آزمایش سه محوری یکی از دقیقترین و متداول ترین روش های اندازه گیری پارامتر های مکانیکی مواد و اجسام شکل پذیر نظیر خاک، سنگ و شن و ماسه است. جالب است بدانید یکی از پرکاربردترین دستگاه های مهندسی ژئوتکنیک دستگاه برش سه محوری است که در مطالعات آزمایشگاهی کاربرد فراوان دارد. با استفاده از دستگاه سه محوری و شبیه سازی شرایط تنش در اعماق زمین بر روی نمونه (سنگ، خاک و شن و ماسه) می توان مقاومت برشی، سختی برشی و سایر پارامتر های مکانیکی و دینامیکی خاک را تعیین کرد.
یکی از بهترین روش های تعیین پارامترهای مقاومت برشی خاک نیز، آزمایش سه محوری خاک می‌باشد که نسبت به روش های دیگر اندازه گیری مقاومت مانند آزمایش برش مستقیم، روشی قابل اعتماد و پیچیده تر می‌باشد. باید این نکته را ذکر کرد که هدف از انجام این آزمایش استخراج داده ها و پیش بینی رفتار مواد یعنی پایداری یا ناپایداری شیب های سنگی و خاکی، با استفاده از مدلهای کامپیوتری در فضای واقعی مهندسی می باشد.
شرح آزمایش سه محوری خاک
ابتدا این آزمایش ، روش و چگونگی انجام و انواع برش سه محوری را توضیح می دهیم. قابل ذکر است که جهت انجام آزمایش سه محوری خاک، می بایست قالبی از جنس لاتکس و به شکل استوانه را با نمونه خاک پر کرد و صفحات دایره ای فلزی را در هر دو انتهای استوانه گذاشت. استوانه با هدف اعمال فشار جانبی به هر دوطرف نمونه خاک، در محفظه ای حاوی سیال هیدرولیکی قرار می گیرد. جهت اعمال فشار تنشی به نمونه، صفحه بالایی در راستای استوانه به بالا و پایین حرکت می‌کند که میزان این جابجایی با در نظر گرفتن نیروی مورد نیاز برای حرکت دادن صفحه اندازه‌گیری خواهدشد؛
باید توجه کرد که کنترل میزان فشار سیال نیز در همین حین انجام می گیرد. نکته قابل ذکر دیگر این است که در طول انجام آزمایش سه محوری ، با کنترل و اندازه‌گیری میزان ورودی و یا خروجی سیال به محفظه نیز می توان تغییرات حجم نمونه خاک را به دست آورد. باید دقت داشت اگر نمونه به صورت اشباع شده باشد، با توجه به میزان ورودی و خروجی سیال به منافذ، میتوان میزان تغییرات حجم نمونه را اندازه‌گیری کرد.
از نکات دیگر قابل ذکر در خصوص اجرای آزمایش سه محوری:
- غشا لاستیکی باید حتما عاری از هرگونه آسیبی یا سوراخ باشد.
- باید توجه داشت که نمونه خاک مورد آزمایش بایستی فاقد هرگونه ترک و یا شکستگی باشد.
- قطر نمونه نیز بر اساس قطر بزرگترین دانه انتخاب می گردد.
- فشار منفذی سیال دربرگیرنده را هنگام انجام آزمایش میتوان با «دستگاه فشار منفذی بیشاپ» اندازه گیری نمود.
- آزمایش سه محوری هنگامی به پایان می‌رسد نیرو حالت کاهشی به خود می‌گیرد.
- نوع دیگر اتمام آزمایش سه محوری زمانی است که نمونه تا حدود بیست درصد کرنش را تجربه کرده است.
تست برش سه محوری چگونه انجام می‌شود؟
در فرآیند آزمایش سه محوری خاک، با قرار دادن نمونه (خاک، سنگ، شن و ماسه) ما بین دو صفحه فلزی و اعمال فشار عمودی بر صفحات موازی فلزی و پس از آن اعمال فشار جانبی با استفاده از آب انجام می شود. اعمال تنش فشاری باعث به وجود آمدن و گسترش تنش برشی در داخل نمونه می‌شود. دستگاههای انجام آزمایش‌های سه محوری قابلیت بررسی تغییر شکل و افزایش بارگذاری تا لحظه شکست نمونه را دارا هستند؛ باید توجه کرد میزان فشار آب (سیال دربرگیرنده) و تنش اعمال شده بر صفحات فلزی موازی که نمونه مابین آنها قرار گرفته تا زمان شکست و به وجود آمدن ناحیه لغزش در نمونه افزایش داده می‌شود. ناحیه لغزش در نمونه را «خطوط برش» می‌نامند.
دقت کنید که در مراحل پایانی آزمایش ، در نمونه شاهد کاهش ارتفاع و ایجاد برآمدگی در کناره ها هستیم. در این مرحله با کاهش تنش فشاری صفحات و افزایش تنش فشاری سیال دربرگیرنده، افزایش مجدد ارتفاع نمونه را شاهد خواهیم بود. نکته قابل توجه دیگر این است که جهت گردآوری اطلاعات دقیق در خصوص تنش و کرنش، چرخه بارگذاری به دفعات تکرار می‌شود.
اطلاعات حاصل از انجام آزمایش سه محوری بر روی نمونه‌های مواد و اجسام شکل‌پذیر (خاک، سنگ، شن و ماسه) جهت تعیین خواصی نظیر چسبندگی ظاهری و زاویه اتساع مواد مختلف و زاویه مقاومت برشی (زاویه اصطکاک) مورد استفاده قرار می‌گیرد. با استفاده از این داده‌ها میتوان رفتار مواد را در دنیای واقعی مهندسی و با استفاده از مدلهای کامپیوتری پیش‌بینی کرد.
فهرست استانداردهای آزمایش سه محوری
مطابق اکثر تست ها و مطالعات ژئوتکنیکی ، استانداردهای مرجع برای این فرآیند نیز وجود دارد. به منظور اجرای آزمایش سه محوری برخی استانداردها و معیارها توسط انجمن مواد و آزمون آمریکا به نام ASTM ، سازمان بین المللی استانداردسازی ISO و یا استاندارد BS بریتانیا باید در نظر گرفته شوند. فهرست برخی از مهم ترین استانداردهای مربوط به این تست را مشاهده می نمایید.
ASTM D7181-11 ، ASTM D4767-11 ، ASTM D2850-03a ، BS 1377-8 ، ISO/TS 17892-8 ، ISO/TS 17892 مهم ترین موارد این فهرست هستند.
استاندارد آزمایش فشار سه محوری تحکیم یافته زهکشی و تحکیم نیافاته زهکشی شده و تحکیم نیفته زهکشی نشده ، برای خاک های چسبنده سه مورد مهم قابل ذکر هستند.
همچنین سه محوری تحکیم نیافته زهکشی نشده ، خاک های اشباع با آب ، آزمایش فشاری برای تعیین مقاومت برشی یا تنش موثر از جمله استانداردهای تعیین شده در این تست می باشند.
انواع آزمایش سه محوری خاک
همانطور که گفته شد، در آزمایش سه محوری خاک، نمونه در غشای پلاستیکی (قالب استوانه‌ای) قرار داده می‌شود و سپس در محفظه‌ای محصور در سیال (آب یا گلیسیرین) قرار گرفته و تنش‌های همه جانبه به آن وارد می‌شود. آزمایش سه محوری خاک با توجه به نوع وضعیت شیر خروجی آب به سه دسته کلی تقسیم می‌شود:
تست UU (آزمایش سه محوری تحکیم نیافته زهکشی نشده)
آزمایش سه محوری UU برای خاکهای دانه درشت کاملا اشباع، قابل استفاده نیست. نکته قابل توجه این است که در تمام مراحل آزمایش UU، شیر زهکشی بسته است. در انجام تست UU سرعت بالای بارگذاری اجازه تحکیم به نمونه را نمی‌دهد؛ نکته قابل ذکر دیگر در خصوص این تست این است که در تست UU، نمونه با کرنش کنترل شده (نرخ ثابت) تحت فشار قرار می‌گیرد.
جهت کسب اطلاعات تخصصی در مورد دانه بندی ، پیشنهاد می کنیم مقاله آزمایش دانه بندی را مطالعه نمایید.
تست CU (آزمایش سه محوری تحکیم یافته زهکشی نشده)
تست CU متداول‌ترین نوع آزمایش سه محوری است. ابتدا نمونه به صورت کامل تحت تنش همه جانبه (در حالی که شیر زهکشی باز است) تحکیم می‌شود؛ در مرحله‌ی بعدی، شیر زهکشی بسته می‌شود به نمونه تنش انحرافی (تا مرحله‌ی گسیختگی نمونه) اعمال می‌شود.
قابل ذکر است که این آزمایش در خصوص خاکهای چسبنده‌ای که پیش از این بر اثر تحمل بار دائمی تحکیم پیدا کرده‌اند استفاده می‌شود. در تست CU با اندازه‌گیری فشارهای منفذی میتوان به میزان تقریبی مقاومت CD دست یافت.
تست CD (آزمایش سه محوری تحکیم یافته زهکشی شده)
در این تست در تمام مراحل شیر زهکشی باز است؛ در مرحله اول نمونه با تنش همه جانبه و شیر زهکشی باز تحکیم شده و سپس تحت فشار انحرافی به مرحله گسیختگی می‌رسد. باید توجه کرد که حفظ آرامش در اعمال نیرو به نمونه در این مرحله، جهت جلوگیری از ایجاد فشار آب حفره‌ای در نمونه امری مهم است؛ مقاومت برشی هر خاک وابسته به میزان فشار آب حفره‌ای ایجاد شده در حین انجام تست است.
طبق تجارب بدست آمده می توان گفت که مدت زمان انجام آزمایش سه محوری خاک، بسته به میزان نفوذپذیری خاک، متغیر است. هرچه اندازه دانه خاک درشت‌تر باشد میزان زاویه اصطکاک داخلی (فی) افزایش پیدا می‌کند. در خاکهای رس بر خلاف خاکهای ماسه‌ای (که آزمایش سریع انجام می‌شود) آزمایش ممکن است تا چندین روز به طول انجامد، زیرا این نوع خاکها ضریب گذر دهی کمی برای آب دارند.
تست مقاومت فشاری محصور نشده
گاها به منظور تست و بررسی نمونه های با چسبندگی بالا ، آزمایشی تحت عنوان مقاومت فشاری محصور نشده مورد استفاده قرار می گیرد که تحت عناوین دیگری همچون فشاری ساده یا تک محوری نیز شناخته می شود. نسبت به انواع دیگر این تست ، از دستگاهی ساده تر برای این فرآیند استفاده می کنند و نمونه هیچ نوع فشار جانبی را تحمل نخواهد کرد. با تمام این اوصاف ، این روش فقط برای نمونه خاکهایی کاربرد دارد که در معرض هوا خرد نشوند. درحقیقت این تست شباهت زیادی با تست بتن جهت تعیین مقاومت فشاری بتن دارد با این تفاوت که ساده تر و دستگاه ها و نمونه های کوچکتر و ضعیفتری استفاده می شود.
آزمایش سه محوری واقعی
جهت کنترل مجزای تنش های وارده به خاک در سه جهت ، می توان از تست سه محوری واقعی استفاده نمود. این آزمایش با کنترل تنش در جهت های مختل ، قابلیت آنالیز مسیر تنش را فراهم می نماید. درحالیکه در دستگاه تست سه محوری متقارن این امر امکانپذیر نیست.
ازمایش سه محوری واقعی به منظور مطالعه خاک های ناهمسانگرد و بررسی رفتار شن و ماسه سیمانی کاربرد فراوانی دارد.
در آزمایش سه محوری واقعی، نمونه به شکل مکعبی درآورده می شود و از طریق ۶ صفحه نیرو و فشار بیرونی به خاک اعمال می شود. با این شرایط و به دلیل پیچیدگی هایی که دستگاه سه محوری واقعی دارد ، کمتر از این روش در مطالعات ژئوتکنیک و پروژه های صنعتی استفاده می شود.
آزمایش سه محوری خاک در وضعیت انتها آزاد
برای رفع مشکل ناشی از استفاده از دستگاه های معمولی که یکنواختی اعمل تنش و کرنش در خاک در محدوده کرنش های بزرگ را به دنبال دارد و صفحات تاثیر زیادی در شکستگی نمونه دارند یک دستگاه مدرن و توسعه یافته ، برای انجام آزمایش سه محوری طراحی شده است. که توسط لارس بو ایبسن ارتقا یافته و به دستگاه آزمایش سه محوری دانمارکی شناخته می شود و به دلیل عملکرد بهتر ، دوام بیشتر نمونه و سازگاری با تغییر شکل های بزرگ ، محبوبیت این دستگاه را افزایش داده است. دستگاه دانمارکی که آزمایش سه محوری را بصورت انتها آزاد اجرا می کند برای تست تمام انواع خاکها کاربرد دارد.
اگرچه هر دو نوع دستگاه براساس قواعد یکسانی مانند ارتفاع نمونه تا اندازه قطر کاهش یافته و اصطکاک حذف شده، پیش می روند ، اما تفاوت های زیادی در نوع اجرا و نتایج بدست آمده مشاهده می شود.
در دستگاه معمولی، سطوح بالا و پایین از فیلتر متخلخل ساخته شده اند. اما در در انتها آزاد ، صفحات شیشه ای نرم و صیقلی به همراه یک فیلتر کوچک تعبیه شده اند.
هدف از انجام آزمایش سه محوری خاک چیست؟
همانطور که پیش از این اشاره شد، اطلاعات حاصل از انجام تست سه محوری جهت تعیین خواصی نظیر زاویه مقاومت برشی (زاویه اصطکاک)، چسبندگی ظاهری و زاویه اتساع مواد مختلف (خاک، سنگ، شن و ماسه) مورد استفاده قرار می‌گیرد. هدف از انجام تست سه محوری نیز ، پیش‌بینی رفتار مواد و مصالح در فضای حقیقی مهندسی می‌باشد که جهت رسیدن به این امر، با وارد کردن پارامترهای حاصل از انجام تست به مدلهای کامپیوتری، میتوان به رفتار مواد پی برد.
یکی از نکات فنی قابل ذکر این است که با وارد کردن پارامترهایی نظیر زاویه اصطکاک، چگالی و چسبندگی ماده در نرم‌افزارهایی چون slide امکان مشاهده پایداری یا ناپایداری شیب‌های سنگی و خاکی مهیا می‌شود. بنابراین میتوان گفت در کنار سایر آزمایش‌های مهندسی، آزمایش‌های سه محوری جهت انجام پیش‌بینی‌های مهندسی صورت می‌پذیرد.
تفاوت در انواع تستهای سه محوری
- در تست UU قطر بزرگترین دانه باید کمتر از ۱/۰ قطر نمونه باشد.
- حالت خاصی از آزمایش UU، آزمایش «تک محوری» است.
- در تست UU بر روی خاکهای غیر اشباع، پوش مور به شکل منحنی است.
- در تست UU میزان زاویه اصطکاک داخلی مساوی صفر و در آزمایش سه محوری CU این میزان به ناچیز می‌رسد.
کاربردهای آزمایش سه محوری چیست ؟
آزمایش سه محوری خاک یکی از آزمایش های رایج در آزمایشگاه ژئوتکنیک است. از مزایای این آزمون نسبت به سایر روشهای مورد استفاده در آزمایشگاه ژئوتکنیک برای تعیین مقاومت برشی (مانند برش مستقیم خاک ) این است که می توان آب ورودی و خروجی به نمونه را کنترل کرد و فشار منافذ را اندازه گیری نمود. آزمون سه محوری تعیین پارامترهایی مانند انسجام (c ’) ، زاویه اصطکاک داخلی (φ’) و مقاومت برشی را امکان پذیر می سازد.
از آزمون سه محوری می توان برای تعیین سایر متغیرها مانند سختی و نفوذ پذیری با تجهیزات صحیح نیز استفاده کرد.بصورت دقیق برخی از مهم ترین کاربردهای این تست را توضیح می دهیم که هم در مطالعات دانشگاهی و هم پروژه های صنعتی دید درستی به مهندسین خواهد داد.
استخراج ویژگی های خاک
استخراج و بدست آوردن ویژگی های خاک بخ ویژه در پروژه های ساختمانی اهمیت زیادی دارد. آزمایش سه محوری چنین امکانی را به ما می دهد. برای این منظور با استفاده از یک قالب استوانه ای از جنس لاتکس ، خاک را به حالت ستونی در می آوریم و سر و ته استوانه را با درپوش فلزی می بندیم و استوانه درون یک سیال هیدرولیکی جهت اعمال فشار قرار داده می شود و صفحه بالایی به سمت بالا یا پایین حرکت خواهد کرد که همین امر امکان اعمال تنش فشاری بر خاک را فراهم می کند.
مقدار جا به جا شدن صفحه بالای استوانه ، با در نظر گرفتن نیروی لازم برای به حرکت درآوردن آن اندازه گیری می گردد. در حین این فرآیند، میزان فشار جانبی وارده از سمت سیال به نمونه کنترل خواهد شد. میزان تغییرات حجم براساس مقدار آب ورودی یا خروجی به استوانه که از طریق منافذ موجود روی آن ایجاد می شود ، نیز قابل محسابه خواهد بود.
محاسبه خواص سنگ
کاربردهای آزمایش سه محوری به خاک محدود نمی شود و می توان برای محسابه رفتار و ویژگی های سنگ نیز از آن استفاده نمود. البته باتوجه به مقاومت بالای سنگ ، نوع انجام این فرآیند و برخی از ابزاری که به کار می رود متفاوت اس. برای مثال به جای استوانه لاتکسی از ورق فلزی استفاده می شود. به همین دلیل این آزمایش به ندرت برای سنگ ها استفاده می شود.
آنالیز پایداری شیب با نرم افزار
خروجی های بدست آمده از آزمایش سه محوری خاک ، به منظور مشخص کردن برخی خواص مانند زاویه مقاومت برشی و یا چسبندگی ظاهری کاربرد دارد که با استفاده از آنها و مدلسازی نرم افزاری ، پیش بینی رفتار مواد در محاسبات مهندسی میسر می گردد. پس از بدست آوردن زاویه اصطکاک و چگالی و چسبندگی می توان شیب خاک ، پایداری یا ناپایداری را محاسبه نمود.
تعیین میزان فشردگی خاک
یکی دیگر از کاربردهای آزمایش سه محوری ، تعیین میزان فشردگی نمونه است. در حین برش ، امکان افزایش یا کاهش حجم نمونه مورد مطالعه وجود دارد. درصورتی که افزایش حجم را مشاهده کنیم به آن اتساع پذیری و درصورت کاهش حجم با پدیده فشردگی روبرو خواهیم بود.
محاسبه تنش موثر خاک
تنش موثر که با استفاده از تنش کل و فشار منفذی بدست می آید با قراردادن سطحی متخلخل بر روی یکی از سطوح بالایی یا پایینی و اندازه گیری فشار سیال در هنگام اجرای تست ، منتج خواهد شد. این پارامتر نیز جز مقادیر مهم بدست آمده از نتایج برش سه محوری می باشد.
محاسبه مقاومت برشی
کاربردهای دیگر آزمایش سه محوری خاک ، محاسبه مقاومت برشی است. شکستگی در ساختار خاک مورد مطالعه ، بر اثر تنش های برشی اتفاق می افتد. در صورت وجود ناپیوستگی ، اگر راستای ناپیوستگی با راستای انتشار تنش برشی موازی باشد ، شکست نمونه مورد مطالعه رخ می دهد که قابلیت محاسبه مقاومت برش ناپیوستگی ها را به ما می دهد.
آزمایش سه محوری سیکلی (دینامیکی) چیست؟
همچنین قابل ذکر است که در بررسی رفتار خاک، شرایط بارگذرای به دو بخش اصلی تقسیم می‌شود:
۱-بارهای استاتیکی
۲-بارهای دینامیکی: در بخش دینامیکی بر اساس بارهای سیکلی یا دینامیکی (مانند زلزله) رفتار سازه مورد بررسی قرار می گیرد که تعیین آن توسط دستگاههای سه محوری دینامیکی صورت می پذیرد.
در آزمایش سه محوری دینامیکی با کنترل تنش، مطالعات روانگرایی روی خاکهای دانه ای اشباع صورت می پذیرد. تست سیکلیک در موارد بارگذاری مکرر جهت تحلیل روانگرایی خاکها و یا تعیین مدول ارتجاعی خاک ها مورد استفاده قرار خواهد گرفت.
نکته قابل ذکر در خصوص دستگاه های انجام تست سه محوری سیکلی این است که این تجهیزات با قابلیت تنظیم اعمال نیروی وارده و امکان انجام تستهای مربوطه بر روی نمونه هایی با قطر متغیر، امکان انجام تست به صورت زهکشی و زهکشی نشده، شرایط اعمال بارهای سیکلی یا دینامیکی، امکان اعمال مسیر تنش‌های متفاوت و امکان «تنش کنترل» از طریق کنترل بارگذاری مونوتونیک و سیکلی را دارا هستند. در پایان ، نتایج تست سه محوری سیکلی را میتوان بر اساس دوایر تنش موهر کولمب به جهت مشخص کردن پارامترهای مقاومتی ارائه کرد.