علم «مکانیک خاک» به شناخت، تحلیل رفتاری و کنترل رفتاری خاک ها می پردازد. خاک اساسا توده ای متخلخل است که حاصل فرسایش و تخریب سنگ ها می باشد. برای آن که بتوان رفتار خاک ها را در شرایط فیزیکی، شیمیایی و آب و هوایی گوناگون پیش‌بینی کرده و نیز رفتار آن ها را کنترل کرد، بایستی شناخت کافی از آن ها داشت. به این منظور، آن ها را برحسب مشخصات فیزیکی و شیمیایی مختلف شان طبقه بندی می کنند. قابل استنادترین و کاربردی ترین طبقه بندی رایج، طبقه بندی خاک ها بر اساس اندازه ذرات آن هاست. از همین جهت آزمایش دانه بندی بستری است برای بدست آوردن توزیع اندازه دانه ها در نمونه خاک. زیرا که توزیع بزرگی دانه ها معمولا از اهمیت ویژه ای برخوردار است و در رفتار مهندسی مواد دانه ای تاثیرگذار است.
همان طور که در مقالات قبل به آن پرداخته شد، شناخت و طبقه بندی خاک ها بر اساس اندازه ذرات خاک و نیز رفتار خاک در برابر رطوبت انجام می شود و بر همین مبنا شن، ماسه، لای و رس از هم تفکیک و دانه بندی می شوند. به طور کلی آزمایش های مربوط به شناخت خاک به شرح زیر می باشند:
- شناخت اندازه ذرات خاک ( آزمایش دانه بندی با لاک و آزمایش هیدرومتری )
- شناخت رفتار خاک در برابر رطوبت ( آزمایش تعیین حد روانی، آزمایش تعیین حد خمیری و آزمایش تعیین انقباض )
در ضمن توجه داشته باشید که آزمایش دانه بندی با الک را آنالیز الک می نامند که مخصوص خاک های درشت دانه است و آزمایش هیدرومتری را آنالیز هیدرومتری، که برای خاک های ریز دانه مناسب هستند. از طرفی آزمایش های تعیین حد روانی، حد خمیری و تعیین انقباض را حدود اتربرگ می نامند که هر سه مناسب خاک های ریز دانه هستند.
آزمایش دانه بندی با الک
آزمایش دانه بندی با الک عبارت است از لرزاندن نمونه خاک بر روی یک سری الک استاندارد که اندازه چشمه های آن ها به ترتیب از بالا به پایین کاهش می یابد. برای آزمایش دانه بندی ، ابتدا خاک در کوره خشک می شود. سپس کلوخه های خاک کاملا خرد شده و نمونه از الک ها عبور داده می شود. بعد از اتمام مرحله لرزاندن الک ها و عبور دادن کامل خاک از آن ها، جرم (وزن) خاک هایی که در روی هر یک از الک ها باقی مانده، اندازی گیری می شود. به عنوان مثال در شکل زیر یک سری الک استاندارد با شماره آن ها نشان داده شده است که در کنار هر یک، بُعد چشمه های آن الک نیز مشخص شده است.
در نظر داشته باشید که شماره هر الک نشان دهنده تعداد چشمه هایی است که در یک اینچ ( 25.4 میلی متر ) طول از شبکه الک وجود خواهد داشت. به عنوان مثال برای تعیین بُعد چشمه الک شماره 4 داریم:
در حالت کلی می توانید با استفاده از شماره الک، رابطه تقریبی (معادله1) زیر را جهت تخمین بعد چشمه الک بکار ببرید. از میان الک های نشان داده شده در شکل بالا، الک های شماره 4، 10، 40 و 200 اهمیت بیشتری داشته و دانستن بعد چشمه آن ها ضروری است. در سیستم طبقه بندی متحد و آشتو مرز جدایی درشت دانه و ریز دانه، قطر 0.075 میلی متر یعنی الک شماره 200 است. همچنین مرز جدایی شن و ماسه در سیستم متحد، 4.75 میلی متر یعنی الک شماره 4 و در سیستم آشتو، 2 میلی متر یعنی الک شماره 10 می باشد. الک شماره 40 نیز زمانی به کار می رود که بخواهیم در آزمایش های هیدرومتری حدود اتربرگ مقداری ماسه ریز ( ذرات خاک در حد فاصل الک های 200 و 40 ) را نیز داشته باشیم، چرا که ممکن است برخی از ریزدانه ها به این ماسه های ریز چسبیده باشند. به این ترتیب اطمینان بیشتری حاصل شده و آزمایش دقت بهتری خواهد داشت. پس از اتمام مرحله لرزاندن الک ها، درصد مانده روی الک و نیز درصد گذرنده از الک از معادلات 2 و 3 به صورت زیر محاسبه خواهد شد ( Wi وزن خشک خاک مانده روی الک iاُم و W وزن خشک کل خاک):
آزمایش هیدرومتری
آرمایش دانه بندی با روش هیدرومتری، بر پایه اصول ته نشینی ذرات خاک در آب قرار دارد و مواد لازم برای انجام آن به شرح زیر است: 1- 50 گرم نمونه خاک که از الک شماره 200 عبور کرده است. 2-ماده پراکنده ذرات خاک از یکدیگر که در آزمایش هیدرومتری هگزا متافسفات سدیم است. 3-آب مقطر.
50 گرم خاک ریزدانه را با ماده پراکنده مخلوط کرده و برای جداسازی ذرات به هم چسبیده، مخلوط را چندین ساعت به همان حال می گذاریم. در ادامه مخلوط مورد نظر درون همزن به هم زده می شود و با اضافه کردن آب مقطر، حجم آن به 1000 سی سی می رسد. حالا استوانه را تکان داده و روی میز قرار می دهیم تا از این لحظه به بعد با قرار دادن هیدرومتر در داخل محلول، زمان ثبت گردد. هیدرومتر طوری کالیبره شده است که با توجه به دانستیته محلول تعلیق، مقدار خاکی را که در حالت معلق است بر حسب گرم نشان می دهد. از طرفی قطر ذرات معلق در عمق L (مطابق شکل بالا) که آن را با D نشان می دهیم، در یک لحظه مشخص مانند t به کمک قانون استوکس و رابطه تعادل نیروها (در امتداد قائم و در حالت سرعت حد) برای ذرات خاک، به صورت زیر است:
با توجه به مطالب گفته شده می توان نتیجه گرفت که مقطع ظرف محتوی محلول در عمق موثر، همانند الک با بُعد چشمه های متغیر عمل می کند. به این ترتیب که در هر لحظه می توان گفت چه مقدار خاک بر حسب گرم وجود دارد که قطر آن ها از D کمتر است. این ها در واقع اطلاعاتی است که هیدرومتر در اختیار ما قرار می دهد. در نظر داشته باشید که در فرمول بالا، K ثابتی است که بستگی به چگالی ذرات جامد خاک و ویسکوزیته (لزجت) آب دارد و ویسکوزیته آب نیز تابع دمای محل آزمایش است. اما دو ایراد عمده به آزمایش هیدرومتری وارد است:
- قانون استوکس مخصوص ذرات کروی است، در حالی که ذرات رسی به کار رفته در این آزمایش اغلب کانی های صفحه ای هستند. این موضوع تا حدودی از دقت این آزمایش می کاهد.
- در ذرات کوچکتر از 0.0002 میلی متر قانون استوکس صادق نیست. در این حالت حرکت براونی مولکول های آب، مانع از سقوط ذرات ریز می شود. بهترین محدوده قطری برای انجام آزمایش هیدرومتری ذرات بین 0.2 تا 0.002 میلی متر می باشد، حال آن که ذرات رسی از 0.002 میلی متر کوچک ترند و این نیز از دقت آزمایش فوق می کاهد.
