آزمايش برش مستقيم

آزمايش برش مستقيم

یكی از قدیمی ترین آزمایشهای تعیین مقاومت برشی خاكهای تحكیم شده چسبنده ، آزمایش برش مستقیم است در این آزمایش تنشهای وارد بر سطحی كه در آن گسیختگی رخ می دهد در سراسر آزمایش مستقیما كنترل می شود دستگاه برش مستقیم اساسا مركب از یك قوطی  كه در جهت افقی به دو قسمت تقسیم شده است قسمت پایین به طور ثابت به پایه دستگاه اتصال یافته وبدون حركت است در حالیكه قسمت بالایی آزاد است ومی تواند در هر دو جهت افقی و قائم حركت كند كه مقدار حركت را می توان بوسیله گیج اندازه گیری نمود مقاومت برشی توده خاك ,مقاومت داخلی واحد سطح آن خاك است كه می تواند برای مقابله با گسیختگی یا لغزش در امتداد هر صفحه داخلی ,بروز دهد .برای تحلیل مسائل پایداری خاك نظیر ظرفیت فشاری ,پایداری شیروانیها و فشار جانبی بر روی سازه های حائل خاك ,لازم است طبیعت مقاومت برشی بخوبی شناخته شود . آزمایش برش مستقیم یک نمونه از آزمایشهای 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 خاکها می باشد .

در خاكهاي  ماسه اي  متراكم  نمودار صعود  مي كندبعد به يك نقطه (pic)  مي رسد كه بعد  از اين  نقطه  خاك نرم مي شود ونزول مي كند هر چه  ماسه  متراكم تر  باشد  شيب نمودار بيشتر مي شودچون سختي آن بيشترمي شودپس خاك ماسه اي متراكم تمايل به اتساع (dilation)دارد.اتساع يعني افزايش حجم ناشي ازتنش برشي .خاك متراكم وقتي تحت برش قرار مي گيرد ابتدا يك مقدار متراكم مي شود امابعد دانه هاشروع به راندن يكديگر مي كنند (مثل شخصي كه ميخواهد ازجمعيتي عبور كندپس بايدبه اطراف فشار بياورد)پس تمايل به افزايش حجم پيدا مي كند واصطعكاك كمتر مي شود وباافت مقاومت برشي مواجه هستيم وخاصيت نرم شوندگي از خود نشان مي دهد. پس خاك ماسه اي متراكم تمايل به اتساع دارد.درخاكهاي ماسه اي شل وقتي تحت برش قرار مي گيردمتراكم مي شود وكاهش حجم مي دهد(compation)

 

وسائل آزمایش :

1- جعبه برش به همراه سنگ متخلخل و صفحه سربار 2- دستگاه برش مستقیم که شامل دستگاهای بارگذاری برشی به وسیله موتور , بارگذاری قائم به وسیله وزنه و شامل گیج های  عمودی , افقی و نیروسنج است 3- نمونه ماسه با داشتن وزن مخصوص 4- ترازو 5- کرنومتر 6- کولیس 7- تراز 8- الک No.4

 

شرح آزمایش :

 

مختصر:

آزمايش جعبه برش به دو طريق مي تواند انجام شود :

1-با كنترل تنش : با مساوي بودن نيروي برشي ،تغيير شكل را در مراحل مختلف اندازه مي گيرند

2-با كنترل تغيير شكل :تغيير شكلها را اعمال مي كنند ونيروي برشي نظير هركدام را بدست مي 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.پیچهای 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 دست آید از ارتفاع  حدود 2 میلی متراکم می کنند و حجم جعبه را به دست می آورده و با داشتن وزن مخصوص ماسه، وزن ماسه مورد نیاز برای پرکردن جعبه برش را محاسبه می کنند .

با ترازو ماسه مورد نیاز راجدا کرده وبه صورت لایه لایه درون جعبه برش ریخته ومتراکم می کنیم .این کار را توسط ورق فولادی وضربه زدن با چکش انجام می دهیم باید گوشه های جعبه برش دقت پر شود تا گوشه ها خالی نباشد پس ازتراکم و ایجاد نمونه ارتفاع  آن از لبه جعبه برش را اندازه می گیرند اگر برابر 2 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 1 کیلو گرم  10 کیلو گرم بار به نمونه وارد می کند و یک موتور بارگذاری برشی که سرعتهای 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 گیجها 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 ترازکننده بازوی بار عمودی را نیزباز می کنند و هر30 ثانیه گیج ها را قرائت می کنند زمانی آزمایش خاتمه می یابد که نمونه به اندازه  20% 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  20 کیلوگرم و30 کیلوگرم انجام می دهند هر کدام از این بارها با وزن میله بار گذاری عمودی که  4.5 کیلو گرم است جمع می شوند وبه عنوان بار عمودی نهایی هستند سپس محاسبات لازم را انجام داده و نمودار ماکزیمم تنش برشی رابرحسب 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 ومخزن آب آنرا در جاي خود سوار مي كنيم وبعد بين دو نيمه جعبه برش را بايك لايه نازك گريس پوشانده وبوسيله ميخهاي مخصوص روي هم ثابت مي كنيم تا ديگر هيچ جابه جايي ولغزش بين آنها انجام نشود با دقت نمونه را داخل جعبه برش قرار داده وجعبه را از آب اشباع مي كنيم صفحه سربار را كه مجهز به سنگ متخلخل مي باشد روي نمونه گذاشته وقاب مخصوص بارگذاري قائم را روي آن قرارمي دهيم معمولا حد فاصل اين قاب وصفحه سربار يك گلوله فلزي قرار مي گيرد ويا اينكه مستقيما قاب در شيار صفحه سربار جاي داده مي شود گيج مخصوص اندازه گيري نشست قائم نمونه را روي صفحه سربار نصب كرده نيروي قائم را باتئجه به شرايط آزمايش وبا افزودن وزنه هاي مناسب روي قاب بارگذاري اعمال مي كنيم سپس ميخها را بيرون مي آوريم وجعبه برش را بيرون مي آوريم نمونه آماده براي برش است نيروي برش به صورت افقي وبوسيله موتور الكتريكي با دور معيني اعمال مي شود اين نيرو بوسيله حاقه نيرو سنج وجابه جايي بوسيله گيج تغيير شكل افقي اندازه گيري مي شود بارگذاري را آنقدر ادامه مي دهيم تا اينكه نيروي برش ثابت بماند مادراين آزمايش از 67 kg خاك ماسه اي استفاده كرديم . سطح قاب 25 cm2مي باشد بارقائم را با 5 kg آغاز مي كنيم .

افزايش هاي بارمعمولي عبارتند از 250،500، 1000، 2000 و غيره. هر افزايش بار تا زمان رسيدن به تعادل روي نمونه باقي مي ماند. به دليل نفوذ پذيري زياد خاكهاي غير چسبنده معمولاً زماني در حد چند ساعت لازم است. قبل از اعمال بار بعدي مقدار عقربه قرائت شده ودر برگه يادداشت مي‏شود. قابل ذكر است كه تراكم پذيري دستگاه قابل صرف نظر كردن است.

 

قرار دادن نمونه داخل جعبه برش مستقيم:

پس از پايان مراحل بارگذاري نمونه در دستگاه تحكيم، بار ازاي آن برداشته شده و به دستگاه برش مستقيم منتقل مي‏شود. شكل نمونه اي را كه داخل جعبه برش قرار گرفته نشان مي‌دهد. فلش پيچ مربوط به محور كردن نيمه هاي بالايي و پاييني قالب را نشان مي‌دهد.

برش دادن نمونه:

براي اندازه‏گيري جابجايي افقي در طي برشي از يك گيج عقربه اي استفاده مي‏شود. قدم اول در برش دادن نمونه قرائت كردن مقدار اوليه عقربه گيج هاي تغييرشكل افقي وعمودي است. اين مقادير روي برگه يادداشت مي‌شوند. درست قبل از آغاز برش،بايد پين‌هاي قالب را درآورد. فراموش كردن اين كار باعث آسيب شديد دستگاه مي‏شود. عرض جعبه‌ها به پيچهايي مجهز هستند كه يك فضاي خالي بين قسمت هاي بالايي وپاييني قالب ايجاد مي‏كند. فاصله خالي بين دو نيمه قالب در اين جعبه هاي برش بايد حدود 0/025 in باشد.براي اعمال نيروي برشي به نيمه بالايي قالب دو روش وجود دارد:

 

A ) روش كرنش كنترل شده:در اين حالت نيروي برشي به نحوي اعمال مي‏شود كه نرخ جابه‌جايي كنترل شود.اين امكان با استفاده از يك موتور الكتريكي و جعبه دنده مهيا مي‏شود نيروي برشي توسط بار سنج يا حلقه بار نشان داده مي‏شود اين وسايل بايد قادر باشند كه نيروي برشي را با دقت 1 % مقاومت برشي اندازه‏گيري كنند. مرحله برش تا رسيدن به جابه‌جايي معادل 10 تا20 درصد قطر اوليه نمونه ادامه مي‏يابد. بنابراين براي نمونه اي با قطر 2/5 in ،نمونه بايد تا جابجايي افقي حداقل 0/25 in ادامه يابد.

B ) روش تنش كنترل شده: در اين حالت نيروي برشي به صورت افزايشي اعمال مي‏شود.يك كابل به نيمه بالايي جعبه برش متصل شده است. اين كابل از طريق يك چرخ به آويز متصل شده است و بار به اين آويز وارد مي‏شود. با اضافه كردن وزنه به آويز نيروي برشي افزايش مي‏يابد.با افزايش يافتن تغيير شكل افقي نمونه،بايد وزنه‌هاي سبك تري به آويز اضافه نمود. وقتي كه به مقاومت برشي نمونه رسيديد،نمونه سريعاً به نيم تقسيم مي‏شود.

در ميان دو روش بالا روش كرنش كنترل شده متداول تر است. در طول برش نمونه خاك،داده‌هاي در قسمت مربوطه ثبت مي‌شوند. اين داده‌ها شامل قرائت هاي گيج هاي عقربه اي افقي وقائم و قرائت هاي حلقه بار،بارسنج يا وزنه‌ها كه براي محاسبه تنش برشي استفاده مي‌شوند. سرعت آزمايش بايد به قدري كم باشد كه فشار منفذي در نمونه ايجاد نشود. يعني اگر نمونه تمايل به اتساع نشان داد،بايد زمان كافي براي ورود آب به نمونه وجود داشته باشد.بالعكس اگر نمونه تمايل به تراكم نشان داد،بايد زمان كافي براي خروج آب به نمونه وجود داشته باشد.براي تحقيق اين امر لازم است كه زمان رسيدن به مرحله گسيختگي به صورت زير باشد:

»در مورد ماسه تميز با كمتر از 15 درصد ريز دانه غير خميري،زمان كل تا رسيدن به گسيختگي حداقل 10 دقيقه باشد.

» در ماسه لاي دار حاوي بيش از 5 درصد ريز دانه غير خميري،زمان كل تا رسيدن به گسيختگي حداقل 60 دقيقه مي‏باشد.

» در مورد لاي غير خميري، زمان كل تا رسيدن به گسيختگي بايد حدود2 تا3 ساعت باشد.

 

ويژگي‌هاي شاخص در پايان آزمايش:

پس از اينكه نمونه به طور كامل برش خورد، از داخل دستگاه برش بيرون آورده مي‏شود. سپس درصد رطوبت نمونه تعيين مي‏گردد. پس از قرار دادن نمونه در قوطي بايد آنرا خرد نمود وجود ذرات درشت در آنرا بررسي كرد. اين ذرات مانع برش خوردن نمونه شده ومقاومت را بالا مي برند درصورت مشاهده اين ذرات .بايد آزمايش را با نمونه اي ديگر تكرار نمود. حداكثر اندازه ذرات در آزمايش برش مستقيم محدوديت مهمي است.

 

اشكالات آزمايش برش مستقيم :

•غير قابل كنترل بودن شرايط زهكشي نمونه مي باشد يعني فقط مي توان تنش كل را اندازه گرفت

•توزيع تنش برشي برروي صفحه گسيختگي يكنواخت نيست وگسيختگي ازطرف كناره ها به طرف مركز بوجودمي آيد.

•سطح زير برش وبارهاي قائم ثابت باقي نمي ماند.

•دراين آزمايش اجازه داده نمي شود كه خاك درامتداد ضعيفترين صفحه گسيخته شود وگسيختگي اجبارأ درصفحه جدايي دونيمه فوقاني وتحتاني جعبه برش رخ مي دهد .

 

محاسن آزمايش برش مستقيم:

•ساده بودن آزمايش وسهولت آماده نمودن آن مي باشد .

•ساده ترين واقتصادي ترين آزمايش براي خاكهاي ماسه اي خشك واشباع است .

 

موارد زیر در یک جدول درج و محاسبه می شود:

» مقدار بار

» قرائت نيروي برشي از روي گيج

» نيروي برشي kg           

» قرائت تغيير مكان افقي از روي گيج           

» تغيير مكان افقي

» قرائت تغيير مكان قائم از روي گيج

» تغيير مكان قائم

» نيروي برشي بیشینه از روي نمودار          

» مقدار  σ (kg/cm²)

» مقدار T (kg/cm²)

 

منابع خطا:

1- در خاكهاي غير چسبنده به علت وجود خاصيت جذب سطحي بين آب ودانه هاي خاك مقداري چسبندگي كاذب بوجود مي آيد اگر اين چسبندگي بين .1 تا .2 باشد از آن صرفنظر مي شود ولي اگر مقدار آن بيشتر باشد واز آن صرفنظر شود خطا بوجود مي آيد

2- سنجنده های (Gage) اندازه گيري نيرو وتغيير شكل به درستي تنظيم نشده باشند

3- عمل زهكشي به درستي صورت نگيرد

4- آزمايش كننده در قرائت گيجها اشتباه كند ويا خطاي محاسباتي داشته باشد

 

دست خوردگي نمونه باعث مي‏شود که زاويه اصطكاك به دست آمده كم باشد. اما اشباع نبودن نمونه و برش سريع آن باعث حصول نتايج دست بالا مي‏شود. در مورد محدوديت هاي آزمايش برش مستقيم، استاندارد ASTM D3080-98(2000) ميگويد:

در طول آزمايش برش مستقيم، چرخش تنشهاي اصلي وجود دارد كه در شرايط صحرايي ممكن است وجود داشته يا نداشته باشند.

همچنين گسيختگي برش مستقيم، چرخش تنشهاي اصلي وجود دارد كه در شرايط صحرايي ممكن است وجود داشته يا نداشته باشند همچنين گسيختگي ممكن است و در زماني كه نيرو‌ها روي صفحه افقي و يا نزديك آن در وسط بسيج شده اند روي ضعيف ترين سطح اتفاق نيفتد. موقعيت ثابت صفحه برش در آزمايش برش مزيتي براي تعيين مقاومت برشي در يك صفحه ضعيف از پيش مشخص شده ويا بررسي سطح تماس دو ماده غيرمشابه مي‏باشد.

تنشها و جابجايي هاي برشي به طرز غير يكنواختي در نمونه توزيع مي‌شوند و ارتفاع مناسبي براي تعيين كرنش برشي وجود ندارد. سرعت كم جابجايي باعث از بين رفتن فشار آب منفذي مي‏شود، ولي باعث جريان خميري خاكهاي چسبنده نرم نيز مي‌شوند. بايد مراقب بود كه شرايط آزمايش نماينده شرايط مورد بررسي باشد.

اگر ماسه داراي ذرات درشت شن باشد، شن مي‏تواند مقاومت برشي ماسه را به طور مصنوعي افزايش دهد، چراكه معمولاً ارتفاع نمونه كم است (25/4 cm) .بنابراين محدوديت ديگر آزمايش برش مستقيم اندازه ذرات نمونه است.به عنوان مثال ASTM D3080-98 (2000) دو معيار را ارايه نموده است. مورد اول اينكه قطر نمونه بايد حداقل10 برابر قطر بزرگترين دانه خاك باشد. معيار دوم اينكه ارتفاع نمونه بايد حداقل 6 برابر بزرگترين دانه خاك باشد. بنابراين براي نمونه‌هاي معمولي كه قطري معادل 63/5mm و ارتفاع 25/4mm دارند، بر اساس معيار اول حداكثر قطر ذرات مي‏تواند6/35mm و بر اساس معيار دوم معادل 4/2mm باشد. اين بدان معني است كه براي نمونه اي با قطر 63/2mm و ارتفاع 25/4mm، خاك نبايد حاوي ذرات به اندازه شن باشد. با وجود اين محدوديت‏ها، دستگاه برش مستقيم معمولاً مقادير زاويه اصطكاك مؤثري با دقت مناسب به دست مي‌دهد. اجراي اين آزمايش نسبتاً ساده و سريع است كه مهمترين دليل براي عموميت اين آزمايش مي‏باشد.