آزمایش نفوذ پذیری خاک

روش آزمون استاندارد برای تعیین نفوذپذیری خاکهای دانه ای (بار ثابت) و دستورالعمل تعیین نفوذپذیری خاک های ریزدانه (بار افتان)

سلام و درود خدمت دنبال کنندگان سایت آسفالت ایران. این روش آزمایش نفوذ پذیری خاک، برای تعیین ضریب نفوذ پذیری خاک با استفاده از روش حد ثابت برای جریان لایه ای آب از طریق خاک های دانه ای کاربرد دارد. در واقع هدف این روش تعیین مقادیر معرف ضریب نفوذ پذیری خاک های دانه ای است. ممکن است در لایه های رسوبات طبیعی موجود در خاکریزها یا هنگام استفاده از این خاکها در لایه های اساس واقع در زیر روسازیها رخ دهد. به منظور محدود کردن اثرات تحکیم در طول آزمایش این روش به خاکهای دانه ای دست خورده ای محدود می شود که درصد عبوری آنها از الک ۷۵ میکرون (الک نمره ۲۰۰)، حداکثر ۱۰ درصد است.

2- تعاریف

2-الف) جریان لایه ای یا آرام: اگر فشار منفذی با گذشت زمان تغییر نکند، سرعت جریان ثابت بوده و جریان آرام یا پایدار نامیده میشود.

2-ب) جریان گذرا: اگر فشار منفذی با گذشت زمان تغییر پیدا کند. سرعت جریان ثابت نبوده و جریان گذرا یا نشت نامیده میشود. خاک تغییر شکل میدهد و تنش مؤثر تغییر میکند.

2-ج) نیروی نشت (زه یا تراوش، F_s): این نیروT نتیجه افت انرژی (پتانسیل) در طول مسیر بوده و نیروی مؤثر در جهت جریان است و با رابطه زیر تعریف می شود:

در رابطه فوق:

Y_w: وزن مخصوص آب؛

i: گرادیان (شیب) هیدرولیکی؛ و

V_0: حجم قطعه.

2-د) فشار تراوش: فشار تراوش اگر آب موجود در یک توده خاک، حرکت داشته باشد (نشت)، تنش مؤثر، در نقاط مختلف تغییر خواهد کرد. بر حسب امتداد حرکت آب، این تنش، ممکن است کم یا زیاد شود. مقداری که به این تنش افزوده یا از آن کاسته میشود را فشار نفوذ یا فشار تراوش میگویند و از رابطه زیر به دست می آید:

در رابطه فوق:

p: فشار نفوذ یا فشار تراوش؛

Y_w: وزن مخصوص آب؛

z: عمق نقطه مورد نظر از سطح خاک؛ و

i: گرادیان هیدرولیکی در توده خاک.

حال اگر حرکت آب در توده خاک به سمت بالا باشد، از مقدار تنش مؤثر کاسته خواهد شد. به عبارت دیگر، علامت فشار تراوش منفی خواهد شد. ولی اگر حرکت آب به سمت پایین باشد، به مقدار تنش مؤثر افزوده میشود و علامت فشار تراوش مثبت خواهد بود.

3-شرح مختصری از روش آزمون

یک توده خاک، از ذرات جامد با اندازه های مختلف و با فضاهای خالی بهم پیوسته تشکیل شده است. وجود فضاهای خالی بهم پیوسته در خاک، موجب جریان یافتن آب، از نقطه ای با انرژی بالا به نقطه ای با انرژی پایین میشود. نفوذپذیری به عنوان ویژگی خاصی از خاک تعریف میشود که امکان نشت سیالات از طریق فضاهای خالی بهم پیوسته آن را فراهم می سازد.

متداول ترین روش های آزمایشگاهی برای تعیین ضریب نفوذپذیری خاک ها عبارتند از:

1. آزمون تعیین ضریب نفوذپذیری با بار ثابت؛
2. آزمون تعیین ضریب نفوذپذیری با بار افتان؛ و
3. تعیین ضریب نفوذپذیری به طور غیر مستقیم از نتایج آزمایش تحکیم.

آزمون تعیین ضریب نفوذ پذیری با بار ثابت، برای مصالح دانه ای نفوذ پذیر مناسب است. برای تعیین ضریب نفوذپذیری خاک های ریزدانه از آزمون تعیین ضریب نفوذپذیری با بار افتان استفاده می شود.

3-الف) تعیین ضریب نفوذ پذیری خاکهای دانه ای به روش بار ثابت

• خاکهای دانه ای شن و ماسه که درصد عبوری آنها از الک نمره ۲۰۰، کمتر از ۱۰ درصد باشد. با این روش آزمایش میشوند؛
• از جدول بسیار مهم موجود در استاندارد (جدول (1-14) بر اساس دانه بندی نمونه خاک آزمایش مشخصات قالب نفوذپذیری و قطر نمونه آزمایش آن تعیین می گردد؛

• جدول (۱-۱۴) قطر استوانه آزمایش نفوذپذیر

جدید ترین مطالب آسفالت ایران را در مورد آزمایشات خاک بخوانید.

• خاک را بر اساس وزن مخصوص و شرایط تراکمی مورد نظر، در قالب های آزمایش جای داده، به نحوی که تراز فوقانی نمونه داخل قالب، از آکس بالاترین خروجی فشار سنج (پیزومتریک) بدنه قالب، ۲ سانتیمتر بالاتر باشد.
• فنر مربوطه را جهت کنترل تغییرات حجمی نصب کرده و مراتب آببندی قالب را انجام می دهیم؛
• در رابطه با اطمینان از شرایط اشباع کامل، با توجه به نکات فنی و کارشناسی اقدام می کنیم؛
• برای یک نمونه خاک، حداقل باید ۳ گرادیان هیدرولیکی را در محدوده مجاز (0.5 > 1 > 0.2) ایجاد کرده و میانگین ۳ نتیجه را گزارش نماییم؛ و
• محاسبه ضریب نفوذ پذیری، بر اساس رابطه ارائه شده در بخش محاسبات انجام می شود.

نکته: استفاده از آب گرم در مدارات آبرسانی نتایج بهتری حاصل می کند.

3-ب) تعیین ضریب نفوذ پذیری خاک های ریزدانه به روش بار افتادن بر اساس دستورالعمل ارائه شده توسط Bowles

• نمونه خاک، میتواند به صورت دست نخورده، یا با داشتن وزن مخصوص و درصد رطوبت، به صورت دست خورده آزمایش شود؛
• در نمونه گیری و شرایط اشباع کردن، بخش نکات فنی و کارشناسی را با دقت مرور کنید؛
• به علت زمان بر بودن اشباع نمونه، استفاده از پمپ خلا (مکش) و مطابق تصاویر مدارات اشباع در بخش نکات فنی و کارشناسی الزامی میباشد؛ و
• محاسبه ضریب نفوذپذیری بر اساس رابطه ارائه شده در بخش محاسبات انجام میشود.

4- محاسبات

4-الف) محاسبه ضریب نفوذ پذیری خاکهای دانه ای به روش بار ثابت

شکل ۱-۱۴ تصویر شماتیک آزمایش تعیین ضریب نفوذپذیری به روش بار ثابت

رابطه مورد استفاده برای تعیین ضریب نفوذ پذیری در این روش آزمایش نفوذ پذیری خاک، مطابق شکل ۱-۱۴، عبارت است از:

در رابطه فوق:

Q: مقدار آب خارج شده (حجم آب جمع شده در ظرف)؛

L: فاصله بین فشار سنج ها (طول نمونه مورد آزمایش)؛

A: سطح مقطع نمونه خاک؛

h: اختلاف ارتفاع در فشار سنج ها (اختلاف بار آبی بین ابتدا و انتهای نمونه)؛ و

t: زمان کل تخلیه آب (مدت زمان جمع آوری آب).

با ضرب نمودن ضریب نفوذپذیری (K)، در نسبت ویسکوزیته آب در دمای آزمایش آزمایش نفوذ پذیری خاک، به ویسکوزیته آب در دمای ۲۰ درجه سانتیگراد (۶۸ درجه فارنهایت)، آن را برای دمای ۲۰ درجه سانتیگراد تصحیح کنید.

روش گزارش کردن ضریب نفوذپذیری در دمای ۲۰ درجه سانتیگراد:

در رابطه فوق:

n_t: ویسکوزیته آب در دمای t؛ و

n_20: ویسکوزیته آب در دمای ۲۰ درجه سانتیگراد.

جدول (۲-۱۴): ضریب تبدیل حرارتی برای گزارش کردن ضریب نفوذ پذیری

۴- ب) محاسبه ضریب نفوذ پذیری خاک های ریزدانه به روش بار افتان بر اساس دستورالعمل ارائه شده توسط Bowles

شکل ۲-۱۴- تصویر شماتیک آزمایش نفوذپذیری به روش بار افتان

رابطه مورد استفاده برای تعیین ضریب نفوذ پذیری در این روش، مطابق شکل ۲-۱۴، عبارت است از:

در رابطه فوق:

q: دبی جریان؛

K: ضریب نفوذ پذیری؛

i: گرادیان هیدرولیکی؛

h: اختلاف هد (ارتفاع هیدرولیکی) در زمان t؛

A: مساحت نمونه؛

a: مساحت پیزومتر (لوله شیشه ای فشار سنج)؛ و

L: طول نمونه؛

با توجه به معادله فوق، ضریب نفوذپذیری به صورت زیر تعریف میشود:

در رابطه فوق:

h_1: ارتفاع بار آبی، از بالای تابلو، در زمان شروع آزمایش؛

h_2: ارتفاع بار آبی در پایین تابلو، در زمان خاتمه آزمایش؛ و

مقادیر a، L، A و t، در بالا تعریف شده اند.

_________________________________________________________________

شاید دوست داشته باشید بخوانید✔️

• آزمایش پین هول Pin Hole
• واگرایی خاک رس

_________________________________________________________________

5- گزارش

گزارش آزمایش نفوذ پذیری خاک باید حاوی اطلاعات زیر باشد:

• پروژه، تاریخ تعداد آزمایش، محل، عمق و سایر اطلاعات مربوطه؛
• دانه بندی، طبقه بندی، اندازه حداکثر ذرات و درصد مصالح بزرگ سایزی که استفاده نمی شوند؛
• وزن مخصوص خشک، نسبت تخلخل، تراکم نسبی در محل و چگالی های حداقل و حداکثر؛
• بیان هرگونه انحراف از شرایط آزمون، به گونه ای که بتوان نتایج را ارزیابی نموده و مورد استفاده قرار داد؛
• تکمیل داده های آزمایش، به صورتی که در فرم آزمایشگاه نشان داده شده است؛ و
• منحنی های آزمایش برای ترسیم سرعت، در مقابل گرادیان هیدرولیکی، h/L برای پوشش محدوده های مشخصات خاک و تراکم های نسبی.

٦- نکات فنی و کارشناسی مرتبط با آزمون

برای حرکت آب در خاک از رابطه برنولی، با صرف نظر کردن از هد سرعت (به دلیل سرعت کم جریان) استفاده میشود:

برای حرکت آب در خاک، دو نوع سرعت جریان در نظر گرفته میشود:

1. سرعت متوسط یا سرعت جریان: این سرعت را با U نشان میدهند و بر اساس سطح مقطع کلی خاک می باشد.
2. سرعت واقعی آب یا سرعت تراوش جریان: این سرعت را با v_s نشان میدهند و بر پایه سطح مقطع فضای خالی خاک میباشد.

آسفالت ایران

امیدواریم این مقاله برای آزمایش نفوذ پذیری خاک با بار ثابت و بار افتان به شما در درک نحوه آزمون تعیین نفوذ پذیری خاک های دانه ای و نحوه انتخاب تجهیزات آزمایش کمک کند. لطفاً برای سوالات یا راهنمایی و خرید تجهیزات آزمایشگاه عمران در برند و جنس های مختلف، در مورد درخواست خود با کارشناسان مجموعه ما تماس بگیرید.

مطالب طبق کتاب راهنمای جامع آزمایشگاه مکانیک خاک ارائه شده است.