خلاصه مطلب :آزمایش برش مستقیم

استانداردهای آزمایش برش مسقیم

AASHTO T 236-90, ASTM D: 3080-90

مقدمه

آزمایش برش مستقیم مورد استفاده در كليه مسائل مربوط به پايداری خاک از جمله شيروانی­‌ها و شيب‌­ها و باربری شالوده­‌ها به‌منظور تعيين پارامترهای مقاومت برشی خاک مثل CBR (نسبت باربری 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 قرارگیری 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 می‌شود.

آزمايش در جعبه کاساگراند انجام می‌شود. این آزمایش قدیمی­‌ترين آزمايش مكانيک خاک 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 روی يكديگر را دارند تشكيل شده است. جعبه برش ذکر شده دارای دو قالب با دو حلقه فلزی است كه روی يكديگر قرار دارند. در حضور تنش قائم، دو قالب با نرخ جابجايي ثابت نسبت به‌هم حركت داده می­‌شوند و در حين حركت نيروی لازم (نيروی برشی T) برای اعمال اين جابجايی برای محاسبه میزان تنش برشی اندازه‌­گيری می­‌شود.

موارد استفاده آزمایش برش مستقیم

سد سازی: يكی از كاربردهای آزمايش برش مستقيم در ساخت سده است. از اين آزمايش برای بررسی لغزش شيروانی سمت مخزن، تعيين مقاومت برشی پی و مقاومت برشی منابع قرضه می‌شود.
حفاری‌ها: برای احداث مترو، تونل، معادن زيرزمينی و خاكبرداری­‌ها اطلاعات حاصل از نتايج آزمايش برش مستقيم مورد نیاز است.
در بررسی پديده‌های مخرب در توده‌­ها: در بررسی پديده‌های مخرب در توده‌­های ژئوتكنيكی از جمله زلزله، شكست هيدروليكی، گسترش جانبی، زمین لغزش، روان‌گرایی و …. از آزمایش برش مستقیم استفاده می‌شود.
پایداری: بررسی پايداری شيروانی­‌ها، ديوارهای حائل و سازه­‌های نگهدارنده خاک از ديگر كاربردهای آزمايش برش مستقيم است. به علت زياد بودن هزينه آزمايش سه محوری و مشكلات آن، معمولاً تعداد كمتری از آن انجام می‌­شود و با انجام تعداد بيشتری آزمايش برش مستقيم كه ارزان‌تر است و تلفيق نتايج آن‌ها، پارامترهای مورد نياز به دست می­‌آيد.
میزان همگن بودن توده مورد بررسی
تغییر شرایط محیط مورد بهره‌برداری (تغییرات تنش المان‌های مختلف، تغییرات زه‌کشی و …)
اهمیت سازه
مرحله مطالعات (فاز 1، فاز 2 و …)
مورد استفاده در كليه مسائل مربوط به پايداری خاک از جمله شيروانی‌ها و شيب­‌ها و باربری شالوده­‌ها به منظور تعيين پارامترهای مقاومت برشی خاک مثل CBR (نسبت باربری كاليفرنيا)، C (چسبندگی خاک) و f (زاویه اصطکاک داخلی) است.

تعداد نمونه­‌های آزمايش برش مستقيم

براي دستيابی به نتايج دقيق باید آزمایش برش مستقیم چند مرتبه تکرار شود. عواملی مثل ميزان همگن بودن توده خاک، تغييرات تنش در المان­های مختلف، تغييرات زه‌كشی، 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 به‌وسيله دستگاه اندازه گرفته می­‌شود.

آزمايش كنترل تنش؛ در آن نيروی برشی توسط وزنه وارد می‌‌شود و مقدار كرنش اندازه‌‌گيری می­‌شود.

در روش كنترل كرنش به این دلیل كه سرعت تغيير شكل ايجاد ­شده در نمونه خاک ثابت است، با نتایج دقیق­‌تری مواجه می‌­شویم و می‌توان به وسيله آن در خاک‌هايی مانند ماسه متراكم به مقاومت برشی باقی‌­مانده نيز دسترسی پيدا كرد، در­حال­ی‌كه در حالت كنترل تنش فقط مقاومت حداكثر به دست می­‌آيد.

وسايل آزمايش

جعبه برش؛ جعبه‌های برش به شكل مربع يا دايره‌­ای برای آزمايش استفاد می‌شوند. جعبه برش از فولاد زد زنگ، آلومينيوم يا برنز ساخته می­‌شود. جعبه برش روی يک صفحه افقی به دو قسمت با ضخامت مساوی تقسيم شده است برای مطبق كردن دو قسمت جعبه از پيچ­‌های تنظيم استفاده می­‌شود. برای تنظيم فاصله بين دو نيمه جعبه نيز از پيچ‌های ديگری استفاده می‌شود. در سقف و كف جعبه نيز سوراخ­‌هايی برای زه‌كشی وجود دارد.

• سنگ­‌های متخلخل (اين سنگ‌­ها برای زه‌كشی نمونه در بالا و پايين آن استفاده می‌­شوند)
• دستگاه بارگذاری قائم (برای اعمال نيروی عمودی)
• دستگاه بارگذاری جانبی (برای اعمال نيروی برشی)
• حلقه نيرو سنج
• اتاق رطوبت
• كرنش سنج
• گرمخانه
• كرنومتر و وسايل تراكم برای 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 جابه‌جایی جانبی یا نیروی برشی افقی استفاده می­‌کنند. این ماشین­‌ها می­‌توانند نیرو و تغییر­شکل را با اندازه­‌گیره‌های 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 گیری و آماده سازی 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 Pv 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 Pv 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.

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 نسبی (اينچ بر دقيقه يا ميلی­‌متر بر دقيقه)

df: تغيير­شكل نسبی نمونه در زمان گسيختگی

tf: زمان كل آزمايش

dr 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

dr: نرخ اعمال تغيير­شكل

dn: تغييرشكل نسبی نمونه

te: زمان آزمايش

۴. محاسبه تخلخل اوليه نمونه، درصد رطوبت نمونه، دانسيته خشک نمونه

۵. رسم نمودار تغيير مكان نسبی-تنش برشی اسمی

۶. تعیین تنش برشی اسمی بيشينه يا تنش برشی اسمی گسيختگی برای هر كدام از نمونه‌­ها

۷. برداشت مقادير تنش برشی گسيختگی در مقابل تنش قائم برای همه نمونه­‌ها و تعیین نقاط روی نمودار جهت برازش بهترين خط بر روی نمودار. پارامترهای مدل گسيختگی مور-كولمب با استفاده از خط برازش ترسیم­‌شده بدست می‌­آید.

۸. ترسیم نمودار تغيير شكل قائم نمونه در مقابل تغيير­ مكان نسبی افقی برای همه نمونه‌­ها. اين منحنی تغييرات حجم نمونه را در ازای تغيير ­شكل­‌های برشی نشان می‌دهد.

عوامل مؤثر بر نتایج آزمایش برش مستقیم

پژوهش‌­های متعددی عوامل مؤثر 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 مؤثرترین 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 تأثیر 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.

به‌عنوان مثال پژوهشگران نشان داده‌­اند که با افزایش سرعت برش، مقاومت برشی نمونه افزایش می­‌یابد اما همچنان تأثیر 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.