استانداردهای آزمایش
AASHTO T 236-90, ASTM D: 3080-90
مقدمه
آزمایش برش مستقیم مورد استفاده در كليه مسائل مربوط به پايداري خاك از جمله شيروانيها و شيبها و باربري شالودهها به منظور تعيين پارامترهای مقاومت برشي خاك مثل CBR (نسبت باربري كاليفرنيا)، C (چسبندگی خاک) و f (زاویه اصطکاک داخلی) است.
این سنجش را به چه صورت انجام میدهد؟
آزمایش برش مستقیم برای تعیین مقاومت برشی خاک انجام میشود. که انجام آن به وسیله قرار گیری یک نمونه از خاک مورد آزمایش بر روی یک صفحه مشخص گسیختگی انجام میشود.
معمولاً در این آزمایش برای تعیین اثر تنش عمودی در صفحه گسیختگی بر مقاومت برشی خاک و تعیین پوش گسیختگی (در حالت خاص برای تعیین پارامترهای پوش مور – کولمب) سه نمونه از خاک مورد آزمایش در فشارهای عمودی متفاوت آزمایش میشود.
در این آزمایش نمونه در داخل جعبه برش قرار داده شده و تنش عمودی مورد نظر بر آزمونه اعمال می شود.
آزمايش در جعبه کاساگراند انجام می شود. این آزمایش قديميترين آزمايش مكانيك خاك است که اولين بار توسط کاساگراند در آلمان انجام گرفته است. اين دستگاه از دو نيم جعبه در مقطع دايره و يا مربع که امكان لغزيدن بر روي يكديگر را دارند تشكيل شده است. جعبه برش ذکر شده دارای دو قالب با دو حلقه فلزي است كه روي يكديگر قرار دارند. در حضور تنش قائم، دو قالب با نرخ جابجايي ثابت نسبت به هم حركت داده ميشوند و در حين حركت نيروي لازم (نيروي برشي T) براي اعمال اين جابجايي برای محاسبه میزان تنش برشی اندازهگيري ميشود.
موارد استفاده آزمایش برش مستقیم
- سد سازی: يكي از كاربردهاي آزمايش برش مستقيم در ساخت سدهاست. از اين آزمايش براي بررسي لغزش شيرواني سمت مخزن، تعيين مقاومت برشي پي و مقاومت برشي منابع قرضه ميشود.
- حفاری ها: براي احداث مترو، تونل، معادن زيرزميني و خاكبرداريها اطلاعات حاصل از نتايج آزمايش برش مستقيم مورد نیاز است.
- در بررسي پديده هاي مخرب در تودهها: در بررسي پديدههاي مخرب در تودههاي ژئوتكنيكي از جمله زلزله، شكست هيدروليكي، گسترش جانبی، زمین لغزش، روانگرايي و …. از آزمایش برش مستقیم استفاده میشود.
- پایداری: بررسي پايداري شيروانيها، ديوارهاي حائل و سازههاي نگهدارنده خاک از ديگر كاربردهاي آزمايش برش مستقيم است. به علت زياد بودن هزينه آزمايش سه محوري و مشكلات آن، معمولاً تعداد كمتري از آن انجام ميشود و با انجام تعداد بيشتري آزمايش برش مستقيم كه ارزانتر است و تلفيق نتايج آنها، پارامترهاي مورد نياز به دست ميآيد.
- میزان همگن بودن توده مورد بررسی
- تغییر شرایط محیط مورد بهره برداری (تغییرات تنش المان های مختلف، تغییرات زهکشی و …)
- اهمیت سازه
- مرحله مطالعات (فاز 1، فاز 2 و …)
مورد استفاده در كليه مسائل مربوط به پايداري خاك از جمله شيروانيها و شيبها و باربري شالودهها به منظور تعيين پارامترهاي مقاومت برشي خاك مثل CBR (نسبت باربري كاليفرنيا)، C (چسبندگی خاک) و f (زاویه اصطکاک داخلی) است.
تعداد نمونههای آزمايش برش مستقيم
براي دستيابي به نتايج دقيق باید آزمایش برش مستقیم چند مرتبه تکرار شود. عواملی مثل ميزان همگن بودن توده خاک، تغييرات تنش در المانهاي مختلف، تغييرات زهكشي، اهميت سازه، مرحله مطالعات ( فاز 1، فاز 2 و …) در تعیین تعداد نمونهها موثر هستند.
روش اعمال بار
در آزمايش برش مستقيم، براي اعمال بار دو روش وجود دارد:
آزمايش كنترل كرنش؛ در اين روش ميزان تغيير شكل يا كرنش ثابت و مقدار نيرو به وسيله دستگاه اندازه گرفته ميشود.
آزمايش كنترل تنش؛ در آن نيروي برشي توسط وزنه وارد ميشود و مقدار كرنش اندازهگيري ميشود.
در روش كنترل كرنش به این دلیل كه سرعت تغيير شكل ايجادشده در نمونه خاك ثابت است، با نتایج دقیقتری مواجه میشویم و ميتوان به وسيله آن در خاكهايي مانند ماسه متراكم به مقاومت برشي باقيمانده نيز دسترسي پيدا كرد، درحاليكه در حالت كنترل تنش فقط مقاومت حداكثر به دست ميآيد.
وسايل آزمايش
جعبه برش؛ جعبه هاي برش به شكل مربع يا دايرهاي براي آزمايش استفاد ميشوند. جعبه برش از فولاد زد زنگ، آلومينيوم يا برنز ساخته ميشود. جعبه برش روي يك صفحه افقي به دو قسمت با ضخامت مساوي تقسيم شده است براي مطبق كردن دو قسمت جعبه از پيچهاي تنظيم استفاده ميشود. براي تنظيم فاصله بين دو نيمه جعبه نيز از پيچهاي ديگري استفاده ميشود. در سقف و كف جعبه نيز سوراخهايي براي زهكشي وجود دارد.
سنگهاي متخلخل (اين سنگها براي زهكشي نمونه در بالا و پايين آن استفاده ميشوند)
- دستگاه بارگذاري قائم (برای اعمال نيروي عمودی)
- دستگاه بارگذاري جانبی (برای اعمال نيروي برشي)
- حلقه نيرو سنج
- اتاق رطوبت
- كرنش سنج
- گرمخانه
- كرنومتر و وسايل تراكم براي تهيه نمونه دستنخورده
دستگاه برش مستقیم
دستگاههای برشی مستقیم مدرن از مدلهای رومیزی با استفاده از روشهای فشار پنوماتیک برای اعمال بارهای عمودی به نمونههای خاک، تا مدلهای ایستاده با وزنههایی برای اعمال بارهای عمودی متغیر هستند. هر دو نسخه از موتورهای مرحلهای پیشرفته و دقیق برای ایجاد جابجایی جانبی یا نیروی برشی افقی استفاده میکنند. این ماشینها میتوانند نیرو و تغییرشکل را با اندازهگیرهای آنالوگ ساده و گیج نمایش نیرو یا سلهای الکترونیکی تعیین نیرو و مبدلهای جابجایی متغیرخطی (LVDT) اندازهگیری کنند. اجزای دیجیتالی میتوانند نتایج آزمایش را با استفاده از نرمافزار پیشرفتهای اندازهگیری، ثبت و ذخیره کنند و نمودار نتایج را نمایش دهند.
نمونه آزمایش
اندازه نمونهها
- حداقل ضخامت اوليه بايد 12 ميليمتر باشد. همچنين اين مقدار نبايد از 6 برابر حداكثر اندازه دانههاي خاك كمتر باشد.
- حداقل قطر نمونههاي دايرهاي يا حداقل عرض نمونههاي مربعي بايد 50 ميليمتر باشد. حداقل عرض يا قطر نمونه نبايد كمتر از 10 برابر حداكثر اندازه دانههاي خاك موردنظر باشد.
- حجم نمونه خاك مورد نظر بايد به اندازهاي باشد كه بتوان از آن حداقل سه نمونه يكسان با ابعاد مشخص شده تهيه كرد.
آماده كردن نمونهها
در اين آزمايش ميتوان از نمونههاي دستنخورده يا ساختهشده استفاده كرد. نمونههاي دستنخورده بزرگتري كه از محل مورد نظر تهيه شدهاند در اندازه موردنظر بريده ميشوند. در صورتي كه آزمايش بر روي نمونه ساختهشده انجام شود، نمونه موردنظر در جعبه آزمايش برش مستقيم ساخته ميشود. به اين ترتيب كه با مشخص بودن دانسيته موردنظر براي نمونه و ابعاد و درصد رطوبت آن، وزن آزمونه محاسبه ميشود. سپس درصد رطوبت نمونهاي از خاك موردنظر را به درصد رطوبت موردنظر رسانده و به اندازه وزن نمونه از آن جدا ميكنيم. بسته به اندازه آزمونه ميتوان خاك را در يك 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- خاكهاي غيرچسبنده
- يك ظرف بزرگ پر از ماسه خشك را وزن میکنیم. مقدار ماسه بايد به اندازهاي باشد كه براي انجام حداقل سه آزمايش با چگالي يكسان كافي باشد.
- جعبه برش را در جای خود قرار داده و در يك وضعيت مناسب ثابت میکنیم. بهتر است ابعاد جعبه برش طوري انتخاب شود كه حجم جعبه و در نتيجه چگالي نمونه خاك به راحتي قابل محاسبه باشد. مساحت سطح مقطع نمونه A را بدست میآوريم. اگر نمونه شن مرطوب يا اشباع باشد، باید سنگهاي متخلخل را تا حد امكان اشباع كرد.
- نمونه را داخل جعبه برش میریزیم به طوري كه روي جعبه حدود 5 میلیمتر خالي باشد و صفحه اعمال بار را تراز میكنيم تا در يك سطح افقي قرار گيرد. ظرف محتوي نمونه را وزن میکنیم تا جرم خشك نمونه تعيين شود. ضخامت مشخصي از خاك را به عنوان مرجع در نظر گرفته و روي محيط جعبه برش با علامتهايي آن را مشخص میکنیم. اگر از نمونه خاك متراكمشده استفاده شود، ميتوان خاك را با رطوبت و وزن مخصوص موردنظر در چند لايه داخل جعبه برش كوبيد.
- بار قائم مناسبي بر نمونه اعمال کرده و عقربه اندازهگيري تغيير شكلهاي قائم ياLVDT را روي نمونه نصب میکنیم. توجه كنيد كه وزن خود صفحه بارگذاري و نيمه بالايي جعبه برش را هم به عنوان بخشي از Pv در نظر بگيريد. اگر آزمايش از نوع تحكيم يافته باشد، پس از اعمال بار قائم تا زمانيكه نشست كاملاً متوقف نشده است، صبر میکنیم و پس از آن كه عقربه متوقف شد، آزمايش را انجام میدهيم. معمولاً براي خاكهاي غيرچسبنده اين زمان تقريباً بلافاصله بعد از اعمال بار قائم Pv است.
- دو قسمت جعبه برش با باز كردن پيچهاي نيمه بالايي جعبه از هم جدا میشوند. فاصله بين دو نيمه بايد كمي بيشتر از اندازه بزرگترين دانه موجود در نمونه باشد. صفحه بارگذاري با محكم كردن سه پيچ كناري كه در اطراف نيمه بالايي جعبه قرار دارند، به جاي خود میرود. وزن نيمه بالايي جعبه و صفحه بارگذاري و بار اعمال شده، توسط سطح نمونه تحمل ميشود.
- كرنش سنج عقربهاي را براي اندازهگيري تغييرشكلهاي برشي نصب میکنیم.
- در صورتي كه آزمايش با نمونه اشباع انجام شود، براي اشباع کردن نمونه باید جعبه برش را از آب پر كنيم و مدت زمان مناسبي براي اشباع نمونه منتظر بمانیم.
- ابتدا بارگذاري افقي را شروع میکنیم و مقدار نيروي نشان داده شده روي نيروسنج عقربهاي و عقربه اندازهگيري تغييرشكلهاي برشي و در صورت نياز، تغييرشكلهاي قائم و تغييرات حجم نمونه را در هر مرحله قرائت میکنیم. سرعت تغييرات كرنش افقي را بين 0.5 میلیمتر بر دقیقه تا 2 میلیمتر بر دقیقه در نظر بگيريد. توجه كنيد كه از سرعت هاي خيلي بالا در اين آزمايش استفاده نشود. سرعت تغيير كرنش در اين آزمايش بايد طوري باشد كه شكست نمونه در 3 تا 5 دقيقه صورت پذيرد. قرائتها را ادامه میدهیم تا جايي كه بار برشي به حداكثر مقدار خود برسد. بعد از اين مرحله از مقدار بار برشي كاسته ميشود. بعد از قرائت بار برشي حداكثر، دو قرائت ديگر كافي است تا مطمئن شویم که نیروی برشی درحال کاهش است.
- اكنون نمونه داخل جعبه برش را بيرون آوريد و مراحل 1تا 8 را حداقل براي دو نمونه ديگر تكرار كنيد. جرم اين نمونهها بايد تقريبا برابر جرم نمونه اوليه باشد (حداكثر اختلاف جرم قابلقبول 10 گرم است) و همچنین حجم مشابهي اشغال كنند.
میتوان در مرحله (4) براي هر آزمايش، بارهاي قائم متفاوتي اعمال كرد. پيشنهاد ميشود بار قائم را در هر مرحله دو برابر كنيد، يعني از بارهاي 4 کیلوگرم، 8 کیلوگرم و 16 کیلوگرم استفاده كنيد. اگر دريافتيد كه وقتي بار قائم بزرگتري وارد كردهايد، بار برشي كمتري نسبت به قبل قرائت شده، بايد آزمايش را تكرار كنيد زيرا به احتمال زياد اشتباهي رخ داده است.
ب- خاكهاي چسبنده
- سه یا چهار نمونه هماندازه، هموزن و با چگالی تقریبا 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 قابلقبول 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 دوقسمت 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، بهطوریکه 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.
tf: 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:
dr: سرعت اعمال تغييرشكل نسبي (اينچ بر دقيقه يا ميليمتر بر دقيقه)
df: تغييرشكل نسبي نمونه در زمان گسيختگي
tf: زمان كل آزمايش
dr به عوامل متعددي از جمله تاريخچه بارگذاري بر روي نمونه و نوع مصالح بستگي دارد به عنوان حدس اوليه براي خاكهاي ريزدانه عادي تحكيميافته يا با تحكيميافتگي كم ميتوان df را 0.5 اينچ (12 ميليمتر) درنظر گرفت. در شرايط ديگر مقدار df برابر 0.2 اينچ (5 ميليمتر) درنظر گرفته میشود.
محاسبات آزمایش برش مستقیم
1. تنش برشي اسمي براي هر گام بارگذاري به صورت زير محاسبه میشود:
σ : تنش برشي اسمي
F : نيروي برشي اندازهگيري شده
A : سطح اوليه نمونه
2. محاسبه تنش قائم بر روي نمونه
σ : تنش قائم وارد بر نمونه
N : نيروي قائم اعمالي بر روي نمونه
3. تعیین نرخ واقعي اعمال تغييرشكل به نمونه
dr: نرخ اعمال تغييرشكل
dn: تغييرشكل نسبي نمونه
te: زمان آزمايش
4. محاسبه تخلخل اوليه نمونه، درصد رطوبت نمونه، دانسيته خشك نمونه
5. رسم نمودار تغييرمكان نسبي-تنش برشي اسمي
6. تعیین تنش برشي اسمي بيشينه يا تنش برشي اسمي گسيختگي براي هر كدام از نمونهها
7. برداشت مقادير تنش برشي گسيختگي در مقابل تنش قائم براي همه نمونهها و تعیین نقاط روی نمودار جهت برازش بهترين خط بر روی نمودار. پارامترهاي مدل گسيختگي مور-كولمب با استفاده از خط برازش ترسیمشده بدست میآید.
8. ترسیم نمودار تغييرشكل قائم نمونه در مقابل تغييرمكان نسبي افقي براي همه نمونهها. اين منحني تغييرات حجم نمونه را در ازاي تغييرشكلهاي برشي نشان ميدهد.
عوامل مؤثر بر نتایج آزمایش برش مستقیم
پژوهشهای متعددی عوامل موثر بر نتایج آزمایش برش مستقیم را بررسی کردهاند. ازجمله آنها میتوان به آثار چگونگی سرهم کردن نیمه بالایی جعبه برش مستقیم و همچنین اصطکاک دیوارههای جعبه برش بر نتایج آزمایش اشاره کرد. یکی از موثرترین روشها برای کاهش اثر اصطکاک دیوارههای جعبه برش مستقیم، میتواند روغنکاری دیواره جعبه برش باشد.
از دیگر پارامترهای بررسیشده در آزمایش برش مستقیم میتوان به تاثیر درصد تراکم و تاریخچه تنش نمونه بر مقاومت برشی خاکها، اثر اندازه جعبه برش مستقیم، فشار تشکیل نمونه، تنش سربار، اصطکاک جدارها اشاره کرد. تحقیقاتی نیز بر روی تاثیر نوع خاک، شکل، اندازه و توزیع دانهها، درصد رطوبت و درصد تراکم نمونه بر پارامترهای مقاومت برشی خاک انجام شده است. سرعت برش نیز از دیگر پارامترهایی بوده است که پژوهشگران مختلف به بررسی آن پرداختهاند.
به عنوان مثال پژوهشگران نشان دادهاند که با افزایش سرعت برش، مقاومت برشی نمونه افزایش مییابد اما همچنان تاثیر سرعت برش بر مقاومت برشی باقیمانده به خوبی مشخص نشده است و نظریههای متفاوتی در این مورد وجود دارد. از دیگر پارامترهای بررسی شده توسط پژوهشگران میتوان به اثر اندازه دانهها بر پارامترهای مقاومت برشی اشاره کرد که با افزایش اندازه دانهها نسبت به اندازه جعبه برش، مقاومت بیشینه و مقاومت باقیمانده نمونه افزایش مییابد.