استاندارد آزمایش تراکم خاک ASTM D698

سلام و درود خدمت دنبال کنندگان وبسایت آسفالت ایران امروز با مطالب جدیدی در مورد آزمایش تراکم خاک اومدیم. آزمایش تراکم خاک جزو پرکاربردترین آزمایش ها در حوزه ی آزمایشگاه های مکانیک خاک میباشد و این استاندارد ارائه دهنده روش تراکم آزمایشگاهی به منظور تعیین ارتباط بین درصد رطوبت و وزن مخصوص خشک خاک ها (منحنی تراکم) در یک قالب 4in (101.6 mm) یا 6in (152.4 mm) بر اساس ضربات چکش 5.5Ib (2.5Kg) از ارتفاع 12in (305 mm) است. شرایط تراکمی یاد شده باعث ایجاد انرژی 12400ft-Ibf/ft³ می گردد.

توجه:  تجهیزات و روش تشریح شده در این استاندارد مشابه با شرایطی است که پراکتور در سال 1993 استفاده نمود، با این تفاوت که در روش ابداعی پراکتور به جای سقوط آزاد چکش از ارتفاع 12in از ضربه محکم چکش استفاده می شد. روش مقدماتی پراکتور باعث ایجاد انرژی های تراکمی مختلفی در محدوده 15000ft-Ibf/ft³ تا 25000ft-Ibf/ft³ ( 1200 KN.M/m³ تا 700 KN.M/m³ ) میشد. روش تراکم استاندارد بعضاً به نام آزمایش پراکتور نیز نامیده می شود.

این آزمایش فقط در مورد خاک هایی کاربرد دارد که حداکثر درصد مانده روی الک 3/4in (19 mm) آنها 30% یا کمتر باشد.

توجه:  برای تعیین ارتباط بین وزن مخصوص- درصد رطوبت خاک هایی که دارای 30% یا کمتر مصالح مانده روی الک 3/4in (19 mm) هستند با وزن مخصوص- درصد رطوبت بخش عبوری از الک 3/4in (19 mm) باید از استاندارد ASTM D4718 استفاده کرد.

این آزمایش به سه روش انجام میشود. روش آزمایش باید در مشخصات فنی درخواست کننده آزمایش ذکر شده باشد. در غیر اینصورت دانه بندی مصالح تعیین کننده روش آزمایش است.

روش A

کاربرد: در مواردی استفاده میشود که حداکثر درصد مانده روی الک (4.75mm) 4 برابر 20% یا کمتر باشد.
صورتی که این روش در مشخصات اجرایی صراحتاً ذکر نشده باشد، مصالحی که محدودیت دانه بندی یاد شده را تامین نماید، می تواند به روش B یا C آزمایش شود.

روش B

کاربرد: مواردی استفاده میشود که بیشتر از 20% مانده روی الک (4.75mm) 4 و کمتر از 20% مانده روی الک (9.5mm) 3/8in وجود داشته باشد.
در صورتی که این روش در مشخصات اجرایی صراحتاً ذکر نشده باشد، مصالحی که محدودیت دانه بندی یادشده را تامین نماید، می تواند به روش C آزمایش شود.

روش C

کاربرد: در مواردی استفاده می شود که بیشتر از 20% مانده روی الک (9.5mm) 3/8in و کمتر از 30% مانده روی الک (19mm) 3/4in وجود داشته باشد.
قالب 6in (152.4 mm) در روشهای A و B استفاده نمی شود.

توجه:  نتایج آزمایش نشان داده است است که استفاده از قالب هایی با اندازه های مختلف- علی رغم یکسان بودن انرژی در واحد حجم- منجر به جواب های با اختلاف جزئی می گردد.

در صورتی که نمونه آزمایش دارای بیشتر از 5% دانه های خارج از اندازه باشد و این مساله از نمونه آزمایش حذف گردد، در این صورت وزن مخصوص و درصد رطوبت نمونه در آزمایش تراکم یا وزن مخصوص مطلوب خاک کوبیده شده در محل طبق استاندارد ASTM D4253 نیاز به اصلاح دارد. این آزمایش (به هر سه روش) عمدتاً بر روی مصالحی که دارای مقداری ریزدانه باشد نتایج خوبی می دهد و در مورد مصالح شن و ماسه تمیز، استفاده از این روش آزمایش توصیه نمی شود. استفاده از این روش در مورد شن و ماسه تمیز منجر به وزن مخصوص بیشینه‌ ای میشود که مقدار آن از وزن مخصوص بیشینه استاندارد ASTM D4253 کمتر است.

خلاصه روش آزمایش

در این آزمایش نمونه خاکی با درصد رطوبت مشخص در سه لایه در قالبی با ابعاد استاندارد با چکشی با وزن استاندارد و تعداد ضربات 25 یا 56 ضربه کوبیده می شود و سپس وزن مخصوص خشک خاک اندازه گیری می شود. این روند به ازای درصد رطوبت های مختلف تکرار می شود تا ارتباط تغییرات وزن مخصوص خشک و درصد رطوبت مشخص شود. سپس نمودار نتایج ترسیم شده و از روی آن مقدار بیشینه وزن مخصوص خشک و درصد رطوبت متناظر با آن استخراج می شود.

کاربرد آزمایش تراکم خاک

خاکریزهای متراکم شده در بسیاری از پروژه های مهندسی باید تامین کننده مشخصاتی چون مقاومت برشی، تراکم پذیری و نفوذپذیری باشند. همچنین در مواردی خاک فوندانسیون برای بهبود مشخصات مهندسی کوبیده می شود. آزمایش تراکم در حقیقت تامین کننده یک مبنا برای کنترل درصد تراکم و درصد رطوبت مورد نیاز برای رسیدن به خواص مهندسی مورد نیاز و در نهایت کنترل عملیات اجرایی است. پیشنهاد ما این است که روش استاندارد تعیین درصد رطوبت خاک وسنگ در آزمایشگاه را بخوانید.

 تجهیزات آزمایش تراکم خاک

– قالب تراکم و ملحقات:  قالب باید استوانه ای شکل، فولادی، صلب و دارای ابعاد استاندارد باشد. دیواره های قالب می تواند یک پارچه یا دو تکه باشد. قالب های دو تکه یا به صورت دو حلقه کامل بر روی هم سوار می شود یا به صورت دو نیم حلقه در هم قفل میشوند. قالب باید دارای صفحه کف و یقه باشد. لبه فوقانی یقه باید حداقل به اندازه 2in (50,8 mm) بالاتر از لبه قالب اصلی قرار گیرد.

خرید و قیمت قالب و چکش تراکم خاک

 ابعاد استاندارد قالب ۴ اینچ به شرح زیر است:

قطر داخلی: 4in (101.6 mm) 
 ارتفاع: 4.584in (116.4 mm) 
 حجم قالب: 0.0333ft³ (944 cm³)

ابعاد استاندارد قالب ۶ اینچ به شرح زیر است:

 قطر داخلی: 6in (152.4 mm)
 ارتفاع: 4.584in (116.4 mm)
 حجم قالب: 0.075ft³ (2124 cm³)

– چکش: چکش باید به گونه ای باشد که سقوط آزاد وزن های به وزن 5.5Ib (2.5 Kg) از ارتفاع 12in (304.8 mm) را تامین کند. سطح چکش باید دایره ای و مسطح به قطر 2in (50.8 mm) باشد. چکش در یک غلاف فولادی به صورت قائم آزاد می شود. این غلاف باید دارای حداقل چهار سوراخ در هر انتها باشد. حداقل قطر این سوراخ ها باید 9.5 میلی متر باشد.

– خارج کننده نمونه: با استفاده از یک جک، قاب بارگذاری یا تجهیزات مشابه می توان نمونه متراکم را از قالب خارج کرد.

– ترازو: حداقل دقت ترازو باید 1 گرم باشد.

– گرمخانه ( آون ): دارای ترموستات کنترل دما و قابلیت تامین دمای یکنواخت 110 درجه سانتی گراد

خرید و قیمت آون (گرمخانه)

– میله تسطیح: این میله باید دارای حداقل طولی برابر 10 اینچ با لبه های گونیا باشد. در صورتی که ضخامت این میله بیشتر از 1.8 اینچ باشد، لبه آن باید پخ بخورد.

– تجهیزات فرعی: ظرف اختلاط، کاردک، سرطاس، و سایر تجهیزات لازم برای مخلوط کردن خاک و آب.

• ضمنا برای تهیه و مشاهده ی تجهیزات آزمایشگاه خاک میتوانید بر روی این عبارت کلیک کنید!

تهیه نمونه آزمایش تراکم خاک

نمونه مورد نیاز در روش A و B تقریباً 16Kg و در روش C تقریباً 29Kg خاک خشک شده است. لذا به صورت تقریبی وزن نمونه مرطوب در روش A و B برابر 23Kg و در روش C در حدود 45Kg است.  با اندازه گیری درصد مانده بر روی الک 4 ، 3/8 و 3/4in  روش A, B  یا C انتخاب می شود.

روش آزمایش تراکم خاک

تهیه خاک: از خاکی که یکبار در آزمایش تراکم استفاده شده است، مجددا استفاده نمی شود. تهیه خاک به دو روش انجام می شود.

روش تر  (روش ارجح)

در این روش بدون خشک کردن نمونه برحسب نوع روش A, B یا C مصالح از الک 4, 3/8, 3/4  عبور داده می شود. سپس حداقل چهار نمونه (و ترجیحاً پنج نمونه) از خاک با درصدهای رطوبت کمتر و بیشتر از رطوبت بهینه  حدسی آماده می شود. در انتخاب رطوبت بهینه فرضی به توصیه (1) توجه شود. سعی شود تا دو نقطه در سمت راست رطوبت بهینه به فواصل 2% ساخته شود. در خاک هایی با رطوبت بهینه بسیار بالا یا خاک هایی که شکل منحنی تراکم آنها نسبتاً باز است، می توان از تواصل رطوبتی بزرگتری استفاده کرد، البته فواصل درصد رطوبت نباید از 4% بیشتر باشد.

توصیه 1:  خاک ها در درصد رطوبت بهینه پس از فشرده شدن در مشت به هم چسبیده و با باز کردن مشت به شکل یک کلوخه در می آیند. این کلوخه با خم کردن به دو تکه تقسیم می شود نقطه در رطوبت های بالاتر از حد بهینه، خاک به صورت یک توده چسبناک است و در درصد رطوبت های کمتر از حد بهینه، خاک پس از فشرده شدن و باز کردن مشت از هم متلاشی می شود. درصد رطوبت بهینه به صورت تقریبی اندکی از حد خمیری کمتر است.

در روش A و B وزن تقریبی هر نمونه در حدود 5Ib(2.3Kg) و در روش C در حدود 13Ib(5.9 Kg) است. برای اضافه کردن آب به نمونه ها از آب پاش به صورت اسپری استفاده شود و برای کاهش درصد رطوبت از در معرض هوا قرار دادن نمونه یا گرمخانه ( آون ) با حداکثر دمای 60 درجه سانتیگراد استفاده شود. در طی خشک شدن نمونه چندین بار نمونه به هم زده شود تا توزیع درصد رطوبت یکنواخت باشد. پس از آماده شدن نمونه مطابق جدول زیر نمونه در یک محفظه در بسته( کیسه) نگهداری گردد تا آماده آزمایش شود.

 روش خشک

در صورتی که نمونه بیش از حد خیس باشد به گونه ای که حالت شکننده نداشته باشد، لازم است تا خاک در معرض هوا یا گرمخانه با حداکثر دمای 60 درجه سانتیگراد به حدی خشک شود که حالت شکننده پیدا کند.
پس از خشک شدن نمونه باید کاملاً خورد گردد بدون آنکه سنگدانه های خاک خورد شود. سپس بر حسب مورد، خاک از الک 4, 3/8, 3/4  عبور داده می شود. سپس حداقل چهار نمونه از خاک مطابق روش تر آماده شود. در روش A و B وزن تقریبی هر نمونه در حدود 5Ib (2.3 Kg) و در روش C در حدود 13Ib (5.9 Kg) است.

تراکم

پس از عمل آوری نمونه ها نخستین وزن قالب یا وزن قالب و صفحه کف یادداشت می شود. قالب باید روی یک سطح صاف و محکم مثلاً مکعبی از بتن با وزنی بیش از 200Ib (91 Kg) قرار داده شود و ورق کف به طرز مناسبی مهار شود. خاک در سه لایه کوبیده می شود. ضخامت لایه ها پس از کوبیدن باید تقریباً برابر باشد. پیش از تراکم هر لایه خاک کوبیده نشده با ضخامت یکنواخت در قالب پخش میشود. پیش از از شروع عملیات تراکم، به آرامی خاک توسط چکش تسطیح می شود تا از حالت سست و پوک خارج شود.
در انتهای تراکم لایه اول و دوم، خاک های دور قالب که در حین تراکم خاک بالا زده می شوند یا به خوبی کوبیده نمی شوند توسط یک وسیله مناسب مانند کارد بریده شده و برای لایه بعدی استفاده می شود. لایه سوم باید به گونه‌ای کوبیده شود که مقداری از لبه قالب بالا تر باشد ولی این مقدار بیشتر از 6  میلی متر نباشد. در صورتی که لایه سوم بیشتر از 6 میلی متر از لبه قالب بالا بزند و همچنین در حالتی که آخرین ضربه چکش از سطح قالب پایین تر باشد نمونه باید مجدداً ساخته شود. هر لایه در قالب 4 اینچ با 25 ضربه و در قالب 6 اینچ  با 56 ضربه کوبیده می شود.

توجه: در تراکم نمونه هایی که درصد رطوبت آنها بیشتر از رطوبت بهینه است، سطح نمونه متراکم شده عموماً ناهموار است. در این شرایط برای انتخاب ارتفاع متوسط نمونه به قضاوت اپراتور نیاز است.

در تراکم نمونه ها باید توجه شود که در هنگام بالا بردن چکش، غلاف فولادیان بالا کشیده نشود. در هنگام سقوط چکش، قلاب فولادی باید ثابت نگه داشته شود و حداکثر انحراف آن از راستای قائم 5 درجه باشد. ضربه های چکش باید با سرعت نسبتاً ثابت 25 ضربه در دقیقه به گونه‌ای وارد شود که کل سطح نمونه را پوشش دهد. پس از تراکم لایه سوم در صورت لزوم خاک در تماس با یقه با کارت بریده شده تا در هنگام بالا کشیدن یقه خاک از سطح قالب کنده نشود، سپس یقه برداشته می شود.
سطح نمونه توسط میله تسطیح کاملاً صاف شده و هرگونه حفره یا ناصافی در سطح خاک توسط خاک های زائد با فشار انگشت ترمیم و مجدداً با میله تسطیح میشود. در مرحله بعد مصالح خاکی از قالب تخلیه میشود. ترجیحاً کل نمونه و در صورت عدم امکان باید یک نمونه معرف برای تعیین درصد رطوبت اخذ شود. در صورت استفاده از کل نمونه لازم است تا به منظور سهولت در خشک شدن نمونه، کل نمونه به قطعات کوچکتری خورد شود. در صورت استفاده از نمونه معرف لازم است تا کل نمونه به صورت طولی در راستای محور برش بخورد و نمونه‌ای در حدود 500 گرم از سطح برش اخذ شود.
نمونه بلافاصله در داخل ظرف درصد رطوبت قرار داده شده و پس از وزن کردن با ترازوی 0.01 گرم در داخل گرمخانه قرار داده می شود. پس از تراکم آخرین نمونه، وزن مخصوص مرطوب نمونه های مختلف با هم مقایسه می شود تا از حصول به یک منحنی مطلوب اطمینان خاطر یافت. در همین راستا می‌توان نمودار وزن مخصوص مرطوب خاک را برحسب درصد رطوبت های مختلف آزمایش تراکم رسم کرد.
در صورتی که منحنی مطلوب حاصل نشده باشد، آزمایش با نمونه های دیگری با درصد رطوبت های مختلف تکرار می شود. برای اطمینان از کفایت داده ها در جهت مرطوب وزن مخصوص بیشینه، عموماً وجود یک. با درصد رطوبت ای بیشتر از رطوبت ای که به ازای آن، وزن مخصوص مرطوب بیشینه شده باشد، مناسب است.

محاسبات

بهتر است مقاله روش استاندارد اندازه گیری حد روانی، حد خمیری و شاخص خمیری خاک ها(استاندارد ASTM D4318) را نیز بخوانید. با مشخص بودن درصد رطوبت و وزن مخصوص مرطوب خاک، وزن مخصوص خشک خاک متناظر با هر درصد رطوبت محاسبه میشود. نمودار وزن مخصوص خشک بر حسب درصد رطوبت ترسیم و نقاط توسط یک منحنی ملایم به هم وصل می شود. از روی منحنی ترسیم شده حداکثر وزن مخصوص خشک و رطوبت متناظر( رطوبت بهینه) تعیین می شود.

نمودار آزمایش تراکم

 در صورتی که درصد درشت دانه حذف شده خاک، کمتر از 5% باشد وزن مخصوص خشک و درصد رطوبت بهینه نیازی به اصلاح ندارد، در غیر این صورت درصد رطوبت بهینه و وزن مخصوص خشک بیشینه بر اساس استاندارد D4718 اصلاح می شود. میتوان به جای اصلاح نتایج آزمایش، اصلاحات لازم را بر روی وزن مخصوص مطلوب خاک کوبیده شده در محل انجام داد.
در کنار منحنی تراکم، نمودار درصد اشباع 100% نیز بر اساس معادله زیر ترسیم می شود:

در این رابطه:

ω_{sat : درصد رطوبت متناظر با اشباع 100%
^γω : وزن مخصوص آب (9.807KN/m³)
^γd : وزن مخصوص خشک خاک (KN/m³)
^Gs : وزن مخصوص دانه های خاک}

توجه: منحنی درصد اشباع 100% به عنوان یک راهنما در ترسیم منحنی تراکم استفاده می شود. چین در خاک هایی که دارای بیشتر از تقریباً 10% ریزدانه باشند، در درصد رطوبت های بزرگتر از رطوبت بهینه این دو منحنی تقریباً موازی می شوند و منحنی تراکم در حدفاصل منحنی های متناظر با درصد اشباع 92% و 95% قرار می گیرد. از دیدگاه تئوری، منحنی تراکم نباید در سمت راست منحنی درصد اشباع 100% قرار گیرد. در صورت رخداد این چنین حالاتی احتمالاً در محاسبات، روش آزمایش، ترسیم نمودار، اندازه گیری ها یا وزن مخصوص دانه ها اشتباهی رخ داده است.

 توجه: منحنی درصد اشباع 100% بعضاً به عنوان منحنی نسبت منافذ صفر یا منحنی اشباع کامل نیز نامیده می شود.

 گزارش آزمایش:

گزارش آزمایش باید شامل موارد زیر باشد:

– مشخصات پروژه، عمق، محل اخذ نمونه و…
– نوع روش( A, B, C) و استاندارد آزمایش (ASTM D698)
– روش تهیه نمونه (خشک یا تر)
– حداکثر وزن مخصوص خشک گرد شده با دقت 1KN/m³
– رطوبت بهینه گرد شده با دقت 0.5%
– نمودار وزن مخصوص خشک بر حسب درصد رطوبت (نمودار تراکم)
– درصد دانه های درشت دانه محذوف و در صورت لزوم تصحیح نتایج