آزمایش برش مستقیم به عنوان یکی از مهم ترین آزمایشات ژئوتکنیکی برای شناخت خاک محل پروژه، بسیار پرکاربرد است. به عنوان یک مهندس عمران یا کسی که می خواهد در صنعت ساخت و ساز فعالیت کند، لازم است که با روش انجام این آزمایش و پارامترهای خروجی آن آشنا شوید.
در ادامه به بررسی آزمایش برش مستقیم و روش انجام آن می پردازیم. با ما همراه باشید.
آزمایش برش مستقیم خاک چیست؟
همان طور که می دانید گسیختگی هایی که در پروژه های ژئوتکنیکی رخ می دهد، عمدتا از نوع گسیختگی های برشی هستند. به همین دلیل در این پروژه ها تعیین مقاومت برشی خاک از اهمیت ویژه ای برخوردار است.
برآورد مقاومت برشی خاک برای پروژه های ژئوتکنیکی شامل موارد زیر می باشد:
- پایداری شیب ها
- تعیین و تخمین مقاومت پی
- محاسبه فشار جانبی وارد بر دیوار حائل
از روش های مرسوم تخمین مقاومت برشی خاک، آزمایش برش مستقیم (Direct Shear Test) می باشد.
آزمایش برش مستقیم بر اساس استاندارد ASTM D 3080 صورت می گیرد و به دلیل ساده بودن و کاربرد بر روی تیپ های خاکی مختلف بسیار رواج دارد.
آزمایش برش مستقیم قابلیت استفاده برای مصالح ریزدانه و درشت دانه را دارد و پارامترهایی نظیر چسبندگی (C) و اصطکاک داخلی خاک (φ) تحت تنش موثر در آزمایش برش مستقیم قابل اندازه گیری هستند.
تئوری آزمایش برش مستقیم
در مکانیک خاک، مقاومت برشی می تواند بر اساس معیار شکست موهر کلمب (Mohr-Coulomb) ارزیابی گردد.
مطلب پیشنهادی: نمونه قرارداد پیمانکاری مطالعات مکانیک خاک و ژئوتکنیک
طبق این معیار، مقاومت برشی به سه عامل زیر بستگی دارد:
- تنش موثر طبیعی (σv)
- زاویه اصطکاک داخلی (φ)
- چسبندگی (C)
که توسط معادله زیر با یکدیگر ارتباط پیدا می کنند:
(φ) T= C + σv * tan
کاربردهای آزمایش برش مستقیم خاک
تعیین ظرفیت باربری خاک
یکی از مهمترین کاربردهای آزمایش برش مستقیم، استفاده از نتایج و خروجی های این آزمایش جهت تعیین ظرفیت باربری خاک است. ظرفیت باربری خاک که فرمول آن توسط ترزاقی ارائه شد و بعدها توسط هانسن و مایرهوف تکمیل گردید، نیازمند اطلاعاتی از خاک محل، همچون فی و سی خاک است.
سدسازی
یکی از مهمترین کاربرد های آزمایش برش مستقیم در سد سازی است.
از نتایج این آزمایش می توان در تعیین پارامترهای برشی آبرفت های اطراف سد، منابع قرضه و بررسی پایداری شیروانی های سد استفاده کرد.
تونل سازی
ساخت تونل، مغارهای زیرزمینی و سایر سازه های زیر سطح زمین، نیازمند دانش کافی از خصوصیات برشی خاک است.
پایداری شیروانی ها
بدون تخمین درست پارامترهای برشی خاک ممکن است شیروانی ها دچار لغزش یا گسیختگی گردند.
بررسی پدیده های مخرب ژئوتکنیکی
همچون روانگرایی، زمین لغزش و …
وسایل آزمایش برش مستقیم
- جعبه برش مستقیم
- سنگ متخلخل
- دستگاه جهت بارگذاری نیرو قائم
- دستگاه جهت بارگذاری نیرو برشی
- لودسل
- محفظه رطوبت
- کرنش سنج
- وسایل عمومی آزمایشگاهی همچون گرمخانه
معایب آزمایش برش مستقیم خاک
- تحمیلی بودن صفحه گسیختگی
- نخریب زیاد نمونه
- مقاومت ماندگاری کم
- قابل اندازه گیری نبودن فشار آب حفره ای
- عدم امکان محاسبه وضعیت تنش ها در هر نقطه از نمونه و در هر مرحله از آزمایش
- عدم یکنواختی توزیع تنش
مزایای آزمایش برش مستقیم خاک
- سهولت کاربرد
- سریع بودن
- اشباع سریع و زهکشی مناسب تر، نسبت به آزمایش سه محوری (زمان آزمایش برش، یک سوم زمان آزمایش سه محوری است)
مراحل انجام آزمایش در خاک های دانه ای و چسبنده
- گام اول:
در مرحله اول وزن خاک درون ظرف را اندازه گیری می کنند.
مقدار خاک باید به اندازه ای باشد که بتوان با آن سه نمونه را تحت آزمایش قرار داد.
در خاک های چسبنده نمونه خاک را توسط کاتر یا جسم برنده تیز به اندازه جعبه برش، برش می دهند.
- گام دوم:
ارتفاع و عرض جعبه آزمایش برش مستقیم را اندازه گیری و با دقت در محل خود ثابت می کنند.
- گام سوم:
نمونه خاک را در داخل جعبه برش می ریزند، به صورتی که فضایی حدودا 5 میلی متری بالای آن خالی باقی بماند.
- گام چهارم:
با توجه به عمق نمونه گیری خاک، بار قائم مناسبی به نمونه اعمال می کنند. در این جا باید توجه داشت که وزن المان های دستگاه برش مستقیم را نیز جزء این بار حساب می کنند.
- گام پنجم:
در این مرحله پیج اتصال دو فک دستگاه را باز می کنند تا بخش بالایی و پایینی بتوانند جا به جا شوند.
- گام ششم:
نصب کرنش سنج ها جهت قرائت جابجایی های افقی و قائم را در این مرحله انجام می دهند.
نکته: اگر باید آزمایشات در حالت اشباع انجام گیرند باید در اطراف نمونه آب بریزید، به صورتی که آن را غرقاب کنید. جهت اشباع شدن کل نمونه نیاز است که مدت زمانی را به آن اختصاص بدهید.
- گام هفتم:
در این مرحله بارگذاری افقی را آغاز و مقدار جابجایی و نیروی اعمال شده را یادداشت می کنند. این فرآیند تا زمانی باید اتفاق بیفتد که بار اندازه گیری شده توسط لودسل (Load Cell) به حداکثر میزان خود برسد و روند نزولی به خود بگیرد.
نکته: قرائت دو نیرو پس از به حداکثر رسیدن نیرو کافی است.
- گام هشتم:
نمونه را از جعبه آزمایش برش مستقیم خارج می کنند و تمام این مراحل برای حداقل دو نمونه خاک دیگر باید اجرا شوند.
عوامل مؤثر بر نتایج آزمایش برش مستقیم
پژوهشهای متعددی عوامل موثر 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 موثرترین 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 تاثیر 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.
به عنوان مثال پژوهشگران نشان دادهاند که با افزایش سرعت برش، مقاومت برشی نمونه افزایش مییابد اما همچنان تاثیر 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.
روش انجام محاسبات آزمایش برش مستقیم خاک
- در ابتدا میزان فضای خالی اولیه، وزن واحد حجم خشک و درجه اشباع بر اساس وزن مخصوص خاک و جرم کل نمونه را محاسبه می کنند.
- داده های قرائت شده از روی گیج های آزمایشگاهی را به واحدهای مناسب تبدیل می کنند و در گزارش کار می آورند.
در این مرحله میزان تنش نرمال که از تقسیم بار وارد شده به سطح نمونه به دست می آید را هم محاسبه می کنند.
- تنش برشی نیز از حاصل تقسیم نیروی برشی به مساحت نمونه محاسبه می شود.
- سپس نمودار تنش برشی – جابجایی افقی رسم می شود. همچنین باید میزان حداکثر تنش برشی برای هر آزمایش محاسبه گردد.
- حداکثر تنش برشی – تنش نرمال رسم می گردد و بر اساس نمودار ترسیم شده زاویه اصطکاک داخلی و پوش گسیختگی بر اساس معیار موهر کلمب مشخص می شود.
نکته: در خاک های دانه ای یا اصطلاحا غیرچسبنده خط پوش موهرکلمب از مبدا مختصات می گذرد و
میزان چسبندگی آن برابر صفر به دست می آید.
در خاک های غیرچسبنده مرطوب، از آن جایی که خاصیت کشش سطحی بین ذرات خاک و آب به وجود می آید،
به میزانی چسبندگی کاذب نتیجه خواهد داد.
اگر این میزان چسبندگی در حدود مقدار بین 0.1 تا 0.2 کیلوگرم بر سانتی متر مربع باشد،
می توان از آن صرف نظر کرد؛ در غیر این صورت بایستی به دنبال علت آن بود تا آن را برطرف کرد.
از آنجایی که موضوع “انجام آزمایشات خاک” دارای اهمیت ویژهای در زمینه عمران میباشد، پیشنهاد میکنیم در این زمینه حتما از یک شرکت مهندسی معتبر که علاوه بر مسائل فنی، میزان آشنایی بالایی با مسائل حقوقی عمران نیز داشته باشد، مشاوره بگیرید تا از خسارات احتمالی زیادی که در این مسیر وجود دارد، جلوگیری نمایید.