آزمایش برش مستقیم برجا برای خاک

با توجه به گسترش روزافزون ساخت و ساز و انجام پروژه های عمرانی مختلف، شناخت ویژگی های ژئوتکنیکی آبرفتهای درشت دانه در بسیاری از مناطق مثل شهر تهران لازم است. انجام برخی آزمایشهای برجای متداول نظیر SPT و CPT در این مصالح کاربرد ندارد، همچنین وجود قطعات درشت در جداره گمانه های حفر شده باعث تفاوت بین رفتار واقعی توده خاک و مقادیر اندازه گیره شده در آزمایشهای دقیقی مثل پرسیومتری و ایجاد پارگی پروب و آسیب به این دستگاه می شود. لذا انجام آزمایش هایی نظیر برش مستقیم برجا برای استخراج پارامترهای مهندسی خاک (چسبندگی و زاویه اصطکاک داخلی) مناسب است.

آزمایش برش مستقیم برجا چیست؟

آزمایش برش مستقیم برجای خاک یکی از قدیمی ترین آزمایش های تعیین مقاومت برشی خاک های تحکیم شده چسبنده است. در آزمایش برش مستقیم برجا، تنش های وارد بر سطحی که در آن گسیختگی رخ می دهد، در سراسر آزمایش به طور مستقیم کنترل می شود. این آزمایش به علت کاربرد فراوان در درک رفتار مکانیکی خاک بسیار مورد توجه است.

ابزار آزمایش برش مستقیم خاک اولین بار توسط Prakash در سال ۱۹۷۶ ابداع شد. مبنای این آزمایش مشابه آزمایش برش مستقیم آزمایشگاهی می باشد که به منظور نزدیکی بیشتر به شرایط واقعی به صورت برجا انجام می شود. در تست برش ضمن اعمال بار قائم بر صفحه واقع بر روی سطح خاک یا سنگ، بار افقی ایجاد برش می کند.

مطلب پیشنهادی: دوره آموزش تکنسین آزمایشگاه خاک

کاربرد آزمایش برش مستقیم برجا

با توجه به گسترش روز افزون ساخت و ساز و احداث ساختمان های بلند مرتبه با تعداد طبقات زیر زمین زیاد، شناخت ویژگی های ژئوتکنیکی ساختگاه پروژه و آبرفت های درشت دانه در بسیاری از مناطق شهری، ضروری می باشد. از سویی دیگر، انجام برخی از آزمایش های برجای متداول نظیر آزمایش نفوذ استاندارد SPT و CPT در برخی مصالح خاکی امکان پذیر نیست. لذا انجام آزمایش هایی نظیر آزمایش برش مستقیم خاک برای استخراج پارامترهای مقاومتی خاک همچون ضریب چسبندگی و زاویه اصطکاک داخلی مناسب است.

آزمایش برش مستقیم برجای خاک به منظور تعیین مقاومت برشی خاک ها همچون آزمایش برش مستقیم آزمایشگاهی در یک سطح گسیختگی از پیش تعیین شده، انجام می شود. همچنین از این آزمایش جهت تعیین زاویه اصطکاک مقاومت برشی زهکشی نشده و خواص انقباضی و انبساطی خاک ها استفاده می شود.

آزمایش برش برجا می تواند در خاک های درشت دانه و خاک های ریزدانه مورد استفاده قرار گیرد. همچنین نتایج این تست جهت تحلیل پایداری پی ها، شیب های خاکی و دیوار های نگهدارنده، قابل استناد است.

موارد استفاده از آزمایش برش مستقیم برجا

۱) تعیین زاویه اصطکاک داخلی خاک

۲) تعیین ضریب چسبندگی خاک

بهترین و اصلی ترین مزیت انجام آزمایش برش مستقیم برجا

دست خوردگی نمونه خاک گرفته شده از محل گمانه های اکتشافی در زمین پروژه و استفاده از نمونه بازسازی شده جهت انجام آزمایش های کلاسیک مکانیک خاک در آزمایشگاه موجب می گردد تا نتایج به دست آمده و مندرج در گزارش مطالعات ژئوتکنیک و مهندسی پی با مقادیر واقعی متفاوت باشد.

این موضوع در بیشتر موارد از تجربیات فنی و تخصصی کارشناسان آزمایشگاه مکانیک خاک و تکنسین های آزمایشات محلی و صحرایی قابل دریافت است. زیرا خاک بکر در محل پروژه، مشخصات طبیعی خود را دارا می باشد و قابل انتظار هست که نتایج و پارامترهای شاخص به دست آمده از نمونه دست خورده در آزمایشگاه با پارامترهای شاخص طبیعی نمونه دست نخورده خاک بکر محل پروژه یکسان نبوده و متفاوت باشد. در بسیاری از مواقع، پارامترهای مقاومتی نمونه دست نخورده خاک بکر از نمونه دست خورده آزمایشگاه بیشتر و یا به اصطلاح بهتر است.

از این رو، نتایج به دست آمده از آزمایش برش مستقیم برجا همچون ضریب چسبندگی و زاویه اصطکاک داخلی خاک، مقدار دقیق تر و نزدیک تر به واقعیت می باشند. این ویژگی مهم ترین و اصلی ترین مزیت آزمایش برش مستقیم برجا می باشد. چنانچه تدقیق نتایج آزمایش برش مستقیم آزمایشگاهی در فرآیند مطالعات ژئوتکنیک ضروری باشد، انجام این آزمایش اجتناب ناپذیر می باشد. همچنین می بایست به این نکته توجه داشت که دو پارامتر ضریب چسبندگی و زاویه اصطکاک داخلی مهم ترین و اولیه ترین شاخص های مقاومتی خاک می باشد. از این رو، تدقیق آنها و تعیین مقادیر نزدیک به واقعیت در بهینه سازی فرآیند طراحی پروژه های ژئوتکنیکی همچون پروژه های گودبرداری و پایدارسازی دیواره های گود بسیار مهم و اثرگذار می باشد.

از طرفی آزمایش برش، ساده ترین و اقتصادی ترین آزمایش اندازه گیری مقاومت برشی برای خاک های ماسه ای خشک و اشباع است.

معایب آزمایش برش مستقیم برجای خاک

در آزمایش برش مستقیم برجای خاک صفحه گسیختگی در طول یک صفحه از پیش تعیین شده، تحمیل می شود و وضعیت تنش در مرزهای عمودی مشخص نیست. از طرفی در آزمایش برش مستقیم برجای خاک، توزیع تنش برشی بر روی صفحه گسیختگی، یکنواخت نیست و گسیختگی از کناره ها به سمت مرکز به وجود می آید.

همچنین نتایج آزمایش برش مستقیم برجا برای نمونه خاک در حالت اشباع کامل، قابل استناد و اعتبار نبوده و در این آزمایش، استهلاک اضافه فشار آب حفره ای لحاظ نمی گردد. علاوه بر این در آزمایش برش مستقیم برجا، شرایط زهکشی نمونه خاک غیر قابل کنترل است. به عبارت دیگر، صرفاً تنش کل تعیین می شود. از طرفی سطح تحت برش و بار های قائم نیز در طول آزمایش، ثابت باقی نمی ماند.

دستگاه برش مستقیم برجا

دستگاه برش مستقیم متشکل از یک جعبه که در جهت افقی به دو قسمت تقسیم شده است، می باشد. به طوری که قسمت پایین به طور ثابت به پایه دستگاه اتصال یافته و بدون حرکت می باشد. در حالی که قسمت بالایی جعبه دستگاه برش مستقیم، آزاد بوده و می تواند در هر دو جهت افقی و قائم حرکت کند که مقدار حرکت را می توان به وسیله گیج، اندازه گیری نمود.

روش انجام آزمایش برش مستقیم برجا برای خاک

برای انجام آزمایش برش مستقیم برجا ابتدا چاله ای حفر شده و بلوکی متناسب با ابعاد جعبه برش ایجاد می گردد.

حفر چاله و تهیه بلوک برای انجام آزمایش برش برجا

در گام بعدی از آزمایش برش مستقیم برجای خاک، قالب جعبه برش در داخل گمانه و به دور بلوک ایجاد شده، بسته می شود. سپس ما بین دو نیمه جعبه برش با یک لایه نازک گریس پوشانده شده و به وسیله میخ های مخصوص بر روی هم ثابت می گردد تا هیچ جابجایی و لغزشی بین آن ها صورت نگیرد.

جای گذاری جعبه برش برجا بر روی نمونه خاک

سپس با دقت، صفحه سربار که مجهز به سنگ متخلخل می باشد، بر روی نمونه گذاشته شده و قاب مخصوص بارگذاری قائم بر روی آن قرار داده می شود. معمولاً حد فاصل قاب و صفحه سربار یک گلوله فلزی قرار می گیرد و یا این که مستقیماً قاب در شیار صفحه سربار جای داده می شود. سپس بارگذاری قائم به وسیله سیستم سکوی غلتکی آغاز می گردد.

در گام بعدی از آزمایش برش مستقیم برجا، گیج مخصوص اندازه گیری نشست قائم نمونه بر روی صفحه سربار نصب شده و نیروی قائم با توجه به شرایط و با افزودن وزنه های مناسب بر روی قاب بارگذاری، اعمال می گردد.

پس از آماده سازی نمونه برای آزمایش، نیروی برش به صورت افقی و به وسیله موتور الکتریکی با دور معینی اعمال می شود. این نیرو به وسیله حلقه نیروسنج و جابجایی به وسیله گیج تغییر شکل افقی، اندازه گیری می شود. لازم به توضیح است قرائت های تغییر شکل سنج صفحه ای قائم و حلقه اندازه گیری باید برای ۰۲_/۰ میلی متر جابجایی افقی، اندازه گیری شوند.

خطاهای آزمایش برش مستقیم برجا

در صورت انجام آزمایش برش مستقیم برجا بر روی خاک های غیر چسبنده، به علت وجود خاصیت جذب سطحی بین آب و دانه های خاک، مقداری چسبندگی کاذب به وجود می آید. اگر این چسبندگی بین ۱_/۰ تا ۲_/۰ باشد، از آن صرف نظر می شود، اما اگر مقدار آن بیشتر باشد و از آن صرفنظر گردد، نتایج آزمایش برش مستقیم خاک با خطا مواجه می گردد.

همچنین از سایر عواملی که ممکن است نتایج آزمایش برش مستقیم برجای خاک را با خطا همراه سازد، می توان به موارد ذیل اشاره نمود:

• گیج های اندازه گیری نیرو و تغییر شکل به درستی تنظیم نشده باشند.
• عمل زهکشی به درستی صورت نگیرد.
• سرعت دستگاه برش مستقیم متناسب با خاک، تنظیم نشده باشد.
• در قرائت گیج ها اشتباه رخ دهد.