آزمایش حد روانی خاک

آزمایش حد روانی خاک  ((Liquid Limit Test یکی از آزمایش‌های مهم در مهندسی ژئوتکنیک و مکانیک خاک است که به‌منظور تعیین رفتار و ویژگی‌های خاک‌ها در شرایط مختلف انجام می‌شود. این آزمایش، بخشی از ارزیابی‌های اساسی خاک برای طراحی و ساخت سازه‌های مختلف مانند: ساختمان‌، سد و جاده‌ است.

حد روانی خاک نشان‌دهنده تغییر حالت خاک از حالت خمیری به حالت مایع است و به مهندسان امکان می‌دهد تا پایداری و ظرفیت باربری خاک در شرایط متفاوت را بهتر درک کنند و تصمیمات مهندسی دقیق‌تری اتخاذ نمایند.

برای آشنایی بیشتر با میخکوبی یا نیلینگ به این بخش مراجعه کنید.

هدف از این مقاله بررسی فرآیند اجرای آزمایش حد روانی خاک و نکات جانبی درباره آن است.

آزمایش حد روانی و حد خمیری خاک

حد روانی خاک (Liquid Limit) به حداقل مقدار رطوبتی اطلاق می‌شود که در آن خاک از حالت خمیری به‌حالت مایع تغییر حالت می‌دهد. در این حالت، خاک بسیار نرم و شکل‌پذیر می‌شود و اگر تحت بار قرار گیرد، بدون مقاومت تغییر شکل می‌دهد. آزمایش حد روانی خاک به مهندسان کمک می‌کند تا رفتار خاک را در شرایط مرطوب یا اشباع پیش‌بینی کنند. این اطلاعات برای طراحی و ساخت سازه‌هایی که بر رو یا در نزدیکی خاک‌های رسی ساخته می‌شوند، بسیار حائز اهمیت است.

حد خمیری خاک (Plastic Limit) به حداقل میزان رطوبتی گفته می‌شود که در آن خاک از حالت خمیری (Plastic state) به‌حالت شکننده (Brittle state) تغییر حالت می‌دهد. در این وضعیت، خاک همچنان می‌تواند تغییر شکل یابد، اما دیگر شکل‌پذیر نیست و ترک‌هایی در آن ایجاد می‌شود.

با تعیین حد خمیری و حد روانی خاک، می‌توان محدوده خمیری خاک (Plasticity Index) را محاسبه کرد که این محدوده بیانگر میزان رطوبتی است که خاک در آن رفتار خمیری از خود نشان می‌دهد.

اگر محدوده خمیری خاک بالا باشد، به این معناست که خاک دارای قابلیت تغییر شکل بالایی است و می‌تواند رطوبت زیادی را جذب کند بدون اینکه ساختار خود را از دست دهد. این ویژگی در برخی شرایط، مثل ساخت سدها یا مخازن آبی، مطلوب است اما در مواردی مثل زیرساخت‌های ساختمان‌سازی می‌تواند مشکل‌ساز باشد، زیرا خاک با محدوده خمیری بالا ممکن است ناپایدار و مستعد تورم و جمع‌شدگی باشد.

بیشتر بخوانید:همه چیز در رابطه با آزمایشات و بررسی خاک در پروژه های عمرانی

چگونگی انجام تست حد روانی خاک

آزمایش حد روانی خاک که مکمل آزمایش محدوده خمیری خاک است، در مراحل زیر انجام می‌شود.

وسایل انجام آزمایش حد روانی خاک

قبل از توضیح روش انجام آزمایش حد روانی خاک، لازم است وسایل انجام آزمایش آماده شوند. در ادامه لیست این وسایل آمده است.

• دستگاه کاساگرانده: یک دستگاه با کاسه برنجی که برای ضربه‌زدن به نمونه خاک استفاده می‌شود.
• شابلون شیاردار: ابزاری برای ایجاد یک شیار مشخص در خاکِ قرار داده شده در کاسه.
• پایه‌ ثابت: برای نگه‌داشتن دستگاه در هنگام انجام آزمایش
• ساعت‌شمار: برای شمارش تعداد ضربات واردشده
• ظروف مخصوص رطوبت‌سنجی: برای اندازه‌گیری رطوبت خاک.
• ترازو و فر: برای خشک کردن و وزن‌کشی خاک.

درباره ماشین آلات گودبرداری بیشتر بخوانید

آماده‌کردن نمونه خاک

برای شروع، خاک نمونه باید در دمای اتاق خشک شود تا رطوبت طبیعی آن گرفته شود. در برخی از آزمایشات از دستگاه آون و یاگرم‌خانه یا فر استفاده می‌شود. سپس، خاک خشک‌شده را از الک شماره 40 عبور می‌دهند تا ذرات بزرگ‌تر از 0.425 میلی‌متر جدا شوند. دلیل عبوردادن خاک از الک این است که آزمایش حد روانی خاک مخصوص خاک‌های ریزدانه است.

پس از این مرحله، به خاک ریزدانه جداشده، مقدار مشخصی آب اضافه می‌شود تا حالتی خمیری پیدا کند و برای انجام تست حد روانی آماده شود.

بیشتر بخوانید: مهار متقابل یا استرات (Strut) چیست؟

چگونگی انجام تست حد روانی خاک

پس از آماده‌سازی خاک، آن را در کاسه برنجی دستگاه کاساگرانده قرار می‌دهند و سطح آن را صاف می‌کنند. در این حالت عمیق‌ترین بخش خاک قرار داده شده در کاسه، 1 سانتی‌متر است. سپس با استفاده از شابلون شیاردار، شیار مشخصی در خاک ایجاد می‌کنند که عمق آن یک سانتی‌متر است. لازم به ذکر است که این شیار باید با دستگاه استاندارد (دسته شیارکش ASTM و شیارکش کاساگرانده) ایجاد شود.

در مرحله بعد دستگاه کاساگرانده را به‌کار می‌اندازند تا کاسه با سرعت دو چرخش در ثانیه به پایه برخورد کند و تعداد ضربات لازم برای بسته‌شدن شیار ثبت می‌شود. این تعداد ضربات معیاری برای تعیین حد روانی خاک است.

محاسبات تست روانی خاک

پس از ثبت تعداد ضربات، مقدار مشخصی از خاک را برای تعیین میزان رطوبت برمی‌دارند. نمونه خاک ابتدا وزن‌کشی شده و سپس در فر خشک می‌شود تا وزن خشک آن نیز اندازه‌گیری شود. با استفاده از تفاوت وزن قبل و بعد از خشک‌شدن، میزان رطوبت خاک محاسبه می‌شود.

این مراحل از آزمایش حد روانی خاک باید حداقل سه بار با رطوبت‌های مختلف تکرار شود. در هر تکرار، مقدار رطوبت خاک تغییر می‌کند و تعداد ضربات لازم برای بستن شیار ثبت می‌شود.

محاسبات تست روانی خاک

در قسمت زیر می‌توانید فرمولی که با استفاده از آن درصد میزان رطوبت خاک اندازه‌گیری می‌شود، ببینید.

در فرمول فوق، W1 وزن ظرف خالی (بدون خاک)، W2وزن ظرف به‌همراه خاک مرطوب و W3 وزن ظرف به‌همراه خاک خشک‌شده است. این فرمول برای محاسبه درصد رطوبت (w%w \%w%) خاک استفاده می‌شود، که نشان می‌دهد چه مقدار آب به‌عنوان درصدی از وزن خاک خشک در نمونه خاک وجود دارد.

نمودار حد روانی خاک

نتایج به دست آمده از آزمایش حد روانی خاک بر روی «نمودار لگاریتمی ضربات-رطوبت» که محور عمودی آن میزان رطوبت و محور افقی آن تعداد ضربات است، قرار می‌دهند. «حد روانی» به‌عنوان میزان رطوبتی که در آن 25 ضربه لازم است تا شیار بسته شود، تعیین می‌شود. این نقطه روی نمودار مشخص شده و به‌عنوان حد روانی خاک ثبت می‌شود.

حد روانی خاک‌های مختلف

در خاک‌های رسی با درصد بالای رس، معمولاً آزمایش حد روانی خاک بالا است که نشان‌دهنده توانایی  آن‌ها در جذب آب و تغییر شکل بدون ترک‌خوردگی است. در مقابل، خاک‌های ماسه‌ای حد روانی پایینی دارند یا اصلاً حد روانی ندارند، زیرا تمایل کمی به حفظ آب و تغییر شکل دارند. خاک‌های لای‌دار معمولاً دارای حد روانی متوسط هستند که وابسته به درصد ذرات ریزدانه و میزان مواد رسی موجود در  آن‌هاست.

به‌طور کلی، حد روانی بالا می‌تواند نشان‌دهنده مشکلاتی مانند تورم و جمع‌شدگی در سازه‌های خاکی باشد، درحالی‌که حد روانی پایین، نشان‌دهنده پایداری بهتر در برابر تغییرات رطوبتی است.

نتیجه‌گیری

نتیجه آزمایش حد روانی خاک، یک پارامتر مهم در ارزیابی رفتار خاک در برابر رطوبت است که براساس نوع خاک متفاوت است. شناخت دقیق حد روانی خاک‌های مختلف به مهندسان کمک می‌کند تا در طراحی و اجرای پروژه‌های عمرانی، تصمیمات بهتری بگیرند و از مشکلات احتمالی در آینده جلوگیری کنند.

به‌عنوان مثال، در پروژه‌های ساختمانی، اگر خاک رسی با حد روانی بالا وجود داشته باشد، مهندسان می‌توانند با افزودن مواد پایدارکننده مانند آهک یا سیمان، ویژگی‌های خاک را بهبود داده و تورم و جمع‌شدگی را کاهش داد. همچنین، با طراحی صحیح سیستم‌های زهکشی و مدیریت آب‌های سطحی، میزان رطوبت خاک را کنترل می‌کنند تا تغییرات حجمی ناشی از تغییرات رطوبتی به حداقل برسد.