خلاصه مطلب :آزمایش تک‌ محوری محصورنشده (Unconfined Compression Test)

استاندارد

 AASHTO T 208-90 و ASTM D 2166-87

مقدمه

آزمايش تک محوری يک روش سريع برای تعيين مقاومت زهكشی نشده خاک‌های چسبنده است. اين آزمايش برای خاک‌هايی قابل استفاده است كه چسبندگی آن‌ها برای تهيه نمونه‌های پايداری كه مقاومت خود را بعد از حذف فشار همه جانبه حفظ كنند، مانند رس‌ها و خاک‌های سيمانته شده، كافی باشد. خاک‌های سيلتی، ماسه‌ای يا خاک‌های كلوخه‌ای و ترک‌خورده و پيت‌ها را نمی‌توان به اين روش آزمايش كرد.
در آزمايش تک محوری يک نمونه از خاک موردنظر تا رسيدن به گسيختگی تحت بارمحوری به صورت كرنش كنترل قرار گرفته و مقاومت آن بر اساس تنش كل ايجاد شده در نمونه در هنگام گسيختگی محاسبه می‌شود. نمونه‌ها در اين آزمايش بسته به شرايط مورد نظر طراح می‌توانند دست نخورده، بازسازی شده يا ساخته شده در آزمايشگاه با درصد تراكم و رطوبت موردنظر باشند. این آزمایش مشابه آزمایش سه محوری است با این تفاوت که در سلول انجام نمی‌گردد بنابراین تنش جانبی آن صفر است.

مقاومت خاک

مكانيزم مقاومت برشی در خاک‌های چسبنده بسيار پيچيده تر از خاک‌های دانه‌ای است. خاک‌های دانه‌ای از ذراتی تشكيل شده‌اند كه به علت اندازه و شكلشان، دارای سطح مخصوص كوچكی هستند و در آن‌ها رفتار نيروهای جرمی مانند وزن، بيشتر از نيروهای سطحی كنترل‌كننده است.
از طرف ديگر ذرات خاک چسبنده به علت شكل و اندازه‌ای كه دارند (اغلب پولكی شكل هستند)، دارای سطح مخصوص بالايي هستند و رفتار آن‌ها بيشتر تابع نيروهای سطحی تا نيروهای جرمی است.
مقاومت برشی خاک‌های چسبنده از دو نوع مقاومت اصطكاكی و مقاومت چسبندگی ناشی می‌شود. مقاومت اصطكاكی تابع نيروهای وزنی است كه بيشتر در خاک‌های دانه‌ای به چشم می‌خورد و مقاومت چسبندگی تابع نيروهای سطحی است. البته رفتار دقيق نيروهای سطحی كه باعث چسبندگی می‌شود هنوز ناشناخته است.
بايد توجه داشت كه چسبندگی خاک يک پارامتر ثابت نبوده، بلكه تابعی از بار منتقل شده توسط سازه خاك است. همچنين مقدار آن بستگی به بارهای بين دانه‌ای و چگونگی انجام آزمايش دارد. در حالتی كه هيچ بار جانبی‌ای بر نمونه وارد نشود، چسبندگی به عنوان مقاومت برشی خاک مطرح می‌گردد.

وسايل مورد نياز آزمایش تک‌ محوری محصورنشده

دستگاه آزمايش فشاری ساده
دستگاه خارج كردن نمونه از نمونه‌گير
كرنش سنج كه قابليت اندازه‌گيری تغيير شكل تا ۲۰ درصد طول نمونه را داشته باشد.
استوانه نمونه و درپوش
ترازو با حساسيت 0.01 گرم
گرمخانه
كرنومتر
قالب تراکم و ملحقات آن
کوليس
نقاله
ماله
ظرف تبخير
كاغذ مومی يا شفاف
مشخصات نمونه‌ها

قطر نمونه‌ها در آزمایش تک‌ محوری نبايد از 30 میلی‌متر كمتر باشد. در اين شرايط اندازه بزرگترين دانه موجود در نمونه بايد از يک دهم قطر نمونه كوچكتر باشد. درصورتی‌كه نمونه‌ها قطری بزرگتر از 72 میلی‌متر داشته باشند نسبت اندازه بزرگترين دانه‌ها به قطر نمونه را می‌توان به یک ششم كاهش داد. در مورد نمونه‌های دست نخورده اگر بعد از انجام آزمايش معلوم شود كه دانه‌هايی با قطر بزرگتر از مقدار مجاز در نمونه وجود داشته است بايد اين مطلب در قسمت توضيحات گزارش ذكر شود. نسبت طول به قطر نمونه‌ها بايد بين 2 تا 2.5 باشد.
نمونه‌های ساخته شده: اين نمونه‌ها با تراكم و درصد رطوبت مورد نظر طراح آزمايش در قالب ساخته می‌شوند. تجربه نشان داده است كه تراكم و آماده كردن نمونه‌ها و به‌دست آوردن نتايج قابل قبول وقتي درصد اشباع بيش از 90 درصد مورد نياز باشد، مشكل خواهد بود.
نمونه‌های دست نخورده: نمونه به وسيله «دستگاه خارج كردن نمونه از نمونه‌گير» از نمونه‌گير خارج می‌شود. نمونه‌هايی كه از نمونه‌گيرهای جدار نازک خارج می‌شوند را می‌توان بدون اصلاح ديگری به‌جز صاف كردن ابتدا و انتهای نمونه برای آزمايش به‌كار برد. بعد از خارج كردن نمونه از نمونه‌گير برای حمل آن بايد دقت كرد كه هيچ‌گونه دست‌خوردگی، تغيير شكل يا تغيير رطوبت در نمونه ايجاد نشود. درصورتی‌كه برای تهيه نمونه‌ها نياز به تراشيدن نمونه باشد بايد دقت زيادی برای اين كار به كار رود تا هيچ‌گونه دست‌خوردگی در نمونه ايجاد نشود. برای حفظ رطوبت نمونه اصلاح نمونه بايد در اطاق با رطوبت كنترل شده انجام شود. نمونه‌های تهيه شده بايد با مقطع دايره‌ای و دو انتهای كاملا صاف و عمود بر محور نمونه تهيه شوند. درصورتی‌كه حين تراشيدن نمونه دانه‌هايی از سطح تراشيده‌شده كنده شده و سطح آن فرورفتگی‌هايی ايجاد شود، اين فرورفتگی‌ها را بايد با استفاده از خاک‌های حاصل از تراش بعد از ورز دادن كافی پر كرد. مقداری از باقيمانده‌های خاک برای تعيين درصد رطوبت در جعبه مخصوص نگه‌داری شود.
نمونه‌های بازسازی شده: نمونه‌های بازسازی شده را می‌توان از نمونه‌های دست‌نخورده خراب شده يا نمونه‌هايی كه به‌صورت دست خورده تهيه شده‌اند آماده كرد. برای حفظ رطوبت نمونه آن را داخل يک كيسه نازک پلاستيكی قرار داده و به‌وسيله انگشت ورز می‌دهيم تا كاملا يكنواخت شود. هنگام ورز دادن بايد دقت شود كه هوايی داخل نمونه محبوس نشود.

روش انجام آزمایش تک‌ محوری محصورنشده

مانند ساير آزمايش‌های برشی، در اينجا نيز هر دو روش كرنش كنترل شده و تنش كنترل شده به كار می‌روند. روش ارائه شده در اين قسمت برای حالت كرنش كنترل شده است.

نمونه را در جايگاه مخصوص خود در دستگاه آزمايش قرار می‌دهيم، به‌طوری كه محور عمودی آن نزديک مركز بارگذاری باشد. اگر راستای نمونه بر صفحه‌های دستگاه عمود نباشد، خيلی زود منحنی تنش- كرنش به حالت افقي خود نزديک می‌شود. برای تماس مطمئن‌تر می‌توان بار 0.5 کیلوگرم بر نمونه وارد كرد. اين‌بار اوليه در نمونه‌های تغيير مكان اوليه ايجاد می‌كند كه در ابتدای آزمايش بايد تصحيح شود.
گيج اندازه‌گيری بار و تغيير مكان را روی صفر تنظيم می‌كنيم. سپس بارگذاری با نرخ كرنش 0.5 تا 2 درصد در دقیقه اعمال می‌شود.
قرائت‌های بارگذاری در كرنش‌های 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 اندازه‌گيری می‌شود.
فشار همچنان بر نمونه اعمال می‌شود تا آن كه ترک در نمونه ظاهر شود يا آن كه منحنی تنش- كرنش از مقدار ماكزيمم خود عبور كند. در واقع قرائت‌ها تا جايی كه يكی از این سه حالت اتفاق بيفتد، ادامه می‌يابد:
الف) بار در نمونه كاهش يابد.
ب) بار برای قرائت يكسان شود.
ج) تغيير مكان تا 15 درصد (يا 20 تا 25 درصد) ادامه پيدا كرده باشد.
نمونه گسيخته شده را در اتاق مرطوب می‌بريم و زاويه ترک را با افق اندازه می‌گيريم و بايد توجه داشت كه اين زاويه پس از ايجاد ترک خوانده شود. نمونه گسيخته شده را به دقت بررسی می‌كنيم. اين مشاهده در تهيه اطلاعات و ارائه بهتر نتايج به ما كمک می‌كند. نمونه را وزن می‌كنيم و بعد از خشک كردن كامل در گرمخانه، درصد رطوبت آن به‌دست می‌آيد. از نمونه و شکل گسيختگی آن عکس تهيه می‌کنيم.

محاسبات آزمایش تک‌ محوری محصورنشده

محاسبات را بر اساس كرنش و تنش‌های محوری انجام می‌دهيم و مقدار تنش نهايی (qu) از روی منحنی‌های تنش-كرنش به‌دست می‌آيد. كرنش محوری (ε) از رابطه زير به‌دست می‌آيد:

ΔL: تغيير طول نمونه خوانده شده از كرنش سنج.

L0: طول اوليه نمونه.

تنش لحظه‌ای را می‌توان از رابطه زير به‌دست آورد:

P: بار روی 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 می‌توان با ثابت در نظر گرفتن حجم نمونه به‌دست آورد. در لحظه شروع آزمايش، حجم نمونه عبارت است از:

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

با تساوی اين دو رابطه، مساحت سطح مقطع واقعی در هر لحظه عبارت است از:

تنش برشی محصورنشده حداكثر (Cu) نصف تنش فشاری محصورنشده (qu) است و از رابطه زير به‌دست می‌آيد: