تراکم خاک چیست؟ | ماشین آلات، روش ها و آزمایش های تراکم خاک – به زبان ساده

«تراکم خاک» (Soil Compaction) یکی از روش‌های افزایش چگالی و بهسازی خاک است که به منظور بهبود استحکام، ظرفیت باربری، مقاومت در برابر تغییر شکل، پایداری، عملکرد مناسب در شرایط جوی بد و مقاومت در برابر نفوذ سیالات مورد استفاده قرار می‌گیرد. متراکم کردن زمین از فعالیت‌های ثابت در اجرای عملیات خاکی نیز محسوب می‌شود. به دلیل اهمیت بالای این فرآیند، در این مقاله، تعاریف، روش‌ها، ماشین آلات و عوامل موثر بر تراکم خاک را مورد بررسی قرار می‌دهیم. در انتها نیز به معرفی پرکاربردترین روش‌های آزمایشگاهی و برجای تعیین ضریب تراکم خاک می‌پردازیم.

بهسازی خاک چیست ؟

در صورتی که مشخصات زمین محل پیشنهادی برای اجرای پروژه مطابق با الزامات طراحی نباشند، گزینه‌های زیر مد نظر قرار می‌گیرند:

• کنار گذاشتن محل پیشنهادی و یافتن محل جدید با مشخصات مناسب
• اجرای عملیات خاکی برای برداشت مصالح ضعیف و جایگزینی آن با مصالح مناسب
• طراحی مجدد یا طراحی بر اساس شرایط موجود
• بهسازی خاک

از بین راه‌حل‌های معرفی شده در هنگام مواجهه با خاک یا زمین ضعیف، بهسازی خاک گزینه مطلوبی است که علاوه بر کاهش هزینه‌های اضافی موجود در گزینه‌های دیگر، سازگاری خوبی با محیط زیست دارد. بهسازی خاک از روش‌های متعدد با نحوه اجرای متفاوت بهره می‌برد. متداول‌ترین روش‌های بهسازی خاک عبارت هستند از:

• مکانیکی: تغییر فیزیکی مصالح به منظور افزایش چگالی و استحکام
• هیدورلیکی: تغییر مشخصات مرتبط با جریان، تراوش و زهکشی برای جلوگیری از عوامل مخرب
• فیزیکی و شیمیایی: ترکیب افزودنی‌های فیزیکی یا شیمیایی به منظور پایدارسازی
• سازه‌ای: استفاده از المان‌های سازه‌ای و مصالح صنعتی تقویت‌کننده

تعریف تراکم خاک چیست؟

«تراکم خاک» (Soil Compaction)، فرآیندی است که با اعمال تنش، باعث خروج حباب‌های هوای موجود در فضای بین ذرات و افزایش چگالی خاک می‌شود. تراکم خاک را می‌توان به عنوان یکی از روش‌های مکانیکی بهسازی خاک در نظر گرفت.

فیلم آموزش مکانیک‌ خاک و سازه‌ نگهبان در فرادرس

کلیک کنید

هدف از تراکم خاک چیست؟

اهمیت تراکم خاک در چیست؟

تفاوت تراکم و تحکیم خاک در چیست؟

بسیاری از افراد، مفهوم تراکم خاک را با «تحکیم خاک» (Soil Consolidation) اشتباه می‌گیرند. در هر دوی این پدیده‌ها، چگالی مصالح بر اثر کم شدن فاصله بین ذرات افزایش می‌یابد. با این وجود، در تراکم، نزدیک شدن ذرات بر اثر خروج هوا باعث افزایش چگالی توده خاک می‌شود. در تحکیم، دلیل افزایش چگالی توده خاک، نزدیک شدن ذرات بر اثر جابجایی آب یا دیگر مایعات است. البته طبق تعاریف منابع علوم خاک، تراکم بر اثر ترکیبی از دو فرآیند مذکور (تراکم مهندسی و تحکیم) رخ می‌دهد.

تراکم پذیری خاک چیست؟

روش های تراکم خاک کدام هستند؟

تراکم خاک، معمولا با استفاده از روش‌های استاتیکی، کوبشی، ضربه‌ای و ارتعاشی انجام می‌شود. هر یک از این روش‌ها دارای مکانیزم و ماشین آلات مختص به خود هستند که افزایش چگالی خاک‌های مختلف تا اعماق متفاوت را ممکن می‌کنند.

به طور کلی، روش‌های تراکم خاک را می‌توان به دو گروه تراکم سطحی و عمیق تقسیم‌بندی کرد. در ادامه به معرفی زیرمجموعه‌های هر یک از این موارد می‌پردازیم.

تراکم استاتیکی خاک چیست؟

تراکم کوبشی خاک چیست؟

«تراکم کوبشی» (Kneading Compaction)، روشی است که با بهره‌گیری از مفهوم کاهش سطح تماس برای افزایش فشار، توده خاک را تا اعماق بیشتر نسبت به روش تراکم استاتیکی متراکم می‌کند. غلتک‌های پاچه بزی، کفشک‌دار و پنوماتیک از متداول‌ترین ماشین آلات تراکم خاک با مکانیزم کوبشی هستند.

تراکم دینامیکی خاک یا تراکم ضربه ای چیست؟

روش‌های استاتیک و کوبشی از نیروی ثقلی برای تراکم خاک استفاده می‌کنند. «تراکم ضربه ای» (Impact Compaction)، از یک مکانیزم دینامیکی برای بهره‌مندی از نیروی ثقلی استفاده می‌کند. به همین دلیل این روش با عنوان «تراکم دینامکی» (Dynamic Compaction) نیز شناخته می‌شود. در تراکم دینامیکی، یک وزنه سنگین فولادی یا بتنی (وزنه حدود 8 تا 36 تنی) از ارتفاع مشخص (حدود 1 تا 30 متر) و مطابق با الگوی معین (معمولا شبکه‌ای) بر روی سطح مورد نظر رها می‌شود. فشار ناشی از برخورد وزنه به زمین، تراکم خاک در نقطه برخورد را در پی دارد. در هر پاس تراکم، محل تورفتگی زمین توسط مواد دانه‌ای پر می‌شوند. نهایی‌سازی فرآیند تراکم طی دو تا سه پاس (با توجه به نوع خاک و شرایط موجود) انجام می‌گیرد. به دلیل قابلیت تراکم خاک در اعماق بیشتر، روش تراکم دینامیکی با عنوان روش تراکم عمیق نیز شناخته می‌شود.

تراکم ضربه ای سریع چیست؟

تراکم ارتعاشی خاک چیست؟

«تراکم ارتعاشی» (Vibrating Compaction)، یکی دیگر از روش‌های بهسازی و تراکم عمیق خاک محسوب می‌شود که به منظور کاهش تاثیر بارهای لرزه‌ای و افزایش چگالی خاک‌های ماسه‌ای سست تا عمق 30 متر مورد استفاده قرار می‌گیرد. به دلیل شباهت مکانیزم تراکم ارتعاشی با تراکم ضربه‌ای، این دو روش در برخی از موارد با یکدیگر اشتباه گرفته می‌شوند. در تراکم کوبشی، جهت اعمال نیروها به زمین، رو به پایین است. در تراکم ارتعاشی، اعمال موج‌های فشاری در تمام جهات به زمین صورت می‌گیرد. در این روش، یک وسیله ارتعاشی با عنوان «ویبروفلوت» (Vibroflot) تا عمق مشخص به همراه فشار آب به درون زمین رانده می‌شود. با نزدیک شدن به عمق مورد نظر، فشار آب کاهش می‌یابد. سپس، ویبروفلوت به آرامی به سمت بیرون کشیده می‌شود. در فواصل منظم حین بیرون کشیدن، نقاط توقف موقت برای اطمینان از تراکم مناسب سطوح مختلف خاک تعیین شده است.

تراکم انفجاری خاک چیست؟

ماشین آلات تراکم خاک چه هستند؟

به مجموعه تجهیزات مورد استفاده برای افزایش چگالی خاک، مشاین آلات تراکم خاک یا اصطلاحا «کمپکتور» (Compactor) می‌گویند.

فیلم آموزش ماشین‌آلات راه‌سازی و ساختمانی در فرادرس

کلیک کنید

این ماشین آلات بر اساس ابعاد و مقیاس عملکرد به دو نوع اصلی ماشین سبک و سنگین تقسیم می‌شوند:

• ماشین آلات سبک تراکم خاک
  • کمپکتور رامر یا کمپکتور قورباغه‌ای
  • کوبنده ارتعاشی یا کمپکتور صفحه‌ای
• ماشین آلات سنگین تراکم خاک
  • غلتک صاف
  • غلتک پاچه بزی
  • غلتک پاچه فیلی
  • غلتک پنوماتیک یا چرخ لاستیکی
  • غلتک ضربه‌ای
  • غلتک شبکه‌ای
  • غلتک کفشک‌دار

کمپکتور رامر چیست؟

کمپکتور قورباغه ای یا «رامر» (Rammer)، دستگاهی است که به منظور تراکم خاک‌های موجود در نواحی کوچک مورد استفاده قرار می‌گیرد. این دستگاه دارای ابعاد نسبتا کوچکی است که با اعمال ضربه بر روی لایه خاک، ضخامت آن را کاهش می‌دهد. به دلیل سبک بودن وزن رامرها، این تجهیزات توسط یک نفر جابجا و به کار گرفته می‌شوند.

ابعاد سطح متراکم کننده کمپکتور رامر معمولا بین 15*15 تا 20*20 سانتی‌متر مربع است. وزن این دستگاه نیز از 30 کیلوگرم تا 10 تن تغییر می‌کند. رامرها، تجهیزات مناسبی برای متراکم کردن خاک‌های چسبنده مانند رس‌ها در نواحی کوچک نظیر ترانشه‌ها و فونداسیون ساختمان‌ها هستند.

کمپکتور ارتعاشی چیست؟

کمپکتور صفحه ای یا ارتعاشی، یکی دیگر از ماشین آلات سبکی با حوه به کارگیری مشابه با کمپکتور قورباغه ای است. مدل‌های کوچک این دستگاه با وزن بین 50 تا 100 کیلوگرم به منظور تراکم انواع خاک در نواحی محدود مورد استفاده قرار می‌گیرند. کمپکتورهای صفحه‌ای بزرگ با سطح تراکم 0.16 تا 1.6 متر مربع و وزن 100 تا 2000 کیلوگرم، گزینه مناسبی برای تراکم خاک‌های درشت دانه با حدود 4 تا 8 درصد ذرات ریز هستند.

غلتک فولادی صاف چیست؟

«غلتک چرخ صاف» (Smooth Wheel Roller)، یکی از شناخته‌شده‌ترین و پرکاربردترین ماشین آلات سنگین مورد استفاده برای تراکم خاک در پروژه‌های راه‌سازی و سدسازی است. این دستگاه با اعمال فشار ثقلی توسط وزن غلتک، خاک زیر خود را متراکم می‌کند. غلتک های چرخ فولادی صاف برای تراکم خاک‌های دانه‌ای و بستر درشت دانه مسیر جاده‌ها، پیاده‌روها و فرودگاه‌ها مناسب است.

غلتک‌های ماشین آلات ساختمانی، به عنوان چرخ‌های دستگاه نیز عمل می‌کنند. در برخی از مدل‌ها، یک غلتک در جلو و دو چرخ لاستیکی در عقب تعبیه شده است. مدل‌های دیگر از یک غلتک بزرگ در جلو و دو غلتک کوچک در عقب بهره می‌برند. وزن غلتک‌های فولادی صاف معمولا بین 6 تا 10 تن است. این ماشین آلات می‌توانند با سرعت 3 تا 6 کیلومتر بر ساعت و 8 پاس (چرخه تراکم)، یک لایه 20 سانتی‌متر از خاک را به خوبی متراکم کنند. برخی از مدل‌های غلتک فولادی صاف دارای مکانیزم ارتعاشی برای تراکم خاک هستند.

غلتک پاچه بزی چیست؟

«غلتک پاچه بزی» (Sheep Foot Roller)، وسیله‌ای با مشخصات و توانایی‌های مشابه غلتک فولادی صاف است. با این تفاوت که سطح غلتک از برجستگی‌های متعدد تشکیل می‌شود. غلتک‌های پاچه بزی دارای ابعاد مختلف با قابلیت تراکم متفاوت هستند. غلتک پاچه بزی معمولا به منظور تراکم خاک‌های چسبنده مورد استفاده قرار می‌گیرد. در برخی از موارد، از این ماشین آلات برای تراکم اولیه نواحی دارای خاک‌های نرم و نرم کردن خاک‌های خشک (مخلوط کردن آن‌ها) به کار برده می‌شوند. مدل‌‌های ارتعاشی این غلتک‌ها برای تراکم خاک‌های ماسه‌ای، مخلوط کردن میزان زیادی آب با خاک و افزایش بهره‌وری تراکم مناسب هستند.

غلتک پاچه فیلی چیست؟

«غلتک پاچه فیلی» (Elephant Foot Roller)، مشابه غلتک پاچه بزی است. با این تفاوت که به جای برخی از برجستگی‌های غلتک پاچه بزی، تعدادی ورق 20 تا 25 سانتی‌متری بر روی غلتک جوش داده می‌شود. غلتک پاچه فیلی، گزینه مناسبی برای تراکم خاک‌های لای‌دار با چسبندگی پایین است. افزایش سطح اعمال فشار در این ماشین، میزان را تراکم را بهبود می‌بخشد.

غلتک پنوماتیک یا غلتک چرخ لاستیکی چیست؟

«غلتک چرخ‌دار پنوماتیک» (Pneumatic Tired Roller)، دستگاهی است که از دو محور با چرخ‌های لاستیکی تشکیل می‌شود. مجموع عرض این چرخ‌ها، حدود 80 درصد از عرض کل غلتک را در بر می‌گیرند. غلتک‌های پنوماتیک کاربرد زیادی برای تراکم خاک ندارند و بیشتر در سطوح زبر یا شیب‌دار جاده‌های آسفالتی مورد استفاده قرار می‌گیرند. البته استفاده از این ماشین آلات برای متراکم کردن خاک‌های بدون چسبندگی یا با چسبندگی بسیار پایین نظیر شن، ماسه، خاک لای‌دار یا حتی رس‌های ماسه‌دار گزینه مناسبی است؛ چراکه زیاد بودن سطح فشار اعمال شده در غلتک پنوماتیک از ریزش خاک جلوگیری می‌کند.

غلتک ضربه ای چیست؟

«غلتک ضربه ای» (Impact Roller)، ترکیب تراکتور و یک وزنه منشوری شکل است که معمولا از فولاد یا بتن ساخته می‌شود. چرخش منشور، وارد شدن ضربه به زمین و انتقال انرژی قابل توجه به آن را در پی دارد. غلتک ضربه‌ای برای تراکم خاک تا اعماق متوسط (چند متر) مورد استفاده قرار می‌گیرد. شن و پرکننده‌های سنگی از گزینه‌های مناسب برای به کارگیری این نوع ماشین آلات هستند.

غلتک شبکه ای چیست؟

غلتک کفشک‌دار چیست؟

«غلتک کفشک‌دار» (Pad Foot Roller)، دستگاهی مشابه با غلتک پاچه بزی است که از یک بخش استوانه‌ای با چندین برآمدگی (کفشک) تشکیل می‌شود. کفشک‌های این نوع غلتک، مساحت بیشتری را نسبت به غلتک پاچه بزی پوشش می‌دهند. غلتک کفشک‌دار، فشار استاتیکی بین 15 تا 40 تن را به زمین وارد می‌کند. به طور کلی، این ماشین آلات از سرعت عملیاتی، ضریب تراکم و بهر‌ه‌وری بیشتری نسبت به غلتک پاچه بزی بهره می‌برند. خاک‌های چسبنده از گزینه‌های مناسب برای به کارگیری غلتک‌های کفشک‌دار هستند.

عوامل موثر بر انتخاب ماشین آلات تراکم خاک چه هستند؟

انتخاب مناسب‌ترین ماشین آلات تراکم خاک و تصمیم‌گیری راجع به خرید یا اجاره آن‌ها، ار فعالیت‌های مهم در پروژه‌های عمرانی است که به پارامترهایی نظیر هزینه خرید یا اجاره، هزینه تعمیر و نگهداری، مدت زمان پروژه، نوع خاک محل اجرای پروژه و غیره بستگی دارد. انتخاب ماشین آلات می‌تواند تاثیر بسیار زیادی بر روی روند اجرای پروژه و اقتصادی بودن آن داشته باشد. از این‌رو، مهندسان باید تا حد امکان از ویژگی‌های ماشین آلات ساختمانی مختلف و عملکرد یا مناسب بودن آن‌ها برای پروژه آشنایی داشته باشند.

عوامل موثر بر تراکم خاک چه هستند؟

نوع خاک، نوع ماشین آلات، ضخامت لایه، تعداد ماشین آلات، درصد رطوبت، فشار تماسی و سرعت عبور ماشین آلات از مهم‌ترین عوامل موثر بر تراکم خاک هستند. در ادامه، به معرفی هر یک از این موارد و نحوه تاثیرشان بر روی تراکم خاک می‌پردازیم.

تاثیر نوع خاک بر تراکم خاک

تاثیر نوع ماشین آلات بر تراکم خاک

انتخاب بهترین ماشین آلات برای تراکم خاک، مسئله‌ای است که بیشتر از هر پارامتری به نوع خاک محل بستگی دارد. بهترین ماشین آلات برای تراکم خاک‌های زیر عبارت هستند از:

• رس
  • کمپکتور رامر
  • کمپکتور صفحه‌ای
  • غلتک پاچه بزی
  • غلتک پنوماتیک
  • غلتک کفشک‌دار
• خاک لای‌دار
  • غلتک پاچه فیلی
  • غلتک شبکه‌ای
• ماسه
  • کوبنده ارتعاشی
  • غلتک صاف
• سنگ
  • کوبنده ارتعاشی
  • غلتک پاچه بزی
  • غلتک ضربه‌ای
  • غلک شبکه‌ای
• سطح آسفالت
  • غلتک پنوماتیک

در صورتی که امکان دسترسی به ماشین آلات بالا برای نوع خاک مشخص شده وجود نداشته باشد، می‌توان از جدول زیر به عنوان راهنمای کلی استفاده کرد:

توجه داشته باشید که نکته مهم دیگر در انتخاب نوع ماشین آلات تراکم خاک، نوع و مقیاس پروژه است. به عنوان مثال، در پروژه‌های احداث راه، خاکریز، سد خاکی و دیگر پروژه‌های بزرگ، معمولا از ماشین آلات سنگین تراکم خاک استفاده می‌‌شود. در طرف مقابل، به منظور تراکم ترانشه، فونداسیون ساختمان، زمین‌های کشاورزی و غیره، استفاده از ماشین آلات کوچک در اغلب موارد کفایت می‌کند.

تاثیر ضخامت لایه بر روی تراکم خاک

• نوع خاک
• نوع ماشین آلات
• وزن ماشین آلات
• فشار تماسی اعمال شده از طرف بخش متراکم کننده ماشین آلات (مانند غلتک)

معمولا به منظور دستیابی به تراکم یکنواخت خاک، لایه‌هایی با ضخامت 200 تا 300 میلی‌متر بر روی بستر ریخته می‌شوند.

تاثیر تعداد ماشین آلات بر تراکم خاک

هر چه تعداد ماشین آلات مورد استفاده بر روی یک سطح بیشتر باشد، میزان تراکم نیز بیشتر خواهد بود. البته برای انتخاب تعداد بهینه ماشین آلات باید به نکات زیر توجه کرد:

• تعداد ماشین آلات بعد از یک عدد مشخص، تاثیری بر روی افزایش تراکم خاک نخواهد داشت.
• افزایش تعداد ماشین الات به معنی افزایش هزینه سرمایه‌گذاری در پروژه است. از این‌رو، این تعداد باید با در نظر گرفتن مسائل اقتصادی انتخاب شود.

یکی از مهم‌ترین فعالیت‌های مهندسان، تعیین تعداد ماشین آلات عبوری از روی خاک دارای رطوبت بهینه است. به این منظور، آزمایش برجای تراکم خاک برای بررسی جنبه‌های اقتصادی فرآیند تراکم و دستیابی به سطح چگالی مورد نظر انجام می‌گیرد.

تاثیر رطوبت بر تراکم خاک

یکی از نکات ضروری برای دستیابی به چگالی مورد نظر، کنترل میزان رطوبت خاک در حین تراکم است. در صورت وجود روبت بهینه یا نزدیک به بهینه در خاک می‌توان با صرف کمترین انرژی، بیشترین چگالی ممکن را به دست آورد. اگر رطوبت خاک از میزان بهینه پایین‌تر باشد، باید مقدار مشخصی آب را بر روی لایه خاک ریخت و آن را توسط گریدر با خاک مخلوط کرد. در صورت اضافی بودن میزان رطوبت، بهتر است با هوارسانی به خاک، رطوبت آن را به میزان بهینه رساند.

تاثیر فشار سطحی بر تراکم خاک

فشار سطحی و وزن بخش متراکم کننده ماشین الات، از دیگر پارامتری موثر بر میزان و نحوه تراکم خاک هستند. در غلتک‌های پنوماتیک، فشار لاستیک نیز بر روی فشار سطحی اثیر می‌گذارد. هر چه فشار سطحی بیشتر باشد، چگالی خشک افزایش یافته و میزان رطوبت بهینه کاهش می‌یابد.

تاثیر سرعت ماشین آلات بر روی تراکم خاک

سرعت ماشین آلات از دو جنبه بر روی تراکم خاک تاثیر می‌گذارد:

1. هر چه سرعت ماشین آلات تراکم بیشتر باشد، طول ناحیه متراکم شده در یک شیفت بیشتر خواهد بود.
2. هر چه سرعت ماشین آلات بیشتر باشد، میزان و کیفیت تراکم کمتر خواهد بود. در این حالت، احتمال نیاز به تکرار فرآیند تراکم یا تعداد ماشین آلات مورد نیاز فزایش می‌یابد.

در نتیجه، هنگام بررسی این عامل باید تعادل بین سرعت و کیفیت را در نظر گرفت. معمولا محدودیت سرعت 5 کیلومتر در ساعت برای تمام انواع غلتک‌ها در نظر گرفته می‌شود. در غلتک‌های ارتعاشی، سرعت عامل بسیار مهمی است؛ چراکه فرکانس ارتعاش این ماشین آلات به سرعت پیشروی آن‌ها بستگی ندارد. در نتیجه، هر چه سرعت پیشروی کمتر باشد، تعداد تکرار چرخه تراکم برای دستیابی به چگالی مورد نظر کاهش می‌یابد.

ضریب تراکم خاک چیست و چگونه محاسبه می‌شود؟

یکی از مفاهیم پرکاربرد در مبحث تراکم خاک، «ضریب تراکم خاک» (Soil Compaction Factor) است که به عنوان معیاری برای درک درصد تراکم خاک فعلی و حداکثر تراکم قابل دسترس مورد استفاده قرار می‌گیرد. این معیار با عنوان «تراکم نسبی خاک» (Relative Compaction of Soil) نیز شناخته می‌شود.

فیلم آموزش بهسازی خاک – مقدماتی در فرادرس

کلیک کنید

تراکم خاک، یک کمیت بدون بعد است که با درصد نمایش داده می‌شود. توده خاکی با ضریب تراکم 70 درصد را در نظر بگیرد. تراکم نسبی خاک 70 درصد، نشان می‌دهد که این توده به اندازه 30 درصد با حداکثر چگالی ممکن فاصله دارد. به عبارت دیگر، در صورت استفاده از ماشین آلات تراکم می‌توان خاک را متراکم‌تر کرد و آن را به چگالی مورد نظر رساند.

محاسبه ضریب تراکم خاک

$$\gamma_{\mathrm{sat}}=\frac{G_{s} \gamma_{w}}{1+w G_{s}}=\frac{\gamma_{w}}{w+\frac{1}{G_{s}}}$$

• γ_sat: چگالی اشباع
• γ_w: چگالی مرطوب (محاسبه توسط آزمایش)
• w: رطوبت وزنی یا نسبت وزن آب موجود به وزن ذرات جامد (محاسبه توسط آزمایش)
• G_s: چگالی ویژه خاک (تقسیم وزن ذرات جامد بر وزن آب هم حجم)

با تعیین وزن مخصوص خشک توسط آزمایش‌های تراکم خاک و تقسیم مقدار به دست آمده بر وزن مخصوص اشباع (رابطه بالا)، ضریب تراکم خاک محاسبه می‌شود. در بخش بعدی، به معرفی متداول‌ترین آزمایش‌های تراکم خاک می‌پردازیم.

آزمایش تراکم خاک چگونه انجام می‌شود؟

آزمایش تراکم خاک، از فعالیت‌های الزامی پیش از شروع عملیات تراکم و پایان عملیات خاکی است. نتایج این آزمایش برای انتخاب ماشین آلات مناسب و میزان تراکم مورد نیاز مورد استفاده قرار می‌گیرد. ضریب تراکم خاک، مهم‌ترین خروجی آزمایش‌های تراکم است. در اغلب این آزمایش‌ها، چگالی مرطوب خاک یا زمین محل اجرای پروژه اندازه‌گیری می‌شود.

فیلم آموزش آزمایش‌های صحرایی در ژئوتکنیک در فرادرس

کلیک کنید

سپس با توجه به مقدار حداکثر چگالی قابل دسترس، ضریب تراکم خاک به دست می‌آید. پرکاربردترین روش تعیین تراکم خاک در آزمایشگاه، آزمایش تراکم پروکتور است. آزمایش‌های مخروط ماسه، بالن لاستیکی و چگالی هسته‌ای نیز از روش‌های برجا برای تعیین تراکم خاک هستند. در این بخش، به معرفی اصول اجرای این آزمایش‌ها می‌پردازیم.

پیش از توضیح اصول اجرای آزمایش‌های تراکم خاک، اشاره به این نکته ضروی است که در اکثر روش‌های متداول، باید درصد رطوبت نمونه را نیز تعیین کرد. توضیح روش‌های اجرای آزمایش تعیین رطوبت خارج از اهداف این مقاله است. با این وجود، مطالعه استانداردهای زیر می‌تواند شما را با نحوه اجرای این آزمایش‌ها آشنا کند:

• ASTM D2216: آون آزمایشگاهی
• ASTM D4643: میکرومتر
• ASTM D4944: فشار گاز کلسیم کاربید
• ASTM D4959: حرارت مستقیم

آزمایش تراکم پروکتور چگونه اجرا می‌شود؟

«آزمایش تراکم پروکتور» (Proctor Soil Compaction Test)، متداول‌ترین روش تعیین میزان تراکم خاک در آزمایشگاه است. در این آزمایش، رابطه بین چگالی خشک و رطوبت چندین نمونه‌ خاک به دست می‌آید. آزمایش تراکم پروکتور مطابق با استاندارد ASTM D698 و روش اصلاح شده آن بر اساس استاندارد ASTM D1557 اجرا می‌شود.

تجهیزات مورد نیاز برای اجرای آزمایش تراکم پروکتور عبارت هستند از:

• قالب نمونه با قطر 10 سانتی‌متر
• چکش پروکتور یا کوبه تراکم با وزن 2.5 یا 4.5 کیلوگرم (مطابق با استاندارد اصلی یا اصلاح‌شده)
• الک نمره 4 (مش 4.75 میلی‌متر)
• ترازو
• خط کش فلزی
• محفظه رطوبت
• استوانه مدرج
• هم زن
• آون
• سینی فلزی
• چمچه

پس از تهیه تجهیزات مورد نیاز مطابق با استاندارد انتخابی، آزمایش پروکتور مطابق با مراحل زیر اجرا می‌شود:

1. تهیه 3 کیلوگرم نمونه خاک
2. عبور خاک از الک نمره 4
3. اندازه‌گیری وزن توده خاک و قالب بدون سر قالب (W_m)
4. ریختن خاک در مخلوط کن و اضافه کردن تدریجی آب برای رسیدن به رطوبت مورد نظر (w)
5. گریس‌کاری سر قالب
6. خارج کردن خاک از مخلوط کن و ریختن آن به درون قالب در سه تا پنج لایه
7. وارد کردن 25 ضربه پس از ریختن هر لایه
8. باز کردن آرام سر قالب و برداشتن خاک بالا آمده از لبه قالب
9. وزن کردن قالب و خاک (W)
10. خارج کردن خاک از قالب
11. اندازه‌گیری رطوبت بالا، وسط و پایین نمونه
12. قرار دادن خاک درون مخلوط کن و اضافه کردن آب برای دستیابی به رطوبت بالاتر

پس از انجام آزمایش، نوبت به محاسبه چگالی خشک خاک بر اساس رابطه زیر می‌رسد:

$$\gamma_{d}=\frac{W-W_{m}}{(\mathbf{1}+\boldsymbol{w}) * \boldsymbol{V}}$$

• W_m: وزن قالب
• W: وزن نهایی قالب و خاک متراکم
• w: درصد رطوبت خاک
• V: حجم قالب (معمولا 0.33 متر مکعب)

با تکرار آزمایش و محاسبات بالا، امکان منحنی وزن مخصوص خشک در برابر رطوبت فراهم می‌شود. این منحنی به منظور تعیین رطوبت بهینه برای دستیابی به حداکثر چگالی خاک مورد استفاده قرار می‌گیرد. نتایج آزمایش اصلاح شده (کوبه 4.5 کیلوگرمی)، نشان می‌دهد که با صرف انرژی بیشتر می‌توان در رطوبت پایین‌تر به چگالی بالاتر دست یافت.

آزمایش مخروط ماسه چگونه اجرا می‌شود؟

یکی از متداول‌ترین آزمایش‌های برجا برای ارزیابی تراکم خاک، «آزمایش مخروط ماسه» (Sand Cone Test) است. این آزمایش مطابق با استانداردهای ASTM D1556 و AASHTO T191 اجرا می‌شود و اغلب برای تعیین چگالی لایه‌های مختلف زیرسازی در پروژه‌های راه‌سازی مورد استفاده قرار می‌گیرد. آزمایش مخروط ماسه از دقت خوبی بهره می‌برد.

تجهیزات آزمایش مخروط ماسه عبارت هستند از:

• نمونه ماسه با چگالی مشخص (D₁)
• مخروط ماسه (محفظه ریختن ماسه)
• قیف
• صفحه استاندارد با یک حفره
• میله حفاری
• محفظه خاک
• ترازو

مراحل آزمایش مخروط ماسه به ترتیب زیر اجرا می‌شوند:

1.  وزن کردن مخروط خالی (W₁)
2. پر کردن مخروط با حجم مشخصی ماسه و وزن کردن مجدد آن (W₂)
3. بردن تجهیزات به محل مورد نظر برای اجرای آزمایش در پروژه
4. قرار دادن صفحه حفره‌دار بر روی سطح خاک مورد نظر
5. حفر خاک زیر حفره تا عمق 10 الی 12.5 سانتی‌متر
6. خارج کردن خاک از حفره، صاف کردن و یکنواخت کردن سطح داخلی حفره
7. وزن کردن خاک خارج شده از حفره (W₄)
8. جانمایی دقیق مخروط ماسه بر روی حفره
9. باز کردن شیر مخروط و صبر کردن تا پر شدن کامل حفره توسط ذرات ماسه
10. بستن شیر به محض پر شدن کامل حفره
11. وزن کردن ماسه باقی مانده در قیف (W₃)
12. محاسبه وزن ماسه ریخته شده در حفره (W₂-W₃)
13. محاسبه حجم حفره با استفاده از وزن ماسه پرکننده و چگالی آن (V=W₂-W₃/D₁)
14. محاسبه چگالی مرطوب خاک محل اجرای آزمایش با استفاده از وزن خاک حفر شده و حجم حفره (W₄/V)

پس از انجام مراحل بالا، چگالی خشک با استفاده از رابطه زیر به دست می‌آید:

$$\gamma_{d}=\frac{\gamma_{w}*100}{w+100}$$

• γ_d: چگالی خشک
• γ_w: چگالی مرطوب
• w: رطوبت خاک

دو آزمایشی که تا به اینجا به معرفی کردیم، متداول‌ترین و ساده‌ترین روش‌های تعیین ضریب تراکم خاک در آزمایشگاه و محل پروژه هستند. معمولا برای تعیین نسبت تراکم خاک، روش آزمایشگاهی ترجیح داده می‌شود. در صورت عدم دسترسی به تجهیزات آزمایشگاهی، روش‌های برجا در اولویت قرار می‌گیرند. روش مخروط ماسه به دلیل سادگی، ایمنی و هزینه پایین از محبوبیت بالایی برخوردار است. با این وجود، محدودیت‌هایی نظیر مدت اجرای بالا (30 دقیقه یا بیشتر)، نیاز به توقف ماشین آلات برای اجرا، عدم کاربرد در خاک‌های اشباع یا بسیار چسبنده و نیاز به بازیابی دقیق مواد حفاری شده، باعث ترجیح دادن روش‌های دیگر نظیر آزمایش بالن لاستیکی یا آزمایش هسته ای می‌شود.

آزمایش بالن لاستیکی چگونه اجرا می‌شود؟

«آزمایش بالن لاستیکی» (Rubber Balloon Test)، یکی از روش‌های تعیین تراکم خاک است که شباهت‌هایی به روش مخروط ماسه‌ای دارد. با این تفاوت که در آزمایش بالن لاستیکی به جای ماسه از آب درون یک محفظه تحت فشار استفاده می‌شود. نحوه اجرای این آزمایش در استانداردهای ASTM D2167 و AASHTO T205 تشریح شده است.

از تجهیزات مورد نیاز برای اجرای آزمایش بالن لاستیکی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• بالن چگالی سنج
• پمپ لاستیکی
• صفحه فلزی با سوراخ و اتصالات
• بالن‌های لاستیکی
• مته یا ماله
• محفظه آب‌بند
• ترازو
• آون

مراحل اجرای آزمایش بالن لاستیکی عبارت هستند از:

1. آماده‌سازی یک سطح صاف در محل پروژه برای اندازه‌گیری چگالی
2. جانمایی صفحه بر روی سطح و محکم کردن اتصالات به منظور جلوگیری از جابجایی در حین اجرای آزمایش
3. جانمایی بالن چگالی سنج بر روی حفره صفحه
4. جانمایی پمپ لاستیکی در محل شیر کنترل و پمپ کردن (دستی) آب به درون بالن
5. توقف پمپ کردن هنگام رسیدن سطح آب به پایین‌ترین محل در محفظه
6. قرائت سطح آب به عنوان حجم اولیه (V₁)
7. برعکس کردن پمپ و بازگرداندن آب به درون محفظه تا رسیدن به سطح قبلی
8. برداشتن چگالی سنج از روی صفحه فلزی و حفر حفره‌ای به عمق 10 تا 12.5 سانتی‌متر
9. ریختن خاک حفاری شده درون یک محفظه آب‌بند و اندازه‌گیری وزن خاک
10. نصب دوباره چگالی سنج بر روی صفحه و پمپ کردن آب به درون بالن
11. توقف پمپ کردن هنگام رسیدن سطح آب به پایین‌ترین مقدار خود و قرائت آن به عنوان حجم نهایی (V₂)
12. برگرداندن آب به درون محفظه چگالی سنج و باز کردن دستگاه

با انجام مراحل بالا و آزمایش تعیین رطوبت، امکان محاسبه وزن مخصوص مرطوب و خشک نمونه خاک مطابق با روابط زیر فراهم می‌شود:

$$\gamma=\frac{W}{V}$$

• γ: وزن مخصوص مرطوب خاک
• W: وزن خاک استخراج شده از حفره
• V: حجم حفره (اختلاف حجم اولیه V₁ و نهایی V₂)

$$\gamma_{d}=\frac{\gamma}{1+w}$$

• γ_d: وزن مخصوص خشک خاک
• γ: وزن مخصوص مرطوب خاک
• w: رطوبت نمونه (به دست آمده از آزمایش آون)

آزمایش تعیین چگالی به روش هسته ای

از روش‌های سریع، قابل اطمینان و البته گران برای تعیین چگالی خاک محل و اندازه‌گیری درصد تراکم آن می‌توان به آزمایش چگالی هسته‌ای اشاره کرد. این روش با اندازه‌گیری انتقال تشعشعات گاما از درون یک لوله حاوی مواد رادیواکتیو (مانند سزیم 137) و سنسورهای مخصوص، میزان تراکم ذرات خاک را تعیین می‌کند. روش آزمون آزمایش چگالی هسته‌ای در استانداردهای ASTM D6938 و AASHTO T310 آورده شده است.

مراحل کلی اجرای آزمایش چگالی هسته‌ای عبارت هستند از:

1. راندن یک میله فولادی به درون خاک محل پروژه
2. فرو کردن لوله حاوی مواد رادیواکتیو تا عمق حدود 30.5 سانتی‌متری حفره
3. اندازه‌گیری نرخ انتقال تشعشعات به مدت یک دقیقه

هر چه نرخ انتقال بالاتر باشد، چگالی خاک پایین‌تر است. به منظور تبدیل این نرخ به چگالی واقعی از ضریب تعدیل استفاده می‌شود. علاوه بر روش انتقال مستقیم، روش دیگری نیز وجود دارد که در آن، نیازی به فرو کردن لوله حاوی مواد رادیواکتیو به درون خاک نیست. این روش با پراکنش تشعشات به درون زمین و دریافت انعکاس برگشتی آن‌ها به منبع (در سطح زمین)، میزان چگالی هسته‌ای را اندازه‌گیری می‌کند. البته روش پراکنش از دقت کمتری نسبت به روش انتقال مستقیم برخوردار است. با این وجود، هیچ آسیبی را به خاک وارد نمی‌کند.