برش مستقیم خاک، آزمایشی دقیق است که در تحقیقات مهندسی ژئوتکنیک با هدف تعیین مقاومت برشی خاک با دقت بالا انجام می‌شود و حداکثر مقاومت خاک در هنگام قرارگرفتن در برابر برش را اندازه گیری می‌کند. در واقع، تست برش مستقیم یکی از رایج ترین و ساده ترین آزمایش ها برای استخراج مقاومت خاک است و می تواند بر روی نمونه و تیپ های مختلفی از خاک انجام شود.

در مکانیک خاک ، مقاومت برشی را می توان با استفاده از معیار شکست Mohr-Coulomb (M-C) ارزیابی کرد.
طبق معیار M-C فرض می شود که مقاومت برشی به سه عامل بستگی دارد:
– تنش موثر طبیعی (σn)
– زاویه اصطکاک داخلی (φ)
– چسبندگی  (c)

که معادله زیر ارتباط میان این فاکتورها را نشان می دهد.
(T=c+ σn*tan(φ
به طور معمول، خاک های دانه ای غیر چسبنده در نظر گرفته می شوند. برعکس، خاک های رسی وقتی بیش تحکیم یافته شوند یا تحت فشار قرار بگیرند چسبنده می‌شوند.
علاوه بر برش مستقیم خاک، یکی دیگر از تست های مهم ژئوتکینک، برش محوری است.

دستگاه و تجهیزات آزمایش برش مستقیم خاک

تجهیزات این آزمایش شامل دستگاه های برشی مستقیم هستند که از استانداردهای آزمون ASTM D3080 و AASHTO T 236 برخوردارند. که به چند نوع تقسیم می شوند.
معمولا دستگاه های برش مستقیم پنوماتیک با استفاده از فشار پنوماتیک برای اعمال بارهای عمودی از ۴-۱۰۰ پوند (۰٫۰۱۸ تا ۰٫۴۴ کیلو نیوتن) تا حداکثر ۱۵۰۰ پوند (۶٫۶۷ کیلو نیوتن) استفاده می شوند.
دستگاه برش مستقیم سبک وزن ، جمع و جور هستند و برای تست مقاومت در یک محیط آزمایشگاهی ساخته شده است. این دستگاه از یک دستگاه مکانیکی ۱۰: ۱ و وزنه های دستی برای اعمال بارهای عمودی استفاده می کند.

نوع دیگری از این دستگاه ها مقاومت کل را در برابر نیروهای برشی افقی خاک در ۱۲ مربع (۳۰۵ میلی متر) اندازه گیری می کند و بارهای تا ۴۵ یا ۹۰ کیلو نیوتن (۱۰،۰۰۰ یا ۲۰،۰۰۰lbf) را بر نمونه اعمال می کنند.
تمامی دستگاه ها در آزمایش برش مستقیم خاک بطور کلی از جعبه برش ، سنگ متخلخل ، برش دهنده و اجزای دیگری که در تصویر می بینید تشکیل شده اند.

روش انجام آزمایش برش مستقیم

نمونه خاک در دستگاهی معروف به جعبه برش قرار می گیرد که شامل دو صفحه فلزی ، دو سنگ متخلخل ، دو پیچ ، یک دیسک چسبنده و یک کلاهک است که در آن تنش طبیعی اعمال می شود. جعبه برش ، که ممکن است دایره ای یا مربع شکل باشد ، کرنش افقی نمونه را محدود می کند و در عین حال امکان برش در صفحه افقی محل اتصال دو صفحه فلزی را فراهم می کند.

سپس جعبه در دستگاه برش قرار می گیرد. در ابتدا با استفاده از وزن اهرمی یا از طریق سیستم پنوماتیک ، فشار طبیعی عادی در بالای نمونه اعمال می شود. این مرحله به عنوان مرحله تحکیم شناخته می شود و به روشی مانند آزمایش نشست خاک انجام می شود. در این مرحله صفحات فلزی بهم پیچ می شوند.

قبل از شروع مرحله برش ، صفحه فلزی کمی بالا می آید تا از جداسازی دو نیمه دستگاه اطمینان حاصل شود و اطمینان حاصل شود که بارهای طبیعی و برشی فقط در نمونه اعمال و منتقل می شوند.

مرحله اعمال تنش برشی

پس از آن ، یک تنش برشی در امتداد صفحه افقی اعمال می شود تا زمانی که نمونه شکسته و تخریب شود. دستگاه برش یک نرخ جابجایی ثابت با ۵ درصد دقت را اعمال می کند. این میزان به مشخصات خاک بستگی دارد و باید نسبتاً کم باشد تا از ایجاد فشار منفذی در نتیجه ایجاد زهکشی کافی جلوگیری کند که توسط موتور و مجموعه جعبه دنده دستگاه کنترل می شود.
تغییر شکل عمودی و افقی از طریق صفحه نمایشگر دستگاه برش مستقیم خاک مشخص می شود.
دستگاه برش مجهز به سنسورهایی برای اندازه گیری فشار منافذ در حین انجام آزمایش نیست. بنابراین ، بسیار مهم است که نمونه قبل از شروع برش اشباع شود و فرآیند نشست یا فشرده سازی کاملا انجام شود. در غیر این صورت ، اگر فشار آب منافذ در طول آزمایش افزایش یابد ، مقاومت برشی نمونه ناچیز یا کمتر از حد طبیعی خواهد بود.
خطاهای متداولی که در حین آزمایش برش مستقیم خاک رخ می دهد شامل دستخوردگی نمونه قبل از تست ، عدم فشرده سازی کامل آن یا انتخاب نرخ برشی بسیار بالا ، می باشد.
دستخوردگی یا اختلال معمولاً بر ساختار نمونه تأثیر می گذارد و مقاومت آن را کاهش می دهد. بنابراین ، نتایج آزمون نمایانگر رفتار واقعی خاک نیست.
همچنین مطالبق عدم فشرده سازی کامل ، نرخ برش بیشتر منجر به افزایش فشار آب منفذی ، کاهش برش موثر و در نتیجه مقاومت پایین می شود.

خلاصه مراحل برش مستقیم خاک

روش آزمایش را می توان در مراحل زیر خلاصه کرد:

• در آغاز تست برش مستقیم ، وزن اولیه خاک را محاسبه کنید
• ارتفاع و قطر جعبه برش را اندازه بگیرید
• جعبه برش را در داخل دستگاه قرار دهید
• با بستن ۲ پیچ قسمت پایین ، جعبه برش را تثبیت کنید
• جعبه برش را جمع کنید (سنگ متخلخل و دیسک چسبنده را کنار هم قرار دهید)
• نمونه را درون جعبه قرار داده و یک کاغذ صافی ، یک سنگ متخلخل و کلاهک را در بالای آن قرار دهید
• برای بدست آوردن جرم نمونه ، وزن خاک باقیمانده را بدست آورید.
• نیروی برشی را حذف کنید
• اعداد نتایج بدست آوده را صفر کنید (افقی ، عمودی)
• بار عمودی را اعمال نمایید
• جابجایی عمودی را طبق نشست اندازه گیری کنید
• نرخ انتخاب شده را در دستگاه برش تنظیم کنید
• مرحله برش را شروع کنید
• بررسی و ثبت نتایج برش مستقیم خاک ، را بسته به میزان برش از ابتدا  تا اوج گیری و افت فشار برش یا تا زمانی که تغییر شکل افقی به ۱۰-۱۵٪ قطر اولیه برسد ، انجام دهید.

تحلیل نتایج آزمایش برش مستقیم خاک

در مرحله اول ، تراکم نمونه خاک از تقسیم جرم بر حجم آن حاصل می شود (که مربوط به حجم نمونه اندازه گیری شده در داخل جعبه برشی است):

نمونه در صفحه افقی از پیش تعیین شده ای که به ابعاد جعبه برشی بستگی دارد ، شکسته می شود. بنابراین ، حد اولیه آن شناخته شده است. با ادامه برش مستقیم خاک ، سطح برش تغییر می کند و مربوط به تقاطع پایین و قسمت بالای جعبه برش است. منطقه نمونه برای یک نمونه دایره ای در هر نقطه داده شده در طول آزمون را می توان با استفاده از فرمول زیر محاسبه کرد:

جایی که AC ناحیه اصلاح شده باشد ، Ai ناحیه اولیه ، δh جابجایی افقی و D قطر جعبه برشی است.
تنشهای نرمال و برشی اعمال شده به شرح زیر محاسبه می شود:

FV نیروی عمودی است ، FH تنش افقی است و AC سطح مقطع است.
مقاومت برشی خاک به عنوان نقطه ای با بیشترین تنش افق ثبت شده ، در آزمایش برش مستقیم خاک تعریف می شود.

ترسیم نمودار نتایج

پس از هر آزمایش ، نمودار تنش برشی افقی در مقابل جابجایی برشی رسم می شود. بسته به تراکم خاک ، یک رفتار متفاوت از نظر مقاومت برشی – کرنش ارائه می شود. نمونه های ماسه ای متراکم یا خاک رس بیش  تحکیم یافته تمایل دارند حداکثر تنش برشی را بدست آورند که متعاقباً به مقدار ثابتی برسد که به عنوان مقاومت پسماند شناخته می شود. هنگامی که یک ماسه نرم یا یک نمونه رس معمولی تحت آزمایش مستقیم برش قرار می گیرد ، مقاومت اوج و حد نهایی مقاومت با مقاومت پسماند همخوانی دارد.

پس از رسم نمودار تنش برشی در مقایسه با نمودار کرنش برشی بر روی یک نمونه شن و ماسه متراکم و سست به خوبی می توانید تفاوت را مشاهده کنید.

از نظر کرنش عمودی (مربوط به کرنش حجمی) ، یک نمونه متراکم از فشرده سازی (در مرحله برش اولیه) نوسان و انتقال مقاومتی را تجربه می کند در حالی که یک نمونه نرم و غیر فشرده دائماً در افزایش فشار را نشان می دهد.

پس از انجام حداقل ۳ تست در تنشهای مختلف طبیعی ، حداکثر تنشهای برشی حاصل از هر یک در مقابل تنشهای طبیعی رسم شده و بهترین نمودار ، شکست بهینه Mohr-Coulomb را تعیین می کند.

استاندارد آزمایش برش مستقیم

این آزمایشات در آیین نامه های مختلف با اندکی تغییر در جزئیات به صورت یکسان انجام گرفته و تحلیل می شود. یکی از دقیق ترین و کامل ترین مراجع انجام این این آزمایش آیین نامه  Standard ASTM D3080/D3080M-11 با عنوان Test Method for Direct Shear Test of Soils Under Consolidated Drained Conditions  می باشد.

این آزمایش تعیین مقاومت برشی تخلیه شده یکپارچه از یک نمونه از خاک را تحت شرایط مرزی و برش مستقیم را بدست می آورد. نمونه با سرعت کنترل شده تحت فشار صفحه برشی و براساس ساختار دستگاه ، در اثر اعمال تنش تغییر شکل می دهد. این تست در گذشته تحت نظارت کمیته D18 خاک و سنگ بود ، این روش آزمون مطابق با بخش ۱۰٫۶٫۳ از مقررات حاکم بر کمیته های فنی ASTM در آوریل ۲۰۲۰ بازنگری شد.

معایب تست برش مستقیم خاک

البته هیچ چیز همیشه مطلق نیست ، در تست های ژئوتکنیک نیز مزایا و معایب متعددی وجود دارد و دو نمونه از ایرادات تست برش مستقیم خاک عبارتند از:

• با توجه به ماهیت دستگاه آزمایش برش مستقیم، صحفه شکست خاک در این آزمایش اجباری بوده و می تواند منجربه ایجاد خطا گردد. لذا معمولا نتایج این آزمایش با کمی احتیاط مورد استفاده قرار می گیرد. در مقاصد کاربردی معمولا پارامتر زاویه اصطکاک داخلی معمولا بین یک تا دو درجه کمتر از میزان اندازه گیری شده در آزمایش در نظر گرفته می شود.
• کنترل شرایط زهکشی در این آزمایش امکانپذیر نیست.