آزمایش تحکیم جهت تعیین پارامتر های موثر در پیش بینی نشست و میزان آن در سازه های متکی بر خاک های رس است.

تحکیم چیست؟

وقتی خاک رس اشباع تحت بارگذاری قرار می گیرد. در آغاز، تمام بارگذاری توسط آب حفره ای تحمل می شود که به آن افزایش فشار آب حفره ای می گویند. در صورتی که زهکشی انجام شود به مرور زمان حجم خاک کاهش می یابد که به آن تحکیم گفته می شود و باعث نشست خاک می شود.

هدف آزمایش تحکیم

مطابق متن صریح استاندارد مربوطه هدف از تدوین این استاندارد و این آزمایش، تعیین میزان و شدت تحکیم خاک ها، تحت شرایط بارگذاری و زهکشی قائم، در حالت محصور جانبی وتنش کنترل شده افزایشی می باشد.

روش انجام آزمایش تحکیم

آزمایش تحکیم را می توان به هر یک از دو روش زیر انجام داد.

• روش الف

این روش با ثابت ماندن مقدار بار در مدت 24 ساعت یا مضربی از آن زمان، ‌انجام می شود. قرائت های تغییر شکل – زمان برای حداقل دو مرحله افزایش بار مورد نیاز است.

• روش ب   

قرائت های تغییر شکل – زمان برای هرمرحله از افزایش های بار اعمال شده، مورد نیاز است. افزایش های بار در هر مرحله بعد، پس از رسیدن به 100 درصد تحکیم اولیه بار قبل، ‌یا در زمان های ثابت بارگذاری (24 ساعت یا مضربی از آن)، همچنان که در روش الف توصیف گردید، اعمال می گردد.

موارد انجام آزمایش تحکیم

‌آزمایش تحکیم عموماً بر روی آزمونه های دست نخورده خاک های ریزدانه آبرفتی،‌ انجام می شود. این روش همچنین برای آزمونه های متراکم شده و آزمونه های دست نخورده که با فرایندهای دیگری مثل هوازدگی یا با تغییر ماهیت شیمیایی تشکیل شده اند، نیز‌ قابل اجرا است.

معمولا روش های ارزیابی ذکر شده، کلاً برای خاک های آبرفتی است. برای خاک های دیگر، نظیر خاک های متراکم شده و هوازده یا تغییر شیمیایی یافته، ممکن است فنون ارزیابی خاصی لازم باشد.

کاربرد آزمایش تحکیم

موارد کاربرد آزمایش تحکیم خاک شامل موارد زیر است.

• تخمین مقدار و سرعت نشست

اطلاعات بدست آمده از آزمون تحکیم برای تخمین میزان وسرعت نشست جزئی وکلی سازه یا خاکریز،‌ به کار می رود. این تخمین اهمیت کلیدی در طرح سازه های مهندسی و ارزیابی عملکرد آن ها دارد.

• تخمین فشار پیش تحکیمی

نتایج آزمون تحکیم بستگی به مقدار افزایش های بار دارد. طبق معمول، بار در هر افزایش دو برابر می شود و در نتیجه نسبت افزایش بار برابر یک می باشد. برای آزمونه های دست نخورده، این روش بارگذاری، ‌اطلاعاتی را فراهم می سازد که از آن ها فشار پیش تحکیمی تخمین زده می شود.

• تعیین تحکیم کامل

نتایج آزمون تحکیم یا همان تعیین تحکیم کامل به مدت اعمال هر افزایش بار بستگی دارد. مدت اعمال بار به طور معمول برای هر دفعه افزایش، یکسان و برابر 24 ساعت می باشد. برای بعضی از خاک ها، سرعت تحکیم به اندازه ای است که تحکیم کامل آن (محور فشار منفذی اضافی)،  بیش از 24 ساعت زمان نیاز دارد.

وسایلی که به طور معمول استفاده می شود، قادر به اندازه گیری فشار منفذی نمی باشد. به طور کلی هر روش ارزیابی، که تحکیم کامل را تعیین نماید، ضروری است. این روش آزمایش استاندارد دو روش را مشخص می کند، به هرحال درخواست کننده ممکن است فن دیگری را تعیین کند و باز هم با این روش آزمون استاندارد مطابقت داشته باشد.

خلاصه روش آزمایش تحکیم

در این آزمایش، آزمونه خاک، با افزایش های فشار کل، به صورت جانبی و تحت فشار محوری قائم، محصور شده است. هر افزایش تنش، تا رسیدن به تحکیم کامل (محور کامل فشار آب منفذی) نگهداری می شود. در طول فرایند تحکیم، اندازه گیری ها بر اساس تغییرات طول آزمونه انجام می شود، و این ارقام برای تعیین نسبت بین فشار مؤثر و نسبت تخلخل یا کرنش، مورد استفاده قرار می گیرد، و میزان هر مرحله از تحکیم را می توان با ارزیابی ضریب تحکیم به دست آورد.

• قرائت اولیه

تحکیم سنج، درون وسیله بار گذاری قرار داده و بار نشاننده 5 کیلوپاسکال اعمال می شود. بلافاصله پس از اعمال بار نشاننده، ‌شاخص تغییر شکل تنظیم و قرائت اولیه در شروع آزمون یادداشت می شود. در صورت لزوم برای جلوگیری از تورم آزمونه، بار افزایش داده، بر عکس اگر پیش بینی شود که بار 5 کیلو پاسکال سبب تحکیم قابل توجهی در آزمونه می گردد، بار نشاننده تا 2 یا 3 کیلوپاسکال یا کمتر، کاهش داده می شود.

• غرقاب نمودن آزمونه

اگر آزمون روی آزمونه دست نخورده (بکر) انجام شود که در شرایط محلی اشباع بوده یا از زیر سطح آب، بدست آمده باشد، ‌بلافاصله بعد از اعمال بار نشاننده، آزمونه غرقاب می شود.

بعد از غرقاب و مرطوب شدن آزمونه، جهت جلوگیری از تورم، بار تا مقدار مورد نیاز افزایش داده و تغییر شکل قرائت شده یادداشت می شود. اگر عمل غرقاب، جهت ایجاد مشابهت با شرایط ویژه آزمونه، به تأخیر افتاده است، در این صورت غرقاب باید در شرایطی انجام شود، که آزمونه تحت فشار کافی باشد، تا از تورم آن جلوگیری شود.

در این حالت، بار مورد نیاز اعمال و آزمونه غرقاب می شود. در هنگام غرقاب نمودن، تغییر شکل نسبت به زمان، قرائت می شود. در چنین مواردی، فشار در هنگام غرقاب و تغییرات حاصله در ارتفاع آزمونه، در گزارش یادداشت می شود.

• جدول بارگذاری در آزمایش تحکیم

آزمونه تحت افزایش های ثابت تنش کل قرار داده می شود. جدول بارگذاری معین، بستگی به هدف آزمون خواهد داشت، اما باید با راهنمایی های زیر مطابقت داشته باشد. اگر شیب وشکل یک منحنی فشردگی بکر، یا تعیین فشار پیش تحکیمی، مورد نیاز است، فشار نهایی باید بزرگتر یا مساوی چهار برابر فشار پیش تحکیمی باشد.

در مورد رس های پیش تحکیم یافته، ممکن است با اعمال سیکل باربرداری – بارگذاری مجدد بعد از فشار پیش تحکیمی تعریف شده، ارزیابی بهتری از پارامترهای فشردگی مجدد به دست آورد. جزئیات مربوط به محل و گستردگی سیکل باربرداری – بارگذاری مجدد به عهده درخواست کننده آزمون می باشد.

جدول بارگذاری استاندارد با نسبت افزایش بار برابر یک، که با دو برابر کردن فشار بر خاک، حاصل می گردد، ‌مقادیر تقریبی 12،‌ 25، 50 ، 100 ، 200 کیلوپاسکال یا بیشتر را بدست می دهد.

جدول بار برگشت، یا بار برداری استاندارد، با نصف نمودن فشار اعمال شده بر خاک حاصل می گردد، این حالت بر عکس حالت افزایش است. به هر حال در صورت تمایل، هر بار بعدی می تواند یک چهارم اندازه بار قبلی باشد، که این هم یکی از راه های کاهش است.

جهت فراهم نمودن مجدد ساختار تغییرات تنش، یا بدست آوردن تعریف بهتر از قسمتی از منحنی تغییر شکل – تنش (فشردگی)، یا کمک در تفسیر رفتار خاک در محل، می توان از جدول بارگذاری – باربرداری، یا بارگذاری مجدد دیگری، استفاده نمود.

• قرائت گیج در هر مرحله از افزایش بار

قبل از اعمال هر افزایش فشار، ارتفاع یا تغییر ارتفاع آزمونه  باید یادداشت شود. دو طریق انتخابی مذکور، که نوع توالی زمانی قرائت ها و حداقل مدت لازم برای باقی ماندن بار را، دقیقاً مشخص می کند، در دسترس می باشد.

برای تعیین جزء خط مستقیم از بخش فشردگی ثانویه منحنی تغییر شکل بر حسب لگاریتم زمان، معمولاً زمان های طولانی تری برای هر افزایش بار، مورد نیاز می باشد. برای چنین افزایش هایی، جهت به دست آوردن  آن قسمت خط مستقیم منحنی، باید قرائت های کافی در انتهای هر مرحله از افزایش فشار، ‌انجام شود. طولانی کردن مدت زمان، هنگام آزمون، برای دیگر افزایش های فشار، مورد نیاز نمی باشد.

روش آزمون الف:  مدت استاندارد افزایش بار 24 ساعت می باشد. برای حداقل دو افزایش بار شامل حداقل یک افزایش بار بعد از فشار پیش تحکیمی، ارتفاع (d)  برای فواصل زمانی تقریبی 0.1،‌ 0.25 ، 0.5 ، 1، 2، ‌4، 8، 15 و 30 دقیقه،  و‌1، 2 ، 4، 8 و 24 ساعت (یا 0.09 ،‌0.25، 0.49، ‌1 ،‌4،‌ 9 دقیقه و غیره برای نمایش نتایج اندازه گیری های تغییر شکل – زمان)، از زمان اعمال هر افزایش فشار، ‌اندازه گیری و یادداشت شود.

جهت اثبات اینکه تحکیم اولیه تکمیل شده است، باید در نزدیکی پایان دوره افزایش های فشار، قرائت های کافی صورت پذیرد. در بعضی از خاک ها برای رسیدن به پایان تحکیم اولیه، ممکن است زمان بیشتر از 24 ساعت مورد نیاز باشد.

در این گونه موارد، مدت اعمال افزایش بار بیشتر از 24 ساعت، مورد نیاز است. مدت افزایش بار برای این آزمون ها معمولاً مضربی از 24 ساعت است و باید به عنوان مدت استاندارد برای همه افزایش های بار آزمون، در نظر گرفته شود. تصمیم برای استفاده از فاصله زمانی بیشتر از 24 ساعت، معمولاً بر اساس تجربه بر روی انواع خاص خاک، اتخاذ می شود.

بنابراین اگر، در مورد مناسب بودن زمان 24 ساعت تردید وجود داشته باشد، باید قرائت ارتفاع یا تغییر ارتفاع نسبت به زمان، به منظور بررسی کفایت زمان 24 ساعت، ‌برای افزایش های اولیه بار، ‌انجام شود. مدت های افزایش بار غیر از 24 ساعت باید در گزارش یادداشت گردد. برای افزایش های هر پله فشار، که اطلاعات مربوط به تغییر شکل بر حسب زمان، ‌مورد نیاز نمی باشد، ‌بار باید تا همان فاصله زمانی که قرائت های تغییر شکل نسبت به زمان مورد نیاز است، بر روی آزمونه باقی بماند.

روش آزمون ب :  برای هر پله افزایش بار، ‌ارتفاع یا تغییر ارتفاع (d) در فواصل زمانی تقریبی 0.10، 0.25، 0.5،‌ 1، 2، ‌4، ‌8، 15 و 30 دقیقه، و 1، ‌2، ‌4، ‌8 و 24 ساعت (یا 0.09، 0.25، 0.45، 1، ‌4، ‌9 دقیقه و غیره ‌برای نمایش نتایج اندازه گیری های تغییر شکل– زمان) از زمان اعمال هر افزایش فشار، ‌اندازه گیری و یادداشت شود.

مدت زمان استاندارد افزایش بار، ‌باید از زمان مورد نیاز برای تکمیل تحکیم اولیه (تعیین شده در بندهای 13-2-1-1، ‌13-2-2-3 استاندارد 6932 ایران) یا از معیار مورد نظر درخواست کننده، ‌بیشتر باشد. برای هر پله افزایش فشار، ‌که صحت پایان تحکیم اولیه آن ممکن نباشد، (به طور مثال: نسبت افزایش بار کم یا تحکیم سریع)، باید مدت زمان افزایش بار آن، ثابت باشد و از زمان مورد نیاز تحکیم اولیه مربوط به افزایش بار اعمال شده بعد از فشار پیش تحکیمی و در طول منحنی فشردگی بکر، تجاوز نماید. زمانی که باید فشردگی ثانویه ارزیابی شود، فشارها برای دوره های طولانی تری اعمال می شود. گزارش باید شامل مدت زمان افزایش بار برای هردفعه افزایش بار باشد.

یادآوری – فواصل زمانی پیشنهاد شده، جهت ثبت ارتفاع یا تغییر ارتفاع، برای انواع خاک ها و افزایش های بار، هستند. برای تعمیم تفسیر اطلاعات، اغلب تغییر تعداد قرائت ها، مناسب اند. تحکیم سریع تر، نیاز به قرائت های بیشتری دارد.

برای بیشتر خاک ها، تحکیم اولیه در طول اولین باربرداری ها باید در زمان کمتر از زمان موردنیاز بارگذاری در طول منحنی فشردگی بکر باشد، (عموماً یک دهم). اما در تنش های خیلی کم، زمان برگشت می تواند طولانی تر شود.

• به حداقل رساندن تورم آزمونه

جهت به حداقل رساندن تورم آزمونه در هنگام باربرداری، باربرداری تا بار نشاننده 5 کیلو پاسکال ادامه می یاید. وقتی تغییرات ارتفاع آزمونه متوقف شد، (معمولاً بعد از یک شب)، تحکیم سنج بعد از برداشتن بار کوچک نهایی از روی آزمونه، باز می شود.

حلقه و آزمونه از تحکیم سنج خارج و آب آزاد روی حلقه آزمونه خشک می شود. برای بدست آوردن جرم مرطوب نهایی آزمونه ، جرم خالص حلقه  از مجموع جرم آزمونه و حلقه کم می شود. دقیق ترین روش تعیین جرم خشک و درصد رطوبت آزمونه، خشک کردن تمام آزمونه در پایان آزمون می باشد. در صورت همگن بودن خاک وکافی بودن تراشیده ها، جهت تعیین خواص شاخص، ‌درصد رطوبت نهایی بر اساس استاندارد ملی 1677:سال 1364 و جرم خشک آزمونه با استفاده از تمام آزمونه، ‌تعیین می شود. اگر خاک ناهمگن باشد و یا به خاک بیشتری برای تعیین خواص شاخص آزمون، نیاز باشد، ‌درصد رطوبت نهایی با استفاده از بخش کوچک گوه ای شکل آزمونه براساس استاندارد ملی 1677 :سال 1364،‌ بدست می آید. بقیه مواد باقی مانده خشک نشده، برای تعیین خواص شاخص آزمونه، به کار می آید.

• محاسبات و نتایج آزمایش تحکیم

جرم خشک کل آزمونه  با اندازه گیری مستقیم یا وقتی که قسمتی از آزمونه برای آزمون خصوصیات شاخص بکار برده شود،‌ بدست می آید. جرم خشک، مطابق رابطه زیر حساب می شود:

جرم خشک کل آزمونه

که در آن: جرم مرطوب کل آزمونه بعد از آزمون، برحسب گرم یا مگاگرم، مقدار رطوبت (به صورت اعشاری)، از گوه آزمونه اخذ شده بعد از آزمون است.

مقدار رطوبت اولیه ونهایی (w0،wf)، بر حسب درصد مطابق رابطه های زیر حساب می شود:

رابطه درصد رطوبت اولیه

رابطه درصد رطوبت نهایی

که در آن:  Md، جرم خشک آزمونه، بر حسب گرم یا مگاگرم و MT0، جرم مرطوب آزمونه قبل از آزمون برحسب گرم یا مگاگرم است.

دانسیته خشک اولیه آزمونه ()، بر طبق رابطه 4 حساب می شود:

که در آن : ρd، دانسیته خشک آزمونه، بر حسب گرم بر سانتیمتر مکعب یا مگاگرم بر متر مکعب، و V’0، حجم اولیه آزمونه، ‌بر حسب سانتیمتر مکعب یا متر مکعب است.           

حجم بخش جامد(VS) مطابق رابطه زیر حساب می شود:

که در آن : GS، چگالی ویژه بخش جامد و ρV، دانسیته آب ،‌برابر با یک مگاگرم بر متر مکعب یا یک گرم بر سانتی متر مکعب است.

از آنجائی که سطح مقطع عرضی آزمونه در طول آزمون ها ثابت می باشد، بهتر است برای انجام محاسبات بعدی، عبارت ارتفاع معادل قسمت جامد (HS) مطابق رابطه زیر تعریف شود.

که در آن (A)، سطح آزمونه، بر حسب سانتیمتر مربع یا متر مربع است.

نسبت تخلخل قبل  و بعد از آزمون مطابق رابطه های زیر حساب می شود:

نسبت تخلخل قبل از آزمون

نسبت تخلخل بعد از آزمون

که در آن: H0، ارتفاع اولیه آزمونه، بر حسب میلیمتر یا متر، و Hf، ارتفاع نهایی آزمونه، برحسب میلی متر یا متر است.

درجه اشباع قبل و بعد از آزمون (S0،Sf)، برحسب درصد، مطابق رابطه های زیر حساب می شود:

 رابطه درجه اشباع اولیه

رابطه درجه اشباع نهایی