آزمایش تحکیم یک بعدی مکانیک خاک جهت تعیین مشخصه های مؤثر در محاسبه فشار پیش تحکیمی، تخمین سرعت نشست تحکیمی، پیش بینی نشست و تعیین میزان آن در سازه های متکی بر خاک های چسبنده اشباع صورت می پذیرد. هنگامی که خاک رس اشباع تحت بارگذاری قرار می گیرد، در ابتدای امر، تمام بارگذاری توسط آب حفره ای تحمل می شود که به آن افزایش فشار آب حفره ای می گویند. در صورتی که زهکشی انجام شود، به مرور زمان حجم خاک کاهش می یابد که به آن تحکیم گفته می شود و باعث نشست خاک می گردد. لازم به ذکر است که نرخ تغییر حجم نمونه تحت بارگذاری به میزان نفوذپذیری نمونه خاک وابسته است. بر همین اساس آزمایش تحکیم یک بعدی مکانیک خاک عمدتاً در خاک های با نفوذپذیری کم مانند خاک رس انجام می گردد.

شرح کلی آزمایش تحکیم یک بعدی

آزمایش تحکیم یک بعدی برای برآورد مشخصه های تحکیم یک بعدی ترزاقی مورد استفاده قرار می گیرد. به بیان دیگر، این آزمایش روشی برای محاسبه میزان نشست خاک و سرعت تحکیم خاک در شرایط یک بعدی تحت اثر بارگذاری تنش کنترل می باشد. در این آزمایش یک نمونه استوانه ای خاک با قطر تقریبی ٧ سانتی متر در شرایطی که به وسیله حلقه فلزی به صورت جانبی محدود شده است، تحت اثر فشار محوری قرار می گیرد. وجود حلقه فلزی دور نمونه خاک مانع از ایجاد تغییر شکل های جانبی می گردد. سربار قائم فشاری به صورت مرحله ای به نمونه اعمال می شود. در هر مرحله از بارگذاری ضمن اندازه گیری تغییرات ارتفاع (میزان نشست یا تورم نمونه خاک)، به نمونه امکان تحکیم (خارج شدن آب حفره ای) داده می شود. مقادیر اندازه گیری شده برای محاسبه رابطه تخلخل – تنش مؤثر و همچنین سرعت تحکیم خاک مورد استفاده قرار می گیرند.

ضرورت تعیین میزان نشست تحکیمی خاک ها از طریق انجام آزمایش تحکیم یک بعدی

همان طور که اشاره شد، یکی از نتایج مهم آزمایش تحکیم یک بعدی، تعیین سرعت و میزان نشست خاک های چسبنده و به تبع آن سازه های متکی بر آنها می باشد. نشست ناشی از تراکم و فشردگی خاک که به مرور زمان ایجاد می شود، می تواند خسارت های قابل توجهی را بر سازه های عمرانی ساخته شده بر روی این خاک ها وارد نماید. فشردگی یا تحکیم خاک در اثر عوامل مختلف و به شکل های متفاوت نظیر تغییر آرایش دانه های جامد خاک و خارج شدن هوا و آب موجود در منافذ خاک به وجود می آید. البته در فرآیند تحکیم یک بعدی خاک، عوامل مختلفی ممکن است مشارکت داشته باشند. به عنوان مثال، هنگامی که یک لایه خاک اشباع تحت تأثیر افزایش تنش قرار گیرد، فشار آب منفذی به طور ناگهانی افزایش می یابد. در خاک های ماسه ای که نفوذپذیری زیادی دارند، زهکشی ناشی از افزایش فشار آب منفذی سریع تر صورت می گیرد. زهکشی و خروج آب منفذی همراه با کاهش حجم توده یا تراکم خاک و ایجاد نشست همراه است. بدین سان، به این نوع نشست خاک که ناشی از رانده شدن آب منفذی است، نشست تحکیمی گفته می شود. لازم به ذکر است که به علت زهکشی سریع آب منفذی در خاک های ماسه ای، نشست تحکیم و نشست آنی در آنها به طور همزمان رخ می دهد. اما در خاک های ریزدانه و چسبنده همچون خاک رس، نشست تحکیمی در طی زمان رخ می دهد. از این رو، می توان میان دو نشست آنی و نشست تحکیمی میان این دو خاک تمایز قائل شد. تعیین سرعت نشست خاک تبیین کننده مدت زمان لازم برای تحقق میزان نشست پیش بینی شده برای خاک های اشباع می باشد.

هدف انجام آزمایش تحکیم یک بعدی خاک

از آزمایش تحکیم یک بعدی خاک برای تعیین سرعت میزان نشست خاک در اثر تراکم و فشردگی استفاده می شود. به عبارتی با انجام آزمایش تحکیم مکانیک خاک می توان به دو هدف دست پیدا کرد. به طوری که با انجام آزمایش تحکیم می توان با قرار دادن یک بار ثابت بر روی خاک، تغییر شکل آن را با گذشت زمان اندازه گیری نمود. این اندازه گیری در آزمایش تحکیم یک بعدی خاک تا جایی ادامه می یابد که خاک نمونه آزمایش تحت بار وارده، تغییر شکل ندهد. از طرفی با انجام آزمایش تحکیم یک بعدی مکانیک خاک می توان بارهای مختلف را بر روی خاک اعمال نموده و تغییر شکل های نهایی خاک نمونه آزمایش را در پایان هر مرحله اندازه گیری نمود تا در نهایت رابطه ای میان نشست و بارهای مختلف مشخص گردد. به طور خلاصه موارد کاربرد آزمایش تحکیم یک بعدی خاک را می توان به صورت زیر برشمرد:

1. تعیین سرعت نشست
2. تعیین مقدار نشست
3. تعیین فشار پیش تحکیمی
4. تعیین زمان تحکیم کامل
5. بررسی اثرات اشباع جزئی روی نتایج آزمون
6. به دست آوردن ضریب تحکیم با استفاده از نظریه تحکیم ترزاقی

تجهیزات مورد نیاز جهت انجام آزمایش تحکیم یک بعدی خاک

تجهیزات مورد نیاز جهت انجام آزمایش تحکیم یک بعدی خاک شامل موارد ذیل می باشد:

۱) وسیله بارگذاری آزمایش تحکیم یک بعدی خاک

وسیله ای مناسب جهت اعمال بارهای قائم یا تنش های کل بر نمونه خاک در آزمایش تحکیم یک بعدی مکانیک خاک، وسیله ای است که قادر به نگهداری بارهای معین برای فواصل زمانی طولانی و با دقت نیم درصد بار اعمال شده، باشد و افزایش بار را با سرعت و بدون ضربه قابل توجه، ‌اعمال نماید.

۲) تحکیم سنج

تحکیم سنج در آزمایش تحکیم یک بعدی خاک، وسیله ای برای نگهداری نمونه در حلقه به همراه صفحات متخلخل طرفین نمونه است. از طرفی تحکیم سنج لازم است دارای تجهیزاتی برای غرقاب نمودن نمونه، انتقال بار عمودی متحد المرکز به صفحات متخلخل و اندازه گیری تغییر ارتفاع نمونه باشد.

۳) حلقه آزمایش

حلقه آزمایش تحکیم یک بعدی مکانیک خاک می تواند ثابت یا متحرک باشد و به وسیله اصطکاک اطراف نمونه نگهداری شود. سختی حلقه لازم است به نحوی باشد که تحت شرایط تنش هیدرواستاتیک موجود در نمونه و تحت اثر بزرگترین بار اعمال شده، میزان تغییر قطر حلقه از سه صدم درصد قطر حلقه تجاوز ننماید. همچنین حلقه لازم است از ماده ای ساخته شود که در مجاورت نمونه خاک مورد آزمایش تحکیم، در آن خوردگی ایجاد نشود. سطح داخلی حلقه نیز لازم است کاملاً صیقلی بوده و به مواد کاهش دهنده اصطکاک آغشته گردد.

۴) صفحات متخلخل آزمایش تحکیم یک بعدی خاک

در این آزمایش برای جلوگیری از ورود ذرات خاک به داخل منافذ صفحات متخلخل می بایست دانه های تشکیل شده صفحات متخلخل به اندازه کافی ریز باشند. همچنین می توان در صورت لزوم برای جلوگیری از ورود ذرات به داخل صفحات، از کاغذ صافی استفاده نمود. لذا نفوذپذیری صفحات و کاغذ صافی می بایست مقداری بیشتر از نفوذپذیری نمونه خاک تحت آزمایش باشد. قطر صفحه متخلخل بالایی، عمدتاً لازم است اندازه دو دهم الی نیم میلی متر کمتر از قطر داخلی حلقه مورد استفاده در این آزمایش باشد. همچنین در صورت استفاده از حلقه های متحرک، قطر صفحه متخلخل پایینی ضروری است برابر با قطر صفحه متخلخل بالایی باشد.

۵) وسیله تراش نمونه خاک

با هدف به حداقل رساندن دست خوردگی و همچنین جهت تراشیدن نمونه به اندازه قطر داخلی حلقه تحکیم سنج، ممکن است از تراش با صفحه گردان یا حلقه برش استوانه ای استفاده گردد. به طوری که برش دهنده ممکن است دارای لبه تیز بوده و دارای سطح کاملاً صیقلی باشد.

۶) دستگاه آزمایش تحکیم یک بعدی خاک

مطابق با استاندارد ایران برای آزمایش تحکیم یک بعدی خاک، دستگاه تحکیم خاک یا ادئومتری خاک جهت تعیین سرعت و مقدار تراکم یا فشردگی خاک و ویژگی های نمونه دست نخورده خاک در یک مقطع زمانی معین مورد استفاده قرار می گیرد. سایر تجهیزات مورد نیاز برای انجام آزمایش تحکیم خاک شامل چکش و وسایل کنترل ارتفاع سقوط چکش، اسپری آب پاش، خشک کننده و … می باشد.

روش انجام آزمایش تحکیم یک بعدی خاک

‌آزمایش تحکیم یک بعدی مکانیک خاک عمدتاً بر روی نمونه های دست نخورده خاک های ریزدانه آبرفتی انجام می شود. ‌همچنین این آزمایش برای نمونه های متراکم شده و نمونه های دست نخورده که با فرایندهای دیگری مثل هوازدگی یا با تغییر ماهیت شیمیایی تشکیل شده اند نیز قابل اجرا است. برای بررسی نشست تحکیم و محاسبه میزان و سرعت آزمایش تحکیم یک بعدی خاک نیاز است تا از وجود لایه رسی، ضخامت لایه ها و تخلخل اطلاع داشت. برای کسب این اطلاعات، گمانه هایی در منطقه مورد بررسی حفر و نمونه هایی از گمانه های حفر شده اخذ می شود. به طور کلی آزمایش تحکیم مکانیک خاک را می توان به دو روش انجام داد. به طوری که در روش نخست با ثابت ماندن مقدار بار در مدت ۲۴ ساعت یا مضربی از آن زمان، آزمایش تحکیم یک بعدی ‌انجام می شود اما در روش دوم، قرائت های تغییر شکل و زمان برای هر مرحله از افزایش های بار اعمال شده، مورد نیاز است. لازم به ذکر است که افزایش های بار در مراحل بعدی، پس از رسیدن به ۱۰۰ درصد تحکیم اولیه بار قبل، اعمال می گردد.

به طور کلی برای انجام آزمایش تحکیم مکانیک خاک، حلقه به همراه نمونه، صفحات متخلخل، کاغذهای صافی (درصورت نیاز) و تحکیم سنج، بر روی هم سوار می شوند. سپس تحکیم سنج، درون وسیله بارگذاری قرار داده شده و بار اعمال می گردد. بلافاصله پس از اعمال بار، ‌شاخص تغییر شکل تنظیم و قرائت اولیه در شروع آزمایش تحکیم یادداشت می شود. همچنین در صورت لزوم برای جلوگیری از تورم نمونه در آزمایش تحکیم خاک، بار اعمالی افزایش داده شده و در حالت عکس اگر بار اعمالی سبب تحکیم قابل توجهی در نمونه گردد، مقدار بار کاهش داده می شود. از طرفی، در صورتی که آزمایش تحکیم مکانیک خاک بر روی نمونه دست نخورده انجام شود، ‌بلافاصله پس از اعمال بار، نمونه غرقاب می شود. همچنین در مورد رس های پیش تحکیم یافته، ممکن است با اعمال چرخه باربرداری و بارگذاری مجدد پس از فشار پیش تحکیمی تعریف شده، ارزیابی بهتری از مشخصه های فشردگی مجدد به دست آورد.

نتایج آزمایش تحکیم یک بعدی خاک

‌آزمایش تحکیم خاک در واقع آزمایشی جهت تعیین مشخصه های تحکیم یک بعدی ترزاقی است که از حل همزمان دو معادله تعادل و پیوستگی به صورت تک بعدی حاصل شده است. در مدل سازی رفتاری مصالح برخی مدل های پلاستیک نظیر مدل حالت حدی مشخصه هایی وجود دارد که با آزمایش تحکیم یک بعدی مکانیک خاک تعیین می شوند. به طوری که در تعیین نشست تحکیمی و درجه تحکیم خاک و همچنین طراحی چاه های زهکشی و تعیین میزان فشار آب حفره ای حین ساخت در هسته سدهای خاکی از نتایج آزمایش تحکیم یک بعدی استفاده می شود.

به طور کلی مهمترین مشخصه هایی که در آزمایش تحکیم خاک به دست می آید، میزان تراکم پذیری نمونه خاک می باشد. از سایر نتایج آزمایش تحکیم مکانیک خاک می توان به تعیین مقدار و سرعت نشست خاک و تعیین فشار پیش تحکیمی اشاره نمود.

یکی دیگر از نتایج آزمایش تحکیم یک بعدی خاک، تعیین ضریب تحکیم می باشد. به طوری که در آزمایش تحکیم مکانیک خاک ‌برای محاسبه ضریب تحکیم، ‌از نظریه تحکیم قراردادی بر اساس معادله تحکیم ترزاقی استفاده می شود. در معادله تحکیم ترزاقی، فرضیات لحاظ شده به شرح ذیل می باشند:

1. خاک اشباع بوده و از نظر خواص همگن است.
2. جریان آب منفذی در جهت قائم می باشد.
3. رابطه تنش و کرنش با افزایش بار، خطی می باشد.
4. نسبت نفوذپذیری خاک به تراکم پذیری ناشی از افزایش بار، ثابت است.
5. قانون دارسی برای جریان عبوری از میان منفذها، قابل استفاده می باشد.

نتایج این آزمایش معمولاً به صورت نمودارهای نسبت تخلخل به تنش رسم شده و از آن مشخصه هایی مانند ضریب تغییر حجم، شاخص تراکم، شاخص بارگذاری مجدد و شاخص تورم به دست می آیند که در پیش بینی نشست حاصل از تحکیم کاربرد دارند.

از نتایج آزمایش تحکیم یک بعدی معمولاً برای تحلیل نشست در خاک های ریزدانه و تراکم پذیر که در معرض پایین رفتن سطح آب زیرزمینی (هم هنگام ساخت و هم در شرایط بلند مدت) قرار دارند، استفاده می شود. در خاک های ماسه ای و سفت تر معمولاً نشست تحکیمی وجود ندارد و بررسی نمی شود. زیرا نشست آنی و نشست تحکیمی به طور همزمان به وقع می پیوندد و تمیز مقدار این دو از هم ممکن نمی باشد.