شود.

ج: از نمونه خاك خارج شده از قالب بيش از يك بار استفاده نمي شود و لذا نتايج آزمايش دقيق تر است اين در حالي است كه در آزمايش تراكم استاندارد براي صرفه جوئي در مقدار خاك بايد از خاك خارج شده از قالب مجدداً استفاده نمود.

د: براي تعيين رطوبت كل نمونه در داخل كوره الكتريكي قرار داده مي شود و لذا دقت كار بيشتر است.

ه: استفاده از كوبنده فنري، تراكم مخصوصي ايجاد مي كند كه به تراكم از نوع ورزدهي شبيه است و اين عمل كاملاً شبيه به عمل غلتكهاي پاچه بزي به هنگام كار در صحرا است حال آنكه در آزمايش استاندارد عمل تراكم ديناميكي بوده و شباهت چنداني به عمل غلتك در صحرا ندارد.

و: وزن خاك موجود در قالب بر حسب گرم از نظر عددي معادل با وزن واحد حجم خاك متراكم شده بر حسب پوند در فوت مكعب است.

همچنين معايب اين آزمايش به شرح زير مي باشند:

الف: اين آزمايش هنوز به صورت استاندارد مشخص نشده است ، لذا استفاده از آن در كنترل عمليات تراكم در صحرا با محدوديت مواجه خواهد بود.

ب: به علت كوچكي قالب در اين آزمايش ذرات خاك بزرگتر از 2 ميليمتر (الك شماره 10) را بايد كنار گذاشت در حاليكه در آزمايش تراكم استاندارد ذرات خيلي درشت تر را نيز مي توان در مخلوط خاك به كار برد (معمولاً براي آزمايش تراكم استاندارد خاك مورد نظر از الك شماره 4 عبور داده مي شود)

تعيين رطوبت بهينه:

در هر آزمايش تراكم مقدار معيني از نمونه خاك انتخاب و پس از تعيين تقريبي درصد رطوبت مقداري آب به آن اضافه مي شود (در حدود 2 درصد) سپس خاك در قالب كوبيده شده و وزن نمونه و درصد رطوبت آن تعيين مي گردد، در مراحل بعدي مقدار رطوبت خاك را كمي افزايش داده و پس از تراكم مجدداً وزن خاك موجود در قالب و درصد رطوبت آن تعيين مي شود. عمل افزايش مقدار رطوبت و تراكم آن تا جائي ادامه مي يابد كه وزن خاك مرطوب موجود در قالب شروع به كاهش نمايد در اين مرحله آزمايش قطع و منحني تغييرات رطوبت خاك متراكم شده بر حسب دانسيته خشك آن براي هر مرحله از آزمايش تعيين مي گردد. درصد رطوبت با تهيه نمونه اي از خاك موجود در قالب و تعيين وزن آن در حالت هاي خشك و مرطوب و تقسيم اختلاف اين دو وزن بر وزن خشك خاك بدست مي آيد. پس از تعيين و براي هر مرحله تغييرات بر روي محور طولها و تغييرات در محور عرضها برده شده و منحني تغييرات رسم مي شود اين منحني معمولاً داراي يك نقطه ماكزيمم است كه طول آن درصد رطوبت بهينه و عرض آن ماكزيمم دانسيته خشك خاك را تحت نيروي تراكمي مفروض بدست مي دهد.

گاهي اوقات به منظور مقايسه منحني حاصله با منحني مخصوص 100 درصد اشباع منحني تغييرات درصد رطوبت بر حسب ماكزيمم دانسيته قابل حصول تئوريك (وقتي كه حجم هواي خاك به صفر برسد) نيز رسم مي شود همانطور كه قبلاً گفته شد اين منحني براي حالتي است كه تراكم به گونه اي صورت گيرد تا همه هواي موجود در خاك خارج شده و خاك تحت رطوبت موجود به حالت اشباع برسد.

خواص خاك متراكم شده:

قبلا گفته شد كه خاكهاي غير چسبنده را مي توان در حالت خشك يا مستغرق با استفاده از ارتعاش متراكم نمود. خواص خاكهاي غير چسبنده متراكم در صورت مساوي بودن دانسيته آنها چه عمل تراكم به طور طبيعي انجام پذيرفته باشد و چه توسط انسان اصولا يكسان است. خاكريزهاي متشكل از ماسه خالص را مي توان با عمل استغراق و ارتعاش همراه با هم متراكم نمود. در این عمل مي توان از دستگاههاي مرتعش (غلتك يا كوبنده ويبره) استفاده كرد. شن و ماسه خشك را معمولا با غلتك هاي ارتعاشي لايه به لايه متراكم مي كنند اما در مورد ماسه متوسط و ريز مرطوب همانطور كه قبلا گفته شد به علت وجود نيروي موئينگي (كاپيلاريته) انجام تراكم تنها به وسيله ارتعاش مشكل و احتمالا غير ممكن است لذا در اين مورد از عمل ويبره فلوتاسيون يا ارتعاش و استغراق همزمان استفاده مي شود.

خاكهاي ريز دانه شامل سيلت ريز و رس معمولا در صحرا در لايه هاي نازك و به وسيله فشار حاصل از غلتكهاي پاچه بزي كه به هنگام كار توسط زائده ها روي استوانه غلتك فشار زيادي به خاك وارد مي سازد انجام مي شود. عمل اين زائده ها تقريبا مشابه كوبنده در آزمايش تراكم است معمولا در صحرا عمل تراكم لايه هاي خاك فقط در يك جهت صورت مي گيرد اين امر باعث مي شود كه ذرات نازك و پولك مانند رس به نحوي آرايش يابند كه سطح پهن ذرات به موازات يكديگر قرار گيرد و ساختماني كم و بيش پراكنده حاصل شود.

تغيير آرايش ذرات خاكهاي رسي (ذرات پولكي) در اثر تراكم توسط محققين مختلف مورد مطالعه قرار گرفته است اين مطالعات نشان داده اند كه با افزايش انرژي تراكم و نيز با افزايش رطوبت تراكم آرايش غير منظم (فلوكوله) ذرات تدريجاً به آرايش موازي (پراكنده)تبديل مي گردد. اين تغيير آرايش مي تواند در خصوصيات مهندسي خاك متراكم شده تاثير قابل ملاحظه اي داشته باشد.

در روي منحني رطوبت- دانسيته خشك بجز براي نقطه ماكزيمم منحني بازاء هر مقدار مفروض دانسيته خشك دو مقدار درصد رطوبت وجود دارد كه يكي از آنها داراي رطوبتي بيش از بهينه و ديگري كمتر از آن مي باشد. معمولا چنانچه دو نمونه از يك خاك يكي با رطوبت بيشتر از بهينه و ديگري كمتر از بهينه به ميزان معيني متراكم شوند به علت وجود لايه ضخيم تر آب در اطراف ذرات خاك در نمونه اي كه با رطوبت بيشتر متراكم شده است ذرات اين خاك طوري آرايش مي يابند كه سطح پهن آنها عمود بر جهت اعمال فشار باشد يعني ساختمان خاك بيشتر موازي (پراكنده) براي يك مقدار معين دانسيته خشك درصد رطوبت بيشتر از بهينه را جهت مرطوب و درصد رطوبت كمتر از بهينه را جهت خشك مي نامند.

نفوذ پذيري خاكهاي رسي تابع نحوه تراكم آنها است. چنانچه خاكي براي رسيدن به ميزان معيني دانسيته خشك در جهت خشك تراكم يابد به علت آنكه ساختمان آن بيشتر حالت فلوكوله دارد نفوذ پذيري آن بيش از وقتي است كه خاك در جهت مرطوب تراكم يافته باشد، زيرا در حالت اخير ساختمان خاك بيشتر بصورت پراكنده بوده و لذا نفوذ پذيري آن كمتر است. اين بدان علت است كه در ساختمان فلوكوله خاك حجم فضاي خالي بين ذرات بيشتر و لذا نفوذ پذيري آن نيز بيشتر از ساختمان پراكنده مي باشد.

به طور كلي تورم خاك هاي رسي متراكم شده بر اثر ضخيم شدن لايه آب اطراف ذرات رس ايجاد مي شود. خاك رسي كه در جهت خشك نسبت به رطوبت بهينه متراكم شده باشد نسبت به رس متراكم شده در جهت مرطوب به هنگام مجاورت با آب مقدار بيشتري آب جذب نموده و لذا بيشتر منبسط مي شود بنابراين براي جلوگيري از تورم يا انبساط خاكي كه در جهت خشك متراكم شده نسبت به خاك متراكم شده در جهت مرطوب انرژي بيشتري مورد نياز مي باشد.

خاك رسي متراكم شده در جهت خشك داراي مقاومت برشي بيش از خاك متراكم شده در جهت مرطوب است، اين بدان علت مي باشد كه در خاك متراكم شده در جهت خشك مقدار رطوبت موجود در اطراف ذرات كمتر بوده و لذا ذرات با شدت بيشتري يكديگر را جذب مي نمايند و مقاومت برشي آنها بيشتر است.

الف) كوبنده هاي دستي:

مطالب مشابه :

تراکم خاک

تراکم خاک

تراکم چیست؟

تراکم چیست؟

تراکم چیست؟

تراکم چیست؟

تراکم چیست؟

منظور از تراکم و سطح زیر بنا (سطح اشغال) مجاز در ساختمان چیست؟

تراكم چيست؟

تراکم خاک