آزمایش تک‌ محوری محصورنشده (Unconfined Compression Test)

استاندارد

AASHTO T 208-90 و ASTM D 2166-87​

مقدمه

آزمايش تك محوري يك روش سريع براي تعيين مقاومت زهكشي نشده خاكهاي چسبنده است. اين آزمايش براي خاكهايي قابل استفاده است كه چسبندگي آنها براي تهيه نمونه هاي پايداری كه مقاومت خود را بعد از حذف فشار همه جانبه حفظ كنند، مانند رسها و خاكهاي سيمانته شده، كافي باشد. خاكهاي سيلتي، ماسه اي يا خاكهاي كلوخه اي و ترك خورده و پيت ها را نمي توان به اين روش آزمايش كرد. در آزمايش تك محوري يك نمونه از خاك مورد نظر تا رسيدن به گسيختگي تحت بارمحوري به صورت كرنش كنترل قرار گرفته و مقاومت آن بر اساس تنش كل ايجاد شده در نمونه در هنگام گسيختگي محاسبه مي شود. نمونه ها در اين آزمايش بسته به شرايط مورد نظر طراح مي توانند دست نخورده، بازسازي شده يا ساخته شده در آزمايشگاه با درصد تراكم و رطوبت مورد نظر باشند. این آزمایش مشابه آزمایش سه محوری است با این تفاوت که در سلول انجام نمی گردد بنابراین تنش جانبی آن صفر است.

مقاومت خاک

مكانيزم مقاومت برشي در خاك هاي چسبنده بسيار پيچيده تر از خاك هاي دانه اي است. خاك هاي دانه اي از ذراتي تشكيل شده اند كه به علت اندازه و شكلشان، داراي سطح مخصوص كوچكي هستند و در آنها رفتار نيروهاي جرمي مانند وزن، بيشتر از نيروهاي سطحي كنترل كننده است. از طرف ديگر ذرات خاك چسبنده به علت شكل و اندازه اي كه دارند (اغلب پولكي شكل هستند)، داراي سطح مخصوص بالايي هستند و رفتار آنها بيشتر تابع نيروهاي سطحي تا نيروهاي جرمي است. مقاومت برشي خاك هاي چسبنده از دو نوع مقاومت اصطكاكي و مقاومت چسبندگي ناشي مي شود. مقاومت اصطكاكي تابع نيروهاي وزني است كه بيشتر در خاك هاي دانه اي به چشم ميخورد و مقاومت چسبندگي تابع نيروهاي سطحي است. البته رفتار دقيق نيروهاي سطحي كه باعث چسبندگي مي شود هنوز ناشناخته است. بايد توجه داشت كه چسبندگي خاك يك پارامتر ثابت نبوده، بلكه تابعي از بار منتقل شده توسط سازه خاك است. همچنين مقدار آن بستگي به بار هاي بين دانه اي و چگونگي انجام آزمايش دارد. در حالتي كه هيچ بار جانبي اي بر نمونه وارد نشود، چسبندگي به عنوان مقاومت برشي خاك مطرح مي گردد.

وسايل مورد نياز

1. دستگاه آزمايش فشاري ساده
2. دستگاه خارج كردن نمونه از نمونه گير
3. كرنش سنج كه قابليت اندازه گيري تغيير شكل تا 20 درصد طول نمونه را داشته باشد
4. استوانه نمونه و درپوش
5. ترازو با حساسيت 0.01 گرم
6. گرمخانه
7. كرنومتر
8. قالب تراکم و ملحقات آن
9. کوليس
10. نقاله
11. ماله
12. ظرف تبخير
13. كاغذ مومي يا شفاف

مشخصات نمونه ها

• قطر نمونه ها در اين آزمايش نبايد از 30 میلی متر كمتر باشد. در اين شرايط اندازه بزرگترين دانه موجود در نمونه بايد از يك دهم قطر نمونه كوچكتر باشد. در صورتي كه نمونه ها قطري بزرگتر از 72 میلی متر داشته باشند نسبت اندازه بزرگترين دانه ها به قطر نمونه را مي توان به یک ششم كاهش داد. در مورد نمونه هاي دست نخورده اگر بعد از انجام آزمايش معلوم شود كه دانه هايي با قطر بزرگتر از مقدار مجاز در نمونه وجود داشته است بايد اين مطلب در قسمت توضيحات گزارش ذكر شود. نسبت طول به قطر نمونه ها بايد بين 2 تا 2.5 باشد.
• نمونه هاي ساخته شده: اين نمونه ها با تراكم و درصد رطوبت مورد نظر طراح آزمايش در قالب ساخته مي شوند. تجربه نشان داده است كه تراكم و آماده كردن نمونه ها و بدست آوردن نتايج قابل قبول وقتي درصد اشباع بيش از 90 درصد مورد نياز باشد، مشكل خواهد بود.
• نمونه هاي دست نخورده: نمونه به وسيله “دستگاه خارج كردن نمونه از نمونه گير” از نمونه گير خارج می شود. نمونه هايي كه از نمونه گيرهاي جدار نازك خارج مي شوند را مي توان بدون اصلاح ديگري به جز صاف كردن ابتدا و انتهاي نمونه براي آزمايش بكار برد. بعد از خارج كردن نمونه از نمونه گير براي حمل آن بايد دقت كرد كه هيچگونه دست خوردگي، تغيير شكل يا تغيير رطوبت در نمونه ايجاد نشود. در صورتي كه براي تهيه نمونه ها نياز به تراشيدن نمونه باشد بايد دقت زيادي براي اين كار به كار رود تا هيچگونه دست خوردگي در نمونه ايجاد نشود. براي حفظ رطوبت نمونه اصلاح نمونه بايد در اطاق با رطوبت كنترل شده انجام شود. نمونه هاي تهيه شده بايد با مقطع دايره اي و دو انتهاي كاملا صاف و عمود بر محور نمونه تهيه شوند. در صورتي كه حين تراشيدن نمونه دانه هايي از سطح تراشيده شده كنده شده و سطح آن فرورفتگي هايي ايجاد شود، اين فرورفتگي ها را بايد با استفاده از خاكهاي حاصل از تراش بعد از ورز دادن كافي پر كرد. مقداري از باقيمانده هاي خاك براي تعيين درصد رطوبت در جعبه مخصوص نگهداري شود.
• نمونه هاي بازسازي شده: نمونه هاي بازسازي شده را مي توان از نمونه هاي دست نخورده خراب شده يا نمونه هايي كه به صورت دست خورده تهيه شده اند آماده كرد. براي حفظ رطوبت نمونه آن را داخل يك كيسه نازك پلاستيكي قرار داده و بوسيله انگشت ورز می دهيم تا كاملا يكنواخت شود. هنگام ورز دادن بايد دقت شود كه هوايي داخل نمونه محبوس نشود.

روش انجام آزمایش

مانند ساير آزمايش هاي برشي، در اين جا نيز هر دو روش كرنش كنترل شده و تنش كنترل شده به كار مي روند. روش ارائه شده در اين قسمت براي حالت كرنش كنترل شده است.

1. نمونه را در جايگاه مخصوص خود در دستگاه آزمايش قرار مي دهيم، به طوري كه محور عمودي آن نزديك مركز بارگذاري باشد. اگر راستاي نمونه بر صفحه هاي دستگاه عمود نباشد، خيلي زود منحني تنش- كرنش به حالت افقي خود نزديك مي شود. براي تماس مطمئن تر مي توان بار 0.5 کیلوگرم بر نمونه وارد كرد. اين بار اوليه در نمونه يك تغيير مكان اوليه ايجاد مي كند كه در ابتداي آزمايش بايد تصحيح شود.
2. گيج اندازه گيري بار و تغيير مكان را روي صفر تنظيم مي كنيم. سپس بارگذاري با نرخ كرنش 0.5 تا 2 درصد در دقیقه اعمال می شود.
3. قرائت هاي بارگذاري در كرنش هاي 0 و 0.1 و 0.2 و 0.5 و 1 و 2 و 3 و 4 و 5 و 6 و 8 و 10 و 12 و 14 و 16 و 18 و 20 درصد اندازه گيري مي شود.
4. فشار همچنان بر نمونه اعمال مي شود تا آن كه ترك در نمونه ظاهر شود يا آن كه منحني تنش- كرنش از مقدار ماكزيمم خود عبور كند. در واقع قرائت ها تا جايي كه يكي از این سه حالت اتفاق بيفتد، ادامه مي يابد: الف) بار در نمونه كاهش يابد. ب) بار براي قرائت يكسان شود. ج) تغيير مكان تا 15 درصد (يا 20 تا 25 درصد) ادامه پيدا كرده باشد.
5. نمونه گسيخته شده را در اتاق مرطوب مي بريم و زاويه ي ترك را با افق اندازه مي گيريم و بايد توجه داشت كه اين زاويه پس از ايجاد ترك خوانده شود. نمونه گسيخته شده را به دقت بررسي مي كنيم. اين مشاهده در تهيه اطلاعات و ارائه بهتر نتايج به ما كمك مي كند. نمونه را وزن مي كنيم و بعد از خشك كردن كامل در گرمخانه، درصد رطوبت آن به دست مي آيد.
6. از نمونه و شکل گسيختگی آن عکس تهيه می کنيم.

محاسبات

• محاسبات را بر اساس كرنش و تنش هاي محوري انجام مي دهيم و مقدار تنش نهايي (qu) از روي منحني هاي تنش-كرنش به دست مي آيد. كرنش محوري (ε) از رابطه زير بدست مي آيد:

ΔL: تغيير طول نمونه خوانده شده از كرنش سنج.

L₀: طول اوليه نمونه.

• تنش لحظه اي را مي توان از رابطه زير به دست آورد:

P: بار روي نمونه در لحظه قرائت ΔL

A: سطح مقطع نمونه در لحظه قرائت P

• تعيين مقدار دقيق سطح مقطع در هر لحظه مهم است. سطح مقطع در هر لحظه را مي توان با ثابت در نظر گرفتن حجم نمونه به دست آورد. در لحظه شروع آزمايش، حجم نمونه عبارت است از:

• بعد از تغيير طول نمونه، حجم نمونه عبارت است از:

• با تساوي اين دو رابطه، مساحت سطح مقطع واقعي در هر لحظه عبارت است از:

• تنش برشي محصورنشده حداكثر (Cu) نصف تنش فشاري محصورنشده (qu) است و از رابطه زير به دست مي آيد: