آزمایش حدود اتربرگ (Atterberg limits test)

خاک های ریز دانه با افزایش مقدار آب جذب شده حالات مختلفی به خود می گیرند. افزایش آب باعث پوشیده شدن دانه ها با یک لایه آب جذب شده سطحی می شود. با افزودن آب بیشتر، ضخامت لایه آب دور دانه ها اضافه شده، لغزش دانه ها روی یکدیگر راحت تر می شود. بنابراین رفتار خاک عملا به میزان آب داخل مجموعه بستگی دارد.

خاک ریزدانه بر حسب درصد رطوبتی که دارد می تواند در یکی از حالت های جامد، نیمه جامد، خمیری و مایع دسته بندی شود. حدفاصل بین این حالات به صورت نمودار زیر نشان داده می شود:

مرز بین حالت خمیری و حالت روانی (مایع) خاک و درصد رطوبتی است که در این رطوبت و رطوبت های بالاتر از آن، خاک به صورت سیال لزج عمل می کند.

برای به دست آوردن مقدار حد روانی در آزمایشگاه، از دستگاه حد روانی کاساگرانده استفاده می شود (شکل الف). دستگاه کاساگرانده وسیله ای مکانیکی است. این پیاله از پشت به وسیله سنجاقی روی دو پایه ای که خود بر روی سکویی از جنس پلاستیک سخت قرار دارد، لولا می شود. به وسیله گرداندن یک دسته، پیاله روی لولا چرخیده، بالا رفته، سپس پایین می افتد و در حقیقت ضربه ای به کف آن وارد می شود. همراه با این وسیله، میله ای نیز برای ایجاد شکاف استاندارد در داخل نمونه خاک داخل پیاله تعبیه شده است. برای انجام این آزمایش، خاکی که به شکل یک خمیر یکنواخت آماده شده است، در جام کاساگرانده قرار می گیرد. سپس با استفاده از شیارکش، روی خاک در امتداد محور تقارن جام، شیاری ایجاد می شود. دسته دستگاه با سرعتی برابر دو ضربه در ثانیه چرخانده می شود و این کار تا زمانی که شیار در طولی برابر 13 میلی متر بسته شود، تکرار می شود. تعداد ضربات لازم برای بسته شدن شیار، ثبت شده و سپس درصد رطوبت خاک داخل ظرف با آزمایش به دست می آید. حد روانی یک خاک را می توان به صورت تقریبی از رابطه زیر (روش تک نقطه ای) به دست آورد:

w_N برابر با درصد رطوبت خاک برداشته شده از جام دستگاه است. اعتبار این رابطه برای N بین 20 تا 30 می باشد.

مرز بین حالت خمیری و نیمه جامد و درصد رطوبتی است که خاک در این رطوبت تا قبل از حد روانی، به صورت خمیری رفتار می کند.

حد خميري در آزمايشگاه، به صورت درصد رطوبتي به دست می آید كه در آن خاك در اثر فتيله شدن هنگامی كه قطری برابر حدود 2/3 ميليمتر دارد، شروع به ترك خوردن مي كند. اين آزمايش ممكن است تا حدي وابسته به شخص آزمايش كننده به نظر برسد و نتايج نيز بر حسب اينكه چه كسي آزمايش را انجام مي دهد، متفاوت باشد؛ ولي با تكرار آزمايش، تايج تقريبا مشابهي مي توان به دست آورد (شکل ب).

مرز بین حالت نیمه جامد و جامد و درصد رطوبتی است که اگر رطوبت خاک از آن کمتر شود، تغییری در حجم خاک به وجود نمی آید.

حدود اتربرگ نه تنها برای طبقه بندی خاک به کار می روند، بلکه در به کار بردن برخی روابط تجربی برای دیگر مقاصد مهندسی نیز مفید هستند. مقدار این حدود به روش های مختلفی در محاسبات مورد استفاده قرار می گیرد. همچنین ارتباط نزدیکی بین این حدود و خواص تراکم پذیری، نفوذ پذیری و مقاومت خاک وجود دارد. بنابراین از این حدود، شاخص هایی استخراج می شود که در محاسبات مکانیک خاک کاربرد گسترده ای دارند:

درصدرطوبتی که باید به خاک اضافه شود تا از حد خمیری به حد روانی برسد شاخص خمیری (PI) و اختلاف حد روانی و خمیری خاک می باشد.

بنابر این تعریف، گروه های مختلف خاک با توجه به مقدار شاخص خمیری به شکل زیر دسته بندی می شوند:

برابر نسبت اختلاف بین درصد رطوبت خاک در محل با حد خمیری، تقسیم بر شاخص خمیری است، یعنی: