آزمایش برش سه محوری

آزمایش برش سه محوری

آزمایش سه محوری خاک یکی از بهترین روشها برای اندازه گیری خواص مکانیکی از جمله تعیین پارامترهای مقاومت برشی خاک می باشد.

آزمایش سه محوری نسبت به آزمایش های دیگر روش پیچیده تر و قابل اعتمادتری برای تعیین مقاومت برشی خاک ها می باشد .

تفاوت آزمایش سه محوری و برش مستقیم خاک

دلیل اعتماد  آزمایش سه محوری نسبت به برش مستقیم  این است که در آزمایش برش مستقیم خاک به اجبار از محل درز بین دو  قسمت جعبه گسیخته می شود ولی در آزمایش سه محوری خاک از محل ضعیفترین صفحه خود گسیخته می شود .

آزمایش سه محوری به سه شکل به شرح ذیل انجام می گیرد :

• درحالت تحکیم یافته زهکشی شده  ( CD )
• درحالت تحکیم یافته زهکشی نشده( CU )
• درحالت تحکیم نیافته زهکشی نشده( UU )

هدف از آزمایش سه محوری تعیین پارامترهای مقاومت برشی خاک است.

آزمایش سه محوری با استاندارد ASTM D4767-88 & D2850-87 نسبت به آزمایش های دیگر روش پیچیده تر و قابل اعتمادتری برای تعیین مقاومت برشی خاک ها می‌باشد.

دلیل آن اینست که در آزمایش برش مستقیم خاک به اجبار از محل درزبین دو قسمت جعبه گسیخته می‌شود ولی در آزمایش سه محوری خاک از محل ضعیفترین صفحه خود گسیخته می‌شود.

به طور کلی آزمایش ها به دو صورت انجام میگیرد :

1.  کنترل تنش ( با اضافه کردن وزنه هایی با گام مساوی تا لحظه گسیختگی نمونه )
2. کنترل کرنش ( اعمال تغییر شکل محوری با سرعت ثابت به وسیله یک پرس هیدرولیک تا لحظه گسیختگی نمونه)

استانداردهای آزمایش سه محوری

برخی از استاندارهای اصلی آزمایش سه محوری در فهرست زیر آورده شده‌اند.

این موارد شامل، استانداردهای «انجمن مواد و آزمون آمریکا» (American Society for Testing and Materials) یا «ASTM»، «سازمان بین‌المللی استاندارسازی» (International Organization for Standardization) یا «ISO»، «موسسه استانداردهای بریتانیا» (British Standards Institute) یا «BS» و غیره می‌شوند.

برای آشنایی بیشتر با نحوه انجام صحیح این آزمایش در شرایط مختلف، می‌توانید نام و کد هر یک از استانداردهای معرفی شده را جستجو کنید:

• ASTM D7181-11: روش استاندارد آزمایش فشار سه محوری تحکیم یافته زهکشی شده برای خاک‌های
• ASTM D4767-11: روش استاندارد آزمایش فشار سه محوری تحکیم نیافته زهکشی شده برای خاک‌های چسبنده
• ASTM D2850-03a: روش استاندارد آزمایش فشار سه محوری تحکیم نیافته زهکشی نشده برای خاک‌های چسبنده
• BS 1377-8 بخش 8: آزمایش فشاری سه محوری برای تعیین مقاومت برشی (تنش مؤثر)
• ISO/TS 17892-8 آزمایش و تحقیق ژئوتکنیکی-آزمایشگاه خاک- بخش 8: آزمایش سه محوری تحکیم نیافته زهکشی نشده
• ISO/TS 17892 آزمایش و تحقیق ژئوتکنیکی-آزمایشگاه خاک- بخش 9: آزمایش فشار سه محوری در خاک‌های اشباع شده با آب

تست CD (آزمایش سه محوری تحکیم یافته زهکشی شده)

در این تست در تمام مراحل شیر زهکشی باز است؛

در مرحله اول نمونه با تنش همه جانبه و شیر زهکشی باز تحکیم شده و سپس تحت فشار انحرافی به مرحله گسیختگی می‌رسد.

باید توجه کرد که حفظ آرامش در اعمال نیرو به نمونه در این مرحله، جهت جلوگیری از ایجاد فشار آب حفره‌ای در نمونه امری مهم است؛

مقاومت برشی هر خاک وابسته به میزان فشار آب حفره‌ای ایجاد شده در حین انجام تست است.

طبق تجارب بدست آمده می توان گفت که مدت زمان انجام آزمایش سه محوری خاک، بسته به میزان نفوذپذیری خاک، متغیر است.

هرچه اندازه دانه خاک درشت‌تر باشد میزان زاویه اصطکاک داخلی (فی) افزایش پیدا می‌کند.

در خاک‌های رس بر خلاف خاک‌های ماسه‌ای (که آزمایش سریع انجام می‌شود) آزمایش ممکن است تا چندین روز به طول انجامد،‌ زیرا این نوع خاک‌ها ضریب گذر دهی کمی برای آب دارند.

تست مقاومت فشاری محصور نشده

گاها به منظور تست و بررسی نمونه های با چسبندگی بالا ، آزمایشی تحت عنوان مقاومت فشاری محصور نشده مورد استفاده قرار می گیرد که تحت عناوین دیگری همچون فشاری ساده یا تک محوری نیز شناخته می شود.

نسبت به انواع دیگر این تست ، از دستگاهی ساده تر برای این فرآیند استفاده می کنند و نمونه هیچ نوع فشار جانبی را تحمل نخواهد کرد.

با تمام این اوصاف ، این روش فقط برای نمونه خاکهایی کاربرد دارد که در معرض هوا خرد نشوند.

درحقیقت این تست شباهت زیادی با تست بتن جهت تعیین مقاومت فشاری بتن دارد با این تفاوت که ساده تر و دستگاه ها و نمونه های کوچکتر و ضعیفتری استفاده می شود.

انواع آزمایش سه محوری

آزمایش CD بر روی خاکهای دانه‎ای (ماسه‌ها) برای بررسی رفتار دراز مدت خاک های چسبنده، آزمایش های UU و CU در شرایط اشباع همراه با اندازه‌گیری فشار منفذی برای بررسی رفتار خاک های ریزدانه در شرایط زهکشی نشده و آزمایش UU در شرایط نیمه اشباع جهت بررسی دفتار خاکریز حین ساخت.

آزمایش های سه محوری بسته به اینکه شیر خروج جریان منفذی باز یا بسته باشد به سه صورت انجام می‌گیرد:

درحالت تحکیم یافته زهکشی شده (CD)

در آزمایش حکیم یافته زهکشی شده (Consolidated Drained یا اصطلاحاً CD، نمونه در حین آزمایش سه محوری به وضعیت تحکیم می‌رسد و با اعمال فشار به آرامی برش داده می‌شود. این کار، باعث از بین رفتن فشار منفذی حاصل از برش خواهد شد.

در آزمایش CD، نرخ تغییر شکل محوری ثابت است و میزان کرنش تحت کنترل قرار دارد.

هدف این آزمایش، تعدیل (تحکیم) نمونه و فشارهای منفذی با توجه به تنش‌های دربرگیرنده است.

در برخی از مواقع (بخصوص برای نمونه‌هایی با نفوذپذیری کم)، به زمان زیادی برای زهکشی و تعدیل کرنش در سطوح مختلف تنش نیاز خواهد بود.

درحالت تحکیم یافته زهکشی نشده (CU)

در آزمایش تحکیم یافته زهکشی نشده (Consolidated Undrained) یا اصطلاحاً CU، به نمونه اجازه زهکشی داده نمی‌شود.

اندازه‌گیری خواص برشی ماده در شرایط زهکشی نشده صورت می‌گیرد و فرض می‌شود که نمونه کاملاً اشباع شده است.

در آزمایش سه محوری CU، با اندازه‌گیری فشارهای منفذی می‌توان مقاومت CD را نیز تخمین زد.

به علاوه، سرعت برش معمولاً بر اساس نرخ تحکیم نمونه تحت یک فشار دربرگیرنده مشخص (در شرایط اشباع) محاسبه می‌شود.

مقادیر فشارهای دربرگیرنده بین 1 تا 100 پوند بر اینچ مربع (psi) یا بیشتر تغییر می‌کند.

در شرایطی که میزان فشار مورد نیاز بالا باشد، نیاز به استفاده از سلول‌های بارگذاری مخصوص خواهد بود.

درحالت تحکیم نیافته زهکشی نشده (UU)

در آزمایش تحکیم نیافته زهکشی نشده (Unconsolidated Undrained) یا اصطلاحاً UU، بارگذاری با سرعت بالایی انجام می‌شود و اجازه تحکیم به نمونه داده نمی‌شود.

در آزمایش سه محوری UU، نمونه با یک نرخ ثابت (کرنش کنترل شده) تحت فشار قرار می‌گیرد.

وسایل مورد نیاز آزمایش سه محوری شامل :

روش آزمایش تحکیم نیافته زهکشی نشده (سریع UU یا Q)

• ابتدا به وسیله جک نمونه گیر را داخل لوله خاک (این لوله خاک قبلا به وسیله دستگاه حفاری از محل مورد نظر برداشته شده و به آزمایشگاه آورده شده‌است.) کرده و پس از صاف کردن سروته آن، نمونه مورد آزمایش را از داخل نمونه گیر خارج می‌کنیم (برای خاک چسبنده و ریز دانه) از این نوع نمونه حداقل سه عدد تهیه می‌نماییم.
• برای خاک دانه‌ا‌ی می‌توان در قالب های مخصوص، خاک را ریخته و متراکم کرده تا به تراکم در محل برسد و سپس نمونه را داخل غشاء ریخته و متراکم کرده تا به تراکم در محل برسد و سپس نمونه را داخل غشاء گذاشت. برای خاک های غیر حساس هم می‌توان نمونه را دوباره سازی نمود.
• برای تعیین درصد رطوبت نمونه برداشته و در فر می‌گذاریم (۲۴ ساعت در دمای ۱۰۵ درجه سانتیگراد)
• نمونه را دقیقا وزن کرده و ابعاد آن را اندازه می‌گیریم.
• نمونه را بوسیله قالب مخصوص و دستگاه خلا داخل غشاء لاستیکی می‌گذاریم.
• نمونه را دقیقا در محل خود قرار داده، سلول را روی آن گذاشته و گیره‌های سلول را می‌بندیم.
• از سوراخ بالای سلول آنرا بنحوی پر از آب می‌کنیم که هوائی داخل سلول نماند.
• سپس پیچ سوراخ آب را بسته و میله بالای سلول را پایین می‌آوریم تا بین استوانه زیر رینگ و قاب زیرین تماس برقرار شود.
• بعد از تراز کردن دستگاه فشار جانی را که توسط سیستم جیوه و آب و لوله‌های مرتبط تامین می‌شود بر نمونه وارد می‌‌کنیم. این عمل با باز کردن شیر آب انجام می‌شود.
• آنگاه دستگاه را روشن کرده تا با سرعت یک میلیمتر بر دقیقه بالا آمده و اندازه‌گیر نیرو شروع به حرکت نماید. در این حالت دستگاه سه محوری را خاموش کرده و پس از صفر کردن دو اندازه‌گیر و تغییر شکل دستگاه را مجددا روشن می‌کنیم.

قرائت دستگاه

• در هر دور تغییر شکل میزان نیرو را می‌خوانیم.
• قرائت اندازه گیر نیرو همان نیرو در لحظه فوق الذکر است که اگر به سطح متوسط تقسیم شود (σ₃ σ₁-) خواهد بود. این عمل ادامه پیدا می‌کند تا نمونه شکسته یعنی اندازه گیر نیرو برگردد یا نمونه خمیری شود که نقطه شکست ۲۰ درصد تغییر شکل نمونه خواهد بود.
• این عمل را با فشارهای جانبی مختلف برای سه نمونه انجام داده و نتایج را برای هر نمونه یادداشت می‌کنیم.
• پس از اتمام آزمایش سه محوری، نمونه را درآورده و وزن می‌کنیم. نباید افزایش وزن داشته باشد.

آزمایش تحکیم یافته زهکشی نشده (سریع CU یا R)

• ابتدا فشار جانبی را به آرام آرام وارد نموده و شیر زهکشی را باز می‌گذاریم تا آب خارج شود و نمونه به 100 درصد تحکیم برسد.
• آنگاه شیر زهکشی بسته می‌شود. تا این لحظه فشار تماما موثر می‌باشد.
• سپس فشار محوری را وارد می‌نمائیم تا نمونه بشکند.

آزمایش تحکیم یافته زهکشی شده (سریع CD یا S)

در تمام مدت آزمایش سه محوری شیر زهکشی باز است. یعنی هم ۳ σ و هم σ۱ فشارهای موثر خواهند بود.

از این آزمایش بعنوان تحکیم نمونه نیز می‌توان استفاده کرد ولی این عمل برای خاکهای ریز دانه خیلی طول می‌کشد.

اشباع کردن نمونه اگر اشباع نباشد مشابه تحکیم در همان فشار همه جانبه معادل فشار جانبی وارده در محل اتفاق می‌افتد.

تنش در مقاومت مصالح

اینستاگرام سیویل 2