مقالات

آزمایش سه محوری خاک

معایب آزمایش سه محوری

در فاز تحکیم همیشه فشار قائم و فشار یکنواخت است؛ به عبارت دیگر K0 که همان ضریب فشار جانبی خاک در حالت سکون است برابر با یک می‌باشد (K0=0). اما این مقدار در عمل مخالف یک است چون در حالت عملی بارگذاری، تقارن محوری نداریم. این در حالی است که در این آزمایش سه محوری خاک تقارن محوری وجود دارد و یا به عبارت دیگر خطای غشا در مقاومت ناگزیر خواهد بود و در واقع خطای کاغذ صافی جانبی در مقاومت وجود خواهد داشت.

در این آزمایش به خاطر وجود اصطکاک بین صفحه بالا و پایین نمونه، تنش برشی ایجاد می‌شود که باعث تغییر شکل نمونه می‌گردد.

تعاریف مربوط به آزمایش سه محوری

قبل از اینکه به بررسی نحوه انجام آزمایش سه محوری بپردازیم، بهتر است با تعریف سه موضوع بسیار مهم آشنا شویم:

(Back Pressure): فشار بازگشتی یا همان به فشاری می‌گویند که به منظور ایجاد هوا جهت فشرده سازی و انتقال آن به داخل آب منفذی و نهایتا افزایش درصد اشباع، به آب حفره‌ای نمونه اعمال می‌گردد.

(Effective consolidat ion stress): تنش تحکیمی موثر به اختلاف بین فشار سلولی و فشار آب منفذی قبل از برش نمونه می‌گویند.

گسیختگی:  مقدار گسیختگی وضعیت تنش را برای نمونه تحت آزمایش مشخص می‌کند گسیختگی برابر با تنش انحرافی حداکثر یا تنش انحرافی در 1.5 درصد کرنش محوری (هر کدام که در طول آزمایش زودتر بدست آمد) خواهد بود.

روش کلی انجام آزمایش سه محوری خاک

آزمایش سه محوری در چند مرحله مشخص انجام می‌شود که در زیر به طور خلاصه به آن اشاره می‌کنیم:

نمونه‌ای دست نخورده از خاکی که مد نظرمان است تهیه می‌کنیم و آن را درون یک غشاء لاستیکی قرار می‌دهیم. منظور از نمونه های دست نخورده، نمونه هایی است که مقدار آب و ساختار طبیعی خاک در آن‌ها حفظ می‌شود.

غشاـٌء لاستیکی که نمونه در آن قرار دارد را درون یک محفظه پلاستیکی گذاشته و به کمک مایع داخل ظرف که می‌تواند آب یا گلیسیرین باشد، فشار محفظه محدود کننده‌ای برابر با فشار جانبی خاک به آن نمونه اعمال می‌کنیم که آن را با (σ3) می‌شناسیم.

سپس نمونه را تحت نیروی محوری Fd قرار می‌دهیم تا تنشی که از این نیرو حاصل می‌شود باعث گسیختگی برشی در نمونه شود؛ این تنش را تنش انحرافی می‌گویند و آن را با Δσنشان می‌دهند.

حالا می‌توانیم مقاومت فشاری نمونه تحت آزمایش را از طریق فرمول زیر بدست آوریم:

حالا که دو مقدار σ3 و σ می‌توانیم دایره موهر مربوط به این تنش های اصلی را رسم کنیم.

اگر فشار محفظه‌ای یا همان فشار جانبی σرا تغییر داده و مراحل بالا را بر روی نمونه های دیگری از همان خاک اعمال کنیم، مقدار σطبق رابطه   بدست می‌آید و به این ترتیب قادر خواهیم بود که دایر موهر دیگری با تنش های اصلی جدید رسم کنیم. در ادامه با تکرار این آزمایش بر روی نمونه‌های مختلف، چندین دایره موهر بدست خواهد آمد که مماس مشترکی که بر این دایره‌ها رسم می‌شود، همان خط گسیختگی یا خط پوش مقاومت موهر – کلمب خواهد بود. این خط ما را قادر می‌سازد که به سادگی به پارامترهای مقاومت برشی دست پیدا نماییم.

انواع آزمایش سه محوری

با توجه به نوع خاکی که آن را به عنوان نمونه در نظر گرفته‌ایم، آزمایش سه محوری به سه صورت انجام می‌شود:

(آزمایش CD): (آزمایش سه محوری تحکیم یافت < زهکشی شده)

(آزمایش CU): (آزمایش سه‌محوری تحکیم یافته < زهکشی نشده)

(آزمایش UU): (آزمایش سه محوری تحکیم نیافته < زهکشی نشده)

روش آزمایش CD : تحکیم یافته – زهکشی شده

روش انجام آزمایش (CD) یا همان (Consolidated Drained) به شکل زیر است:

یک: ابتدا فشار محفظه‌ای σرا در حالی که شیر تخلیه بسته است به نمونه مورد نظر وارد می‌کنیم. سپس با دو موقعیت روبرو خواهیم شد:

اگر خاک اشباع باشد:

σ3 = uc

که در رابطه بالا uاضافه فشار آب حفره‌ای در اثر اعمال σاست.

اگر خاک اشباع نباشد:

σ3 = u+ ua   →   σ> uc

که در رابطه بالا uاضافه فشار آب حفره‌ای در اثر اعمال σاست.

دو: پس از اعمال فشار محفظه‌ای σشیر تخلیه باز می‌شود تا عمل تحکیم به طور کامل صورت بگیرد و اضافه فشار حفره‌ای کاملا از بین برود. در انتهای عمل تحکیم، مقدار uیعنی اضافه فشار آب حفره‌ای در اثر اعمال σصفر خواهد شد.

سهتنش انحرافی Δσبه آرامی و در حالیکه شیر تخلیه کاملا باز است به نمونه وارد شده تا تمام اضافه فشار آب حفره‌ای در پایان آزمایش به تنش موثر تبدیل شود؛ به این ترتیب خواهیم داشت:

Δu= 0

Δσ= Δσ’d

در رابطه های بالا Δuاضافه فشار آب حفره‌ای در اثر اعمال Δσو Δσ’اضافه تنش موثر در اثر اعمال Δσاست.

تنش موثر اصلی حداکثر و تنش موثر اصلی حداقل، در پایان این آزمایش سه محوری CD به صورت زیر خواهد بود:

چهاردایره موهر را برای تنش های موثر σ’و σ’رسم می‌کنیم.

پنجهمانطور هم که در شرح مختصر آزمایش به آن اشاره شد، با تغییر فشار محفظه‌ای محدود کننده یعنی σ3 می‌توان آزمایش‌های متعددی را بر روی نمونه های مشابه انجام داد و دوایر موهر متعددی به دست آورد و در نهایت خط گسیختگی را رسم نمود.

در دو نمودار زیر خط گسیختگی برای ماسه و رس تحکیم یافته و همچنین برای رس پیش تحکیم یافته رسم شده است:

آزمایش سه‌محوری (CU) تحکیم یافته – زهکشی نشده

آزمایش CU یا همان (Consolidated Undrained) را به صورت زیر انجام می‌دهیم:

یکدر این مرحله همانند آزمایش قبلی یعنی CD ابتدا با بسته بودن شیر تخلیه، فشار محفظه‌ای σ3 را بر نمونه اعمال می‌کنیم و سپس شیر تخلیه را باز کرده تا تحکیم به صورت کامل انجام بگیرد.

دوبعد از بستن شیر تخلیه، تنش انحرافی Δσوارد می‌شود و اعمال آن تا لحظه گسیختگی ادامه می‌یابد. تنش انحرافی Δσباعث به وجود آمدن اضافه فشار آب حفره‌ای Δud می‌شود که با گذشت زمان آزمایش و افزایش تنش انحرافی، افزایش می‌یابد که از رابطه زیر بدست می‌آید:

Δu= A . Δσd

پارامتر A در رابطه بالا فشار حفره‌ای اسکمپتون نامیده می‌شود و در لحظه گسیختگی نمونه برابر با مقدار زیر خواهد بود:

نکته بسیار مهمی که باید درباره Aدانست این است که در مقدار گسیختگی مقدار آن برای رس عادی تحکیم یافته در محدوده 0.5 تا 1 و برای خاک رس پیش تحکیم یافته برابر در محدوده 0.5- تا 1 خواهد بود.

حالا برای بدست آوردن تنش موثر اصلی حداقل و حداکثر در پایان آزمایش، مشاهده خواهیم کرد که برخلاف آزمایش CD، این دو مقدار با هم برابر نیستند. علت این موضوع، از بین نرفتن اضافه فشار آب حفره‌ای Δud است، بدین ترتیب خواهیم داشت:

سپس دایره موهر را برای تنش های موثر σ’و σ’رسم می‌کنیم.

چهار  همانند آزمایش سه محوری CD، با تغییر فشار محفظه‌ای محدود کننده، می‌توان چندین آزمایش بر روی نمونه‌های مشابه انجام داد که در نهایت با رسم چندین دایره موهر بتوان خط گسیختگی را بدست آورد.

برای درک صحیح تر، دو آزمایش سه محوری CD و CU را به دو مرحله زیر تفکیک می‌کنیم:

اول: شروع این مرحله، در واقع شروع آزمایش سه محوری است که با وارد شدن فشار محفظه‌ای اغاز و تا زهکشی کامل نمونه و پایان تحکیم آن ادامه دارد.

دوم: این مرحله، که آزمایش برش (گسیختگی) نام دارد، با وارد شدن تنش انحرافی آغاز شده و تا گسیختگی نمونه ادامه می‌یابد.

آزمایش سه‌محوری UU تحکیم نیافته – زهکشی نشده:

برای آزمایش UU (Unconsolidated Undrained) باید مراحل زیر را طی کنیم:

یکدر این آزمایش سه محوری UU فشار محفظه‌ای محدود کننده σ3 و تنش انحرافی Δσd در حالی به نمونه مورد نظر شما وارد می‌شود که شیز تخلیه در تمام مدت بسته است و در نتیجه همانطور که از نام آزمایش پیداست؛ نمونه نه زهشکی می‌شود و نه تحکیمی در آن صورت می‌گیرد. در نهایت اضافه فشار حفره‌ای در پایان آزمایش برابر با مقدار زیر خواهد بود:

دودر آزمایش UU نیز مانند هر دو آزمایش دیگر، دوایر موهری بر اساس تنش‌های کل رسم می‌کنیم ولی نکته قابل توجه در این آزمایش این است که اگر مقدار σ3 را در مراحل بعدی اغییر دهیم، مقدار تنش انحرافی یعنی که سبب گسیختگی می‌شود، در تمامی حالات یکسان و بدون تغییر خواهد بود. به این ترتیب یعنی همه دایره‌های موهر دارای قطر یکسان Δσخواهند بود و به تبع آن خط گسیختگی، موازی محور افقی σ می‌شود:

آزمایش سه محوری سیکلی (دینامیکی) چیست؟

همچنین قابل ذکر است که در بررسی رفتار خاک، شرایط بارگذرای به دو بخش اصلی تقسیم می‌شود:

۱-بارهای استاتیکی

۲-بارهای دینامیکی: در بخش دینامیکی بر اساس بارهای سیکلی یا دینامیکی (مانند زلزله) رفتار سازه مورد بررسی قرار می ‌گیرد که تعیین آن توسط دستگاههای سه محوری دینامیکی صورت می پذیرد.

در آزمایش سه محوری دینامیکی با کنترل تنش، مطالعات روانگرایی روی خاکهای دانه ‌ای اشباع صورت می پذیرد. تست سیکلیک در موارد بارگذاری مکرر جهت تحلیل روانگرایی خاک‌ها و یا تعیین مدول ارتجاعی خاک ها مورد استفاده قرار خواهد گرفت.

نکته قابل ذکر در خصوص دستگاه های انجام تست سه محوری سیکلی این است که این تجهیزات با قابلیت تنظیم اعمال نیروی وارده و امکان انجام تستهای مربوطه بر روی نمونه ‌هایی با قطر متغیر، امکان انجام تست به صورت زهکشی و زهکشی نشده، شرایط اعمال بارهای سیکلی یا دینامیکی، امکان اعمال مسیر تنش‌های متفاوت و امکان «تنش کنترل» از طریق کنترل بارگذاری مونوتونیک و سیکلی را دارا هستند. در پایان ، نتایج تست سه محوری سیکلی را می‌توان بر اساس دوایر تنش موهر کولمب به جهت مشخص کردن پارامترهای مقاومتی ارائه کرد.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *