آزمايش برش مستقيم

قرائت عقربه افقي

تغيير شكل افقي

قرائت عقربه قائم

تغيير شكل عمودي

قرائت حلقه بار

نيروي برشي

آزمايش برش مستقيم

مقدمه

همانطور كه قبلاً عنوان گرديد. مقاومت برشي خاك غيرچسبنده را مي‌توان با رابطه (8-2) به دست آورد. در بخش قبل مقادير نمونه زواياي اصطكاك مؤثر خاك غير چسبنده ارايه شد(جدول 1-8) و روش‌هاي غير مستقيم تعيينازآزمون‌هاي نفوذ استاندارد، نفوذ مخروط ويا بر اساس طبقه بندي و ويژگي‌هاي شاخص معرفي شوند. در اين بخش روش تعيين مقاومت برشي خاكهاي چسبنده بر اساس آزمونهاي آزمايشگاهي توصيف خواهند شد. مرسوم ترين آزمون آزمايشگاهي توصيف خواهند شد. مرسو ترين آزمون آزمايشگاهي براي تعيين زاويه اصطكاك مؤثر روش برش مستقيم است.

آزمون برش مستقيم كه اولين بار در سال 1776 توسط Coulomb استفاده شد قديمي ترين آزمايش برش است. اين آزمايش همچنين متداول ترين روش براي تعيين مقاومت برشي زهكشي شده (مقاومت برشي بر اساس تنش مؤثر) خاك غير چسبنده است. در شكل 4-8 نمايي از دستگاه آزمايش برش مستقيم نشان داده شده است. هدف از اين آزمايش برش دادن نمونه از وسط آن و در امتداد سطح گسيختگي است.

آزمايش برش مستقيم

مقدمه

همانطور كه در شكل 4-8 نشان داده شده است، دستگاه برش مستقيم وسيله اي براي اعمال بار عمودي به سطح فوقاني نمونه دارد. در صفحه متخلخل در بالا وپايين نمونه قرار مي گيرند وحركت آب به داخل يا خارج نمونه را مسيري سازنده جعبه برش مستقيم معمولاً دايره اي بوده و دو نيمه با ضخامت يكشان دارد كه داخل يكديگر كيپ مي‌شوند. نيمه پاييني جعبه به دستگاه متصل بوده وثابت است ونيمه بالايي آن در جهت افقي حركت مي‏كند. براي اندازه‏گيري تغيير شكلهاي عمودي و افقي از گيج هاي عقربه اي استفاده مي‏شود.

اگر چه در شكل نشان داده نشده است، ولي دستگاه برش مستقيم بايد داراي امكاناتي براي غوطه‌ور كردن نمونه در آب مقطر باشد. براي جلوگيري از خوردگي، دستگاه بايد از فولاد (ضد زنگ) برنز يا آلومينيم ساخته شده باشد.براي تعيين زاويه اصطكاك مؤثرخاك غير چسبنده معمولاً حداقل به سه نمونه كه با فشارهاي عمودي مختلف برش داده مي‌شوند نياز است. ضروري است كه دامنه فشارهاي عمودي مورد استفاده در آزمايش تقريباً برابر با دامنه فشارهاي موجود در محل پروژه باشد.

2-4-8) روش آزمايش مشابه استاندارد ASTM D3080-98 (2000) تحت عنوان آزمون استاندارد براي آزمايش برش مستقيم خاكها تحت شرايط تحكيم شده و زهكشي شده اي باشد. مراحل به شرح زير است:

1. نمونه خاك: براي آزمايش برش بايد از نمونه دست نخورده استفاده نمود. در مورد پروژه هاي خاكريزي مي‌توان نمونه ها را با داشتن دانسيته و درصد رطوبت طبيعي آنها در آزمايشگاه متراكم نمود.همانطور كه در بخش 2-6 گفته شد ، نمونه دست نخورده را مي‌توان با تراشيدن يك بلوك و يا استفاده از نمونه گير لوله اي به دست آورد. اغلب گرفتن نمونه دست نخورده از خاكهاي غير چسبنده و مشكل است وبه همين دليل است كه معمولاً از اين روش براي تعيين زاويه اصطكاك مؤثرخاك غير چسبنده استفاده مي‏شود نسبت قطر نمونه به ارتفاع آن بايدبرابر يا بزرگتر از5/2 باشد.معمولاً قطر نمونه 2/5 in و ارتفاع آن 1in است. آماده سازي نمونه بايد در مدت زماني انجام شود كه امكان تغيير رطوبت نمونه وجود نداشته باشد. معمولاً نمونه داخل حلقه محصور كننده آماده سازي شده و بنابراين ارتفاع آن برابر با ارتفاع حلقه خواهد بود.

2. ويژگي‌هاي شاخص: پس از آماده شدن نمونه لازم است كه ويژگي‌هاي شاخص آن تعيين شود. معمولاً از تراشه هاي خاك براي تعيين درصد رطوبت آن استفاده مي‏شود(بخش 3-3) . براي اندازه‏گيري وزن نمونه و حلقه از ترازو استفاده مي‏شود. با كسر وزن حلقه از وزن حلقه و نمونه مي‌توان وزن نمونه را به دست آورد. با داشتن وزن و حجم نمونه مي‌توان وزن مخصوص آنرا به دست آورد (بخش 4-3). با داشتن درصد رطوبت، وزن مخصوص خشك خاك نيز به دست مي‏آيد. در نهايت اطلاعات را مي‌توان در برگه شكل5-8 خلاصه نمود.

3. وسيله بارگذاري : اگر چه نمونه خاك را مي‌توان در دستگاه برش نيز تحت بار قرداد، ولي مرسوم تر است كه بارگذاري ابتدا در يك دستگاه تحكيم صورت گيرد (مثل شكل3-6) . پس از اينكه نمونه 24 ساعت تحت بار مورد نظر باقي ماند. آنرا باربرداري و به دستگاه برش منتقل نموده و دوباره تحت همان بار قرار مي دهند.دليل اين امر اين است كه معمولاً تعداد دستگاه‌هاي برش نسبت به تحكيم محدودتر است. روش بارگذاري خاك در دستگاه تحكيم به صورت زير است:

A ) صفحات متخلخل را خشك وتميز كنيدو در سرو ته نمونه قرار دهيد. سپس گيره را داخل محفظه دستگاه قرار داده و در مركز سيستم بارگذاري قرار دهيد .(شكل3-6) . بارنشاننده اي معادل تنش به نمونه اعمال شده وعقربه قرائت و يادداشت مي‏گردد.پس از 5 دقيقه ، نمونه داخل آب مقطرغوطه‌ورمي‏شود.

B ) افزايش هاي بارمعمولي عبارتند از 250،500، 1000، 2000 و غيره. هر افزايش بار تا زمان رسيدن به تعادل روي نمونه باقي مي ماند. به دليل نفوذ پذيري زياد خاكهاي غير چسبنده معمولاً زماني در حد چند ساعت لازم است. قبل از اعمال بار بعدي مقدار عقربه قرائت شده ودر برگه يادداشت مي‏شود. قابل ذكر است كه تراكم پذيري دستگاه قابل صرف نظر كردن است.

	شماره كار: نام پروژه: محل نمونه: تاريخ: a ) شرايط اوليه نمونه خاك قطر نمونه: ارتفاع نمونه : تنش قائم: درصد رطوبت: وزن واحد حجم مرطوب: وزن واحد حجم خشك: b ) داده‌هاي بارگذاري
تنش قائم (psf)		قرائت عقربه(in)	ارتفاع نمونه(in)	درصد كرنش يا نسبت پركس
125
250
500
1000

c ) داده‌هاي آزمايش برش

d ) پايان آزمايش: درصد رطوبت =

شكل(5-8): نمونه برگه ثبت قرائت هاي محاسبات در آزمايش برش مستقيم

C ) نمونه در داخل دستگاه تحكيم تا فشار عمودي لازم در آزمايش برش بارگذاري مي‏شود. نمونه به مدت 24 ساعت تحت اين تنش باقي مي ماند.

E ) قرار دادن نمونه داخل جعبه برش مستقيم: پس از پايان مراحل بارگذاري نمونه در دستگاه تحكيم، بار ازاي آن برداشته شده و به دستگاه برش مستقيم منتقل مي‏شود. شكل6-8 نمونه اي را كه داخل جعبه برش قرار گرفته نشان مي‌دهد. فلش پيچ مربوط به محور كردن نيمه هاي بالايي و پاييني قالب را نشان مي‌دهد.

5 – قرار دادن جعبه برش در داخل دستگاه برش : جعبه برش كه حاوي نمونه است به دستگاه برش منتقل مي‏شود پس از قراردادن صفحات متخلخل بالايي وپاييني جعبه برش به دستگاه پيچ شده و ثابت مي‏شود. فلش 1 در شكل 7-8 يكي از پيچ هاي مربوط به بسته شدن قالب به دستگاه را نشان مي‌دهد. اين اتصال باعث مي‏شود كه نيمه پاييني قالب در حول برش حركت نكند. اگر چه نيمه پاييني جعبه برش شكل 7-8 قابل جدا شدن است، اما در برخي دستگاه ها اين بخش جعبه به طور دائمي روي دستگاه سوار است.

6- اعمال بار عمودي به نمونه: پس از استقرار جعبه برش روي دستگاه بار عمودي مورد نظر به نمونه اعمال مي‏شود.نيروي عمودي معمولاً با گذاشتن وزنه روي آويز اعمال مي‏شود. فلش2 در شكل7-8 آويز و فلش3 گيج عقربه اي اندازه‏گيري تغيير شكل عمودي نمونه را نشان مي‌دهد. پس از اعمال بار عمودي، نمونه در آب مقطر غوطه‌ور مي‏شود (توجه شود كه نمونه شكل7-8 تا به حال در آب مقطر غوطه‌ور نشده است) . نمونه در طول شب براي رسيدن به حالت تعادل به حال خود گذاشته مي‏شود.

7- برش دادن نمونه: اگرچه در شكل 7-8 نشان داده شده است، ولي براي اندازه‏گيري جابجايي افقي در طي برشي از يك گيج عقربه اي استفاده مي‏شود. فلش 4 در شكل 7-8 به طب توليد كننده نيروي افقي اشاره دارد.قدم اول در برش دادن نمونه قرائت كردن مقدار اوليه عقربه گيج هاي تغييرشكل افقي وعمودي است. اين مقادير روي برگه 5-8 (بخشc) يادداشت مي‌شوند. درست قبل از آغاز برش،بايد پين‌هاي قالب را درآورد. فراموش كردن اين كار باعث آسيب شديد دستگاه مي‏شود. عرض جعبه‌ها به پيچهايي مجهز هستند كه يك فضاي خالي بين قسمت هاي بالايي وپاييني قالب ايجاد مي‏كند. فاصله خالي بين دو نيمه قالب در اين جعبه هاي برش بايد حدود 0/025 in باشد.براي اعمال نيروي برشي به نيمه بالايي قالب دو روش وجود دارد:

A ) روش كرنش كنترل شده:در اين حالت نيروي برشي به نحوي اعمال مي‏شود كه نرخ جابه‌جايي كنترل شود.اين امكان با استفاده از يك موتور الكتريكي و جعبه دنده مهيا مي‏شود نيروي برشي توسط بار سنج يا حلقه بار نشان داده مي‏شود اين وسايل بايد قادر باشند كه نيروي برشي را با دقت 1 % مقاومت برشي اندازه‏گيري كنند. مرحله برش تا رسيدن به جابه‌جايي معادل 10 تا20 درصد قطر اوليه نمونه ادامه مي‏يابد. بنابراين براي نمونه اي با قطر 2/5 in ،نمونه بايد تا جابجايي افقي حداقل 0/25 in ادامه يابد.

B ) روش تنش كنترل شده: در اين حالت نيروي برشي به صورت افزايشي اعمال مي‏شود.يك كابل به نيمه بالايي جعبه برش متصل شده است. اين كابل از طريق يك چرخ به آويز متصل شده است و بار به اين آويز وارد مي‏شود. با اضافه كردن وزنه به آويز نيروي برشي افزايش مي‏يابد.با افزايش يافتن تغيير شكل افقي نمونه،بايد وزنه‌هاي سبك تري به آويز اضافه نمود. وقتي كه به مقاومت برشي نمونه رسيديد،نمونه سريعاً به نيم تقسيم مي‏شود.

در ميان دو روش بالا روش كرنش كنترل شده متداول تر است. در طول برش نمونه خاك،داده‌هاي در قسمت c شكل 5-8 ثبت مي‌شوند. اين داده‌ها شامل قرائت هاي گيج هاي عقربه اي افقي وقائم و قرائت هاي حلقه بار،بارسنج يا وزنه‌ها كه براي محاسبه تنش برشي استفاده مي‌شوند. سرعت آزمايش بايد به قدري كم باشد كه فشار منفذي در نمونه ايجاد نشود. يعني اگر نمونه تمايل به اتساع نشان داد،بايد زمان كافي براي ورود آب به نمونه وجود داشته باشد.بالعكس اگر نمونه تمايل به تراكم نشان داد،بايد زمان كافي براي خروج آب به نمونه وجود داشته باشد.براي تحقيق اين امر لازم است كه زمان رسيدن به مرحله گسيختگي به صورت زير باشد:

• در مورد ماسه تميز با كمتر از 15 درصد ريز دانه غير خميري،زمان كل تا رسيدن به

گسيختگي حداقل 10 دقيقه باشد.

• در ماسه لاي دار حاوي بيش از 5 درصد ريز دانه غير خميري،زمان كل تا رسيدن به

گسيختگي حداقل 60 دقيقه مي‏باشد.

• در مورد لاي غير خميري، زمان كل تا رسيدن به گسيختگي بايد حدود2 تا3 ساعت باشد.

8- ويژگي‌هاي شاخص در پايان آزمايش: پس از اينكه نمونه به طور كامل برش خورد، از داخل دستگاه برش بيرون آورده مي‏شود. سپس درصد رطوبت نمونه تعيين مي‏گردد(بخش3-3) . پس از قرار دادن نمونه در قوطي بايد آنرا خرد نمود وجود ذرات درشت در آنرا بررسي كرد. اين ذرات مانع برش خوردن نمونه شده ومقاومت را بالا مي برند درصورت مشاهده اين ذرات .بايد آزمايش را با نمونه اي ديگر تكرار نمود. حداكثر اندازه ذرات در آزمايش برش مستقيم محدوديت مهمي است كه در بخش 5-4-8 بيشتر مورد بحث قرار مي‌گيرد.

3-4-8) محاسبات

در شكل a 5-8 تنش عمودي نمونه در طول آزمايش برش برابر است با بار عمودي p تقسيم بر مساحت اوليه نمونه يا كه در آن تنش عمودي دارد بر نمونه(kpa ياpsf )

P بار عمودي كل دارد به سطح فوقاني نمونه شامل وزن صفحه متخلخل،صفحه بارگذاري، آويزو وزنه‌ها(hn ياib )

سطح مقطع اوليه نمونه خاك

همانطور كه قبلاً ذكر شد(بخش 2-4-8)، نمونه خاك قبل از برش اشباع شده و در آب مقطر غوطه‌ور مي‏شود. بنابراين فشار آب منفذي نمونه u خيلي پايين است و در عمل مي‌توان آنرا برابر با صفر در نظر گرفت. به اين دليل تنش عمودي برابربا تنش عمودي مؤثرخواهد بود يا

همانطور كه در بخش 2-4-8 عنوان شد، برش نمونه خاك بايد به قدري آرام صورت گيرد كه هيچگونه فشار آب منفذي اضافي به وجود نيايد (يعني ). بنابراين در مرحله برش نمونه، تنش عمودي مؤثر ثابت خواهد ماند.

به اين دليل كه سطح گسيختگي نمونه اساساً افقي است، تنش عمودي مؤثر روي گسيختگي برابر با تنش عمودي مؤثر خواهد بود يا:. بنابراين در رابطه (2-8)، تنش عمودي مؤثر روي صفحه برش در طول آزمايش برش مستقيم ثابت و برابر با تنش عمودي اعمالي خواهد بود (رابطه 3-8). تنش برشي با رابطه زير بيان مي‏شود:

كه در آن تنش برشي(kpa يا)

T نيروي افقي( hn يا Ib ) كه به نيمه بالايي جعبه برش اعمال مي‏شود و با وسيله اندازه‏گيري بار مثل لودلاسل يا حلقه بار اندازه‏گيري مي‏شود(از قسمتc شكل5-8)

سطح مقطع اوليه نمونه (يا)

حد اكثر مقاومت برشي گسيختگي نيز ناميده مي‏شود بيشترين مقدار قرائت شده نيرو در طول برش است. قابل ذكر است كه در معادله 2-8 هم تنش مؤثر عمودي و هم مقاومت برشي گسيختگي از آزمايش برش مستقيم به دست آمده اند. با داشتن و، زاويه اصطكاك مؤثرخاك را مي‌توان از رابطه 2-8 به دست آورد.

در برخي حالات مقاومت برشي بر اساس حالت نهايي يا ماندگار خاك تعيين مي‏شود. مقاومت برشي نهايي در بخش آينده مورد بحث قرار خواهد گرفت و مقاومت برشي ماندگار فقط در مورد خاكهاي چسبنده مطرح است كه در بخش 8-9 مورد بحث قرار خواهد گرفت.

4-4-8) مثالي از داده‌هاي آزمايش

شكل 8-8 نتايج به دست آمده از آزمايش‌هاي برش مستقيم انجام شده روي يك نمونه دست نخورده از ماسه لاي دار را نشان مي‌دهد. نمونه‌هاي دست نخورده ازدو گمانه(B-1 وB-2 ) كه در رسوبات ماسه لاي دار حفر شده اند به دست آمده است. بخش 6 آزمايش برش مستقيم روي آنها انجام شده است. براي هر آزمايش، فشار عمودي مؤثر(يعني بار عمودي تقسيم بر سطح نمونه) براساس فشار دوباره در محل تعيين شده است. محل نمونه ها وفشار عمودي مؤثرآنها به شرح زير است:

• گمانه B-1 در عمق ،

• گمانه B-2 درعمق ،

• گمانهB-2 در عمق ،

• گمانهB-2 درعمق ،

در طول برش دادن نمونه ها در دستگاه برش، تنش برشي در مقابل تغيير شكل جانبي ثبت شده و نمودار آن براي هر دو آزمايش در شكل 9-8 آورده شده است. قابل ذكر است كه در اين شكل آزمايش برش مستقيم زهكشي شده انجام شده روي ماسه لاي دارگمانه B-2 در عمق 10 فوت داراي نقطه اوج مشخصي در منحني است، در حاليكه آزمايش مربوط به گمانه B-1 در عمق 6 فوتي چنين نقطه اوج مشخص را نشان نمي‌دهد. دليل اين موضوع دانسيته 0خشك نمونه‌هاي خاك است چرا كه نمونه درعمق 10 فوتي داراي دانسيته بيشترينسبت به ماسه لاي دار در عمق 6 فوتي است نقاط اوج و نهايي شكل 9-8 در شكل 8-8 ترسيم شده و تحت عنوان مقاومت برشي نهايي (مربع ها) واوج (دايره ها) مشخص شده اند. در حالاتي كه هر دو برهم منطبق شده اند فقط يكي از نقاط نشان داده شده است.

شكل 8-8 نمودار مقاومت برشي در مقابل تنش عمودي براي آزمايش‌هاي برش مستقيم

زهكشي شده روي ماسه سيلت دار

داده‌ها در شكل 8-8 پراكندگي قابل ملاحظه اي دارند. اين مساُله در مورد خاك كه خواص متغيري دارد چنين است.

خط راست نشان داده شده در شكل پوش مقاومت برشي يا پوش گسيختگب ماسه لاي دار است. براي به دست آوردن اين پوش به تجربه زيادي نياز است. به عنوان مثال براي به دست آوردن نتايج محافظه كارانه مي‌توان دو نقطه با حد اكثر مقاومت برش را حذف نمود وسپس خط راستي به بقيه نقاط برازش نمود. دراين حالت زاويه شيب خط كه نشان دهنده زاويه اصطكاك خاك است برابر 30 خواهد بود كه مقداري نمونه براي ماسه لاي داراست.بنابراين پوش گسيختگي شكل 8-8 بر اساس قضاوت وتجربه مهندسي ترسيم شده است. نكته قابل عرض در شكل 8-8 اين است كه خط از مبداُ مختصات عبور داده شده است، يعني چسبندگي مؤثرخواهد بود.به طور خلاصه،با ترسيم پوش گسيختگي داده‌هاي آزمايش،پارامترهاي مقاومت برشي ماسه لاي داروخواهد بود.

5-4-8) خطاهاو محدوديت ها

سه تا از محتمل ترين خطاهاي درگير باآزمايش برش مستقيم به شرح زيرند:

1. نمونه خاك دست خورده باشد.

2. خاك قبل از برش اشباع نشده باشد.

3. خاك بسيار سريع برش داده شود.

دست خوردگي نمونه باعث مي‏شود که زاويه اصطكاك به دست آمده كم باشد. اما اشباع نبودن نمونه و برش سريع آن باعث حصول نتايج دست بالا مي‏شود.

شكل 9-8 : مقاومت برشي در مقابل تغيير شكل افقي حاصل از آزمايش برش مستقيم روي نمونه‌هاي ماسه اي لاي دار از اعمال 6 و 10 فوتي ساير خطاهاي متداول در آزمايش برش مستقيم بعبارت زيرند:

1. در طول آماده سازي نمونه رطوبت از دست داده است.

2. سطوح بالا وپايين نمونه خوب صاف و موازي هم نبوده است.

3. فضاي خالي بين دو نيمه جعبه برشي زياد يا كم بوده است.

4. در تنشهاي برشي كم اندازه‏گيري هاي كم دقتي از نيروي افقي صورت گرفته است.

5. صفحات متخلخل به اندازه كافي نفوذ ناپذيرنبوده اند.

6. دستگاه‌هاي برش از موارد مشابهي ساخته نشده اند و فرآيندهاي شيميايي باعث خورده شدن تجهيزات مي‌شوند.

7. آزمايش بسيار زود قطع شود.

در مورد محدوديت هاي آزمايش برش مستقيم، استاندارد ASTM D3080-98(2000) ميگويد:

در طول آزمايش برش مستقيم، چرخش تنشهاي اصلي وجود دارد كه در شرايط صحرايي ممكن است وجود داشته يا نداشته باشند.

همچنين گسيختگي برش مستقيم، چرخش تنشهاي اصلي وجود دارد كه در شرايط صحرايي ممكن است وجود داشته يا نداشته باشند همچنين گسيختگي ممكن است و در زماني كه نيرو‌ها روي صفحه افقي و يا نزديك آن در وسط بسيج شده اند روي ضعيف ترين سطح اتفاق نيفتد. موقعيت ثابت صفحه برش در آزمايش برش مزيتي براي تعيين مقاومت برشي در يك صفحه ضعيف از پيش مشخص شده ويا بررسي سطح تماس دو ماده غيرمشابه مي‏باشد.

تنشها و جابجايي هاي برشي به طرز غير يكنواختي در نمونه توزيع مي‌شوند و ارتفاع مناسبي براي تعيين كرنش برشي وجود ندارد. سرعت كم جابجايي باعث از بين رفتن فشار آب منفذي مي‏شود، ولي باعث جريان خميري خاكهاي چسبنده نرم نيز مي‌شوند. بايد مراقب بود كه شرايط آزمايش نماينده شرايط مورد بررسي باشد.

اگر ماسه داراي ذرات درشت شن باشد، شن مي‏تواند مقاومت برشي ماسه را به طور مصنوعي افزايش دهد، چراكه معمولاً ارتفاع نمونه كم است (25/4 cm) .بنابراين محدوديت ديگر آزمايش برش مستقيم اندازه ذرات نمونه است.به عنوان مثال ASTM D3080-98 (2000) دو معيار را ارايه نموده است. مورد اول اينكه قطر نمونه بايد حداقل10 برابر قطر بزرگترين دانه خاك باشد. معيار دوم اينكه ارتفاع نمونه بايد حداقل 6 برابر بزرگترين دانه خاك باشد. بنابراين براي نمونه‌هاي معمولي كه قطري معادل 63/5mm و ارتفاع 25/4mm دارند، بر اساس معيار اول حداكثر قطر ذرات مي‏تواند6/35mm و بر اساس معيار دوم معادل 4/2mm باشد. اين بدان معني است كه براي نمونه اي با قطر 63/2mm و ارتفاع 25/4mm، خاك نبايد حاوي ذرات به اندازه شن باشد. با وجود اين محدوديت‏ها، دستگاه برش مستقيم معمولاً مقادير زاويه اصطكاك مؤثري با دقت مناسب به دست مي‌دهد. اجراي اين آزمايش نسبتاً ساده و سريع است كه مهمترين دليل براي عموميت اين آزمايش مي‏باشد.

منبع : afkhami.com http://mahdihashemi.blogfa.com/