آزمایش خاک- آزمایش Gs
آزمایش تعیین چگالی ویژه ذرات خاک
(Specific Gravity of Soil Solids)
شرح کامل و اهداف آزمایش:
این مقاله مربوط به آزمایش تعیین چگالی ویژه ذرات خاک میباشد. این آزمایش یکی از مهمترین آزمایشهای تعیین خصوصیات فیزیکی خاک بوده و در بسیاری از محاسبات ژئوتکنیکی، طراحی راه، طراحی پی، تحلیل تراکم، تعیین نسبت تخلخل و محاسبات مربوط به وزن مخصوص خاک کاربرد اساسی دارد.
در خصوص اهمیت این آزمایش نکات مهمی درج شده است که از آن جمله میتوان موارد زیر را در این خصوص اشاره نمود: «چگالی ویژه یا توده ویژه یک خاک یا Gs عبارت از نسبت وزن حقیقی حجم مشخصی از ذرات خاک به وزن حقیقی همان حجم آب در دمای 4°C است. وزن مخصوص ویژه خاک اغلب برای ارتباط وزن به حجم خاک به کار میرود. بنابر این با دانستن نسبت تخلخل (e)، درجه اشباع (S) و وزن مخصوص ویژه (Gs)، میتوان وزن واحد حجم یک خاک مرطوب یا خشک را محاسبه نمود. وزن واحد حجم (چگالی) هر خاک، در مسائلی چون نشست و پایداری در مهندسی خاک استفاده میشود. همچنین وزن مخصوص ویژه در محاسبات مربوط به بسیاری از آزمونهای آزمایشگاهی به کار گرفته میشود. به عنوان مثال در آزمایش تراکم، استفاده از وزن مخصوص ویژه خاک ضروری است. این آزمایش برای محاسبه وزن مخصوص خاکهایی که از الک 75/4 میلیمتر (الک شماره 4) عبور میکنند مناسب است. برای آن قسمت از خاک که روی الک شماره 4 قرار میگیرد از آزمایش C127 استاندارد ASTM استفاده میشود. از دو روش میتوان وزن مخصوص دانههای خاک را تعیین کرد: روش الف) برای نمونههایی که در گرمخانه خشک شدهاند. روش ب) برای نمونههای مرطوب.
برای خاکهای آلی و خاکهای ریزدانه با پلاستیسیته بالا روش دوم مناسبتر است. در صورتی که وزن مخصوصی که از این آزمایش به دست میآید برای آزمایش هیدرومتری استفاده شود، این آزمایش باید بر روی خاک عبوری از الک 2 میلیمتر (شماره 10) انجام گیرد. وزن مخصوص ویژه اکثر کانیهای خاک در دامنهای بین 4/2 تا 9/2 تغییر میکند. وزن مخصوص ویژه قسمت جامد ماسههای با رنگ روشن که غالباً از کوارتز تشکیل شدهاند، در حدود 65/2 تخمین زده میشود؛ برای خاکهای رسی و سیلیتی این مقدار بین 4/2 تا 9/2 تغییر میکند. Gs خاکهای آلی به دلیل آن که این مواد بر اثر حرارت به شدت کاهش وزن مییابند، خیلی پایین است. باید توجه داشت که Gs کانیهای آهن، بیشتر از کانیهای رسی (سیلیکاتها) است. معادله مشخصه Gs به صورت زیر است:
طبق استانداردهای ASTM D854 وAASHTO T10، هدف اصلی این آزمایش تعیین نسبت جرم واحد حجم ذرات جامد خاک به جرم واحد حجم آب مقطر در دمای مشخص میباشد که این کمیت با نماد Gs یا Specific Gravity معرفی میشود.
در علم مکانیک خاک، چگالی ویژه ذرات جامد خاک یکی از پارامترهای بنیادی برای تحلیل رفتار مهندسی خاک است. این پارامتر نشان میدهد که ذرات جامد خاک نسبت به آب چه میزان وزن بیشتری دارند و مستقیماً در روابط خاک مورد استفاده قرار میگیرد. بسیاری از روابط مهم مکانیک خاک از جمله تعیین نسبت تخلخل (e)، درجه اشباع (Sr)، وزن مخصوص خشک، وزن مخصوص اشباع، درصد تراکم و تحلیل رفتار تراکمی خاک وابسته به مقدار دقیق Gs هستند.
در پروژههای راهسازی، خاکریز، سدسازی، ساخت فرودگاه، طراحی روسازی راه و اجرای لایههای زیر اساس و اساس، شناخت دقیق ویژگیهای فیزیکی خاک اهمیت بسیار بالایی دارد. چگالی ویژه ذرات خاک علاوه بر استفاده در طراحیهای مهندسی، در شناسایی نوع خاک و تشخیص ترکیبات معدنی آن نیز کاربرد دارد. خاکهای دارای کانیهای سیلیسی معمولاً دارای چگالی ویژه حدود 2.65 هستند؛ در حالی که خاکهای آلی دارای چگالی ویژه کمتر و خاکهای دارای کانیهای سنگین دارای مقادیر بزرگتری میباشند.
بر اساس استاندارد ASTM D854، اساس این آزمایش بر تعیین حجم واقعی ذرات جامد خاک استوار است. در این روش، حجم ذرات خاک از طریق جابهجایی آب در داخل بالن حجمی یا پیکنومتر تعیین میشود. ابتدا نمونه خاک خشک شده و وزن آن اندازهگیری میشود. سپس خاک داخل پیکنومتر ریخته شده و پس از افزودن آب مقطر، هوای محبوس داخل نمونه بهطور کامل خارج میگردد. پس از تکمیل حجم بالن تا خط نشانه، وزن نهایی اندازهگیری شده و با استفاده از روابط استاندارد مقدار چگالی ویژه محاسبه میشود.
یکی از نکات بسیار مهم در این آزمایش حذف کامل حبابهای هوا از داخل مخلوط خاک و آب است؛ زیرا وجود هوا باعث افزایش حجم ظاهری نمونه و ایجاد خطا در نتایج خواهد شد. همچنین کنترل دمای آب و خشک بودن کامل نمونه خاک تأثیر مستقیمی بر دقت نتایج دارد. به همین دلیل در آزمایشگاههای مکانیک خاک از آب مقطر، آون آزمایشگاهی، دسیکاتور و تجهیزات دقیق توزین استفاده میشود.
نمونه مورد استفاده در این گزارش، یک خاک مورد استفاده در پروژه راهسازی فرض شده است که از لایه زیر اساس راه برداشت گردیده و دارای بافت ماسهای ـ سیلتی میباشد. این آزمایش در شرایط یک آزمایشگاه متداول مهندسی عمران در ایران و با تجهیزات رایج دانشگاهی انجام شده تا گزارش نهایی تا حد امکان مشابه یک آزمایش واقعی و اجرایی باشد.
مطابق نتایج بهدستآمده از آزمایش، مقدار چگالی ویژه خاک برابر 2.67 محاسبه شد که با محدوده متداول خاکهای معدنی مورد استفاده در پروژههای راهسازی تطابق مناسبی دارد.
اهداف آزمایش
- تعیین چگالی ویژه ذرات جامد خاک (Gs)
- آشنایی با روش کار پیکنومتر و تجهیزات آزمایشگاه مکانیک خاک
- یادگیری نحوه آمادهسازی نمونه خاک برای آزمایش
- بررسی تأثیر حذف هوای محبوس بر دقت نتایج
- استفاده از نتایج در محاسبات ژئوتکنیکی و طراحی راه
- مقایسه نتایج بهدستآمده با محدوده استاندارد خاکهای راهسازی
کاربردهای آزمایش
- طراحی و کنترل عملیات تراکم خاک
- محاسبه نسبت تخلخل و درجه اشباع
- تحلیل رفتار خاک در پروژههای راهسازی
- طراحی خاکریزها و لایههای روسازی
- محاسبات مربوط به نشست و تحکیم خاک
- طبقهبندی خاک در سیستمهای ژئوتکنیکی
- کنترل کیفیت مصالح قرضه و خاک زیرسازی
استانداردهای مورد استفاده
این آزمایش معمولاً بر اساس استانداردهای زیر انجام میشود:
- ASTM D854 Standard Test Methods for Specific Gravity of Soil Solids by Water Pycnometer
- AASHTO T100 Specific Gravity of Soils
- استاندارد ملی ایران ISIRI 1686
تئوری آزمایش
طبق استاندارد ASTM D854، چگالی ویژه ذرات جامد خاک برابر نسبت وزن مخصوص ذرات جامد خاک به وزن مخصوص آب مقطر در دمای معین میباشد و با نماد Gs نمایش داده میشود. رابطه اصلی تعریف چگالی ویژه:
Gs = γs / γw
که در آن:
- γs : وزن مخصوص ذرات جامد خاک
- γw : وزن مخصوص آب
از آنجا که وزن مخصوص برابر وزن تقسیم بر حجم است، رابطه فوق را میتوان به صورت زیر نیز نوشت:
Gs = (Ws / Vs) / γw
که در آن:
- Ws : وزن ذرات خشک خاک
- Vs : حجم ذرات جامد خاک
اساس آزمایش پیکنومتر بر تعیین حجم واقعی ذرات جامد خاک استوار میباشد. در این روش، حجم ذرات از اختلاف وزن آب جابهجا شده محاسبه میشود. بر اساس روش ارائهشده در استاندارد ASTM D854، مراحل محاسبه به این صورت است همچنین مطالب مشابهی در استاندارد ملی ایران به شماره 1686 عنوان شده است:
ابتدا وزن خاک خشک اندازهگیری میشود: Ws = وزن خاک خشک
سپس وزن پیکنومتر پر از آب تعیین میگردد: Wpw = وزن پیکنومتر + آب
پس از آن خاک داخل پیکنومتر ریخته شده و پس از حذف هوای محبوس، پیکنومتر تا خط نشانه از آب پر میشود:
Wpsw = وزن پیکنومتر + خاک + آب
بنابراین وزن آب همحجم ذرات خاک برابر خواهد بود با:
Ww = Ws + Wpw − Wpsw
در نتیجه رابطه نهایی چگالی ویژه به صورت زیر بهدست میآید:
Gs = Ws / (Ws + Wpw − Wpsw)
در برخی استانداردها و جزوات آزمایشگاهی، بهخصوص زمانی که دمای آزمایش با دمای مرجع متفاوت باشد، ضریب تصحیح دمایی نیز در رابطه لحاظ میشود:
Gs(Ta) = K × [Ws / (Ws + Wpw − Wpsw)]
که در آن:
- Ta : دمای آزمایش
- K : ضریب تصحیح دمای آب در دمای آزمایش
طبق جداول استاندارد، برای دمای حدود 22 درجه سانتیگراد مقدار K تقریباً برابر 0.998 تا 1 در نظر گرفته میشود و تأثیر آن بسیار ناچیز است. مقدار ضریب K مطابق مندرجات جدول زیر قابل محاسبه است:
مزید استحضار است که جدول کاملتر به نقل از استاندارد ASTM در استاندارد شماره 1686 در قسمت جدول 2- چگالی آب و ضریب K برای دماهای مختلف آمده است که به پیوست ارائه شده است.
نکته:
– یکی از مهمترین عوامل مؤثر بر دقت آزمایش، حذف کامل هوای محبوس داخل نمونه است. وجود حباب هوا باعث افزایش حجم ظاهری نمونه شده و مقدار چگالی ویژه را کمتر از مقدار واقعی نشان میدهد.
– همچنین خشک نبودن کامل خاک، وجود مواد آلی، تغییر دمای آب، خطای قرائت ترازو و تنظیم نبودن دقیق سطح آب تا خط نشانه میتواند موجب ایجاد خطا در نتایج شود.
برای اغلب خاکهای معدنی مورد استفاده در پروژههای راهسازی و ژئوتکنیکی، مقدار چگالی ویژه در محدوده 2.60 تا 2.75 قرار دارد. خاکهای دارای مواد آلی معمولاً دارای Gs کمتر از 2.50 بوده و خاکهای دارای کانیهای سنگین مانند مگنتیت یا هماتیت دارای مقادیر بالاتری هستند.
1- پیکنومتر شیشهای
مشخصات:
- جنس: شیشه مقاوم آزمایشگاهی
- حجم اسمی: 500 میلیلیتر
- دارای درپوش مدرج
- مقاوم در برابر شوک حرارتی
- دقت حجمی بالا
کاربرد:تعیین حجم واقعی ذرات خاک از طریق جابهجایی آب.
مشخصات:
- ظرفیت: 2 کیلوگرم
- دقت: 0.01 گرم
- صفحه استیل ضدزنگ
- سیستم کالیبراسیون دیجیتال
کاربرد: اندازهگیری جرم نمونه خاک و تجهیزات.
3-آون آزمایشگاهی
مشخصات:
- محدوده دما: 50 تا 250 درجه سانتیگراد
- دقت کنترل: ±5 درجه
- سیستم گردش هوای گرم
کاربرد: خشک کردن کامل نمونه خاک.
مشخصات:
- جنس بدنه: شیشه ضخیم
- دارای ماده رطوبتگیر سیلیکاژل
کاربرد: سرد کردن نمونه بدون جذب رطوبت محیط.
مشخصات:
- محدوده اندازهگیری: 0 تا 100 درجه سانتیگراد
- دقت: 0.5 درجه
کاربرد: اندازهگیری دمای آب و محیط آزمایشگاه.
مشخصات:
- قطر چشمه: 4.75 میلیمتر
- جنس: فولاد ضدزنگ
کاربرد:
جداسازی ذرات درشت از نمونه خاک.
کاربرد:حذف حبابهای هوا از داخل مخلوط خاک و آب
شرایط محیطی آزمایشگاه
- دمای محیط آزمایشگاه: 22 درجه سانتیگراد
- رطوبت نسبی: حدود 45 درصد
- سطح میز آزمایش کاملاً تراز و بدون لرزش
- آب مورد استفاده: آب مقطر آزمایشگاهی
- فشار محیط: فشار اتمسفری معمول
مشخصات نمونه خاک
نمونه خاک مورد استفاده مربوط به لایه زیر اساس یک پروژه راه روستایی فرض شده است.
مشخصات خاک:
- محل برداشت: پروژه راه روستایی استان خراسان
- عمق برداشت: 1.2 متر
- نوع خاک: ماسه سیلتی (SM)
- رنگ: قهوهای روشن
- درصد رطوبت طبیعی: 8 درصد
- وضعیت ظاهری: نیمه متراکم
نحوه نمونهبرداری
نمونه خاک توسط بیل دستی از ترانشه پروژه برداشت گردید. ابتدا لایه سطحی و مواد آلی حذف شده و سپس از عمق مناسب نمونه تهیه شد. نمونه داخل کیسه پلاستیکی ضخیم قرار گرفته و جهت جلوگیری از تبادل رطوبتی درب آن کاملاً بسته شد.
نکات مهم نمونهبرداری:
- حذف ریشه گیاهان و مواد آلی
- جلوگیری از آلودگی نمونه
- ثبت محل و عمق برداشت
- جلوگیری از خشک شدن نمونه پیش از آزمایش
آمادهسازی نمونه
- نمونه خاک در هوای آزاد خشک شد.
- کلوخهها با هاون لاستیکی خرد شدند.
- خاک از الک شماره 4 عبور داده شد.
- حدود 200 گرم خاک جهت آزمایش انتخاب شد.
- نمونه به مدت 24 ساعت در آون 110 درجه قرار گرفت.
- پس از خروج از آون، نمونه داخل دسیکاتور سرد شد.
مراحل دقیق انجام آزمایش
مرحله اول: تعیین وزن خاک خشک
حدود 200 گرم خاک خشک شده با ترازو اندازهگیری شد.
وزن خاک خشک: Ws = 200.00 gr
مرحله دوم: تعیین وزن پیکنومتر پر از آب
پیکنومتر کاملاً تمیز شده و تا خط نشانه با آب مقطر پر گردید. سپس وزن آن اندازهگیری شد.
وزن پیکنومتر پر از آب: Wpw = 812.40 gr
مرحله سوم: افزودن خاک به پیکنومتر
خاک خشک داخل پیکنومتر ریخته شد. سپس مقداری آب اضافه گردید تا خاک کاملاً اشباع شود.
مرحله چهارم: حذف هوای محبوس
پیکنومتر به آرامی تکان داده شد و سپس با استفاده از پمپ خلأ حبابهای هوا حذف شدند.
مدت حذف هوا: حدود 15 دقیقه
مرحله پنجم: تکمیل حجم آب
پس از حذف هوا، پیکنومتر تا خط نشانه از آب پر شد.
مرحله ششم: اندازهگیری وزن نهایی
وزن نهایی پیکنومتر حاوی خاک و آب اندازهگیری شد.
Wpsw = 937.50 gr
جدول دادههای آزمایش
| شرح | مقدار |
| وزن خاک خشک (Ws) | 200.00 gr |
| وزن پیکنومتر پر از آب (Wpw) | 812.40 gr |
| وزن پیکنومتر + خاک + آب (Wpsw) | 937.50 gr |
| دمای آزمایش | 22 °C |
محاسبات آزمایش
فرمول:
Gs = Ws / (Ws + Wpw − Wpsw)
جایگذاری اعداد:
Gs = 200 / (200 + 812.40 − 937.50)
Gs = 200 / 74.90
Gs = 2.67
نتیجه آزمایش
چگالی ویژه ذرات خاک برابر است با:
Gs = 2.67
این مقدار در محدوده متعارف خاکهای معدنی مورد استفاده در پروژههای راهسازی قرار دارد و نشان میدهد که نمونه خاک دارای ترکیبات سیلیسی معمولی و فاقد مواد آلی قابل توجه میباشد.
تحلیل نتایج
مقدار بهدستآمده برای چگالی ویژه خاک با محدوده استاندارد خاکهای ماسهای و سیلتی تطابق مناسبی دارد. این مقدار نشاندهنده مناسب بودن خاک برای استفاده در لایههای زیرسازی و خاکریزهای راهسازی است.
در صورت وجود مواد آلی یا حباب هوا در نمونه، مقدار Gs کاهش مییافت. همچنین در صورت عدم خشک شدن کامل خاک، خطای قابل توجهی در نتایج ایجاد میشد.
عوامل ایجاد خطا در آزمایش
- باقی ماندن حباب هوا داخل پیکنومتر
- خشک نشدن کامل نمونه خاک
- تغییر دمای آب هنگام آزمایش
- خطای قرائت ترازو
- آلودگی یا چسبندگی ذرات به دیواره ظرف
- تنظیم نبودن حجم آب تا خط نشانه
نکات ایمنی و فنی
- هنگام کار با ظروف شیشهای باید از ضربه جلوگیری شود.
- در زمان استفاده از آون باید از دستکش نسوز استفاده گردد.
- ترازو باید پیش از آزمایش کالیبره شود.
- نمونه خاک باید کاملاً خشک و یکنواخت باشد.
- حذف کامل هوا برای دقت آزمایش ضروری است.
جمعبندی نهایی
در این آزمایش چگالی ویژه ذرات خاک به روش پیکنومتر تعیین گردید. مقدار بهدستآمده برابر 2.67 بود که با محدوده معمول خاکهای معدنی مورد استفاده در راهسازی تطابق دارد.
این آزمایش یکی از آزمایشهای پایه و مهم مکانیک خاک محسوب میشود و نتایج آن در بسیاری از محاسبات ژئوتکنیکی و طراحیهای عمرانی کاربرد مستقیم دارد.
منابع
- ASTM D854 – Standard Test Methods for Specific Gravity of Soil Solids by Water Pycnometer
- AASHTO T100 – Specific Gravity of Soils
- استاندارد ملی ایران به شماره 1686
- مراحل آزمایشگاه مکانیک خاک دانشگاه