کتاب جامع مکانیک خاک

توضیحات

کتاب جامع مکانیک خاک

طبقه بندی خاک ها :
رده بندی خاکها معمولا با استفاده از نتایج آزمایشات دانه بندی و خواص خمیری انجام می شود. در برخی از روشهای رده بندی خاک ممکن است که از سایر مشخصات خاک نیز استفاده شود.

سیستم یونیفاید١وسیستم آشتو 2بیش از سایر سیستم ها متداول است .در این روش ها رده بندی خاک براساس دانه بندی وخواص خمیری خاک انجام می شود.
در طبقه بندی یو نیفاید انواع مختلف خاکها بوسیله علائم زیرمشخص می شوند :
خاکهای درشت دانه به دو گروه عمده تقسیم میشوند :
= Gشن و خاکهای شنی
= Sماسه و خاکهای ماسه ای
این دو گروه بعداً به تقسیمات کوچکتری قسمت شده و هر گروه شامل چهار گروه دیگر می شود . که این تقسیم بندی جدید بر اساس نوع دانه بندی و تمیز بودن یا خالص بودن خاک می باشد .
W=خاکهای با دانه بندی خوب ، تمیز خالص
C=خاکهای با دانه بندی خوب همراه با مقداری خاک رس بعنوان چسباننده .
P=خاکهای با دانه بندی بد ، نسبتاً خالص
M=خاکهای ناخالص همراه با مواد ریزدانه . یعنی کلا خاکهایی که در سه گروه اول نمی گنجد . این علائم همراه با نوع خاکهای درشت دانه یعنی علائم Gو Sبکار برده میشود .

مثلا GWبه معنی خاکی است متشکل از شن خالص و با دانه بندی خوب ، SC به معنای خاکی است ماسه ای با دانه بندی خوب همراه با مقداری رس بعنوان ماده چسباننده .
خاکهای ریزدانه خود به چهار گروه تقسیم میشوند :
M=خاکهای سیلتی غیر ارگانیک و ماسه های خیلی ریز
C=خاکهای رس غیر ارگانیک
O=خاکهای رس و سیلت ارگانیک
Pt=خاک پیت p

تجزیه مکانیکی خاک :
منظور از تجزیه مکانیکی عبارتست از تجزیه خاک به قسمت هایی به اندازه های مختلف که معمولا هر قسمت به صورت درصدی از ذرات نسبت به کل وزن خاک که از یک اندازه مفروض کوچکتر می باشند بیان می شود .

تجزیه مکانیکی با استفاده از یک سری الک

تجزیه مکانیکی خاک های درشت دانه را که دارای اهمیت بسیار می باشند می توان با استفاده از یک سری الک ١به آسانی انجام داد . با قرار دادن یک سری الک بترتیب از درشت به ریز بر روی هم میتوان ذرات خاک بزرگتر از الک شماره ٢٠٠را که برابر با قطری در حدود ٠/٠٧۴میلیمتر  یا ٧۴میکرون  می باشد با تکان دادن نمونه خاک در الک ها و شستشوی نمونه خاک در الک های ریزتر معمولا از الک شماره ٨٠به بعد  از هم مجزا نموده و در صد وزنی هر قسمت را معین نمود . برای این کار خاک غیر چسبنده را در کوره الکتریکی خشک نموده وآن را پس از وزن کردن در درشت ترین الک می ریزیم . باید توجه داشت که کلیه کلوخ ها و ذرات بهم چسبیده خاک باید از هم مجزا شوند . ( خاکهای چسبنده ) رس و سیلت  را باید قبل از عبور از الک ها بصورت پراکنده تبدیل نمود . این عمل را میتوان با مخلوط نمودن وزن معینی از خاک با آب و بهم زدن مخلوط بطوریکه یک مخلوط آبکی یکنواختی حاصل شود و سپس بهم زدن مخلوط توسط یک بهم زن الکتریکی بمدت ١۵دقیقه انجام داد . مخلوط حاصل پس از اطمینان از پراکندن ذرات در آن به داخل بالاترین الک ریخته شده و آنقدر آب به آن اضافه میشود تا کلیه ذرات ریزتر از هر شماره الک از داخل آن شسته شده به الک زیرین منتقل شود و بدین ترتیب خاک به قسمت هایی با اندازه های
مختلف تجزیه شود . مقدار باقیمانده در روی هر الک را می توان پس از خشک کردن الک در کوره و وزن کردن آن بدست آورده و درصد آنرا نسبت به وزن کل نمونه خاک معین ساخت .
معمولا اندازه الک ها بر حسب تعداد سوراخ ها در یک اینچ مربع برابر با مجذور شماره الک خواهد بود . در جدول زیر مشخصات الکها در استانداردهای مختلف آورده شده است.

چگونگی دانه بندی یک خاک را با ضرایبی که از منحنی دانه بندی آن بدست می آید ، بصورت کمی به شرح زیر ارزیابی می کنند:
۱-ضریب یکنواختی ،، Cuکه از رابطه زیر بدست می آید :

D60:اندازه ای است که ۶۰درصد وزنی ذرات خاک از آن کوچکتر می باشد.
D10:اندازه ای است که ۱۰درصد وزنی ذرات خاک از آن کوچکتر می باشد و به آن اندازه موثر می گویند.

۲-ضریب خمیدگی ، ، Ccکه از رابطه زیر بدست می آید :

D30:اندازه ای است که ۳۰درصد ذرات خاک از آن کوچکتر می باشد.
در بعضی از منابع، ضریب خمیدگی را ضریب دانه بندی نامیده و با Cgنشان می دهند. ضریب یکنواختی ، برای خاکی که اندازه ذرات آن یکسان است ، برابر با یک می باشد . بزرگ بودن این ضریب نشان دهنده دامنه تغییرات وسیع اندازه ذرات بین D10و D60است البته بزرگ بودن CUبه تنهایی دال بر خوبی دانه بندی خاک نیست.

آزمایش هیدرومتری :
دانه بندی خاکهای ریزدانه با استفاده از آزمایش هیدرومتری انجام میگیرد. آزمایش هیدرومتری بر پایه اصول ته نشینی دانه های خاک در آب قرار دارد. وقتی که نمونه خاک در آب کاملا به هم زده می شود دانه های معلق بر حسب شکل ، اندازه و وزن با سرعتهای مختلفی ته نشین می شوند. برای سهولت فرض می شود که تمام دانه های خاک کروی هستند و سرعت ته نشینی آنها طبق قانون استوکس بیان می شود. در نتیجه :

ملاحظه می شود که مقدار Kبر حسب تابعی از GSو ηاست که تابعی از درجه حرارت آزمایش هستند. در جدول  مقدار Kبرحسب در جه حرارت آزمایش و چگالی دانه های خاک ارائه شده است :

حدود اتربرگ :
وقتی در خاکهای ریزدانه ، کانیهای رسی ظاهر می شود، با مرطوب کردن ، خاک حالت خمیری به خود می گیرد و آن را می توان بدون خرد شدن شکل داد. این خاصیت چسبندگی به علت آب جذب شده ای است که ذرات رس را احاطه کرده است. در اوایل دهه ١٩٠٠دانشمند سوئدی ، اتربرگ ١روشی برای توصیف سفتی خاکهای ریزدانه بر حسب میزان رطوبت ابداع نمود.

در میزان رطوبت خیلی کم خاک مثل یک جسم جامد عمل می کند. در رطوبت بالا مخلوط آب و خاک می تواند به صورت یک مایع جاری شود. به طور کلی همانند شکل بر حسب میزان رطوبت، طبیعت رفتار خاک به یکی از ۴حالت جامد، نیمه جامد، خمیری و مایع خواهد بود.

حد روانی (LL ) یا ( ωL ) :
میزان رطوبت در نقطه انتقال از حالت جامد به نیمه جامد حد انقباض و در نقطه انتقال از حالت نیمه جامد به خمیری حد خمیری و از خمیری به مایع حد مایع یا روانی نامیده می شود.
در شکل وسیله اندازه گیری حد مایع نشان داده شده است. این وسیله شامل یک فنجان برنجی و یک پایه از لاستیک سخت می باشد. با پیچاندن دسته ای فنجان از روی پایه قدری بلند شده و به طور ناگهانی روی آن می افتد. برای انجام آزمایش تعیین حد حد روانی ، خمیر خاک در فنجان قرار داده شده و با استفاده از شیارزن استاندارد شیاری در وسط نمونه خمیری خاک ایجاد می شود.

سپس با پیچاندن دسته دستگاه فنجان از روی پایه بلند شده و از ارتفاع ١٠میلیمتری بر آن می افتد. درصد رطوبتی که به ازای آن بعلت ٢۵ضربه فنجان شیار ایجاد شده در نمونه داخل فنجان بسته می شود حد روانی خوانده می شود.

تنظیم رطوبت خاک به طوری که دقیقا به علت ٢۵ضربه شیار بسته شود مشکل است. بنابراین حداقل ۴ آزمایش برای خاکمورد مطالعه با رطوبتهای مختلف انجام شده و تعداد ضربات لازم برای بستن شیار اندازه گیری می شود. میزان رطوبت باید طوری باشد که تعداد ضربات Nبین ١۵تا ٣۵قرار گیرد. میزان رطوبت بر حسب درصد، در مقابل تعداد ضربات Nدر روی کاغذ نیمه لگاریتمی رسم می شود. رابطه بین میزان رطوبت N و Log Nتقریبا به صورت خط مستقیم است و به نمودار آن نمودار جریان می گویند.

از آنجا که حد روانی یک خاک، فاکتور مناسبی جهت نشان دادن تراکم پذیری یا قابلیت فشردگی خاک میباشد ، خاکهای ریز دانه بر طبق حد روانی خود به دو گروه تقسیم میشوند :
L=حد روانی کمتر از ۵٠که نشان دهنده قابلیت فشردگی کم یا متوسط است همراه با پلاستیسیته پائین .
H=حد روانی بیش از ۵٠که نشان دهنده قابلیت فشردگی زیاد همراه با پلاستیسیته بالا می باشد .

حد خمیری PL یا ( ω P ) :
میزان رطوبتی برحسب درصد است که به ازای آن اگر فیتیله ای به قطر ٣/٢میلیمتر از خمیر نمونه خاک  به روش غلتاندن ساخته شود، خرد گردد. حد خمیری پایینترین میزان رطوبت مربوط به حالت خمیری خاک است. روش آزمایش ساده است و با غلتاندن تکه ای از خمیر خاک بر روی یک صفحه شیشه ای به وسیله دست صورت می گیرد.

نشانه خمیری PI یا  ( IP ) :
نشانه خمیری ( PI ) اختلاف بین حد مایع و حد خمیری خاک می باشد :
PI = LL – PL
حد انقباض: (SL) 
با از دست دادن رطوبت ، خاک منقبض می شود حجم آن می گردد ولی با کاهش پیوسته رطوبت ، مرحله ای می رسد که از آن به بعد کاهش رطوبت دیگر سبب کاهش حجم نمی شود. میزان رطوبت برحسب درصد که در آن کاهش حجم خاک متوقف می شود حد انقباض نامیده می شود.
نشانه روانی: (LI) 
سفتی نسبی یک خاک چسبنده در وضعیت طبیعی را می توان توسط نسبتی که نشانه روانی نامیده می شود، بیان نمود :

نمودار خمیری  یا چارت پلاستیسیته: 

سیستم متحد  ( یونیفاید ) طبقه بندی خاک ها :
پس از انجام دانه بندی یک نمونه خاک ومشخص شدن درصد عبوری از هر یک از الکهای استاندارد و نیز تعیین ضرایب خمیری آن رده بندی نمونه با توجه به مراحل زیر صورت می گیرد:
1-مشخص کردن ریزدانه یا درشت دانه بودن نمونه: هرگاه پس از دانه بندی بیش از نصف دانه ها از الک شماره75 µm ) 200طبق استاندارد یونیفاید unifiedو یا 63 µmدر روش
انگلیسی ( B.S ) عبور نماید . خاک ریزدانه ودرغیراین صورت درشت دانه محسوب می شود.
٢-اگر نمونه خاک درشت دانه بود باید مشخص شود که شن Gاست یا ماسه Sبرای این کار اگر بیش از نصف قسمت درشت دانه از الک شماره 4.75 mm ) 4طبق استانداردیونیفاید ( unifiedو یا) 2mmدر روش انگلیسی ( B.S ) عبور کند، نمونه ماسه ودرغیراین صورت شن محسوب می شود.
٣-در صورتیکه نمونه خاک شن باشد :
ـ اگر درصد ریزدانه عبوری از ( No.200کمتراز % 5 )باشد دو حالت پیش می آید:
برای ضریب یکنواختی Cu ≥ 4وضریب خمیدگی ، 1≤ Cc ≤ 3خاک از گروه شن خوب دانه بندی شده GWواگر یکی از این دو ضریب برقرار نباشد شن بد دانه بندی شده GPاست.
ـ اگر درصد ریز دانه بیشتر از % 12باشد دو حالت وجود دارد :
هرگاه در نمودار خمیری نقطه ای به مختصات  ( LL,PIکه LLحد روانی و PI ) نشانه خمیری خاک مورد نظر هستندءروی خط A-lineقرار گرفت

و PI >7 خاک شن رس دار GCو اگر زیر A-lineقرار گرفت و یا PI <4ء شن لای دار GMاست.
ـ اگر درصد ریز دانه بین 5و 12باشد ء باید از علامت دوگانه استفاده کرد.یعنی بدون توجه به درصد ریزدانه یکبار GWیا GP بودن ء بررسی میشود وبار دیگر GCیا GMبودن مشخص میشودو مثلاً خاکی با گروه GW-GCبدست می آید.
4-در صورتیکه خاک ماسه باشد ء همان مراحلی که در مورد شن گفته شد ء در مورد ماسه نیز صدق خواهد کرد وبجای Gاز S استفاده می کنیم با این تفاوت که برای ماسه مرز Cuبجای ، 4عدد 6می باشد .
5-اگر نمونه خاک ریزدانه باشد. نمودار خمیری مشخص کننده گروه خاک خواهد بود.
اگر نقطه ای با مختصات حدروانی و نشانه خمیری خاک مورد نظر بالای A-Lineقرار گرفت ء رس Cواگر زیر A-Lineقرار گرفت لای Mمی باشد. و در نهایت حد روانی تعیین کننده خاصیت خمیری خواهد بود که اگر LL<50خاصیت خمیری کمL ودر غیر اینصورت خاصیت خمیری زیاد Hا ست. بعنوان مثال اگر نشانه خمیری خاک ریزدانه ای 40وحد روانی آن 60باشد.  بالای A-Lineقرار می گیرد وچون LL >50پس خاک درگروه CHمی باشد . در جدول طبقه بندی خاکها به روش یونیفاید یا متحد نشان داده شده است :