انجمن علمی زمین شناسی دانشگاه تهران

الف – مقدمه

اصطلاح پلاستيسیته در مورد سيلتها و رس‌ها بكار مي‌رود و بيانگر قابليت لوله شدن و شكل پذيري بدون خرد شدن مي‌باشد. حدود آتربرگ به عنوان درصد رطوبت متناظر با شرايط رفتاري متفاوت سيلتها و رس‌ها تعريف شده است. اگر چه در اصل، شش محدوده توسط آلبرت آتربرگ (1911) تعريف گرديده است، در مهندسی ژئوتكنيك اصطلاح حدود آتربرگ تنها به حد رواني (LL) ، حد خميري (PL) و حد انقباض (SL) كه به شرح ذيل تعريف گرديده‌اند اطلاق مي‌گردد.

þ حد رواني : درصد رطوبت متناظر با تغيير رفتار بين حالتهاي روان و خميري سيلت يا رس مي‌باشد. حد رواني به طور قراردادي به عنوان درصد رطوبتي كه در آن يك توده شيار داده شده توسط شياركشي با ابعاد استاندارد،‌ درون دستگاه حد رواني استاندارد در اثر 25 ضربه در طولي معادل 7/12 ميليمتر (5/0 اينچ) به هم برسد تعريف گرديده است(ASTM D 4318-98،2000).

þ حد خميري : درصد رطوبت متناظر با تغيير رفتار بين حالتهاي خميري و نيمه جامد سيلت يا رس مي‌باشد. حد خميري به صورت قراردادي به عنوان درصد رطوبتي تعريف میشود كه در آن يك نمونه سيلت يا رس بهنگام مالش دادن جهت ايجاد يك فتیله به قطر 2/3 ميليمتر ( اينچ) شروع به تكه تكه شدن مي‌كند (ASTM D 4318-98،2000).

þ حد انقباض : درصد رطوبتی است که در آن تبديل حالتهاي نيمه جامد به جامد يك سيلت يا رس صورت میگیرد. حد انقباض را همچنين ميتوان بعنوان درصد رطوبتي كه كاهش بيشتر از آن درصد رطوبت منجر به كاهش حجم توده خاك نشود تعريف نمودD 4943-95،2000) يا (ASTM D427-98. حد انقباض به دليل مشكلات آزمايش و كاربرد محدود اطلاعات حاصله، عملاً‌ به ندرت انجام مي‌شود.

چون حد رواني و حد خميري معمولترين حدود آتربرگ مورد استفاده مي‌باشند، بحث ذيل محدود به روش آزمايش و محاسبات اين دو آزمايش مي‌‌باشد.

ب- روش آزمايش

گام اول در آزمایشهای حد خميري و در حد رواني، آماده‌سازي نمونه بشرح زير مي‌باشد.

1. يك قسمت از خاك مورد استفاده جهت آزمایشهای دانه‌بندي و هيدرومتري مي‌‌بايست براي حدود آتربرگ كنار گذاشته شود. سه حالت براي آزمايش خاك محتمل است:

a. خاك غيرپلاستيك (NP) : چنانچه خاك غير پلاستيك باشد، ‌آزمایشهای حدود آتربرگ انجام نمي‌گيرد. در بسياري موارد، غير پلاستيك بودن خاك از ظاهر آن مشهود است چون نمي‌توان آنرا شكل داد و يا فتیله نمود. اگر چه احتمال اينكه بدليل خشكي و يا شكنندگي، بعضي خاكها را اشتباهاً غير پلاستيك فرض نمود وجود دارد. به چنين خاكهائي جهت اطمينان از اينكه قابليت فتیله شدن و يا شكل‌پذيري در هيچ درصد رطوبتي را ندارد، مي‌بايست آب اضافه نمود. همچنين ممكن است پس از اتمام آزمایشهای حدود آتربرگ، نتايج نهائي نشان دهنده اين باشد كه حد خميري مساوي و يا بزرگتر از حد رواني است. چنين خاكي نيز مي‌بايست به عنوان غير پلاستيك طبقه‌بندي گردد.

b. خاك حاوي درصد بالاي ريزدانه : اين روش در صورتيكه نتايج تحليل دانه‌بندي حاكي از اين باشد كه 100 درصد ذرات خاك ريزتر از الك 40 است بكار مي‌رود. در حدود 150 الي 200 گرم خاك مرطوب جهت آزمایشهای حدود خميري و رواني لازم است. خاك مي‌بايست به طور كامل مخلوط شده و مقداري آب مقطر براي ايجاد حالت خميري در خاك اضافه شود. سپس مي‌بايست خاك را در يك ظرف مقاوم در برابر تبخير نگهداري نمود و اجازه داد تا در طي شب رطوبت آن يكنواخت گردد.

c. حالت ميانه : حالت ميانه در مورد خاكي به كار مي‌رود كه حاوي ذرات روي الك 40 بوده و در عين حال چسبنده نيز مي‌باشد (شكل پذير بوده و فتیله مي‌شود). در اين مورد، خاك مي‌بايست ابتدا روي الك 40 به صورت مرطوب الك شود(روش آماده‌سازي مرطوب). هدف از اينكار جدا نمودن ذرات درشت تر خاك است كه روي حدود آتربرگ تاثير مي‌گذارند.

الك شماره 40 حاوي خاك مرطوب را در يك ظرف قرار دهيد. سپس خاك را به طور دستي توسط مالش آرام خاك با نوك انگشتان روي الك خرد نموده و ذرات ريزتر از الك 40 را به كمك آبفشانِ حاوي آب مقطر بشوئيد (روش شستشو مشابه آزمايش هيدرومتري مي‌باشد). هنگاميكه تمام ذرات ريز خاك از الك شماره 40 شسته شدند،‌ ذرات درشت خاك باقيمانده روي الك شماره 40 را دور بريزيد. گام بعدي خشك كردن آب اضافي خاك است. ASTM‌ پنج روش متفاوت خشك كردن آب اضافه را ذكر نموده است(ASTM D 4318-98،2000 بخش 3-2-1-10 را ببينيد). ولي آسانترين راه، قرار دادن ظرف حاوي خاك و آب مقطر در قسمت بالاي يك آون گرم مي‌باشد. خاك نمي‌بايست به طور كامل خشك شود، بلكه بهتر است ظرف را هراز چند گاهي كنترل نمود و مخلوط آب-خاك را براي جلوگيري از تشكيل پوسته سطحي بهم زد. خاك را مي‌بايست مانند آنچه در شكل شماره 1 نمايش داده شده تا رسيدن به حالت خميري خشك نمود. در حدود 150 الي 200 گرم از خاك مرطوب جهت حدود خميري و رواني مورد نياز مي‌باشد.

شكل 1 : خاك عبوري از الك شماره 40

2. سپس خاك حاصل از گامهاي _b‌1 يا _c1 را به طور كامل مخلوط كرده و به دو قسمت تقسيم كنيد. قسمت اول را براي آزمايش حد رواني و قسمت دوم را براي آزمايش حد خميري استفاده نمائيد.

3. آزمايش حد رواني : گام اول در آزمايش حد رواني، قرار دادن خاك درون دستگاه حد رواني مي‌باشد. خاك را مي‌بايست درون جام دستگاه حد رواني فشرد و سپس به منظور ايجاد سطحي هموار و تراز كه در مركز، عمقی در حدود 4/0 اينچ (10 ميليمتر) دارد پهن نمود. هدف از اينكار قرار دادن خاك مرطوب در جام حد رواني، بدون حبس نمودن حبابهاي هوا مي‌باشد. سپس از يك شياركش (شكل شماره 2) جهت ايجاد شياري از بالا تا پايين خاك استفاده کنيد. شياركش مي‌بايست فقط خاك را ببرد و نمي‌بايست خاك واقع در دو طرف شيار را جابجا کند. هنگاميكه شيار ايجاد شد، خاك آماده آزمايش مي‌باشد. حركت رو به بالا و سقوط جام حد رواني از طريق چرخاندن دسته آن با سرعتي معادل 2 ضربه در ثانيه انجام مي پذيرد تا هنگاميكه دو نيمه خاك در طولي معادل 5/0 اينچ به هم برسند (شكل شماره 3). نمونه‌اي از خاك درون جام حد رواني را برداشته، در ظرفي تميز و خشك قرار داده و جرم خاك و ظرف را روي برگه داده‌ها (شكل شماره 3) ثبت نمائيد.

شكل 2 : آزمايش حد رواني؛ تصوير بالا دستگاه حد رواني حاوي خاك و شيارايجاد شده درون خاك را نشان مي‌دهد (شياركش در سمت راست عكس مي‌باشد) تصوير پايين، خاك را پس از انجام آزمايشات نشان مي‌دهد (بعبارت ديگر پس از حركت رو به بالا و سقوط جام حد رواني)

شماره پرونده: نام پروژه: محل نمونه‌برداري: تاريخ:

درصد رطوبت حد رواني :

درصد رطوبت :

تعداد ضربات

درصد رطوبت حد خميري

خلاصه نتايج :

شكل 3 : نمونه برگ محاسبات حد رواني و حد خميري.

نمونه خاك را در طول شب در يك آون تحت دماي 110 درجه سانتيگراد قرار دهيد. جام حد رواني را تميز نموده و گام سوم را با درصد رطوبتي متفاوت تكرار نمائيد. چنانچه در بار اول بيش از 25 ضربه براي بسته شدن شيار مورد نياز بود به منظور افزايش درصد رطوبت خاك، مقداري آب مقطر اضافه نمائيد و آنرا كاملاً‌ مخلوط کنيد. اگر كمتر از 25 ضربه براي بسته شدن شيار مورد نياز بود خاك را جهت كاهش درصد رطوبت، در هوا خشك نمائيد. در حالت ايده‌آل مي‌بايست 3 آزمايش انجام شود كه يكي داراي 15 الي 25 ضربه، ديگري داراي 25 الي 35 ضربه و سومي داراي ضرباتي در محدوده 15 الي 35 باشد. توجه کنيد كه دستگاه حد رواني و شياركش مي‌بايست در وضعيت كاري مناسبی نگهداري شوند. به طور مثال ارتفاع سقوط جام حد رواني از نقطه برخورد جام مي‌بايست 1 سانتيمتر باشد؛ اين ارتفاع را مي‌بايست قبل از انجام آزمايش كنترل نمود.

روشهاي كاليبراسيون در بخش نهم ASTM D 4318-98(2000) ذكر گرديده‌اند. مثلاً شياركش را مي‌بايست براي اطمينان از اينكه مستعمل نبوده و ايجاد با عرض شياري بيش از 2 ميليمتر نمي‌نمايد كنترل نمود. مشخصات لازم و نیز ابعاد دستگاه حد رواني و شياركش در ASTM D 4318(2000)‌ آمده است.

1. آزمايش حد خميري. گام اول در آزمايش حد خميري خشك کردن يك تكه 2 گرمي از خاك (حاصل از گام 2) در هوا است طوريكه ديگر به انگشتان نچسبد. سپس خاك را جهت فتیله کردن بر روي يك صفحه شيشه‌اي (شكل شماره 4) بغلتانید. غرض از غلتاندن خاك، كاهش درصد رطوبت آن تا حدي است كه فتیله قطري معادل اينچ (2/3 ميليمتر) پیدا کرده و سپس ترك بخورد (تکه تکه شود). شكل شماره 4، اين عمليات را نمايش مي‌دهد كه در‌ آن، فتیله خاك بالائي هنوز خيلي مرطوب بوده،‌ فتیله خاك وسطي در حال رسيدن به حد خميري است و فتیله خاك پائيني به حد خميري رسيده و در قطري برابر اينچ تكه تكه شده است. قطعات تكه تكه شده خاک جمع‌آوري شده و درصد رطوبت آن اندازه‌گيري مي‌شود.

معمولاً‌ روش ذكر شده در بالا براي يك نمونه 2 گرمي ديگر از همان خاك براي كنترل نتايج آزمايش تكرار مي‌شود. داده‌هاي آزمايش حد خميري بر روي قسمت مربوطه در شكل شماره 3 ثبت مي‌گردد. تصوير صفحه بعد، خاك را پس از انجام آزمايش نشان مي‌دهد (پس از حركت رو به بالا و سقوط جام حد رواني).

چنانكه در گام 1 (مطابق با ASTM) ذكر گرديد حد خميري و رواني مي‌بايست تنها بر روي قسمتي از خاك كه از الك شماره 40 (425/0 ميليمتر) عبور كرده انجام شود در مورد بسياري از خاكها، بخش قابل توجهي از نمونه خاك (به عبارت ديگر ذرات خاك درشت‌تر از الك 40) به هنگام آزمايش كنار گذاشته مي‌شود. اين موضوع مي‌تواند در زمان طبقه‌بندي خاك موجب مشكلاتي شود.

شكل 4 : آزمايش حد خميري؛ فتیله بالائي هنوز خيلي مرطوب است، فتیله وسطي خاك در حال رسيدن

به حد خميري است،‌ فتیله پائيني خاك به اندازه كافي خشك شده و به حد خميري رسيده است.

ج- محاسبات

حد رواني : پس از اينكه نمونه‌هاي حاصل از گام3 درطول شب داخل آون خشك گرديد، درصد رطوبت هر نمونه محاسبه مي‌گردد و با استفاده از كاغذ نيمه لگاريتمي نشان د‌اده شده در شكل شماره 3، نقاط متناظر درصد رطوبت نسبت به تعداد ضربات رسم ميگردد. داده‌ها مي‌بايست حاكي از اين باشد كه با افزايش تعداد ضربات مورد نياز جهت بسته شدن شيار، درصد رطوبت كاهش يابد. مناسبترين خط مستقيم از ميان نقاط، ترسيم شده و درصد رطوبت متناظر با 25 ضربه به عنوان حد رواني تعريف مي‌گردد. حد رواني معمولاً‌ به صورت نزديكترين عدد كامل گزارش مي‌گردد.

حد خميري : چنانكه قبلاً‌ اشاره شد، حد خميري بصورت درصد رطوبتي كه در آن، يك فتيله خاك چسبنده اينچي (2/3 ميليمتر) قطعه قطعه شده و ديگر نتوان آنرا گلوله و فتیله نمود، تعريف میشود. حد خميري معمولاً‌ جهت كنترل دوباره نتايج تكرار مي‌گردد. از دو درصد رطوبت حاصله، ميانگين گرفته شده و مانند حد رواني، به صورت نزديكترين عدد كامل گزارش مي‌گردد.

د- اشتباهات معمول

بر اساس Rollings and Rollings(1996) اشتباهات معمول آزمايشگاهي شامل اين موارد است:‌

1. نمونه غير معرف (نمونه خاك مي‌بايست براي هر دو آزمايش حد رواني و خميري يكسان باشد)

2. نمونه‌هائي كه بطور مناسب آماده سازی و نگهداري نشده‌اند.

3. اندازه‌گيري غلط درصد رطوبت.

سایر اشتباهات معمول آزمايشگاهي در آزمايش حد رواني عبارتند از :

وسايل آزمايش به طور نامناسب يا بد كاليبره شده باشند؛ استفاده از وسايل مستعمل آزمايشگاهي؛ وجود خاك در نقطه تماس بين جام حد رواني و پايه پلاستيكي وسيله آزمايش؛ از دست رفتن رطوبت در حين آزمايش ساير اشتباهات معمول آزمايشگاهي آزمايش حد خميري عبارتند از: قطر نامناسب فتیله نهائي؛ متوقف كردن زودتر از موعد عمليات غلتاندن و فتیله كردن (دست نيافتن به حد خميري)

ه- نشانه خميري و رواني

ميزان خميري يك خاك، نشانه خميري است كه به صورت زير تعريف مي‌گردد.

PI=LL-PL

PI اغلب به صورت عدد گرد شده بيان ميگردد. نشانه خميري به دلیل مرتبط بودن با پارامترهای مهندسی متعدد خاک دارای اهمیت بسیاری بوده و در سيستم طبقه‌بندي خاك مورد استفاده قرار مي‌گيرد. پارامتر مفيد ديگر، نشانه رواني (LI) است كه بدين صورت تعريف مي‌گردد:

^LI=

نشانه رواني را مي‌توان براي تشخيص رس‌هاي حساس مورد استفاده قرار داد. براي مثال، رس‌هاي سريع اغلب داراي درصد رطوبتي بالاتر از حد رواني مي‌باشند و در نتيجه نشانه رواني آنها بزرگتر از 1 است. در مقابل اين نوع رس‌ها،‌ رس‌هائي وجود دارند كه نشانه رواني آنها صفر و يا حتي منفي است. اين مقاديرِ نشانه رواني حاكي از خاكي خشك بوده و مي‌تواند داراي پتانسيل تورم قابل توجهي باشد. طبق ASTM، حدود آتربرگ بر روي خاك ريزتر از الك شماره 40 انجام ميگردد اما آزمايش درصد رطوبت بر روي خاك حاوي ذرات درشت‌تر خاك انجام مي‌گيرد؛ لذا نشانه رواني مي‌بايست فقط براي خاكي كه تمام ذراتش ريزتر از الك شماره 40 باشند محاسبه گردد.

مسائل

1- شكل شماره 6 نتايج دانه‌بندي خاك حاصل از عمق 8 فوتي گمانه 7 را ارائه مي‌دهد. منحني توزيع دانه‌بندي را براي اين خاك بدست آوريد. جواب : حل مسئله در ضميهE و منحني توزيع دانه‌بندي در شكل شماره 7 مي‌باشد.

2- شكلهاي شماره 8 و 9 نتايج دانه‌بندي و تحليل هيدرومتري خاك حاصل از عمق 14 فوتي گمانه را ارائه مي‌دهند. منحني توزيع دانه‌بندي اين خاك را تعيين نمائيد و همچنين ضريب يكنواختي Cu‌ و ضريب انحناءCc را محاسبه نمائيد. جواب : حل مسئله در ضميه E‌ و منحني توزيع دانه‌بندي و مقادير محاسبه شده C_u و C_C در شكل شماره 7 مي‌باشد.

3- شكل شماره 10 نتايج آزمايشهاي حدود آتربرگ را ارائه مي‌دهد. منحني توزيع دانه‌بندي اين خاك در شكل شماره 11 نمايش داده شده است. حد خميري، حد رواني و نشانه خميري را براي اين خاك تعيين نمائيد، همچنين فعاليت ذرات رس و به كمك شكل شماره 5 نوع ذرات رس را تعيين نمائيد. جواب : حدود آتربرگ در ضميمه E‌ مي‌باشد. فعاليت =4/1 و طبق شكل 15-4 ذرات رس مونتموريونيت مي‌باشند.

مانده تجمعی روی زیر الکی(pan) 115/9

توجه : تمامی مقادیر جرم به گرم می باشد