مکانیک خاک

آزمایش تک محوری (تعیین مقاومت فشاری محصور نشده خاک چسبنده)

آزمایش تک محوری

آزمایش تک محوری (تعیین مقاومت فشاری محصور نشده خاک چسبنده)

آزمایش تک محوری ، برای تعیین مقاومت فشاری محصور نشده خاک چسبنده در حالت دست نخورده بازسازی شده یا اصلاح شده، با استفاده از اعمال بار محوری، تحت شرایط کنترل کرنش کاربرد دارد. در این روش، یک مقدار تقریبی برای مقاومت خاک چسبنده بر حسب تنش های کل حاصل می گردد.

این روش تنها برای مصالح چسبنده ای مانند رسها یا رس های سیمانته شده قابل استفاده است که در طول بارگذاری، آب از آنها خارج نخواهد شد (آب خارج شده از خاک، ناشی از تغییر شکل یا تراکم است، نه آب خروجی ناشی از فاز تحکیم) و مقاومت ذاتی خود را پس از حذف فشارهای همه جانبه محصور کننده حفظ خواهند نمود. با این روش آزمون، نمی توان مقادیر مقاومت فشاری محصورنشده معتبری برای خاکهای خشک و ترد، مصالح ترک دار یا لایه لایه، لای ها (Silt)، پیت ها (خاکهای نباتی) و ماسه ها به دست آورد.

می توان گفت که این آزمایش، به طور معمول، مختص خاکهای ریزدانه چسبنده است، ولیکن با رعایت نکات فنی و مهندسی، میتوان از آن برای خاکهایی که دارای قوام و ایستایی هستند نیز استفاده نمود.

آزمایش می تواند بر روی نمونه های دست نخورده و یا با داشتن وزن مخصوص و درصد رطوبت، بر روی نمونه های دست خورده نیز انجام گیرد.

تعیین مقاومت تحکیم نیافته – زهکشی نشده خاک های چسبنده با محصورشدگی جانبی، در روش آزمون سه محوری ASTM – D 2850 ارائه شده است.

معایب آزمایش مقاومت فشاری محصور نشده (آزمایش تک محوری)

از تنش های جانبی در نمونه، با برداشتن از عمق زمین حذف می شود؛ ارزیابی شرایط داخلی خاک، شامل درجه اشباع و فشار آب حفره ای لحاظ نمی گردد؛ اصطکاک انتهای نمونه و صفحات بارگذاری، باعث یکسری تنش های داخلی نامعلوم می گردد، فقط برای خاکهای طبقه ML CH CL MH و CL – ML کاربرد دارد.

مزایای آزمایش مقاومت فشاری محصور نشده ( آزمایش تک محوری)

مزیت آزمایش تک محوری نسبت به برش مستقیم آن است که تنش و کرنش به شکل یکنواخت ایجاد می شوند و سطح گسیختگی در ضعیف ترین قسمت نمونه رس اتفاق می افتد. البته رس صفحه گسیختگی ندارد، بلکه انبساط جانبی پیدا می کند.

تعاریف

مقاومت فشاری محصورنشده (qu)

تنش فشاری که در آن، یک نمونه استوانه ای محصور نشده از خاک در آزمایش فشار ساده، دچار شکست (گسیختگی) می شود. در این روش آزمون مقاومت فشاری محصور نشده، به عنوان بار حداکثر حاصل در واحد سطح، یا بار در واحد سطح در ۱۵ درصد کرنش محوری، هر کدام که در طول فرآیند آزمون، زودتر حاصل گردد، در نظر گرفته می شود.

مقاومت برشی (Su)

برای نمونه های آزمون مقاومت فشاری محصورنشده، مقاومت برشی به میزان نصف تنش فشاری در شکست (گسیختگی) محاسبه می شود.

Su=qu/2

حساسیت (ST)

حساسیت خاک، به صورت افت خواص مقاومتی آن در اثر دست خوردگی معرفی می شود و برای خاکهایی با ساختار فلوکوله، بسیار زیاد و برای خاکهای با ساختارهای موازی، کمتر است. در واقع، وقتی خاک رس دست نخورده تحت برش قرار می گیرد، در ابتدا، چسبندگی زیادی دارد، اما کمی بعد از آن، خمیری شده و دست خورده می شود و مقاومت آن کم می شود. این کاهش مقاومت، به دلیل دست خوردگی در ساختار خاک را حساسیت گویند. طبقه بندی نمونه خاک بر اساس میزان حساسیت، در جدول زیر ارائه شده است.

توصیف نمونه بر اساس مقدار حساسیت

علت حساسیت خاکهای رسی، آن است که به هم زدن نمونه سبب می شود تا بافت طبیعی یا استخوان بندی ذرات که طی عملیات زمان بر رسوب گذاری به وجود آمده است از بین برود. ولی اگر نمونه به هم خورده مدتی به حال خود گذاشته شود، با گذشت زمان، مجددا مقاومت از دست رفته را کسب می نماید که به این پدیده، تیکسوتروپی می گویند.

مقاومت نهایی

به کمترین مقاومتی که یک خاک دارای چسبندگی محصور نشده از خود نشان می دهد، مقاومت نهایی گویند.

مقاومت باقیمانده

مقاومتی کمتر از مقاومت اوج، که پس از وقوع گسیختگی نیز باقی می ماند.

شرح مختصری از روش آزمون

مراحل انجام آزمایش، به شرح زیر است.

  • پس از آماده سازی نمونه، کنترل های درصد رطوبت و وزن مخصوص انجام می شود.

موضوع دست خوردگی و حساسیت، در این آزمایش، بسیار مهم می باشد.

  • روش متداول در آزمایشات تعیین پارامترهای مقاومت برشی خاک (تک محوری، برش مستقیم و سه محوری)، روش کنترل کرنش می باشد.
  • عملیات گسیختگی انجام می شود.
  • آزمایش تک محوری، به عنوان گزارش خروجی، دو نتیجه دارد: یکی دایره موهر مقاومت نهایی و دیگری، منحنی تنش- کرنش، که منجر به استخراج ضریب مدول الاستیسیته خاک می گردد.

فیلم آزمایش تک محوری

دستگاه تک محوری

دستگاه تک محوری در دو مدل دستی و برقی عرضه می شود که در تصویر زیر مدل برقی آن نمایان است.

دستگاه تک محوری برقی

خرید دستگاه تک محوری برقی از فروشگاه تجهیزات آزمایشگاهی آزمان

سرعت بارگذاری

به عنوان یک قاعده کلی برگرفته از استاندارد سرعت بارگذاری (V) در آزمون تک محوری و سه محوری UU برای مصالح خمیری، 1 درصد در دقیقه و برای مصالح ترد و شکننده دانه ای، 0.3 درصد است. به صور مثال برای نمونه ای با قطر 1.5 اینچ معادل 38.1 میلیمتر داریم

d=38.1 mm => H=76.2 mm

V(mm/min) =(0.3/100) * H = 0.003*76.2 = 0.23 mm/min

افزایش بار محوری (یعنی تنش انحرافی) باید حداقل تا رسیدن به کرنش محوری 15 درصد، یا رسیدن تنش انحرافی به مقدار بیشینه و افت 20 درصد آن، یا رسیدن کرنش محوری به 5 درصد، فراتر از کرنش زمان رسیدن تنش انحرافی به مقدار بیشینه همچنان ادامه پیدا کند.

محاسبات

محاسبه کرنش محوری (ε1)

کرنش محوری، با تقریب 0.1 درصد برای یک بار اعمال شده معین، به صورت زیر محاسبه می شود.

کرنش محوری در آزمایش تک محوری

در رابطه فوق:

ΔL: تغییر طول نمونه که از روی نشانگر تغییر شکل ارائه می شود، یا از دستگاه الکترونیکی محاسبه می گردد. بر حسب میلیمتر (اینچ)

L0: طول اولیه نمونه آزمایش، بر حسب میلیمتر (اینچ)

محاسبه متوسط مساحت مقطع عرضی(A)

متوسط مساحت مقطع عرضی برای یک بار اعمال شده معین، به صورت زیر محاسبه می شود.

متوسط مساحت مقطع عرضی در آزمایش تک محوری

در رابطه فوق

Ao: متوسط مساحت مقطع عرضی اولیه نمونه، بر حسب میلیمتر مربع (اینچ مربع)

ε1: کرنش محوری برای بار معین، که به صورت اعشاری بیان می شود.

محاسبه تنش فشاری (σc)

تنش فشاری، برای 3 حالت مختلف و با دقت یک کیلوپاسکال (0.01 تن بر فوت مربع) برای یک بار اعمال شده معین، به صورت زیر محاسبه می شود.

تنش فشاری

در رابطه فوق

P: بار اعمال شده معین، بر حسب کیلونیوتن (پوند)

A: متوسط مساحت مقطع عرضی متناظر، بر حسب میلیمتر مربع (اینچ مربع)

در صورت تمایل می توان نموداری برای نمایش تنش فشاری (بر روی محور عمودی) و کرنش محوری (بر روی محور افقی) ترسیم نمود. حداکثر مقدار تنش فشاری، یا تنش فشاری در 15 درصد کرنش کرنش محوری، هرکدام که ابتدا به دست آمده باشد، انتخاب شده و به عنوان مقاومت فشاری محصور نشده گزارش می گردد.

برای تفسیر صحیح، می توان داده های تنش- کرنش را نیز به عنوان بخشی از داده های گزارش شده، به صورت ترسیمی ارائه نمود.
در صورتی که مقاومت های فشاری نمونه های دست نخورده و بازسازی اندازه گیری شده باشند می توان حساسیت Sr را به صورت زیر تعریف کرد.

حساسیت خاک در آزمایش تک محوری

در محاسبه عدد حساسیت خاک، منظور از نمونه دست خورده (بازسازی شده)، نمونه ای است که یک بار در حالت دست نخورده آزمایش شده و گسیخته شده است که آن را دوباره بازسازی می کنیم، اما نمونه متراکم شده، بر اساس نیاز پروژه و اعلام مشخصات از طرف متقاضی آماده می شود.

گزارش

گزارش باید حاوی اطلاعات زیر باشد.

  • مشخصات و تشریح نظری نمونه، شامل طبقه بندی خاک، نماد و حالت نمونه (دست نخورده بازسازی شده یا اصلاح شده)، تشریح نظری، باید مطابق استاندارد ASTM D2488 صورت گیرد.
  • محل پروژه، تعداد گمانه، تعداد نمونه، عمق
  • وزن مخصوص خشک و مقدار رطوبت اولیه مشخص شود که مقدار رطوبت نمونه، قبل یا پس از برش به دست آمده و این که از بخشی از نمونه، یا از کل نمونه استفاده شده است.
  • درجه اشباع، در صورتی که محاسبه شده باشد.

برای محاسبه درجه اشباع، چگالی ویژه تعیین شده، مطابق استاندارد ASTM D 854 لازم است.

  • مقاومت فشاری محصورنشده، مقاومت برشی
  • ارتفاع و قطر متوسط نمونه
  • نسبت ارتفاع به قطر
  • نرخ متوسط کرنش برای گسیختگی
  • کرنش گسیختگی
  • حد روانی و حد خمیری، مطابق روش آزمون استاندارد ASTM-D4318 ، در صورتی که تعیین شده باشند.
  • عکس یا تصویر گسیختگی
  • نمودار تنش-کرنش در صورتی که آماده شده باشد.
  • حساسیت، در صورتی که تعیین شده باشد.
  • تحلیل اندازه ذرات، مطابق روش آزمون استاندارد ASTM-D6913 در صورتی که تعیین شده باشد.

منابع

راهنمای جامع آزمایشگاه مکانیک خاک ، مهندسی خاک و ژئوتکنیک نوشته مهندس داریوش مرادی

استاندارد ASTM D2166

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.