آزمایش برش مستقیم خاک

آزمایش برش مستقیم خاک یکی از قدیمی ترین آزمایش های تعیین مقاومت برشی خاک های تحکیم شده چسبنده است. در ازمایش برش مستقیم خاک ، تنش های وارد بر سطحی که در آن گسیختگی رخ می دهد، در سراسر آزمایش خاک مستقیما کنترل می شود.

مقاومت برشی خاک یکی از پارامترهای مهم در طراحی های ژئوتکنیکی است که در تحلیل مسائلی مانند محاسبه فشار جانبی خاک ، ظرفیت باربری پی ها، پایداری شیب ها، سدهای خاکی و دیگر مسائل ژئوتکنیکی به کار می رود. آزمایش برش مستقیم خاک به علت کاربرد فراوان در درک رفتار مکانیکی خاک بسیار مورد توجه است.

ابزار آزمایش برش مستقیم خاک اولین بار توسط Prakash در سال 1976 ابداع شد. مبنای این آزمایش مشابه آزمایش برش مستقیم آزمایشگاهی می باشد که به منظور نزدیکی بیشتر به شرایط واقعی بصورت برجا انجام می شود. در تست برش ضمن اعمال بار قائم برصفحه واقع بر روی سطح خاک یا سنگ، بار افقی ایجاد برش می کند.

هزینه آزمایش برش مستقیم خاک

هزینه آزمایش خاک برش مستقیم مقرون بصرفه است. ازمایش برش مستقیم خاک علی رغم محدودیت هایی که بیان خواهد شد، به سبب ساده بودن اجرا و کم هزینه بودن تست ، جهت تعیین مقاومت برشی خاک در محل، بسیار پرکاربرد است.

کاربرد آزمایش برش مستقیم برجا 

با توجه به گسترش روزافزون ساخت و ساز و انجام پروژه های عمرانی مختلف، شناخت ویژگی های ژئوتکنیکی آبرفت های درشت دانه در بسیاری از مناطق، لازم می باشد. از طرفی انجام برخی از آزمایش های برجای متداول نظیر SPT وCPT در این مصالح کاربرد ندارد. همچنین وجود قطعات درشت در جداره گمانه های حفر شده، باعث تفاوت بین رفتار واقعی توده خاک و مقادیر اندازه گیره شده در ازمایش خاک دقیقی مثل پرسیومتری و ایجاد پارگی پروب و آسیب به دستگاه برش می گردد. لذا انجام آزمایش هایی نظیر آزمایش برش مستقیم خاک برای استخراج پارامترهای مهندسی خاک (چسبندگی و زاویه اصطکاک داخلی) مناسب است.

آزمایش برش مستقیم خاک به منظور تعیین مقاومت برشی خاک ها در یک سطح گسیختگی از پیش تعیین شده، انجام می شود. همچنین از این تست خاک جهت تعیین زاویه اصطکاک مقاومت برشی زهکشی نشده و خواص انقباضی و انبساطی خاک ها استفاده می شود.

ازمایش برش مستقیم خاک می تواند در خاک های درشت دانه و خاک های ریزدانه مورد استفاده قرار گیرد. همچنین نتایج این تست جهت تحلیل پایداری پی ها، شیب های خاکی و دیوار های نگهدارنده، قابل استناد است.

دستگاه برش مستقیم

دستگاه برش مستقیم ، از یک قوطی که در جهت افقی به دو قسمت تقسیم شده، تشکیل شده است، به طوری که قسمت پایین به طور ثابت به پایه دستگاه اتصال یافته و بدون حرکت می باشد. در حالی که قسمت بالایی قوطی دستگاه برش مستقیم ، آزاد بوده و می تواند در هر دو جهت افقی و قائم حرکت کند که مقدار حرکت را می توان به وسیله گیج ، اندازه گیری نمود.

روش انجام آزمایش برش مستقیم خاک 

برای انجام آزمایش برش مستقیم خاک ابتدا چاله ای حفر شده و بلوکی متناسب با ابعاد جعبه برش ایجاد می گردد.

در گام بعدی از آزمایش برش مستقیم خاک ، قالب جعبه برش در داخل گمانه و به دور بلوک ایجاد شده، بسته می شود. سپس مابین دو نیمه جعبه برش با یک لایه نازک گریس پوشانده شده و به وسیله میخ های مخصوص بر روی هم ثابت می گردد تا هیچ جابه جایی و لغزشی بین آن ها صورت نگیرد.

سپس با دقت، صفحه سربار که مجهز به سنگ متخلخل می باشد، بر روی نمونه گذاشته شده و قاب مخصوص بارگذاری قائم بر روی آن قرار داده می شود. معمولا حد فاصل قاب و صفحه سربار یک گلوله فلزی قرار می گیرد و یا این که مستقیما قاب در شیار صفحه سربار جای داده می شود. سپس بارگذاری قائم به وسیله سیستم سکو غلتکی آغاز می گردد.

در گام بعدی از آزمایش برش مستقیم خاک ، گیج مخصوص اندازه گیری نشست قائم نمونه، بر روی صفحه سربار نصب شده و نیروی قائم با توجه به شرایط و با افزودن وزنه های مناسب بر روی قاب بارگذاری ، اعمال می گردد.

در نهایت نمونه آماده برای اعمال برش است. سپس نیروی برش به صورت افقی و به وسیله موتور الکتریکی با دور معینی اعمال می شود. این نیرو به وسیله حلقه نیرو سنج و جابه جایی به وسیله گیج تغییر شکل افقی، اندازه گیری می شود.

لازم به ذکر است قرائت های تغییر شکل سنج صفحه ای قائم و حلقه اندازه گیر باید برای ۰.۰۲ میلی متر جابجایی افقی، اندازه گیری شوند.

اگر سیستم کنترل کامپیوتری جهت پردازش داده های ازمایش برش مستقیم خاک در دسترس باشد، این قرائت ها می تواند به صورت اتوماتیک انجام شود. دقت شود بارگذاری آنقدر ادامه می یابد تا این که نیروی برش ثابت بماند.

خطا های آزمایش برش مستقیم برجا

در آزمایش برش در صورت انجام آزمایش بر روی خاک های غیر چسبنده، از آن جایی که در این خاک ها به علت وجود خاصیت جذب سطحی بین آب و دانه های خاک ، مقداری چسبندگی کاذب به وجود می آید که اگر این چسبندگی بین 0.1 تا 0.2 باشد، از آن صرفنظر می شود، اما اگر مقدار آن بیشتر باشد و از آن صرفنظر شود، نتایج آزمایش برش مستقیم خاک ، با خطا مواجه می گردد.

همچنین از سایر عواملی که ممکن است نتایج آزمایش برش مستقیم خاک را با خطا همراه سازد، می توان به موارد ذیل اشاره نمود:

• گیج های اندازه گیری نیرو و تغییر شکل ، به درستی تنظیم نشده باشند.
• عمل زهکشی به درستی صورت نگیرد.
• سرعت دستگاه برش مستقیم متناسب با خاک ، تنظیم نشده باشد.
• در قرائت گیج ها اشتباه رخ دهد.

معایب ازمایش برش مستقیم خاک

در آزمایش برش مستقیم خاک ، صفحه گسیختگی در طول یک صفحه از پیش تعیین شده، تحمیل می شود و وضعیت تنش در مرزهای عمودی مشخص نیست.

از طرفی در ازمایش برش مستقیم خاک توزیع تنش برشی بر روی صفحه گسیختگی، یکنواخت نیست و گسیختگی از کناره ها به سمت مرکز به وجود می آید.

همچنین نتایج تست برش مستقیم برجا برای نمونه خاک در حالت اشباع کامل، قابل استناد و اعتبار نبوده و در این تست ، استهلاک اضافه فشار آب حفره ای لحاظ نمی گردد.

همچنین در آزمایش برش مستقیم برجا ، شرایط زهکشی نمونه خاک غیر قابل کنترل است، به عبارت دیگر صرفا تنش کل تعیین می شود. از طرفی سطح تحت برش و بار های قائم نیز در طول تست ، ثابت باقی نمی ماند.

مزایا ازمایش برش مستقیم خاک

از مزایای آزمایش برش مستقیم خاک می توان به این مورد اشاره کرد که این تست ، ساده بوده و آماده کردن آن آسان است. از طرفی آزمایش برش ساده ترین و اقتصادی ترین آزمایش اندازه گیری مقاومت برشی برای خاک های ماسه ای خشک و اشباع است.

گزارش کار آزمایش برش مستقیم خاک

موارد ذیل لازم است در گزارشکار آزمایش برش مستقیم خاک درج و محاسبه گردد:

• قرائت نیروی برشی از روی گیج
• قرائت تغییر مکان افقی از روی گیج
• قرائت تغییر مکان قائم از روی گیج
• مقدار (kg/cm2) σ
• مقدار T (kg/cm2)
• منابع خطا