​​​​​​
تئوري آزمایش : 
 خاکهاي ريزدانه با افزايش مقدار آب جذب شده حاالت مختلفي به خود مي گيرند. افزايش آب باعث پوشيده شدن دانه ها با يك لايه آب جذب سطحي مي شود. با افزودن آب بيشتر، ضخامت لايه آب دور دانه ها اضافه شده، لغزش دانه ها روي يكديگر راحت تر مي شود. بنابراين رفتار خاك ريزدانه، عملا به ميزان آب داخل مجموعه بستگي دارد. کاني هاي رس به علت ساختمان بلوري، داراي نيروهاي سطحي زيادي هستند که وجود آب جذب سطحي نيز به علت وجود همين نيروها مي باشد و اين نيروها مي توانند بر نيروي ثقل آب غلبه نمايند.بنابراين تنها ريزدانه بودن، براي شناخت خاك کافي نيست بلكه بايد نوع ريزدانه مشخص شود، زيرا ريزدانه هاي مختلف داراي رفتار مشابهي از جهت آب جذب سطحي نيستند.
​​​​​​​ اتربرگ دانشمند سوئدي به منظور بيان خواص پلاستيك چنين خاك هايي طي درصدهاي رطوبت متفاوت، حدودي را مورد ارزيابي قرار داد. لذا اين بررسي ها منجر به پيدايش چندين مرز بين حالتهاي رفتاري مختلف خاكها گشت که به نام حدود اتربرگ نام گذاري شد.​​​​                               

حد رواني (limit Liquid) : مرز بين حالت خميري و حالت رواني (مايع) خاك .
حد خميري (limit Plastic) : مرز بين حالت خميري و نيمه جامد.
حد انقباض (limit Shrinkage) : مرز بين حالت نيمه جامد و جامد.

حدرواني، درصد رطوبتي است كه در آن و رطوبت هاي بالاتر از آن، خاک به صورت سيال لزج عمل مي كند.
حد خميري، درصد رطوبتي است كه خاك در آن تا قبل از حد رواني، به صورت خميري رفتار مي كند.
حد انقباض، درصد رطوبتي است كه اگر رطوبت خاك از آن كمتر شود، تغييري در حجم خاك به وجود نمي آيد. توجه شود كه درصد رطوبتي كه بايد به خاك اضافه شود تا از حد خميري به حد رواني خود برسد، بيانگر ميزان خاصيت خميري آن خاك است كه با شاخص خميري (PI )مشخص مي شود.
شاخص خميري، اختلاف حد رواني و حد خميري است:

                                                        PI=LL-PL 

بايد توجه داشت كه حد رواني و حد خميري براي خاك هايي تعيين مي شوند كه ساختار طبيعي خود را بر اثر ورز دادن از دست داده اند، اما حد انقباض را ميتوان براي خاك هاي دست نخورده هم تعيين كرد. تفاوت بين حد انقباض خاك دست نخورده و دست خورده، با شاخص رواني (LI) آن مشخص مي شود. اين شاخص نسبت اختلاف بين درصد رطوبت خاك در محل با حد خميري، به شاخص خميري است:
 




​​​​​​​ω : درصد رطوبت خاک در محل 












                                    ارتباط ميزان رطوبت و حالت مكانيكي يا درجه سختي خاك
​​​​​​​​​​​​

لايه آب جذب شده در اطراف دانه هاي خاك بستگي به نوع كاني و تركيبات شيميايي تشكيل دهنده، اندازه و شكل دانه هاي يك خاك ريزدانه دارد. با توجه به اينكه خواص از خاك مانند تراكم پذيري، مقاومت و همچنين حدود تعريف شده آتربرگ همگي متاثر از مشخصات اين لايه آب جذب شده هستند بنابر اين مي توان روابطي تقريبي بين اين خواص و حدود اتربرگ پيدا كرد.  ( Atterberg Limits ) براين اساس حدود اتربرگ مي تواند پايه خوبي براي طبقه بندي و نامگذاري خاكهاي ريزدانه باشد. همچنين تعيين حدود اتربرگ مصالح خاكريز مي تواند روشي سريع براي كنترل مصالح در عمليات اجرايي باشد. تعدادي از اين ارتباطات كلي بين حدود اتربرگ و خصوصيات مهندسي خاك ها كه توسط كاساگرانده ارائه شده، در جدول زیر آمده است.











​​​​​​​
                                         ارتباط حدود اتربرگ و خصوصيات مكانيكي خاك ها



شرح آزمایش تعیین حد روانی خاک  :

وسايل مورد نيازآز مايش تعيين حد رواني :

- دستگاه كاساگرانده و شياركش استاندارد
- صفحه شيشه اي و كاردك هاي مخصوص
- هاون و دسته هاون چيني (براي جدا كردن ذرات خاك )
- ترازو با دقت0/01 گرم
- الك شماره 40

















​​​​​​​
                                           دستگاه کاساگرانده برای آزمایش حد روانی خاک



 دستگاه كاساگرانده:
دستگاه كاساگرانده وسيله اي مكانيكي با يك پياله برنجي به قطر داخلي 54mm ضخامت 2mm و وزن 200gr است، اين پياله از پشت بوسيله سنجاقي روي دو پايه اي كه خود بر سكويي از جنس پلاستيك سخت قرار دارد، لولا مي شود. با گرداندن يك دسته، پياله روي لولا مي چرخد، بالا مي رود. سپس پايين افتاده و در حقيقت ضربه اي به كف آن زده مي شود. ارتفاع سقوط پياله در حد استاندارد قابل تنظيم است.همراه با اين وسيله ميله اي نيز براي ايجاد شكاف استاندارد در داخل نمونه خاك محتوي پياله تعبيه شده است.
ميله شيار دهنده مي تواند شكافي با مقطع ذوزنقه اي كه قاعده كوچك آن در پايين به عرض 2mm T قاعده بزرگ آن در بالا به عرض 11mm و ارتفاع آن 8mm است، ايجاد كند.​​​​​​​


آماده سازی نمونه خاک برای آزمایش تعیین حدود اتربرگ :
آزمايش حدود اتربرگ بر روي قسمت عبوري از الك شماره 40 انجام مي شود. نمونه انتخابي از مصالح مورد نظر بايد به اندازه اي باشد كه قسمت عبوري از الك شماره 40 آن حدود 150 تا200 گرم وزن داشته باشد.​​​​​​​

روش انجام آزمايش:
الف) وزن ظرف مخصوص تعيين درصد رطوبت تعيين مي گردد(W1)

 ب) نمونه خاك عبوري از الك شماره 40 را در ظرف تبخير قرار داده و به آن تا حدي آب افزوده مي شود تا طي مخلوط نمودن آن با دست، خاك به شكل يك خمير يك دست در آيد. سپس قسمتي از نمونه خمير در جام کاساگرانده  به نحوي قرار داده مي شود که خاك درون جام داراي سطح صاف با کاردك باشد و نيز عمق خاك در گودترين نقطه از جام حدودا 10 ميليمتر باشد.

 پ) قسمتي از نمونه خاك آماده شده در جام كاساگرانده قرار گرفته و در حالي كه جام روي پايه ثابت است، با كاردك، سطح خاك داخل جام صاف مي شود. اين عمل به طوري انجام مي شود كه عمق خاك در گودترين نقطه 10mm باشد. خاك اضافي باقي مانده در يك ظرف جداگانه قرار گرفته و روي آن را يك دستمال خيس پوشانده شود تا رطوبت را از دست ندهد.

ت) با استفاده از شياركش، روي خاك داخل جام شياري در امتداد محور تقارن جام به وجود آورده مي شود. براي اين كار، شياركش روي سطح خاك قرار داده شود و روي يك منحني حركت داده مي شود. در خاك هايي كه با اين حركت نمي توان شيار بوجود آورد، بايد اين كار را چندين بار تكرار كرد.

ث) بررسي مي شود كه خاكي روي پايه يا زير جام نچسبيده باشد. دسته دستگاه با سرعتي در حدود 2 ضربه در هر ثانيه چرخانده مي شود. با اين كار، جام بالا رفته و فرو مي افتد و به اين وسيله ضربه اي بر جام وارد مي شود. اين كار بايد تا وقتي كه شيار در طولي به اندازه 13mm بسته شود، تكرار شود.

​​​​​​​ج) بررسي شود كه وجود حباب هاي هوا باعث بسته شدن زود هنگام شيار نشده باشد. در صورت مشاهده حباب هوا، آزمايش از اول تكرار شود. اگر بعد از چند بار تكرار با درصد رطوبت بالاتر، خاك همچنان داخل جام لغزيد و براي بسته شدن شيار، هميشه تعداد ضربات كمتر از 25 به دست آمد، با اين روش حد رواني مورد نظر قابل تعيين نبوده و بدون انجام آزمايش حد خميري، به عنوان يك خاك غير خميري معرفي مي گردد.

چ) تعداد ضربات لازم براي بسته شدن شيار يادداشت مي شود. مقداري از خاك داخل جام كه شامل قسمت بسته شده شيار است، براي تعيين درصد رطوبت ، داخل ظرف مخصوص تعيين درصد رطوبت ريخته شده و در پوش آن بسته مي شود. سپس وزن ظرف و خاك مرطوب(W2) تعيين مي شود.

ح) جام خالي شده، جام و شياركش تميز و براي مرحله بعد آماده مي گردد.

خ) به نمونه خاك، مقداري آب اضافه مي گردد تا درصد رطوبت آن بالاتر رفته و تعداد ضربات لازم براي بسته شدن شيار كم شود.
مراحل (پ) تا (ح) مجدداً انجام مي شود. اين عمل بايد براي تعداد ضربات بين 15 تا 25 ، 20 تا 30 ، 30 تا 35 ،  انجام شود.

د) درصد رطوبت سه نمونه تعيين مي شود. براي اين كار ظرف هاي تعيين درصد رطوبت در گرمخانه قرار داده شده تا خاك خشك شود و به يك وزن ثابت (W3) برسد.

تذكر:
- مطابق استاندارد، آزمايش از روش خشك به تر انجام مي شود به اين ترتيب كه از درصد پايين آب شروع كرده وبا افزودن آب به نمونه كم كم درصد رطوبت بالارفته تا به حد رواني برسد.

- اگر در اين آزمايش خاك روي سطح پياله بلغزد بايد آزمايش را با درصد رطوبت بيشتر تكرار كرد . اگر بعد از چند بار تكرار با درصد رطوبت بالاتر، نمونه خاك همچنان داخل پياله بلغزد و براي بسته شدن شيار هميشه تعداد ضربات كمتر از 25 بدست آيد با اين روش نمي توان حد رواني خاك مورد نظر را تعيين كرد و خاك بدون انجام آزمايش حد خميري بعنوان خاك غير خميري معرفي مي گردد.
- آزمايش هايي كه بيش از 35 ضربه يا كمتر از 15ضربه داشته باشند يادداشت نخواهند شد. درصد رطوبت در تكرارها بايد به گونه اي باشد كه يك آزمايش با 25 تا 35 ضربه، يك آزمايش با 20 تا 30 ضربه و يك آزمايش با 15 تا 25 ضربه بدست آيد.


















































​​​​​​​
​​​​​​​ 












​​​​​​​
محاسبات آزمایش تعیین حد روانی خاک :
درصد رطوبت براي هر نمونه از رابطه زير محاسبه شود :







منحني درصد رطوبت-لگاريتم تعداد ضربات رسم گردد. اين منحني تقريبا يك خط راست خواهد بود و منحني جريان ناميده    مي شود از اين خط ميزان رطوبت مربوط به 25 ضربه بدست مي آيد. اين درصد رطوبت حد رواني خاك مي باشد.

حد رواني (LL) يك خاك را مي توان از رابطه زير نيز به طور تقريبي به دست آورد (روش تك نقطه اي):

​​​​​​​





      برابر با درصد رطوبت مربوط به بسته شدن شيار در طول 12.7mm است. ASTM نيز اين رابطه را براي تعيين حد رواني خاك ها توصيه كرده است. اين رابطه براي حالتي كه N بين 20 تا30 باشد، معتبر است.

وجود رس، باعث ايجاد خاصيت خميري در خاك مي شود و حد رواني يك خاك بر حسب مقدار و نوع كاني هاي رس آن تغيير مي كند. مقادير جدول زیر حدود تقريبي حد رواني بعضي از كاني هاي رسي است.
​​​​​​​








​​​​​​​                                                           
​​​​​​​                                                          محدوده حد روانی در برخی از کانی های رسی


​​​​​​​
 آزمايش تعيين حد خميري در آزمایشگاه مکانیک خاک
از 20گرم خاكي كه در آزمايش تعيين حد رواني تهيه شده، 1.5 تا 2 گرم آن برداشته و با فشردن بين انگشتان بصورت يك توده بيضي شكل در آورده مي شود. اين توده خاكي بين انگشتان يا كف دست و يك صفحه شيشه اي كه بر روي يك سطح صاف و افقي قرار دارد، با فشار كافي غلتانده شده تا قطر فيتيله ايجاد شده در تمام طول آن ثابت باشد. مقدار فشار اعمال شده با توجه به نوع خاك، كاملا متفاوت خواهد بود. مثلا خاك هاي شكننده با خاصيت خميري كم بهتر است با سطح خارجي دست يا نوك انگشتان بر روي صفحه غلتانده شوند.
وقتي فيتيله به قطر 3.2 ميليمتر رسيد به چند قطعه تقسيم ، قطعات با هم بين دو دست فشرده شده تا، به شكل توده اي يكنواخت و بيضي شكل در آيد و دوباره روي سطح شيشه بغلتد. اين عمل آنقدر تكرار گردد تا خاك زير فشار لازم براي غلتاندن آن خرد شود و ديگر نتواند به شكل فيتيله در آيد .
خرد شدن خاك ممكن است زماني پيش آيد كه قطر فيتيله بيش از 3.2 ميليمتر باشد. در صورتي كه خاك قبلا بصورت فيتيله اي به قطر 3.2 ميليمتر در آمده باشد، بايد در اين حالت عمليات متوقف گردد.
 تكه هاي نمونه را جمع كرده در ظرف مخصوص تعيين درصد رطوبت قرار می دهیم.
 حدود1.5 تا 2 گرم ديگر از نمونه آماده شده در آزمايش حد رواني را انتخاب و مراحل آزمايش تكرار می کنیم.
تكه هاي خرد شده نمونه را جمع کرده و در همان ظرف مخصوص تعيين درصد رطوبت قرار می دهیم و بلافاصله در قوطي بسته می شود .
اين كار آنقدر تكرار می شود تا وزن نمونه در ظرف تعيين درصد رطوبت حدود 6 گرم شود.
بند1 تا 3 تكرار می شود تا در پايان ، در دو ظرف تعيين درصد رطوبت حدود 6 گرم نمونه وجود داشته باشد.
درصد رطوبت نمونه هاي دو ظرف محاسبه می شود.

محاسبات آزمایش تعیین حد خمیری خاک
همانطور كه گفته شد، حد خميري همان درصد رطوبتي است كه در آن فتيله خاك در قطر 3.2 شروع به ترك خوردن مي كند.

                            100× (وزن خاك خشك شده در گرمخانه / وزن آب نمونه) = حد خميري

رطوبت حد خميري به آساني قابل اندازه گيري است و هر كسي با كمي تجربه مي تواند مقدار آن را با يك يا دو درصد تقريب تعیين كند.
​​​​​​​​​​​​​​
​​​​​​​




دامنه خميري
دامنه خميري، اختلاف بين حد رواني و حد خميري خاك است و مشخص كننده درصد رطوبتي است كه در آن،خاك به حالت خميري مي ماند. بنابراين:
                                                                            PI=LL-PL
وقتي تعيين حد رواني يا حد خميري يك خاك به روش هاي استاندارد ذكر شده امكان پذير نباشد، دامنه خميري به صورت NP (خاك غير پلاستيك) گزارش مي شود.وقتي حد خميري مساوي يا بيشتر از حد رواني باشد، دامنه خميري به صورت عدد صفر گزارش مي شود.


 



























​​​​​​​
​​​​​​​آزمايش حد انقباض
 وقتي يك خاك رسي اشباع به تدريج خشك و رطوبت خود را از دست مي دهد، حجم آن كاهش مي يابد. در حين خشك شدن، شرايطي فراهم ميشود كه با خشك شدن بيش تر خاك، رطوبت نيز كم مي شود ولي تغييري در حجم خاك ايجاد نمي شود. بنابراين حجم نمونه مرطوب در رطوبت حد انقباض، مساوي حجم آن در حالت خشك است. درصد رطوبت خاك كه در آن،كاهش حجم متوقف مي شود، به عنوان حد انقباض تعريف مي شود. اين آزمايش روي حجم مشخصي از خاك كاملا اشباع با درصد رطوبتي بيش تر از حد رواني خاك، انجام مي شود. در درصد رطوبت هاي كم تر از حد انقباض، ديگر كاهش رطوبت با كاهش حجم خاك همراه نيست، بلكه آب بين دانه ها وآب حفره ها و فضاهاي خالي با هوا جايگزين مي شود.

روش انجام آزمايش
1) خاك در ظرف تبخير ريخته شده و با آب مقطر مخلوط گردد. آب اضافه شده بايد به اندازه اي باشد كه درصد رطوبت خاك از حد رواني آن بيش تر باشد، البته نه آنقد زياد كه خاك حالت مايع به خود بگيرد. درصد رطوبت بايد طوري باشد كه اگر خاك تر در ظرف چيني به هم زده شود، ديگر هيچ گونه حباب هوايي ايجاد نشود. روش مطلوب استفاده از كمترين حجم آب ممكن است. اين امر براي خاك هاي با خاصيت خميري زياد، اهميت خاصي دارد و مانع ترك خوردن آنها در حين خشك شدن مي شود. مقدار آبي كه در يك خاك ترد لازم است تا حالت نرمي و ناپايداري ايجاد كند، بايد مساوي يا كمي بيشتر از حد رواني خاك باشد و مقدار آبي كه لازم است تا در يك خاك پلاستيك حالت نرمي و ناپايداري ايجاد كند، بايد از حد رواني تا ميزان ده درصد بيشتر باشد.
2) سطح داخلي ظرف انقباض با يك لايه نازك از گريس يا روغن سيليكون يا اسپري پودر تفلون چرب شود.اين امر به منظور جلوگيري از چسبيدن خاك به ديواره ظرف انجام مي شود. پس از روغن كاري، وزن ظرف خالي اندازه گرفته و يادداشت گردد.
3) ظرف انقباض داخل يك ظرف بزرگ قرار گيرد تا جيوه اضافي آن بريزد. ظرف انقباض را از جيوه پر كرده به طوري كه لبريز شود، سپس صفحه شيشه اي با فشار روي ظرف انقباض قرار گيرد تا جيوه اضافي خارج شود. نبايد بين صفحه و سطح جيوه، حباب هواي محبوس وجود داشته باشد و اگر حباب هوايي وجود داشت، اين مرحله تكرار گردد. حجم جيوه اي كه ظرف انقباض پر كرده است تعيين شود. براي اين كار مي توان از دو روش استفاده كرد: روش اول، استفاده از استوانه مدرج و روش ديگر اندازه گيري جرم جيوه و تقسيم آن بر جرم حجمي جيوه gr/cm ) 13.53) است. اين حجم بعنوان حجم ظرف يا حجم اوليه مرطوب يادداشت شود (V) .
3) مقدار يك سوم از حجم ظرف انقباض با خاك مرطوب پر شود، بدين ترتيب كه خاك در وسط ظرف قرار گيرد، با ظرف روي يك سطح محكم كه وسيله چند لايه كاغذ خشك كن يا مشابه آن پوشيده شده، چندين ضربه زده تا خاك تر داخل ظرف از وسط به كناره ظرف جريان يابد. مجدداً به همان اندازه دفعه اول از خاك مرطوب به داخل ظرف اضافه، آهسته آهسته ضربه زده تا خاك مرطوب، خوب پهن و متراكم گردد و حباب هاي هواي داخل خاك در سطح آن ظاهر شود و از آن خارج گردد. باز هم از نمونه خاك به داخل ظرف ريخته و اين عمل آنقدر ادامه يابد تا ظرف كاملاً پر و لبريز شود. سپس با خط كش لبه تيز، خاك اضافي را برداشته و اگر در اطراف ظرف نيز مقداري خاك چسبيده، كاملاً تميز شود. بعد از اين مرحله سريعاً ظرف محتوي خاك مرطوب را وزن و جرم ظرف و خاك مرطوب داخل آن يادداشت شود.
4) ظرف محتوي نمونه را يك روز در فضاي آزمايشگاه نگه داشته تا خشك شود. خشك شدن تا زمانيكه رنگ سطح خاك 5 ± 110 قرار داده تا خشك شود. اگر ° از تيره به روشن تغيير كند ادامه يابد. پس از آن ظرف محتوي خاك در گرمخانه C نمونه خاك ترك بخورد يا به تكه هاي كوچك تر تبديل شود، به مرحله اول بر گشته و نمونه ديگري با درصد رطوبت بيش تر تهيه شود. وزن ظرف و خاك خشك تعيين و (MD (ناميده مي شود اگر نمونه هنگام خشك شدن ترك بخورد، آزمايش بايد دوباره انجام شود، ولي با وجود اين، مي توان وزن و حجم بزرگ ترين قطعه را تعيين و بابرقراري يك تناسب حجم خاك خشك را به دست آورد. در اين وضعيت محاسبه وزن نمونه به سادگي امكان دارد و مشكل اصلي تعيين حجم كل نمونه است كه به طور تقريبي از تناسب زير به دست مي آيد.




5) حجم نمونه خاك با بيرون آوردن آن از ظرف انقباض و غوطه ور كردن آن در ظرف پر از جيوه تعيين گردد. - ظرف پر از جيوه درون ظرفي ديگر قرار داده شده تا جيوه سر ريز شود و داخل آن بريزد. ظرف از جيوه پر شده، صفحه شيشه اي با فشار روي سطح جيوه قرار گيرد تا جيوه اضافي خارج شود. بايد دقت شود كه بين صفحه و سطح جيوه، حباب هوا وجود نداشته باشد؛ در غير اين صورت بايد ظرف خالي و اين مراحل را تكرار شود. با دقت جيوه هايي كه بيرون ظرف چسبيده است پاك شود. - ظرف تبخير در ظرفي قرار گيرد كه جيوه اضافي داخل آن بريزد. ظرف پر از جيوه درون ظرف تبخير و نمونه خاك روي سطح جيوه قرار گيرد. با صفحه شيشه اي، روي نمونه فشار داده تا نمونه در جيوه غوطه ور شود. صفحه را روي لبه ظرف جيوه فشار داده تا جيوه اضافي بيرون بريزيد. باز هم بايد دقت شود تا هوايي بين صفحه و جيوه باقي نماند كه در اين ٢۶ صورت بايد از مرحله الف تا ج تكرار شود. حجم جيوه جابه جا شده داخل ظرف تبخير اندازه گيرد. اين كار را مي توان مستقيماً با اندازه گيري حجم به وسيله استوانه مدرج انجام يا از اندازه گيري وزن جيوه جابه جا شده و تقسيم آن بر جرم حجمي جيوه بدست آيد. اين حجم را كه حجم نمونه خاك پس از خشك شدن است يادداشت گردد.

آزمایش تعیین حدود اتربرگ
​​​​​​​(حد روانی و حد خمیری)