آزمایش برش مستقیم خاک

آزمایش برش مستقیم
مقدمه: تعریفی از مقاومت برشی خاک
در همه مسائل مربوط به پایداری خاک از قبیل طراحی پی*ها ، دیوارهای حائل و خاکریزها ، داشتن اطلاعات کافی راجع بع مقاومت خاک ضروری است. اندازه*گیری و تعیین مقاومت خاکها بویژه برای خاکهای چسبنده که در مباحث پایداری خاک اهمیت و کاربرد زیادی دارد، جزء مباحث پیچیده مطرح در مکانیم خاک می*باشد. مقاومت خاک در قسمتهای مختلفی منحنی که معرف معیار گسیختگی مصالح است ، اسامی مختلفی دارد که شامل مقاومت کششی، مقاومت برشی و مقاومت فشاری می*باشد. لیکن می*توان گفت که مقاومت برشی خاک ، عمدهترین عامل در تعییین رفتار خاکها می*باشد. مقاومت برشی خاک، مقاومت داخلی در واحد سطح آن است، یعنی مقاومتی که خاک می*تواند برای تاب آوردن در برابر گسیختگی و لغزش در امتداد هر صفحه دلخواه خود بسیج کند. مشخص است که موضوع مقاومت برشی برای بررسی مسائل پایداری خاک از قبیل باربری و پایداری شیبها و شیروانیها و فشار افقی مؤثر بر روی سازه*های نگهدارنده (دیوارهای حائل) خاک کاربرد دارد. گسیختگی حالتی است که برای جسم تعریف می*شود. این پدیده ممکن است ناشی از افزایش تنش یا تغییر شکل یا انرژی جذب شده توسط جسم باشد. گسیختگی ممکن است بصورت شکستگی ویا بصورت جریان خمیری باشد که در حالت اخیر با تنش ثابت تغییر شکلهای زیادی در جسم ایجاد می*شود.
آزمایش برش مستقیم
یکی از قدیمی ترین آزمایشهای تعیین مقاومت برشی خاکهای تحکیم شده چسبنده ، آزمایش برش مستقیم است در این آزمایش تنشهای وارد بر سطحی که در آن گسیختگی رخ می دهد در سراسر آزمایش مستقیما کنترل می شود دستگاه برش مستقیم اساسا مرکب از یک قوطی که در جهت افقی به دو قسمت تقسیم شده است قسمت پایین به طور ثابت به پایه دستگاه اتصال یافته وبدون حرکت است در حالیکه قسمت بالایی آزاد است ومی تواند در هر دو جهت افقی و قائم حرکت کند که مقدار حرکت را می توان بوسیله گیج اندازه گیری نمود مقاومت برشی توده خاک ,مقاومت داخلی واحد سطح آن خاک است که می تواند برای مقابله با گسیختگی یا لغزش در امتداد هر صفحه داخلی ,بروز دهد .برای تحلیل مسائل پایداری خاک نظیر ظرفیت فشاری ,پایداری شیروانیها و فشار جانبی بر روی سازه های حائل خاک ,لازم است طبیعت مقاومت برشی بخوبی شناخته شود . آزمایش برش مستقیم یک نمونه از آزمایشهای تعیین مقاومت برشی خاک می باشد این آزمایش روی نمونه تحکیم شده زهکشی شده انجام می شود و هدف از آن تعیین c و φ در خاکها می باشد .
در خاکهای ماسه ای متراکم نمودار صعود می کندبعد به یک نقطه (pic) می رسد که بعد از این نقطه خاک نرم می شود ونزول می کند هر چه ماسه متراکم تر باشد شیب نمودار بیشتر می شودچون سختی آن بیشترمی شودپس خاک ماسه ای متراکم تمایل به اتساع (dilation)دارد.اتساع یعنی افزایش حجم ناشی ازتنش برشی .خاک متراکم وقتی تحت برش قرار می گیرد ابتدا یک مقدار متراکم می شود امابعد دانه هاشروع به راندن یکدیگر می کنند (مثل شخصی که میخواهد ازجمعیتی عبور کندپس بایدبه اطراف فشار بیاورد)پس تمایل به افزایش حجم پیدا می کند واصطعکاک کمتر می شود وباافت مقاومت برشی مواجه هستیم وخاصیت نرم شوندگی از خود نشان می دهد. پس خاک ماسه ای متراکم تمایل به اتساع دارد.درخاکهای ماسه ای شل وقتی تحت برش قرار می گیردمتراکم می شود وکاهش حجم می دهد(compation)
وسائل آزمایش :
جعبه برش به همراه سنگ متخلخل و صفحه سربار ۲
دستگاه برش مستقیم که شامل دستگاهای بارگذاری برشی به وسیله موتور , بارگذاری قائم به وسیله وزنه و شامل گیج های عمودی , افقی و نیروسنج است
نمونه ماسه با داشتن وزن مخصوص
ترازو
کرنومتر
کولیس
تراز
الک No.4
شرح آزمایش :
مختصر:
آزمایش جعبه برش به دو طریق می تواند انجام شود :
با کنترل تنش : با مساوی بودن نیروی برشی ،تغییر شکل را در مراحل مختلف اندازه می گیرند
با کنترل تغییر شکل :تغییر شکلها را اعمال می کنند ونیروی برشی نظیر هرکدام را بدست می آورند.

برای نمونه گیری ابتدا خاک را داخل جعبه برش می کوبیم اگر بخواهیم نمونه گیری رابه صورت طبیعی تهیه کنیم یا باید خاک را از محل گرفته و به اندازه جعبه برش در آورده داخل آن می گذاریم . یا خاک را در جعبه برش به تراکم طبیعی برسانیم.پیچهای جعبه برش را بسته و سنگ متخلخل را داخل آن قرار داده و ابعاد آنرا توسط کولیس اندازه می گیرند تا حجم جعبه برش را دست آید از ارتفاع حدود ۲ میلی متراکم می کنند و حجم جعبه را به دست می آورده و با داشتن وزن مخصوص ماسه، وزن ماسه مورد نیاز برای پرکردن جعبه برش را محاسبه می کنند .
با ترازو ماسه مورد نیاز راجدا کرده وبه صورت لایه لایه درون جعبه برش ریخته ومتراکم می کنیم .این کار را توسط ورق فولادی وضربه زدن با چکش انجام می دهیم باید گوشه های جعبه برش دقت پر شود تا گوشه ها خالی نباشد پس ازتراکم و ایجاد نمونه ارتفاع آن از لبه جعبه برش را اندازه می گیرند اگر برابر ۲ میلی متر نشد در مراحل بعدی آزمایش را اصلاح می کنند نمونه به روی دستگاه برش برده می شود دستگاه شامل یک جایگاه بار گذاری قائم است که دارای بازو می باشد وهر ۱ کیلو گرم ۱۰ کیلو گرم بار به نمونه وارد می کند و یک موتور بارگذاری برشی که سرعتهای قابل تنظیم دارد جعبه برش را در مکان خود قرار داده و سپس بازوی دستگاه را تراز می کنند محور اندازه گیری تغییر مکان عمودی را مماس بر بازو کرده و مفصل بالایش را در جایگاه سربار صفحه برش قرار می دهند .بعد از آن گیجها را روی صفر تنظیم می نمایند و دو پیچ جعبه برش را باز کرده و دو پیچ دیگر را حدود یک یا دو دور باز می کنند تا نمونه به راحتی برش بخورد بار را با تنظیم موتور روی سرعت مشخص وارد می کنند و در همین لحظه پیچ ترازکننده بازوی بار عمودی را نیزباز می کنند و هر۳۰ ثانیه گیج ها را قرائت می کنند زمانی آزمایش خاتمه می یابد که نمونه به اندازه ۲۰% ضلع جعبه برش تغییرمکان دهد یا نیروسنج ثابت بماند یا به عقب برگردد پس از اتمام آزمایش جعبه برش را برداشته و با زدن کلید بازگشت به همان مدت زمانی آزمایش دستگاه را به حالت اول بر می گردانند.سپس همان مراحل قبلی را با بار عمودی ۲۰ کیلوگرم و۳۰ کیلوگرم انجام می دهند هر کدام از این بارها با وزن میله بار گذاری عمودی که ۴٫۵ کیلو گرم است جمع می شوند وبه عنوان بار عمودی نهایی هستند سپس محاسبات لازم را انجام داده و نمودار ماکزیمم تنش برشی رابرحسب تنش عمودی که در طول آزمایش ثابت است رسم می کنند عرض از مبدا برابر ضریب چسبندگی و شیب نمودار برابر زاویه اصطحکاک بین ذرات است .
ابتدا جعبه برش ومخزن آب آنرا در جای خود سوار می کنیم وبعد بین دو نیمه جعبه برش را بایک لایه نازک گریس پوشانده وبوسیله میخهای مخصوص روی هم ثابت می کنیم تا دیگر هیچ جابه جایی ولغزش بین آنها انجام نشود با دقت نمونه را داخل جعبه برش قرار داده وجعبه را از آب اشباع می کنیم صفحه سربار را که مجهز به سنگ متخلخل می باشد روی نمونه گذاشته وقاب مخصوص بارگذاری قائم را روی آن قرارمی دهیم معمولا حد فاصل این قاب وصفحه سربار یک گلوله فلزی قرار می گیرد ویا اینکه مستقیما قاب در شیار صفحه سربار جای داده می شود گیج مخصوص اندازه گیری نشست قائم نمونه را روی صفحه سربار نصب کرده نیروی قائم را باتئجه به شرایط آزمایش وبا افزودن وزنه های مناسب روی قاب بارگذاری اعمال می کنیم سپس میخها را بیرون می آوریم وجعبه برش را بیرون می آوریم نمونه آماده برای برش است نیروی برش به صورت افقی وبوسیله موتور الکتریکی با دور معینی اعمال می شود این نیرو بوسیله حلقه نیرو سنج وجابه جایی بوسیله گیج تغییر شکل افقی اندازه گیری می شود بارگذاری را آنقدر ادامه می دهیم تا اینکه نیروی برش ثابت بماند مادراین آزمایش از ۶۷ kg خاک ماسه ای استفاده کردیم . سطح قاب ۲۵ cm2می باشد بارقائم را با ۵ kg آغاز می کنیم .
افزایش های بارمعمولی عبارتند از ۲۵۰،۵۰۰، ۱۰۰۰، ۲۰۰۰ و غیره. هر افزایش بار تا زمان رسیدن به تعادل روی نمونه باقی می ماند. به دلیل نفوذ پذیری زیاد خاکهای غیر چسبنده معمولاً زمانی در حد چند ساعت لازم است. قبل از اعمال بار بعدی مقدار عقربه قرائت شده ودر برگه یادداشت می‏شود. قابل ذکر است که تراکم پذیری دستگاه قابل صرف نظر کردن است.
برش دادن نمونه:
برای اندازه‏گیری جابجایی افقی در طی برشی از یک گیج عقربه ای استفاده می‏شود. قدم اول در برش دادن نمونه قرائت کردن مقدار اولیه عقربه گیج های تغییرشکل افقی وعمودی است. این مقادیر روی برگه یادداشت می*شوند. درست قبل از آغاز برش،باید پین*های قالب را درآورد. فراموش کردن این کار باعث آسیب شدید دستگاه می‏شود. عرض جعبه*ها به پیچهایی مجهز هستند که یک فضای خالی بین قسمت های بالایی وپایینی قالب ایجاد می‏کند. فاصله خالی بین دو نیمه قالب در این جعبه های برش باید حدود ۰/۰۲۵ in باشد.برای اعمال نیروی برشی به نیمه بالایی قالب دو روش وجود دارد:
روش کرنش کنترل شده: در این حالت نیروی برشی به نحوی اعمال می‏شود که نرخ جابه*جایی کنترل شود.این امکان با استفاده از یک موتور الکتریکی و جعبه دنده مهیا می‏شود نیروی برشی توسط بار سنج یا حلقه بار نشان داده می‏شود این وسایل باید قادر باشند که نیروی برشی را با دقت ۱ % مقاومت برشی اندازه‏گیری کنند. مرحله برش تا رسیدن به جابه*جایی معادل ۱۰ تا۲۰ درصد قطر اولیه نمونه ادامه می‏یابد. بنابراین برای نمونه ای با قطر ۲/۵ in ،نمونه باید تا جابجایی افقی حداقل ۰/۲۵ in ادامه یابد.
روش تنش کنترل شده: در این حالت نیروی برشی به صورت افزایشی اعمال می‏شود.یک کابل به نیمه بالایی جعبه برش متصل شده است. این کابل از طریق یک چرخ به آویز متصل شده است و بار به این آویز وارد می‏شود. با اضافه کردن وزنه به آویز نیروی برشی افزایش می‏یابد.با افزایش یافتن تغییر شکل افقی نمونه،باید وزنه*های سبک تری به آویز اضافه نمود. وقتی که به مقاومت برشی نمونه رسیدید،نمونه سریعاً به نیم تقسیم می‏شود.
در میان دو روش بالا روش کرنش کنترل شده متداول تر است. در طول برش نمونه خاک،داده*های در قسمت مربوطه ثبت می*شوند. این داده*ها شامل قرائت های گیج های عقربه ای افقی وقائم و قرائت های حلقه بار،بارسنج یا وزنه*ها که برای محاسبه تنش برشی استفاده می*شوند. سرعت آزمایش باید به قدری کم باشد که فشار منفذی در نمونه ایجاد نشود. یعنی اگر نمونه تمایل به اتساع نشان داد،باید زمان کافی برای ورود آب به نمونه وجود داشته باشد.بالعکس اگر نمونه تمایل به تراکم نشان داد،باید زمان کافی برای خروج آب به نمونه وجود داشته باشد.برای تحقیق این امر لازم است که زمان رسیدن به مرحله گسیختگی به صورت زیر باشد:
در مورد ماسه تمیز با کمتر از ۱۵ درصد ریز دانه غیر خمیری،زمان کل تا رسیدن به گسیختگی حداقل ۱۰ دقیقه باشد.
در ماسه لای دار حاوی بیش از ۵ درصد ریز دانه غیر خمیری،زمان کل تا رسیدن به گسیختگی حداقل ۶۰ دقیقه می‏باشد.
در مورد لای غیر خمیری، زمان کل تا رسیدن به گسیختگی باید حدود۲ تا ۳ ساعت باشد.
ویژگی*های شاخص در پایان آزمایش:
پس از اینکه نمونه به طور کامل برش خورد، از داخل دستگاه برش بیرون آورده می‏شود. سپس درصد رطوبت نمونه تعیین می‏گردد. پس از قرار دادن نمونه در قوطی باید آنرا خرد نمود وجود ذرات درشت در آنرا بررسی کرد. این ذرات مانع برش خوردن نمونه شده ومقاومت را بالا می برند درصورت مشاهده این ذرات .باید آزمایش را با نمونه ای دیگر تکرار نمود. حداکثر اندازه ذرات در آزمایش برش مستقیم محدودیت مهمی است.
اشکالات آزمایش برش مستقیم :
غیر قابل کنترل بودن شرایط زهکشی نمونه می باشد یعنی فقط می توان تنش کل را اندازه گرفت
توزیع تنش برشی برروی صفحه گسیختگی یکنواخت نیست وگسیختگی ازطرف کناره ها به طرف مرکز بوجودمی آید.
سطح زیر برش وبارهای قائم ثابت باقی نمی ماند.
دراین آزمایش اجازه داده نمی شود که خاک درامتداد ضعیفترین صفحه گسیخته شود وگسیختگی اجبارأ درصفحه جدایی دونیمه فوقانی وتحتانی جعبه برش رخ می دهد .
محاسن آزمایش برش مستقیم:
ساده بودن آزمایش وسهولت آماده نمودن آن می باشد .
ساده ترین واقتصادی ترین آزمایش برای خاکهای ماسه ای خشک و اشباع است .
موارد زیر در یک جدول درج و محاسبه می شود:
مقدار بار
قرائت نیروی برشی از روی گیج
نیروی برشی kg
قرائت تغییر مکان افقی از روی گیج
تغییر مکان افقی
قرائت تغییر مکان قائم از روی گیج
تغییر مکان قائم
نیروی برشی بیشینه از روی نمودار
مقدار (σ (kg/cm2
مقدار (φ (kg/cm2

منابع خطا:
در خاکهای غیر چسبنده به علت وجود خاصیت جذب سطحی بین آب ودانه های خاک مقداری چسبندگی کاذب بوجود می آید اگر این چسبندگی بین .۱ تا .۲ باشد از آن صرفنظر می شود ولی اگر مقدار آن بیشتر باشد واز آن صرفنظر شود خطا بوجود می آید
سنجنده های (Gage) اندازه گیری نیرو وتغییر شکل به درستی تنظیم نشده باشند
عمل زهکشی به درستی صورت نگیرد
آزمایش کننده در قرائت گیجها اشتباه کند ویا خطای محاسباتی داشته باشد
دست خوردگی نمونه باعث می‏شود که زاویه اصطکاک به دست آمده کم باشد. اما اشباع نبودن نمونه و برش سریع آن باعث حصول نتایج دست بالا می‏شود. در مورد محدودیت های آزمایش برش مستقیم، استاندارد (ASTM D3080-98(2000 میگوید:
در طول آزمایش برش مستقیم، چرخش تنشهای اصلی وجود دارد که در شرایط صحرایی ممکن است وجود داشته یا نداشته باشند.
همچنین گسیختگی برش مستقیم، چرخش تنشهای اصلی وجود دارد که در شرایط صحرایی ممکن است وجود داشته یا نداشته باشند همچنین گسیختگی ممکن است و در زمانی که نیرو*ها روی صفحه افقی و یا نزدیک آن در وسط بسیج شده اند روی ضعیف ترین سطح اتفاق نیفتد. موقعیت ثابت صفحه برش در آزمایش برش مزیتی برای تعیین مقاومت برشی در یک صفحه ضعیف از پیش مشخص شده ویا بررسی سطح تماس دو ماده غیرمشابه می‏باشد.
تنشها و جابجایی های برشی به طرز غیر یکنواختی در نمونه توزیع می*شوند و ارتفاع مناسبی برای تعیین کرنش برشی وجود ندارد. سرعت کم جابجایی باعث از بین رفتن فشار آب منفذی می‏شود، ولی باعث جریان خمیری خاکهای چسبنده نرم نیز می*شوند. باید مراقب بود که شرایط آزمایش نماینده شرایط مورد بررسی باشد.
اگر ماسه دارای ذرات درشت شن باشد، شن می‏تواند مقاومت برشی ماسه را به طور مصنوعی افزایش دهد، چراکه معمولاً ارتفاع نمونه کم است (۲۵/۴ cm) .بنابراین محدودیت دیگر آزمایش برش مستقیم اندازه ذرات نمونه است.به عنوان مثال ASTM D3080-98 (2000) دو معیار را ارایه نموده است. مورد اول اینکه قطر نمونه باید حداقل۱۰ برابر قطر بزرگترین دانه خاک باشد. معیار دوم اینکه ارتفاع نمونه باید حداقل ۶ برابر بزرگترین دانه خاک باشد. بنابراین برای نمونه*های معمولی که قطری معادل ۶۳/۵mm و ارتفاع ۲۵/۴mm دارند، بر اساس معیار اول حداکثر قطر ذرات می‏تواند۶/۳۵mm و بر اساس معیار دوم معادل ۴/۲mm باشد. این بدان معنی است که برای نمونه ای با قطر ۶۳/۲mm و ارتفاع ۲۵/۴mm، خاک نباید حاوی ذرات به اندازه شن باشد. با وجود این محدودیت‏ها، دستگاه برش مستقیم معمولاً مقادیر زاویه اصطکاک مؤثری با دقت مناسب به دست می*دهد. اجرای این آزمایش نسبتاً ساده و سریع است که مهمترین دلیل برای عمومیت این آزمایش می‏باشد.



منبع: [برای مشاهده لینکها ابتدا در سایت عضو شده و وارد نام کاربری خود شوید. برای عضویت اینجا کلیک کنید...]