آزمایش برش مستقیم

نمونه آزمایش

اندازه نمونه‌ها

• حداقل ضخامت اوليه بايد 12 ميلی­‌متر باشد. همچنين اين مقدار نبايد از 6 برابر حداكثر اندازه دانه­‌های خاک كمتر باشد.
• حداقل قطر نمونه­‌های دايره‌ای يا حداقل عرض نمونه­‌های مربعی بايد 50 ميلی­‌متر باشد. حداقل عرض يا قطر نمونه نبايد كمتر از 10 برابر حداكثر اندازه دانه­‌های خاک موردنظر باشد.
• حجم نمونه خاک موردنظر بايد به اندازه‌­ای باشد كه بتوان از آن حداقل سه نمونه يكسان با ابعاد مشخص شده تهيه كرد.

آماده كردن نمونه‌ها

در اين آزمايش می‌­توان از نمونه‌های دست­‌نخورده يا ساخته­‌شده استفاده كرد. نمونه‌­های دست­‌نخورده بزرگتری كه از محل موردنظر تهيه شده‌­اند در اندازه مورد­نظر بريده می‌­شوند. درصورتی‌كه آزمايش بر روی نمونه ساخته‌­شده انجام شود، نمونه مورد­نظر در جعبه آزمايش برش مستقيم ساخته می­‌شود. به اين ترتيب كه با مشخص بودن دانسيته مورد­نظر برای نمونه و ابعاد و درصد رطوبت آن، وزن آزمونه محاسبه می­‌شود. سپس درصد رطوبت نمونه‌­ای از خاک مورد­نظر را به درصد رطوبت مورد­نظر رسانده و به اندازه وزن نمونه از آن جدا می­‌كنيم. بسته به اندازه آزمونه می‌توان خاک را در يک يا چند لايه در داخل جعبه ريخته و با كوبيدن، آن را به حجم مورد­نظر یعنی همان اندازه جعبه رساند.

شرح انجام آزمایش برش مستقیم

الف. خاک‌های غيرچسبنده

• يک ظرف بزرگ پر از ماسه خشک را وزن می‌‏کنیم. مقدار ماسه بايد به اندازه‌­ای باشد كه برای انجام حداقل سه آزمايش با چگالی يكسان كافی باشد.
• جعبه برش را در جای خود قرار داده و در يك وضعيت مناسب ثابت می­‌کنیم. بهتر است ابعاد جعبه برش طوری انتخاب شود كه حجم جعبه و در نتيجه چگالی نمونه خاک به راحتی قابل محاسبه باشد. مساحت سطح مقطع نمونه A را به‌دست می­‌آوريم. اگر نمونه شن مرطوب يا اشباع باشد، باید سنگ­‌های متخلخل را تا حد امكان اشباع كرد.
• نمونه را داخل جعبه برش می­‌ریزیم به طوری كه روی جعبه حدود 5 میلی­‌متر خالی باشد و صفحه اعمال بار را تراز می­‌كنيم تا در يک سطح افقی قرار گيرد. ظرف محتوی نمونه را وزن می‏‌کنیم تا جرم خشک نمونه تعيين شود. ضخامت مشخصی از خاک را به عنوان مرجع در نظر گرفته و روی محيط جعبه برش با علامت­‌هايی آن را مشخص می­‌کنیم. اگر از نمونه خاک متراكم­‌شده استفاده شود، می‌­توان خاک را با رطوبت و وزن مخصوص مورد­نظر در چند لايه داخل جعبه برش كوبيد.
• بار قائم مناسبی بر نمونه اعمال کرده و عقربه اندازه‌گیری تغيير شكل‌های قائم ياLVDT را روی نمونه نصب می­‌کنیم. توجه كنيد كه وزن خود صفحه بارگذاری و نيمه بالايی جعبه برش را هم به عنوان بخشی از P_v در نظر بگيريد. اگر آزمايش از نوع تحكيم يافته باشد، پس از اعمال بار قائم تا زمانی كه نشست كاملاً متوقف نشده است، صبر می­‌کنیم و پس از آن كه عقربه متوقف شد، آزمايش را انجام می­‌دهيم. معمولاً برای خاک­‌های غيرچسبنده اين زمان تقريباً بلافاصله بعد از اعمال بار قائم P_v است.
• دو قسمت جعبه برش با باز كردن پيچ­‌های نيمه بالايی جعبه از هم جدا می­‌شوند. فاصله بين دو نيمه بايد كمی بيشتر از اندازه بزرگ‌‌ترين دانه موجود در نمونه باشد. صفحه بارگذاری با محكم كردن سه پيچ كناری كه در اطراف نيمه بالایی جعبه قرار دارند، به جای خود می‌­رود. وزن نيمه بالايی جعبه و صفحه بارگذاری و بار اعمال شده، توسط سطح نمونه تحمل می­‌شود.
• كرنش سنج عقربه‌­ای را برای اندازه‌­گيری تغيير­شكل‌‌های برشی نصب می‌‌کنیم.
• درصورتی‌كه آزمايش با نمونه اشباع انجام شود، براي اشباع کردن نمونه باید جعبه برش را از آب پر كنيم و مدت زمان مناسبی برای اشباع نمونه منتظر بمانیم.
• ابتدا بارگذاری افقی را شروع می­‌کنیم و مقدار نيروی نشان داده شده روی نيروسنج عقربه­‌ای و عقربه اندازه‌­گيری تغييرشكل­‌های برشی و در صورت نياز، تغييرشكل­‌های قائم و تغييرات حجم نمونه را در هر مرحله قرائت می­‌کنیم. سرعت تغييرات كرنش افقی را بين 0.5 میلی‌­متر بر دقیقه تا 2 میلی‌­متر بر دقیقه در نظر بگيريد. توجه كنيد كه از سرعت‌های خيلی بالا در اين آزمايش استفاده نشود. سرعت تغيير كرنش در اين آزمايش بايد طوری باشد كه شكست نمونه در 3 تا 5 دقيقه صورت پذيرد. قرائت‌­ها را ادامه می­‌دهیم تا جايی كه بار برشي به حداكثر مقدار خود برسد. بعد از اين مرحله از مقدار بار برشی كاسته می­‌شود. بعد از قرائت بار برشي حداكثر، دو قرائت ديگر كافی است تا مطمئن شویم که نیروی برشی درحال کاهش است.
• اكنون نمونه داخل جعبه برش را بيرون آوريد و مراحل 1تا 8 را حداقل برای دو نمونه ديگر تكرار كنيد. جرم اين نمونه‌­ها بايد تقريباً برابر جرم نمونه اوليه باشد (حداكثر اختلاف جرم قابل­‌قبول 10 گرم است) و همچنین حجم مشابهي اشغال كنند.

می‌­توان در مرحله (4) برای هر آزمايش، بارهای قائم متفاوتی اعمال كرد. پيشنهاد می­‌شود بار قائم را در هر مرحله دو برابر كنيد، يعنی از بارهای 4 کیلوگرم، 8 کیلوگرم و 16 کیلوگرم استفاده كنيد. اگر دريافتيد كه وقتی بار قائم بزرگ­تری وارد كرده‌­ايد، بار برشی كمتری نسبت به قبل قرائت شده، بايد آزمايش را تكرار كنيد زيرا به احتمال زياد اشتباهی رخ داده است.

ب. خاک­‌های چسبنده

• سه یا چهار نمونه هم‌­اندازه، هم­وزن و با چگالی تقریباً یکسان آماده می­‌کنیم. دقت کنید که اندازه نمونه­‌ها طوری باشد که به‌راحتی داخل جعبه برش جای گیرند. همچنین باید توجه کرد که حداکثر اختلاف وزن قابل­ قبول برای نمونه‌­ها 10 گرم است. اگر خاک پیش تحکیم یافته باشد، باید 6 نمونه تهیه شود. سعی می‌­شود نمونه­‌ها در هنگام ساخت نمونه و آماده کردن دستگاه ثابت بمانند.
• پیچ­‌های نیمه بالایی جعبه برش را شل کرده و دو قسمت جعبه را روی هم سوار می­‌کنیم. اگر آزمایش برای یک خاک مرطوب انجام می­‌شود، ابتدا مطمئن می‌‌شویم که سنگ­‌های متخلخل کاملاً اشباع شده‌‌اند. ابعاد جعبه برش را برای به‌دست‌آوردن مساحت (A) اندازه­‌گیری می­‌کنیم.
• نمونه خاک را با دقت داخل جعبه برش جای می­‌دهیم. نمونه باید به‌راحتی داخل جعبه برش قرار گیرد و کاملاً به‌اندازه فضای داخل جعبه باشد و حدود 5 میلی­متر از بالای جعبه خالی باشد. پس از گذاشتن نمونه داخل جعبه، صفحه بارگذاری را روی آن قرار می­‌دهیم، بار قائم Pv را اعمال می‌­کنیم و عقربه اندازه­‌گیری تغییر شکل‌های قائم را هم نصب می­‌کنیم. اگر آزمایش از نوع تحکیم یافته باشد، برای فهمیدن این که تحکیم به طور کامل انجام شده یا نه، باید تغییر شکل‌های قائم را پس از اعمال بار Pv اندازه­‌گیری کرد.
• دونیمه جعبه برش را با استفاده از پیچ‌­های محکم کننده از هم جدا می‌­کنیم، به‌ طوری که فاصله بین دونیمه کمی بیشتر از بزرگ‌ترین دانه خاک نمونه باشد. دستگاه اعمال بار را با استفاده از پیچ‌­هایی که به همین منظور تعبیه شده‌اند، در جای خود محکم کرده و پیچ­‌ها را می­‌بندیم. دقت کنید که در این حالت بار قائم وارد شده بر نمونه برابر بار اعمال شده به‌اضافه وزن صفحه بارگذاری و نیمه بالایی جعبه برش است.
• عقربه اندازه­‌گیری تغییر شکل‌های برشی را نصب‌کرده و صفر عقربه­‌های اندازه­‌گیری تغییر شکل‌های قائم و افقی را تنظیم می‌‌کنیم. برای آزمایش با نمونه‌­های اشباع، جعبه برش را از آب پر می­‌کنیم و مدت قابل قبولی را برای کاملاً اشباع شدن نمونه در نظر می‌­گیریم.
• بارگذاری افقی (برشی) را آغاز کرده و مقادیر بار افقی، تغییر شکل‌های برشی و تغییر شکل‌های قائم را قرائت می­‌کنیم. اگر روش آزمایش بر اساس کنترل کرنش باشد، قرائت­‌های تغییر شکل‌های افقی را باید در کرنش‌­های 5 و 10 و از آن به بعد در هر 10 یا 20 واحد تعیین‌­شده روی عقربه انجام داد.
• سرعت آزمایش (سرعت تغییر کرنش) باید در حدود 0.5 میلی‌متر بر دقیقه تا 2 میلی‌­متر بر دقیقه انتخاب شود طوری که گسیختگی نمونه در 5 تا 10 دقیقه انجام گیرد، مگر این که آزمایش از نوع CD  باشد.

t_f: زمان کل آزمایش از ابتدای بارگذاری تا زمان گسیختگی بر حسب دقیقه

t₅₀: زمان لازم برای رسیدن نمونه به 50 درصد تحکیم اولیه تحت اثر بار قائم آزمایش بر حسب دقیقه

درصورتی­‌که زمان 90 درصد تحکیم نمونه در دسترس باشد می­‌توان t50 را از رابطه زیر تخمین زد.

برای ماسه‌های تمیز و متراکم که به‌سرعت زهکشی می­‌شوند می‌­توان tf را برابر 10 دقیقه در­نظر گرفت. برای ماسه­‌های متراکم که بیشتر از 5 درصد ریزدانه باشند tf را می­‌توان 60 دقیقه انتخاب کرد.

سرعت اعمال تغییر شکل نسبی به‌صورت زیر محاسبه می­‌شود:

d_r: سرعت اعمال تغيير­شكل نسبی (اينچ بر دقيقه يا ميلی­‌متر بر دقيقه)

d_f: تغيير­شكل نسبی نمونه در زمان گسيختگی

t_f: زمان كل آزمايش

d_r به عوامل متعددی از جمله تاريخچه بارگذاری بر روی نمونه و نوع مصالح بستگی دارد به عنوان حدس اوليه براي خاک‌­های ريزدانه عادی تحكيم‌­يافته يا با تحكيم­‌يافتگی كم می‌­توان df را 0.5 اينچ (12 ميلی‌­متر) درنظر گرفت. در شرايط ديگر مقدار df برابر 0.2 اينچ (5 ميلی‌­متر) درنظر گرفته می‌شود.

محاسبات آزمایش برش مستقیم

۱. تنش برشی اسمی برای هر گام بارگذاری به‌صورت زير محاسبه می­‌شود:

σ : تنش برشی اسمی

F : نيروی برشی اندازه‌­گيری شده

A : سطح اوليه نمونه

۲. محاسبه تنش قائم بر روی نمونه

σ : تنش قائم وارد بر نمونه

N : نيروی قائم اعمالی بر روی نمونه

۳. تعیین نرخ واقعی اعمال تغيير­شكل به نمونه

d_r: نرخ اعمال تغيير­شكل

d_n: تغييرشكل نسبی نمونه

t_e: زمان آزمايش