آزمایش برش مستقیم

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.

• خرید دستگاه برش مستقیم ۳۰ × ۳۰ دیجیتال
• دستگاه برش مستقیم ۱۰×۱۰ دیجیتال

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 P_v 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 P_v 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.

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 نسبي (اينچ بر دقيقه يا ميلي­‌متر بر دقيقه)

d_f: تغيير­شكل نسبي نمونه در زمان گسيختگي

t_f: زمان كل آزمايش

d_r 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

d_r: نرخ اعمال تغيير­شكل

d_n: تغييرشكل نسبي نمونه

t_e: 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.