آزمایش برش مستقیم

آزمایش برش مستقیم خاک چیست؟

آزمایش برش مستقیم خاک یک روش آزمایشی است که در عمل و تحقیقات مهندسی ژئوتکنیک انجام شده است و هدف آن تعیین مقاومت برشی مواد خاک است. مقاومت برشی به عنوان حداکثر مقاومتی که یک ماده می تواند در برابر برش تحمل کند تعریف می شود.

به طور کلی ، آزمایش برش مستقیم به عنوان یکی از رایج ترین و ساده ترین آزمایش ها برای به دست آوردن مقاومت خاک در نظر گرفته می شود و می تواند بر روی نمونه های بدون مزاحمت یا قالب بندی مجدد انجام شود.

در مکانیک خاک ، مقاومت برشی با استفاده از معیار شکست Mohr-Coulomb (M-C) ارزیابی می شود. معیار M-C فرض می کند که مقاومت برشی به سه عامل بستگی دارد:

تنش موثر طبیعی (σn)

زاویه اصطکاک مواد (φ)

انسجام مواد (ج)

همبستگی کیفی آن اجزا به صورت زیر بیان می شود:

به طور معمول ، خاکهای شنی بدون انسجام در نظر گرفته می شوند. برعکس ، خاکهای رسی زمانی که بیش از حد تثبیت شوند منسجم می شوند. پاکت های خرابی معمولی برای ماسه و رسهای بیش از حد یکپارچه در شکلهای 1a و 1b ارائه شده است.

شکل 1: پوششهای معمولی مقاومت برشی-شکست تنش معمولی الف) خاکهای ماسه ای و ب) خاکی.

چرا آزمایش برش مستقیم مهم است؟

آزمایش برشی مستقیم خاک یک آزمایش نسبتاً ساده مکانیک خاک است که بر روی نمونه های منسجم یا غیر منسجم از مواد خاک بدون مزاحمت یا بازسازی شده اجرا می شود. این روش برای توصیف خصوصیات اساسی خاک مقرون به صرفه است. تجزیه و تحلیل نتایج ، داده هایی را برای مهندسان ژئوتکنیک برای محاسبه ظرفیت باربری خاک ، پایداری شیب ، فشارهای جانبی زمین بر سازه های حائل و طرح های روسازی فراهم می کند.

تجهیزات و روش های آزمایش

نمونه خاک در دستگاهی به نام جعبه برشی قرار می گیرد که شامل دو صفحه فلزی ، دو سنگ متخلخل ، دو پیچ ، یک دیسک گیر و یک کلاه بارگیری است که در آن تنش معمولی اعمال می شود. جعبه برشی ، که ممکن است دایره ای یا مربعی شکل باشد ، کرنش افقی نمونه را محدود می کند ، اما امکان برش در یک سطح افقی را که محل اتصال دو صفحه فلزی است ، میسر می سازد. شماتیک پیکربندی تجربی در شکل 2 ارائه شده است.

شکل 2: پیکربندی آزمایشی جعبه برشی

سپس جعبه برشی در دستگاه برشی قرار می گیرد. در ابتدا ، فشار طبیعی معمولی در بالای نمونه با استفاده از وزن اهرمی یا از طریق سیستم پنوماتیک اعمال می شود. این مرحله به عنوان مرحله ادغام شناخته می شود و به طور افزایشی شبیه به یک آزمایش ادغام معمولی پیش می رود. در این مرحله صفحات فلزی به هم پیچ می شوند.

قبل از شروع مرحله برشی ، یک صفحه فلزی کمی بالا می آید تا از جداسازی دو نیمه دستگاه اطمینان حاصل شود و اطمینان حاصل شود که بارهای معمولی و برشی فقط از طریق نمونه منتقل می شوند.

سپس ، یک تنش برشی در امتداد سطح افقی از پیش تعیین شده اعمال می شود تا نمونه از کار بیفتد. دستگاه برشی نرخ جابجایی ثابت را با تحمل دقت 5٪ اعمال می کند. این میزان بستگی به ویژگی های خاک دارد و باید نسبتاً کوچک باشد تا از ایجاد فشار منافذ جلوگیری شود و در نتیجه زهکشی کافی ایجاد شود. توسط دستگاه سرو موتور و مجموعه گیربکس کنترل می شود.

تغییر شکل عمودی و افقی از طریق دستگاه های اندازه گیری محاسبه می شود.

دستگاه برش مجهز به سنسورهایی برای اندازه گیری فشار منافذ در حین آزمایش نیست. بنابراین ، بسیار مهم است که نمونه اشباع شده و فرآیند تحکیم قبل از شروع برش به پایان برسد. در غیر این صورت ، اگر فشار آب حفره ها در طول آزمایش افزایش یابد ، مقاومت برشی نمونه دست کم گرفته می شود.

خطاهای متداول که در حین آزمایش برشی مستقیم رخ می دهد شامل اختلال در نمونه قبل از آزمایش ، عدم اجازه به آن برای یکپارچه سازی کامل یا انتخاب نرخ برشی بسیار زیاد است.

اختلال معمولاً بر ساختار نمونه تأثیر می گذارد و از استحکام آن می کاهد. بنابراین ، نتایج آزمایش نشان دهنده رفتار واقعی خاک نیست.

مشابه شکست فرآیند تجمیع ، نرخ برش بزرگتر منجر به افزایش فشار آب منفذ می شود ، تنش برشی م reducingثر را کاهش می دهد و در نتیجه استحکام کمتری ایجاد می کند.

روش آزمایش برش مستقیم خاک را می توان در مراحل زیر خلاصه کرد:

جرم اولیه خاک را وزن کنید

ارتفاع و قطر جعبه برشی را اندازه بگیرید

جعبه برشی را داخل دستگاه برش مستقیم خاک قرار دهید

با بستن 2 پیچ قسمت پایینی جعبه برشی را تثبیت کنید

جعبه برشی را جمع کنید (سنگ متخلخل و دیسک گیر را با هم قرار دهید)

نمونه را داخل جعبه قرار دهید و یک کاغذ صافی ، یک سنگ متخلخل و کلاه بارگذاری را روی آن قرار دهید

جرم خاک باقی مانده را وزن کنید تا جرم نمونه بدست آید

نیروی برشی را خنثی می کند

اندازه گیری های اولیه شماره گیری اولیه (افقی ، عمودی)

بار عمودی را قرار دهید

جابجایی عمودی ناشی از تجمیع را اندازه گیری کنید

میزان انتخابی را در دستگاه برش تنظیم کنید

مرحله برش را شروع کنید

بسته به میزان برشی ، تا زمانی که تنش برشی به اوج و سقوط برسد ، یا تا زمانی که تغییر شکل افقی به 10-15٪ قطر اولیه برسد ، اقدامات را مکرراً انجام دهید.

پیکربندی دستگاه برش مستقیم خاک در شکل 3 نشان داده شده است.

شکل 3: دستگاه برش مستقیم خاک  – دارای استاندارد: ASTM D3080 ، BS 1377-7 ، ISIRI 18652

تجزیه و تحلیل داده ها و نتایج از آزمایش برش مستقیم خاک

اولا ، چگالی نمونه خاک از تقسیم جرم آن با حجم آن (که مربوط به حجم نمونه اندازه گیری شده در داخل جعبه برشی است) بدست می آید:

نمونه در یک سطح افقی از پیش تعیین شده که به ابعاد جعبه برشی بستگی دارد ، خراب می شود. بنابراین ، مساحت اولیه آن مشخص است. با برش ، سطح برشی تغییر می کند و با تقاطع قسمت پایین و قسمت بالای جعبه برشی مطابقت دارد. مساحت نمونه برای نمونه دایره ای در هر نقطه در طول آزمایش را می توان با استفاده از فرمول زیر محاسبه کرد:

جایی که Ac ناحیه تصحیح شده است ، Ai ناحیه اولیه ، δh جابجایی افقی و D قطر جعبه برشی است.

تنش های نرمال و برشی اعمال شده به شرح زیر محاسبه می شود:

جایی که FV نیروی عمودی اعمال شده ، FH تنش افقی اعمال شده و Ac سطح سطح مقطع است.

مقاومت برشی مواد خاک به عنوان نقطه ای با تنش افقی بیشتر ثبت شده است.

برای هر آزمایش ، تنش برشی افقی در مقابل جابجایی برشی رسم می شود. بسته به چگالی خاک ، رفتار متفاوتی از نظر مقاومت برشی-کرنش برشی ارائه می شود. شن های متراکم یا نمونه های خاک رس بیش از حد منسجم تمایل به دستیابی به حداکثر تنش برشی دارند که متعاقباً به مقدار ثابتی که به عنوان مقاومت باقیمانده معروف است ، کاهش می یابد. هنگامی که یک ماسه سست یا یک نمونه رس معمولاً یکپارچه تحت آزمایش برشی مستقیم قرار می گیرد ، قدرت اوج با مقاومت باقیمانده ذکر شده همزمان می شود. نمونه ای از واکنش شن و ماسه متراکم/شل در شکل 4 ارائه شده است.

شکل 4: تنش برشی در مقابل طرح کرنش برشی در یک نمونه ماسه متراکم و سست

از نظر کرنش عمودی (مربوط به کرنش حجمی) ، یک نمونه متراکم از فشرده سازی (در مرحله برش اولیه) به اتساع عبور می کند در حالی که یک نمونه شل دائماً در مرحله فشاری است همانطور که در شکل 5 نشان داده شده است.

شکل 5: کرنش عمودی یا حجمی در مقابل کرنش برشی برای نمونه متراکم و سست

پس از انجام حداقل 3 آزمایش در تنش های نرمال مختلف ، حداکثر تنش های برشی به دست آمده در هر یک در مقابل تنش های معمولی رسم می شود و بهترین خط مناسب ، پاکت مطلوب شکست Mohr-Coulomb را تعیین می کند. اجزای انسجام و زاویه اصطکاک مشتق شده است. یک مثال در شکل 6 نشان داده شده است.

شکل 6: پاکت خرابی معمولی Mohr-Coulomb که برای سه آزمایش برشی مستقیم با تنش نرمال متفاوت تهیه شده است. پاکت زاویه اصطکاک φ و انسجام c معیار شکست M-C را به دست می آورد.