آزمایش سه محوری خاک

از آزمایش سه محوری خاک برای تعیین مقاومت و روابط تنش – کرنش یک نمونه استوانه‌ای از خاک چسبنده اشباع دست نخورده یا بازسازی شده استفاده می‌شود. نمونه هایی که در این آزمایش قرار دارند به شکل تحکیم یافته و تحت فشار و بدون زهکشی در سرعت تغییر شکل محوری ثابت یا همان در شرایط کنترل کرنش برش داده می‌شوند. نکته قابل توجه در این آزمایش این است که به وسیله اندازه گیری بار محوری، تغییر شکل محوری و فشار آب منفذی، می‌توان تنش های کل و موثر و فشار محوری را محاسبه نمود.

در این آزمایش سه محوری خاک اطلاعات بسیار مفید و کاربردی برای تعیین ویژگی های تغییر شکل خاک های چسبنده مانند مقاومت موهر و یا مدول یانگ بدست می‌آید.

به عبارت دیگر آزمایش سه محوری یکی از رایج ترین آزمایش‌هایی است که به وسیله آن می‌توان پارامترهای مکانیکی خاک را بدست آورد.

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:

• پس فشار (فشار بازگشتی یا همان Back Pressure): 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.
• تنش تحکیمی موثر (Effective consolidation stress): 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:

1. نمونه‌ای دست نخورده از خاکی که مد نظرمان است تهیه می‌کنیم و آن را درون یک غشا لاستیکی قرار می‌دهیم. منظور از نمونه های دست نخورده، نمونه هایی است که مقدار آب و ساختار طبیعی خاک در آن‌ها حفظ می‌شود.
2. غشا 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)_.
3. سپس نمونه را تحت نیروی محوری F_d 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 Δσ_d نشان می‌دهند.
4. حالا می‌توانیم مقاومت فشاری نمونه تحت آزمایش را از طریق فرمول زیر بدست آوریم:
5. حالا که دو مقدار σ_{3 و} σ₁ را داریم، می‌توانیم دایره موهر مربوط به این تنش های اصلی را رسم کنیم.

اگر فشار محفظه‌ای یا همان فشار جانبی σ₃ را تغییر داده و مراحل بالا را بر روی نمونه های دیگری از همان خاک اعمال کنیم، مقدار σ₁ طبق 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.

شکل دستگاه سه محوری

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 سه محوری تحکیم یافت زهکشی شده (آزمایش CD)
• آزمایش سه‌محوری تحکیم یافته زهکشی نشده (آزمایش CU)
• آزمایش سه محوری تحکیم نیافته زهکشی نشده (آزمایش UU)

آزمایش سه محوری CD (تحکیم یافته – زهکشی شده)

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

یک: ابتدا فشار محفظه‌ای σ₃ را 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 = u_c

که در رابطه بالا u_c اضافه فشار آب حفره‌ای در اثر اعمال σ₃ است.

• اگر خاک اشباع نباشد:

 σ₃ = u_c + u_a   →   σ₃ > u_c

که در رابطه بالا u_a اضافه فشار آب حفره‌ای در اثر اعمال σ₃ است.

دو: پس از اعمال فشار محفظه‌ای σ₃ شیر تخلیه باز می‌شود تا عمل تحکیم به طور کامل صورت بگیرد و اضافه فشار حفره‌ای کاملا از بین برود. در انتهای عمل تحکیم، مقدار u_c یعنی اضافه فشار آب حفره‌ای در اثر اعمال σ₃ صفر خواهد شد.

سه: تنش انحرافی Δσ_d به 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_d = 0

Δσ_d = Δσ’_d

در رابطه های بالا Δu_d اضافه فشار آب حفره‌ای در اثر اعمال Δσ_d و Δσ’_d اضافه تنش موثر در اثر اعمال Δσ_d است.

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

چهار: دایره موهر را برای تنش های موثر σ’₁ و σ’₃ رسم می‌کنیم.

پنج: همانطور 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:

ماسه و رس عادی تحکیم یافته

رس پیش تحکیم یافته

آزمایش سه‌محوری CU (تحکیم یافته – زهکشی نشده)

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

یک: در 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.

دو: بعد از بستن شیر تخلیه، تنش انحرافی Δσ_d وارد می‌شود و اعمال آن تا لحظه گسیختگی ادامه می‌یابد. تنش انحرافی Δσ_d باعث به وجود آمدن اضافه فشار آب حفره‌ای Δu_d می‌شود که با گذشت زمان آزمایش و افزایش تنش انحرافی، افزایش می‌یابد که از رابطه زیر بدست می‌آید:

Δu_d = A . Δσ_d

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 A_f دانست 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 Δu_d است، بدین ترتیب خواهیم داشت:

سه: سپس دایره موهر را برای تنش های موثر σ’₁ و σ’₃ 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 خرید دستگاه سه محوری UU می‌توانید به این لینک مراجعه کنید و دستگاه مورد نظرتان را سفارش دهید.

برای انجام آزمایش UU یا همان Unconsolidated Undrained باید مراحل زیر را طی کنیم:

یک: در این آزمایش سه محوری UU فشار محفظه‌ای محدود کننده σ₃ و تنش انحرافی Δσ_d 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:

دو: در 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 Δσ_d خواهند بود و به تبع آن خط گسیختگی، موازی محور افقی σ می‌شود:

آزمایش سه محوری UU

منبع:

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