مشخصا ت فنی دستگاه برش مستقیم خاک :

دستگاه برش مستقیم وسیله ای ست جهت آزمایش نیروی برشی خاک . این دستگاه ضمن ایجاد فشار قائم که بروی خاک می آورد از طریق فشار جانبی دو سطح همسان را در راستای افقی به حرکت می آورد . مقدار نیروی عمودی از طریق وزنه های استاندارد اعمال شده و نیروی افقی از طریق موتور الکتیکی اعمال می گردد که توسط یه لودسل و نمایشگر ( دستگاه برش مستقیم دیجیتال ) نمایش داده می شود . در این دستگاه اعمال نیروی عمودی تا ۵۵۰۰ نیوتن و نیروی افقی تا ۵۰۰۰ نیوتن مجاز می باشد . سیستم حرکت افقی دستگاه برش مستقیم سرو ازما توسط موتور سروو الکتریک تامین می گردد که سرعت آنرا می توان از ۰٫۰۱ میلیمتر بر دقیقه تا ۲ میلیمتر به صورت دیجیتال تنظیم کرد .

 

تشریح کلی آزمایش برش مستقیم خاک

مقدمه : 

یکی از قدیمی ترین آزمایش های تعیین مقاومت برشی خاک های تحکیم شده چسبنده ، آزمایش برش مستقیم است در این آزمایش تنشهای وارد بر سطحی که در آن گسیختگی رخ می دهد در سراسر آزمایش مستقیما کنترل می شود . دستگاه برش مستقیم اساسا مرکب از یک قوطی  که در جهت افقی به دو قسمت تقسیم شده است قسمت پایین به طور ثابت به پایه دستگاه اتصال یافته و بدون حرکت است در حالیکه قسمت بالایی آزاد است و می تواند در هر دو جهت افقی و قائم حرکت کند که مقدار حرکت را می توان بوسیله گیج اندازه گیری نمود مقاومت برشی توده خاک , مقاومت داخلی واحد سطح آن خاک است که می تواند برای مقابله با گسیختگی یا لغزش در امتداد هر صفحه داخلی , بروز دهد . برای تحلیل مسائل پایداری خاک نظیر ظرفیت فشاری , پایداری شیروانی ها و فشار جانبی بر روی سازه های حائل خاک ,لازم است طبیعت مقاومت برشی به خوبی شناخته شود . آزمایش برش مستقیم یک نمونه از آزمایش های تعیین مقاومت برشی خاک می باشد این آزمایش  روی نمونه تحکیم شده زهکشی شده انجام می شود و هدف از آن تعیین c  و T  در خاک ها می باشد .

در خاک های  ماسه ای  متراکم  نمودار صعود  می کندبعد به یک نقطه ( pic )  می رسد که بعد  از این  نقطه  خاک نرم می شود و نزول می کند هر چه  ماسه  متراکم تر  باشد  شیب نمودار بیشتر می شود چون سختی آن بیشتر می شود پس خاک ماسه ای متراکم تمایل به اتساع ( dilation ) دارد . اتساع یعنی افزایش حجم ناشی ازتنش برشی . خاک متراکم وقتی تحت برش قرار می گیرد ابتدا یک مقدار متراکم می شود اما بعد دانه ها شروع به راندن یکدیگر می کنند ( مثل شخصی که میخواهد ازجمعیتی عبور کندپس بایدبه اطراف فشار بیاورد ) پس تمایل به افزایش حجم پیدا می کند واصطعکاک کمتر می شود و با افت مقاومت برشی مواجه هستیم و خاصیت نرم شوندگی از خود نشان می دهد . پس خاک ماسه ای متراکم تمایل به اتساع دارد . درخاک های ماسه ای شل وقتی تحت برش قرار می گیرد متراکم می شود و کاهش حجم می دهد ( compation )

 وسایل مورد نیاز آزمایش برش مستقیم خاک :

۱- جعبه برش به همراه سنگ متخلخل و صفحه سربار

۲- دستگاه برش مستقیم

۳- نمونه ماسه با داشتن وزن مخصوص

۴- ترازو

۵- کرنومتر

۶- کولیس

۷- تراز

۸- الک نمره ۴ سایز ۷٫۷۵ میلی متر

 

شرح آزمایش برش مستقیم خاک :

 

آزمایش برش مستقیم خاک به دو روش انجام میشود :

۱- کنترل تنش : با مساوی بودن نیروی برشی ، تغییر شکل را در مراحل مختلف اندازه می گیرند .

۲- کنترل تغییر شکل : تغییر شکل ها را اعمال می کنند و نیروی برشی نظیر هرکدام را بدست می آورند .

برای  نمونه گیری ابتدا خاک را داخل جعبه برش می کوبیم اگر بخواهیم نمونه گیری رابه صورت طبیعی تهیه کنیم یا باید خاک را از محل گرفته و به اندازه جعبه برش در آورده داخل آن می گذاریم . یا خاک را در جعبه برش به تراکم طبیعی برسانیم . پیچ های جعبه برش را بسته و سنگ متخلخل را داخل آن قرار داده  و ابعاد آنرا توسط کولیس اندازه می گیرند تا حجم جعبه برش را به دست آوریم . از ارتفاع  حدود ۲ میلی متراکم می کنند و حجم جعبه را به دست آورده و با داشتن وزن مخصوص ماسه، وزن ماسه مورد نیاز برای پرکردن جعبه برش را محاسبه می کنیم .

با ترازو ماسه مورد نیاز راجدا کرده وبه صورت لایه لایه درون جعبه برش ریخته و متراکم می کنیم . این کار را توسط ورق فولادی و ضربه زدن با چکش انجام می دهیم باید گوشه های جعبه برش با دقت پر از خاک شود تا گوشه ها خالی نباشد پس از تراکم و ایجاد نمونه ارتفاع  آن از لبه جعبه برش را اندازه می گیرند اگر برابر ۲ میلی متر نشد در مراحل بعدی آزمایش را اصلاح می کنند نمونه به روی دستگاه برش برده می شود دستگاه شامل یک جایگاه بار گذاری قائم است که دارای بازو می باشد وهر ۱ کیلو گرم  ۱۰ کیلو گرم بار به نمونه وارد می کند و یک موتور بارگذاری برشی که سرعت های قابل تنظیم دارد . جعبه برش را در مکان خود قرار داده و سپس بازوی دستگاه را تراز می کنند . محور اندازه گیری تغییر مکان عمودی را مماس بر بازو کرده و مفصل بالایش را در جایگاه سربار صفحه برش قرار می دهند . بعد از آن گیج ها را روی صفر تنظیم می نمایند و دو پیچ جعبه برش را باز کرده و دو پیچ دیگر را حدود یک یا دو دور باز می کنند تا نمونه به راحتی برش بخورد بار را با تنظیم موتور روی سرعت مشخص وارد می کنند و در همین لحظه پیچ تراز کننده بازوی بار عمودی را نیز باز می کنند و هر ۳۰ ثانیه گیج ها را قرائت می کنند . زمانی آزمایش خاتمه می یابد که نمونه به اندازه  ۲۰% ضلع جعبه برش تغییرمکان دهد یا نیروسنج ثابت بماند یا به عقب برگردد پس از اتمام آزمایش جعبه برش را برداشته و با زدن کلید بازگشت به همان مدت زمانی آزمایش دستگاه را به حالت اول بر می گردانند . سپس همان مراحل قبلی را با  بار عمودی  ۲۰ کیلوگرم و ۳۰ کیلوگرم انجام می دهند . هر کدام از این بارها با وزن میله بار گذاری عمودی که  ۴٫ ۵ کیلو گرم است جمع می شوند وبه عنوان بار عمودی نهایی هستند سپس محاسبات لازم را انجام داده و نمودار ماکزیمم تنش برشی را بر حسب تنش عمودی که در طول آزمایش ثابت است رسم می کنند عرض از مبدا برابر ضریب چسبندگی و شیب نمودار برابر زاویه اصطحکاک بین ذرات است .

ابتدا جعبه برش و مخزن آب آن را در جای خود سوار می کنیم و بعد بین دو نیمه جعبه برش را بایک لایه نازک گریس پوشانده و بوسیله میخ های مخصوص روی هم ثابت می کنیم تا دیگر هیچ جابه جایی و لغزش بین آن ها انجام نشود . با دقت نمونه را داخل جعبه برش قرار داده و جعبه را از آب اشباع می کنیم . صفحه سربار را که مجهز به سنگ متخلخل می باشد روی نمونه گذاشته و قاب مخصوص بارگذاری قائم را روی آن قرارمی دهیم معمولا حد فاصل این قاب و صفحه سربار یک گلوله فلزی قرار می گیرد و یا اینکه مستقیما قاب در شیار صفحه سربار جای داده می شود گیج مخصوص اندازه گیری نشست قائم نمونه را روی صفحه سربار نصب کرده نیروی قائم را باتئجه به شرایط آزمایش و با افزودن وزنه های مناسب روی قاب بارگذاری اعمال می کنیم سپس میخ ها را بیرون می آوریم وجعبه برش را بیرون می آوریم نمونه آماده برای برش است نیروی برش به صورت افقی و به وسیله موتور الکتریکی با دور معینی اعمال می شود . این نیرو به وسیله حاقه نیرو سنج و جا به جایی بوسیله گیج تغییر شکل افقی اندازه گیری می شود . بارگذاری را آنقدر ادامه می دهیم تا اینکه نیروی برش ثابت بماند مادراین آزمایش از ۶۷ kg خاک ماسه ای استفاده کردیم . سطح قاب ۲۵ cm2 می باشد بار قائم را با ۵ kg آغاز می کنیم .

افزایش های بار معمولی عبارتند از ۲۵۰،۵۰۰، ۱۰۰۰، ۲۰۰۰ و غیره . هر افزایش بار تا زمان رسیدن به تعادل روی نمونه باقی می ماند . به دلیل نفوذ پذیری زیاد خاک های غیر چسبنده معمولاً زمانی در حد چند ساعت لازم است . قبل از اعمال بار بعدی مقدار عقربه قرائت شده و در برگه یادداشت می‏شود . قابل ذکر است که تراکم پذیری دستگاه قابل صرف نظر کردن است .

قرار دادن نمونه داخل جعبه برش مستقیم :

پس از پایان مراحل بارگذاری نمونه در دستگاه تحکیم ، بار ازای آن برداشته شده و به دستگاه برش مستقیم منتقل می‏شود . شکل نمونه ای را که داخل جعبه برش قرار گرفته نشان می‌دهد . فلش پیچ مربوط به محور کردن نیمه های بالایی و پایینی قالب را نشان می‌دهد .

برش دادن نمونه :

برای اندازه‏گیری جابجایی افقی در طی برشی از یک گیج عقربه ای استفاده می‏شود . قدم اول در برش دادن نمونه قرائت کردن مقدار اولیه عقربه گیج های تغییرشکل افقی وعمودی است . این مقادیر روی برگه یادداشت می‌شوند . درست قبل از آغاز برش ، باید پین‌های قالب را درآورد . فراموش کردن این کار باعث آسیب شدید دستگاه می‏شود . عرض جعبه‌ها به پیچهایی مجهز هستند که یک فضای خالی بین قسمت های بالایی و پایینی قالب ایجاد می‏کند . فاصله خالی بین دو نیمه قالب در این جعبه های برش باید حدود ۰/۰۲۵ in باشد . برای اعمال نیروی برشی به نیمه بالایی قالب دو روش وجود دارد :

A ) روش کرنش کنترل شده : در این حالت نیروی برشی به نحوی اعمال می‏شود که نرخ جابه‌جایی کنترل شود . این امکان با استفاده از یک موتور الکتریکی و جعبه دنده مهیا می‏شود نیروی برشی توسط بار سنج یا حلقه بار نشان داده می‏شود این وسایل باید قادر باشند که نیروی برشی را با دقت ۱ % مقاومت برشی اندازه‏گیری کنند . مرحله برش تا رسیدن به جابه‌جایی معادل ۱۰ تا۲۰ درصد قطر اولیه نمونه ادامه می‏یابد . بنابراین برای نمونه ای با قطر ۲/۵ in ، نمونه باید تا جابجایی افقی حداقل ۰/۲۵ in ادامه یابد .

B ) روش تنش کنترل شده : در این حالت نیروی برشی به صورت افزایشی اعمال می‏شود . یک کابل به نیمه بالایی جعبه برش متصل شده است . این کابل از طریق یک چرخ به آویز متصل شده است و بار به این آویز وارد می‏شود . با اضافه کردن وزنه به آویز نیروی برشی افزایش می‏یابد . با افزایش یافتن تغییر شکل افقی نمونه ، باید وزنه‌های سبک تری به آویز اضافه نمود . وقتی که به مقاومت برشی نمونه رسیدید،نمونه سریعاً به نیم تقسیم می‏شود .

در میان دو روش بالا روش کرنش کنترل شده متداول تر است . در طول برش نمونه خاک ، داده های در قسمت مربوطه ثبت می‌شوند . این داده‌ها شامل قرائت های گیج های عقربه ای افقی و قائم و قرائت های حلقه بار ، بارسنج یا وزنه‌ها که برای محاسبه تنش برشی استفاده می‌شوند . سرعت آزمایش باید به قدری کم باشد که فشار منفذی در نمونه ایجاد نشود . یعنی اگر نمونه تمایل به اتساع نشان داد ، باید زمان کافی برای ورود آب به نمونه وجود داشته باشد . بالعکس اگر نمونه تمایل به تراکم نشان داد ، باید زمان کافی برای خروج آب به نمونه وجود داشته باشد . برای تحقیق این امر لازم است که زمان رسیدن به مرحله گسیختگی به صورت زیر باشد :

      ●   در مورد ماسه تمیز با کمتر از ۱۵ درصد ریز دانه غیر خمیری ، زمان کل تا رسیدن به گسیختگی حداقل ۱۰ دقیقه باشد .

      ●    در ماسه لای دار حاوی بیش از ۵ درصد ریز دانه غیر خمیری ، زمان کل تا رسیدن به گسیختگی حداقل ۶۰ دقیقه می‏باشد .

      ●    در مورد لای غیر خمیری ، زمان کل تا رسیدن به گسیختگی باید حدود ۲ تا ۳ ساعت باشد .

 ویژگی‌های شاخص در پایان آزمایش برش مستقیم خاک :

پس از اینکه نمونه به طور کامل برش خورد ، از داخل دستگاه برش بیرون آورده می‏شود . سپس درصد رطوبت نمونه تعیین می‏گردد .  پس از قرار دادن نمونه در قوطی باید آنرا خرد نمود وجود ذرات درشت در آن را بررسی کرد . این ذرات مانع برش خوردن نمونه شده و مقاومت را بالا می برند درصورت مشاهده این ذرات . این آزمایش را می توان با نمونه ای دیگر تکرار نمود . حداکثر اندازه ذرات در آزمایش برش مستقیم محدودیت مهمی است .

◄  اشکالات آزمایش برش مستقیم  :

      ●   غیر قابل کنترل بودن شرایط زهکشی نمونه می باشد یعنی فقط می توان تنش کل را اندازه گرفت .

      ●   توزیع تنش برشی برروی صفحه گسیختگی یکنواخت نیست وگسیختگی ازطرف کناره ها به طرف مرکز بوجودمی آید .

      ●   سطح زیر برش وبارهای قائم ثابت باقی نمی ماند .

      ●   دراین آزمایش اجازه داده نمی شود که خاک درامتداد ضعیفترین صفحه گسیخته شود وگسیختگی اجبارأ درصفحه جدایی دونیمه

           فوقانی وتحتانی جعبه برش رخ می دهد .

◄  محاسن آزمایش برش مستقیم :

      ●   ساده بودن آزمایش وسهولت آماده نمودن آن می باشد .

      ●   ساده ترین و اقتصادی ترین آزمایش برای خاک های ماسه ای خشک واشباع است .

◄  موارد زیر در یک جدول درج و محاسبه می شود :

      ●   مقدار بار

      ●   قرائت نیروی برشی از روی گیج

      ●   نیروی برشی kg

      ●   قرائت تغییر مکان افقی از روی گیج

      ●   تغییر مکان افقی

      ●   قرائت تغییر مکان قائم از روی گیج

      ●   تغییر مکان قائم

      ●   نیروی برشی بیشینه از روی نمودار

      ●   مقدار  (σ (kg/cm2

      ●   مقدار  (T (kg/cm2

 منابع خطا:

۱- در خاکهای غیر چسبنده به علت وجود خاصیت جذب سطحی بین آب ودانه های خاک مقداری چسبندگی کاذب بوجود می آید اگر این چسبندگی بین . ۱ ت. ۲ باشد از آن صرفنظر می شود ولی اگر مقدار آن بیشتر باشد و از آن صرفنظر شود خطا بوجود می آید .

۲- سنجنده های (Gage) اندازه گیری نیرو و تغییر شکل به درستی تنظیم نشده باشند .

۳- عمل زهکشی به درستی صورت نگیرد .

۴- آزمایش کننده در قرائت گیج ها اشتباه کند ویا خطای محاسباتی داشته باشد .

دست خوردگی نمونه باعث می‏شود که زاویه اصطکاک به دست آمده کم باشد . اما اشباع نبودن نمونه و برش سریع آن باعث حصول نتایج دست بالا می‏شود . در مورد محدودیت های آزمایش برش مستقیم ، استاندارد ASTM D3080-98(2000) میگوید :

در طول آزمایش برش مستقیم ، چرخش تنش های اصلی وجود دارد که در شرایط صحرایی ممکن است وجود داشته یا نداشته باشند .

همچنین گسیختگی برش مستقیم ، چرخش تنش های اصلی وجود دارد که در شرایط صحرایی ممکن است وجود داشته یا نداشته باشند همچنین گسیختگی ممکن است و در زمانی که نیرو‌ها روی صفحه افقی و یا نزدیک آن در وسط بسیج شده اند روی ضعیف ترین سطح اتفاق نیفتد . موقعیت ثابت صفحه برش در آزمایش برش مزیتی برای تعیین مقاومت برشی در یک صفحه ضعیف از پیش مشخص شده و یا بررسی سطح تماس دو ماده غیر مشابه می‏باشد .

تنش ها و جابجایی های برشی به طرز غیر یکنواختی در نمونه توزیع می‌شوند و ارتفاع مناسبی برای تعیین کرنش برشی وجود ندارد . سرعت کم جابجایی باعث از بین رفتن فشار آب منفذی می‏شود ، ولی باعث جریان خمیری خاک های چسبنده نرم نیز می‌شوند . باید مراقب بود که شرایط آزمایش نماینده شرایط مورد بررسی باشد .

اگر ماسه دارای ذرات درشت شن باشد ، شن می‏تواند مقاومت برشی ماسه را به طور مصنوعی افزایش دهد ، چراکه معمولاً ارتفاع نمونه کم است (۲۵/۴ cm) . بنابراین محدودیت دیگر آزمایش برش مستقیم اندازه ذرات نمونه است . به عنوان مثال ASTM D3080-98 (2000) دو معیار را ارایه نموده است . مورد اول اینکه قطر نمونه باید حداقل۱۰ برابر قطر بزرگترین دانه خاک باشد . معیار دوم اینکه ارتفاع نمونه باید حداقل ۶ برابر بزرگترین دانه خاک باشد . بنابراین برای نمونه‌های معمولی که قطری معادل ۶۳/۵mm  و ارتفاع ۲۵/۴mm دارند ، بر اساس معیار اول حداکثر قطر ذرات می‏تواند ۶/۳۵mm و بر اساس معیار دوم معادل ۴/۲mm باشد . این بدان معنی است که برای نمونه ای با قطر ۶۳/۲mm و ارتفاع ۲۵/۴mm ، خاک نباید حاوی ذرات به اندازه شن باشد . با وجود این محدودیت‏ها ، دستگاه برش مستقیم معمولاً مقادیر زاویه اصطکاک مؤثری با دقت مناسب به دست می‌دهد . اجرای این آزمایش نسبتاً ساده و سریع است که مهمترین دلیل برای عمومیت این آزمایش می‏باشد .

سایر مشخصات :

• اعمال نیروی برشی بصورت سروالکتریک با توان مشخص
• ماکزیمم نیروی برشی : ۵۰۰۰ نیوتن
• ماکزیمم نیروی عمودی : ۵۰۰ نیوتن
• اندازه نمونه : حداکثر ۱۰۰میلیمتر مربع و قطر ۱۰۰ میلمیتر
• لودسل جهت اندازه گیری مقدار نیروی برشی گیج های اندازه گیری مقدار جابجایی با دقت ۰٫۰۱میلمیتر
• ماکزیمم بار عمودی با استفاده از اهرم ۱ به ۱۰دستگاه بارگذاری۵۵۰۰ نیوتن
• جعبه برش مستقیم با کایه متعلقات
• سنگ تخلخل
• کوبه قالب
• کاتر و نمونه درآور
• صفحیه شیار دار
• وزنه های چاکدار با وزن کل ۳۵Kg 2x10kg-2x5kg-2x2kg-1x1kg