آزمایش سه محوری

مقدمه:

همچنانکه در توضیحات آزمایش برش مستقیم گفته شد. این آزمایش هم بر اساس تئوری موهر کلمب قرار دارد با این تفاوت که این آزمایش تشابه بسیار زیادی با رفتار خاک در محل داشته و گسیختگی در ضعیفترین سطح اتفاق می افتد.

در این آزمایش ، فشار همه جانبه نماینده فشار جانبی خاک در محل واقعیتش است و معمولا معادل مقدار تقریبی    انتخاب می شود که   ضریب فشار خاک در حالت سکون ،   وزن مخصوص المان خاک و z  عمق المان در این آزمایش است . در این آزمایش نمونه ای از خاک با مشخصات استاندارد برداشته شده ، یک غشا ظریف و نازک دور آن کشیده می شود و سپس در داخل محفظه استوانه شکلی از جنس پلاستیک یا شیشه که معمولا مملو از آب یا گلیسیرین است ، قرار می گیرد ( البته گاهی نیز از هوا استفاده می شود ) . برای اینکه نمونه تحت برش گسیخته شود ، یک تنش محوری از طریق یک بازوی قائم که برای اعممال بار نصب شده ، به نمونه اعمال می شود . این تنش ، تنش انحرافی نام دارد .به طور کلی آزمایش ها به دو صورت انجام می گیرد :

1 . کنترل تنش ( با اضافه کردن وزنه هایی با گام مساوی تا لحظه گسیختگی نمونه ) .

2 . کنترل کرنش ( اعمال تغییر شکل محوری با سرعت ثابت به وسیبه یک پرس هیدرولیک تا لحظه گسیختگی نمونه ) .

در این روش بار محوری وارده مربوط به یک تغییر شکل محوری مشخص با یکو حلقه یا سلول اندازه گیری نیرو که بر روی بازوی دستگاهنصب شده است ، اندازه گیری می شود .

هدف آزمایش و شماره ASTM :

هدف از این آزمایش به دست آوردن پارامتر های مقاومت برشی خاک است. آزمایش سه محوری نسبت به آزمایش برش مستقیم و تک محوری روش پیچیده تر و قابل اعتمادتری برای تعیین مقاومت برشی خاکها میباشد.

CU: ASTM D 4767-88

UU: ASTM D 2850-87 , AASHTO T 234-90

انتخاب آزمایش سه محوری برای انواع مختلف خاک

نوع آزمایش سه محوری که باید انجام شود ، بستگی به نوع خاک و چگونگی مساله مورد مطالعه دارد . در آزمایشگاههای مکانیک خاک معمولا آزمایشهای زیر صورت می گیرند :

آزمایش CD   بر روی خاکهای دانه ای ( ماسه ها ) برای بررسی رفتار دراز مدت خاکهای چسبنده ، آزمایشهای   UU   و    CU   در شرایط اشباع همراه با اندازه گیری فشار منفذی برای بررسی رفتار خاکهای ریز دانه در شرایط زهکشی نشده و آزمایش UU در شرایط نیمه اشباع جهت بررسی رفتار خاکریز حین ساخت.

آزمایشهای سه محوری بسته به اینکه شیر خروج جریان منفذی باز یا بسته باشد به سه صورت انجام می گیرد:

1 . آزمایش زهکشی نشده که آزمایش تحکیم نیافته زهکشی نشده ، ( وبه طور اختصار ) U  ،   UU و   Q  هم نامیده می شود .

این آزمایش در شرایطی انجام می شود که شیر زهکشی در تمام مراحل بسته است و آزمایش بلافاصله بعد از نصب سلول فشار آغاز می شود . برای خاکهای دانه ای نرم اگر %       باشد ، تفاوت اندکی بین باز یا بسته بودن شیر وجود دارد . این آزمایش برای خاکهای غیر چسبنده با درجه اشباع    %100= S  قابل استفاده نیست .

2 . آزمایش تحکیم یافته زهکشی نشده که  CU  ، R   یا آزمایشسریع تحکیم یافته هم نامیده می شود . این آزمایش بعد از اینکه نمونه تحت فشار محفظه ( ) تحکیم شد ، انجام می شود . برای برخی آزمایشها وسایلی برای نشان دادن توقف تعییرات حجم نمونه ( متوقف شدن جریان آب منفذی ) و نشان دادن پایان عمل تحکیم وجود دارد زیرا اصولا تحکیم ، خصوصا برای خاکهای رسی زمان قابل توجهی می برد . به علاوه تکنیکهایی برای افزایش سزعت زهکشی مانند استفاده از سنگهای متخلخل یا استفاده از کاغذ صافی به کار برده می شوند . وقتی تحکیم پایان یافت ، شیر زهکشی بسته می شود و تنش انحرافی اعمال می شود تا  نمونهئ گسیخته شود . قسمت آخر آزمایش مانند آزمایش تحکیم نشده زهکشی نشده است .

3 .آزمایش تحکیم یافته زهکشی که اختصارا   CD  و  S نیز نامیده می شود . در این آ زمایش شیر زهکشی در تمام طول آزمایش باز بوده ، فشار محفظه به کار می رود . به علاوه رفتار نمونه برای بررسی اتمام تحکیم مورد بررسی قرار می گیرد و هنگامی که شیر زهکشی باز است ، تنش لنحرافی اعمال می شود . تنش انحرافی باید با یک سرعت بسیار کم اعمال شود تا فشار آب منفذی در طول شکست به وجود نیاید یا آنقدر کوچک باشد که در پارامترهای خاک تاثیر نگذارد..

به علت حساسیت بیش از حد خاک و تاثیر پذیرس زیاد پارامترهای خاک از میزان دست خوردگی و نوع آن ، آزمایشهای سه محوری طبقه بندی های خاصی داشته ، در کلاسهای مختلف انجام می شوند . به عنوان مثال آزمایش های CD   ، CU    و  UU    برای خاکهای چسبنده و غیر چسبنده ، خاکهای عادی تحکیم یافته و پیش تحکیم یافته متفاوت است . همچنین آزمایشها را می توان در شرایطی با اندازه گیری فشار اب منفذی و بدون اندازه گیرس فشار آب منفذی انجام داد . به برخی از موارد یاد شده در تئوری آزمایشها اشاره خواهد شد و سایر موارد را می توان از مراجعی که در پایان کتاب ذکر می شود ، استخراج کرد و مورد استفاده قرار داد .

اما در همه موارد اساس کار یکسان است ، یعنی نمونه ابتدا در اثر فشار سیال داخل محفظه تحت یک فشار محیطی همه جانبه () قرار می گیرد . بسته به نوع آزمایش ممکن است اجازه تحکیم و زایل شدن فشار اب منفذی به نمونه داده شود یا داده نشود . در اثر این فشار ، فشار اب منفذی نمونه به مقدار  Uc    افزایش می یابد که اثر آن را با پارامتر بدون بعد نشان می دهند ( B  ، پارامتر فشار اب منفذی اسکمپتون است ) . در خاکهای اشباع ،   B=1   است . بعد از آنکه نمونه تحکیم شد ، در آزمایشهای  CD و CU  تنش انحرافی  روی نمونه اعمال می گردد . در این مرحله هم بسته به نوع آزمایش ، سرعت بار گذاری متفاوت بوده ، شیر زهکشی هم می تواند باز یا بسته باشد .

وسایل آزمایش

1. محفظه فشار .

2 . وسیله اعمال فشار با شرط کنترل کرنش .

3 . نمونه اصلاح کن .

4 . اره سیمی .

5 . منبع ایجاد خلاء .

6 . گرمکن  .

7 . کولیس .

8 . ظرف تبخیر .

9 . غشا لاستیکی .

10 . قالب استوانه ای برای قرار دان غشا لاستیکی بر روی نمونه خاک .

11 . ورقه های کاغذ صافی بر زیر و روی نمونه ( بین نمونه خاک و سنگهای متخلخل ) برای جلوگیر یاز ورود ذرات خاک به درون سنگ متخلخل و همچنین در اطراف نمونه برای تسهیل زهکشی جانبی .

12 . ترازو با دقت 1 / 0 گرم .

13 . بورت برای اندازه گیر یتغییر حجم .

14 . یک یا دو حلقه لاستیکی ( کش ) در بالای نمونه در شیار مخصوص کلاهک فوقانی و در پایین نمونه در شیار مخصوص پایه برای جلوگیری از نفوذ آب به درون نمونه .

15 . دستگاه مربوط به فشار هیدرواستاتیک جانبی .

16 . دستگاه تعیین فشار آب درون خاک .

17 . یک یا دو تشک فلزی که در مواقعی که زهکشی لازم نیست ، جانشین سنگهای متخلخل می شود .

18 . زمان سنج ، قوطی های مخصوص برای تعیین در صد رطوبت و ...

19 . وسیله اعمال فشار با کترل کرنش ( پرس ) : این وسیله شامل یک داربست می باشد که در قسمت پایین آن ، یک سکو به وسیله موتوری که سرعت آن قابل کنترل آست ، به طرف بالا یا پایین می رود .بین این سکو و اتکا فوقانی ، سلول فشار و فشار سنج برای اندازه گیری تغییرات فشار در حین آزمایش قرار دار د . پرس فوق با ظرفیتهای مختلف ، معمولا بین 10 تا 50 تن که برای آز مایشهای خاک مورد استفاده است ، ساخته می شود .

2 -1 . بورت برای اندازه گیری تغییر حجم

اندازه گیری تغییر حجم آب درون نمونه به وسیله بورت صورت می گیرد . بدین طریق که با تغییر حجم نمونه خاک ، مقداری از آب ( از شیر  S3 ) به بورت وارد یا از آن خارج می شود . این وارد و خارج شدن ، سطح پارافین در لوله وسطی را تغییر می دهد که بدین ترتیب حجم  V∆  معلوم خواهد شد . معمولا شیر S3  را به قسمت تحتانی یا فوقانی نمونه خاک وصل می کنند . پس از آنکه نمونه خاک اشباع شد ، تغییر حجم نمونه خاک باعث خارج شدن ( یا وارد شدن ) مقداری آب از ( یا با ) درون نمونه خاک خواهد شد که نشان دهنده تغییر حجم نمونه خاک است.

2 – 2 دستگاه مربوط به فشار هیدرو استاتیک جانبی

این دستگاه معمولا در سه نوع مختلف ساخته می شود که نوع جیوه ای آن در اکثر دستگاههای سه محوری به کار می رود . این دستگاه دارای دومخزن جیوه ای است که یکی از آنها در سطحی ثابت و دیگری آویزان است و مقدار فشار منتقل شده به وسیله این دستگاه از روی اختلاف ارتفاع این دو مخزن به دست می آید و مقدار آن به وسیله فشار سنج عقربه ای خوانده می شود . برای خواندن دقیق ، یک فشار سنج شکل U جیوه ای هم به سیستم اضافه می شود که فشارهای کوچک را به خوبی تعیین می کند ( البته در دستگاههای سه محوری پیشرفته ، این فشار به وسیله یک سیستم هیدرولیکی قابل کنترل اعمال می شود ) .

یک پیستون هیدرولیکی برای خارج نمودن هوای درون لوله ها وجود دارد . این پیستون همچنین برای میزان نمودن مبدا ( صفر ) فشار سنج عقربه ای و نیز برای تعیین سطح جیوه در مخزن آویزان به کار برده می شود . فشار جانبی که به وسیله این مخازن جیوه ایجاد می شود بستگی به اختلاف سطح دو مخزن دارد . برای آنکه فشار بزرگتری ایجاد شود باید دو یا چند مخزن را به طور سری به هم وصل نمود که در این صورت می توان تا فشارهای معادل 10 تا 15 کیلو گرم بر سانتیمتر مربع به وجود آورد.

2 – 3 . دستگاه تعیین فشار آب درون خاک

این دستگاه از قسمتهای زیر تشکیل شده است :

1.        بلوک شفاف که در آن لوله   شکل تا نیمه از جیوه پر شده است و یک طرف آن به انتهای تحتانی نمونه خاک وصل می شود . این قسمت دارای قطر نازکی برابر 1 میلیمتر است

2.        شاخص متحرک برای تعیین نمودن سطح جیوه در لوله .

3.       برای خارج نمودن همرای درون جیوه می توان با چرخاندن دستگاه حول محور هوای درون جیوه را خارج نمود .

تذکر : در هنگام آزمایش باید همه مجرای زهکشی و اندازه گیری فشار از اب پر شود و بخصوص باید دقت کرد که در قسمتی از مجرای زهکشی که بین نمونه خاک و نمایانگر فشار قرار گرفته است ، هیچ حباب هوایی وجود نداشته باشد .

2-4. قالب استوانه ای برای قرار دادن غشا روی نمونه خاک

2-4-1-قالب غشا لاستیکی برای خاکهای چسبنده:

قطر استوانه غشاگیری برای این نوع خاک ها چند میلیمتر بیشتر از قطر نمونه مورد آزمایش می باشد ( حداقل این اختلاف قطر 4 میلیمتر است ) و به وسیله مکش در پشت غشا لاستیکی نمونه در داخل این استوانه قرار می گیرد . بدین ترتیب که با مکش هوای محبوس بینغشا و قالب ، غشا کاملا به قالب می چسبد و نمونه را می توتن به سادگی به سادگی داخل آن قرار دارد .

2 -4-2 . قالب غشا لاستیکی برای خاکهای دانه ای خشک

قالب استوانه ای که برای قرار دادن غشا لاستیکی قرار می گیرد ، قطری بیشتر از قطر نمونه دارد . این اختلاف قطر تقریبا دو برابر ضخامت غشا لاستیکی می باشد . این قالب از دو نیمه استوانه تشکیل شده است . این استوانه در قسمت پایین دارای یک گلوگاه است که بدین ترتیب عمل قرار دادن حلقه های لاستیکی ( کش ها ) به روی پایه محفظه امکان پذیر است .

مانند حالت قبل ، غشا لاستیکی در داخل قالب استوانه ای قرار گرفته ، بعد از عمل مکش نمونه وارد غشا می گردد .

2- 4-3 . قالب غشا برای خاکهای دانه ای اشباع شده

برای این خاک می توان قالب استوانهای حالت قبل را به کار برد ، همچنین می توان از یک قالب استوانه ای شکل به مووازات سه مولد بریده شده است ، استفاده کرد در این حالت فشار آب موجود در نمونه غشا لاستیکی را به جداره داخلی قالب می چسباند ، بنابر این ایجائ مکش بین غشا لاستیکی و جداره داخلی قالب ضروری نیست .

2- 5 . شرایط و خصوصیات نمونه 

هر چه شرایط محلی باشد ، انجام آزمایش نتایج دقیقتری را به دست خواد داد . در صورتی که نمونه خاک نماینده خاک پی یک سازه باشد ، تهیه یک نمونه دست نخورده ( در صورت امکان  بسیار مفید است ، لیکن در صورتی که نماینده خاکریز باشد  بایستی یک نمونه دست خورده با همان شرایط تراکم محلی را مورد آزمایش قرار داد .

1 . تهیه نمونه دست نخورده از خاکهای دانه ای بسیار مشکل است و اغلب نمونه ای دست خورده با همان چگالی نسبی در محل تهیه می شود .

2 . در خاکهای چسبنده ریز دانه نمونه باید عینا دست نخورده و یا حداقل دست خوردگی را داشته باشد ( خصو صا اگر خاک حساس باشد )

3 . ابعاد نمونه   mm 1 / 71 (قطر)   mm 1 / 35( قطر)   mm 9 / 88( ارتفاع ) باشد .

4 . در استفاده های آموزشی می توان از نمونه باز سازی شده در وسیله تراکم هاروارد استفاده کرد .

5 . نمونه های تهیه شده با نمونه گیر جدار نازک ( شلبی ) می تواند به وسیله یک نمونه اصلاح کن ، به ابعاد دلخواه در آید .

6 . برای اندازه گیری ابعاد نمونه طول را 4 بار و هر با با 90 درجه تغییر زاویه اندازه گرفته ، قطر را هم در سه منطقه بالا ، وسط و پایین و در هر منطقه 4 بار اندازه میگیریم > سپس طول و قطر متوسط را به دست آورده ، در محاسبات به کار می بریم .

7 . نسبت طول به قطر نمونه باید بین 2 و 3 باشد ، اگر ارتفاع نمئننه کمتر از  2D  باشد ، اجازه تغییر شکل به نموونه نمی دهد و اصطکاک بین سطح نمونه و استوانه باعث برش نمونه می گردد . اگرL > 3D باشد ، نمونه کمانش خواهد کرد و گسیختگی به جای مکانیکی ، هندسی خواد بود .بنابر این بهترین اندازه 2.5 ≈  L/Dمی باشد.

8 . اگر خاک چسبنده است و یا قابلیت تراکم زیاد دارد ، نباید آن را با جک زدن خارج کرد و در صورت اجبار نیرو ، در همان جهتی که نمونه به استوانه وارد شده ، به نمونه داخل استوانه وارد شود .

9 . پس از خارج شدم نمونه سزیعا آن را می بریم تا باعث خشک شدن نمونه نگردد .

10 . قسمتهای بالا و پایین خاک دست خورده است . در صورت تمایل به استفاده از نمونه دست نخورده ، بالا و پایین نمونه را می بریم .

11 . اگر ناهمگنی خاک زیاد باشد ، آزمایش بر روی خاک صحیح نخواهد بود .

2-6 .اشباع نمونه

به دست آوردن پارامترهای برشی خاک به وسیله آزمایش سه محوری هم در حالت اشباع کامل و هم در شرایط نیمه اشباع خاک امکان پذیر است و آزمایش سه محوری بر روی خاکهای غیر اشباع فقط برای اندازه گیری تنش های کل می باشد . به علاوه ممکن است در زمان بهره برداری ، خاک اشباع گردد .اشباع کردن نمونه های خاک به روشهای مختلف انجام می گیرد که در اینجا به اختصار به سه روش که برای اشباع نمونه سه محوری به کار می رود ، اشاره خواهیم کرد .

2- 6 -1. استفاده از پس فشار (Back pressure) : در حالیکه شیر زهکشی مرتبط با بالای نمونه بازاست تا هوا خارج شود ، آب را با فشار مشخصی از انتهای نمونه وارد می کنیم .

2-6-2. استفاده از پمپ خلا : و خارج کردن هوای داخل نمونه بوسیله مکش البته همزمان می توان از پس فشار هم استفاده کرد .

2-6 -3 . استفاده از گاز CO2

2-7 . تحکیم نمونه خاک

در دو آزمایش  CD   و CU لازم است قبل از اینکه نمونه تحت تنش انحرافی  گسیخته شود ، تحکیم گردد . بدین منظور بلافاصله بعد از بر قراری فشار    شیرهای زهکشی را باز کرده ، تغییر سطح آب در بورتهای متصل به آنها را در زمانهای استاندارد شده توسط  ASTM   اندازه گیری می کنیم و بر اساس این داده هامی توان نمودارهای را رسم کرد  . نمودارهای زیر چگونگی تعیین  t100   را نشان می دهد .

 

2- 8 .محاسبه سرعت آزمایش ( برای آزمایشهای CD و  CU  با اندازه گیری U  ، فشار آب منفذی )

برای تعیین سرعت آزمایش ( سرعت حرکت موتور پرس ) باید ابتدا به طور تقریبی تغییر شکل قائم نمونه خاک را هنگام شکست (برش ) پیش بینی نمود ، مثلا اگر مقدار آن     باشد ، سرعت آزمایش از رابطه زیر حاصل می گردد . پیش بینی    از روی آزمایشهای قبلی بر روی خاک شبیه و دارای مشخصات خاک مطلوب و یا از روشهای تجربی و تئوری دیگر به دست می آید .  که  مدت زمان لازم برای شکست است .

آزمایش تحکیم یافته زهکشی شده یا آهسته (CD یاS ) برروی خاکهای چسبنده اشباع و موارد استفاده آن

3-1.مقدمه

در ایین آزمایش ، پارامترهای خاک تحت شرایط تحکیم یافته زهکشی نشده به دست می اید ، ولی به علت اینکه سرعت انجام این آزمایش بسیار پایین می باشد ، این آزمایش چندان متداول نمی باشد ولی در هر حال پایداری دراز مدت شیبها و خاکبرداریها بر حسب تنش موثر و با استفاده ازc'و 'Фبه دست آمده از آزمایش زهکشی شده تحلیل می گردد .

3-2 .تئوری آزمایش

در این آزمایش ، نمونه ابتدا به وسیله سیال داخل محفظه تحت یک فشار همه جانبه    قرار می گیرد . در اثر این فشار ،فشار آب منفذی نمونه به مقدار  uc  افزایش می یابد که مقدار آن را با پارامتر بدون بعد  نشان داده می شود (B پارامتر فشار اب منفذی اسکمپتون نامیده می شود ) .در خاکهای اشباع مقدار B برابر یک است .

حال اگر شیرهای خروج اب باز نگه داشته شود تا نمونه زهکشی گردد ، فشار آبمنفذی از بین می رود ؛ در نتیجه نمونه تحکیم یافته ، میزان تغییر حجم نمونه ( Vc∆) از میزان آبی که از نمونه خارج گردیده ، قابل اندازه گیری است . بعد از تحکیم یافتن نمونه تنش انحرافی به آهستگی به نمونه وارد می شود . به علت باز بودن شیر که فشار منفذی به وجود آمدده در اثر اضافه شدنصفر می شود و با توجه به صفر بودن فشار اب منفذی ، تنش کل و موثر با هم برابر شوند . (  ) و تنش محوری کل و موثر در زمان گسیختگی نیز برابر است با

همانطور که اشاره شد میزان تغییر شکل به نحوی کنترل می شود که هیچگاه فشار حفره ای قابل ملاحظه ای در نمونه وجود نداشته باشدد ، بنابراین همیشه تنش وارده به صورت تنش موثر باقی می ماند و پوش گسیختگی مستقیما بر حسب تنش موثر بیان می گردد ممکن است مقادیر c'  و 'Ф  از آزمایش تحکیم یافته زهکشی نشده که طی آن فشار آب منفذی اندازه گیری می شود به دست آید ، ولی اختلاف عددی بین این دو معمولا کوچک است .

در رسهای هوا زده و ترک خورده سخت ، مقدار c'  که از محل و به هنگام تعادل حدی به دست می آید ( نتیجه شده از آنالیز مجدد لغزشهای موجود ) ، مقداری کمتر از مقدار c'  به دست آمده طی آزمایش بر روی نمونه های خاکی است که از منطقه لغزش و یا اطراف آن برداشته شده است [ هنکل 1975 ] . در هر حال  c'  مقدار کوچکی است که بهتر است در طرح ، مقدار آن برابر صفر در نظر گرفته شود .

مقادیری c'  و 'Ф برای خاکریزهای کوبیده شده معمولا از آزمایشهای زهکشی نشده بر روی نمونه هایی که دارای رطوبتی برابر رطوبت خاکریز می باشند ، به دست می آید . در خاکریزهایی که در رطوبتی بهینه ( اپتیمم ) متراکم شده اند  ، بخصوص اگر بخوبی کوبیده نشده باشند ، ممکن است مقدار c'تقریبا تا صفر کاهش یابد ، بدون آنکه 'Ф تغییری نماید . در این حالت با کاهش حجم همراه خواهد بود . مقادیر c'  و 'Ф برای تحلیل پایداری دراز مدت خاکریزها و سدها باید بر اساس آزمایش بر روی نمونه هایی باشد که بخوبی اجازه شل شدن (Softening) و افزایش رطوبت د رمحدوده تنش مربوطه را بدهد ، یا مقدار c'برابر صفر در نظر گرفته شود ؛ پس به طور کلی مقدار Ф   با تغییر رطوبت تغییر محسوسی نمیکند. با افزایش رطوبت ، مقدار  c'  کاهش یافته ، مقدار فشار حفره ای اضافی به سرعت تغییر می یابد ، تا جایی که در بعضی از خاکها با افزایش یک در صد رطوبت ممکن است فشار حفره ای اضافی دو برابر شود.

طرز قرار گرفتن دانه های میکروسکوپیک خاک رس تا حد زیادی به طبیعت دانه ها و محیط الکترولیت اطراف آنها بستگی دارد . ساختمان اکثر رس های طبیعی ساختمانی بغرنج است . وقتی رس به طور تدریجی تحت تاثیر فشار قرار می گیرد و به آن اجازه زهکشی داده می شود ، پولکهای خاک رس خم می شود ، سر می خورند و نسبت به یکدیگر حرکت می کنند تا اینکه یک ساختمان داخلی جدیدی ایجاد می شود و تحت تاثیر فشار موثر جدید پایدار می شود . بنابراین تعداد نقاط تماس در هر واحد حجم تابعی از فشار موثر می باشد و طبیعی است که فرض کنیم مقاومت برش خاک رس با تعداد تماس در هر واحد حجم نسبت مستقیم دارد . بنابر این ازدیاد تنش موثر ، مقاومت خاک را بالا می برد . به علاوه تغییرات به وجود آمده وقتی که فشار جانبی برداشته می شود ، به طور کامل قابل برگشت نیست و همه نقاط تماس ایجاد شده ازهم جدا نموشوند و ساختمان خاک کاملا به حالت اولیه بر نمی گردد .

 

برای اغلب مسائل مربوط به شکست خاکهای ریز دانه اشباع به علت اینکه به سهولت نمی توان فشار منفذی را ارزیابی کرد ، بهتر است که آزمایش را به نحوی انجام دهیم که تاثیر فشار منفذی در نتایج آزمایش مستتر گردد . در خیلی از موارد ، مطالعه رفتار خاک ریز دانه تحت شرایطی که از بین رفتن فشار منفذی مجاز نباشد به قضاوت مهندسی کمک می کند .

با انجام آزمایش سه محوری ، نتایج بسیار جالبی از رفتار خاکهای ماسه ای و رسی حاصل می شود که در این نتایج به صورت نمودارهایی ارائه شده است.

با تغییر فشار محفظه ای محدود کننده ، آزمایشهای متعددی می توان بر روی نمونه های مشابه انجام داد . برای هر آزمایش با داشتن تنش های اصلی حد اکثر و حداقل در لحظه گسیختگی ، دایره موهر قابل رسم است که با داشتن دوایر موهر مربوط به چند آزمایش می توان پوش  گسیختگی را برای خاک مورد آزمایش رسم کرد.

خاکهای رسی که قبلا تحت فشار محفطه ای همه جانبه  ، چه به صورت طبیعی تحت سر بار اضافه و چه به صورت مصنوعی در آزمایشگاه تحکیم یافته اند ، خاکهای اضافه تحکیم یافته نامیده می شوند .برای چنین خاکهایی ، پوش گسیختگی دارای دو شاخه متمایز ، شاخه ab  ( برای تنش های قائم کوچکتر از پیش تحکیمی ) و شاخه bc ( برای تنش های قایم بزرگتر از پیش تحکیمی ) خواهد بود . قسمت  دارای شیب کمتر و چسبندگی اولیه می باشد که معادله مقاومت برشی آن به صورتنوشته می شود و شاخه bcاز پوش گسیختگی ، نشان دهنده مرحله عادی تحکیم یافته خاک است که از رابطه مقاومت برشی  به دست می آید.

زاویه اصطکاک داخلی برای رس اشباع عادی تحکیم یافته است .

 

تذکر : زاویه اصطکاک داخلی زهکشی شده   برای خاکهای رسی ، معمولا با افزایش نشانه خمیری خاک کاهش می یابد .

3-3 . محاسبات

1. مقدار کرنش را برای قرائتهای متوالی تغییر شکل نمونه محاسبه می کنیم ( باتوجه به اینکه آزمایش به روش کنترل می باشد ، این مقدار برابر یک ضریب   در مقدار کرنش اولیه می باشد ) و مقادیر را در ستون مربوطه وارد می کنیم

                     

اگر آزمایش به روش کنترل تنش باشد ، باید بر اساس قرائت گیج ، تغییر مکان کرنش را حساب کنیم .

 2. مساحت نمونه را اصلاح می کنیم و رد ستون مربوطه ، در مقابل کرنشی که باعث این اصلاح شده ، مینویسیم :

قبل از بارگذاری                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        

بعد از بارگذاری                                                                                                                                              

3. مقدار تنش انحرافی را بدین ترتیب محاسبه می کنیم :

ابتدا مقادیر خوانده شده از روی گیج متصل به رینگ را در ثابت رینگ ضرب می کنیم تا مقدار نیروی وارد شده به نمونه به دست آید . آنکاه مقادیر P به دست آمده را بر A'  نظیرش تقسیم می کنیم و در ستون مربوط به تنش انحرافی می نویسیم :

ثابت رینگ * عدد خوانده شده از روی گیج = P

4. نمودار تنش- کرنش هر نمونه را رسم می کنیم و مقدار تنش انحرافی را هم رد کنار آن یادداشت می کنیم . آزمایش بهتر است بر روی سه نمونه با فشارهای هیدرواستاتیک (   ) متفاوت انجام گیرد و برای هر سه نمونه خلک ، نمودار یاد شده رسم شود . حال روی هر یک از این نمودارها یک تنش شکست (  ) به ازای    های متناظر داریم 5. یک نمودار رسم می نماییم که محور افقی آن بر حسب تنش قائم و محور قائم آن بر حسب تنش برشی باشد . آنگاه سه دایره به قطرهای به دست آمده از بالا ( تنش انحرافی ) و هر دایره را از نظیر قطر خودش رسم می کنیم ( به عنوان مثال اگرو باشد ، دایره ای به قطر 150 و با نقطه شروع 50 رسم می کنیم ) . انگاه مماس بر این دوایر را رسم می کنیم و مقادیر  c'  و 'Ф   را تعیین می کنیم . اگر خاک غیر چسبنده باشد (   c = 0  ) ، مقدار   را از رابطه زیر به دست می آوریم :

البته می توان نمودار q' در مقابل p'  را که لمب(1964 ) پیشنهاد کرده است ، ترسیم کرد که این نمودار نوعی نمایش مسیر تنش می باشند ( مسیر تنش یک سری نقاط است که هر نقطه نشان دهنده حالت تنش تجربه شده توسط خاک در حین پیشرفت آزمایش است ) .

                                                       

6. در روی نمودارها و نتایج ، حتما نوع آزمایش ( UU  ،  CU  ،  CD  ) و همچنین اشباع بودن یا نبودن نمونه ذکر شود.

آزمایس تحکیم شده زهکشی نشده (  CU   یا   R   )

4-1. مقدمه

آزمایش تحکیم یافته زهکشی نشده متداولترین آزمایش سه محوری است. این آزمایش موقعی استفاده می شود که انتظار می رود قبل از آنکه بارگذاری تمام شود ، تحکیم صورت بگیرد. به عنوان مثال ، این آزمایش می تواند برای بررسی آثار بارهای ناگهانی مثل بارگذاری زلزله مورداستفاده قرار گیرد یا در سدهای خاکی در حالت تخلیه سریع (rapid drawdown) که تحت آن شرایط سطح اب با سرعت زیاد پایین می آید و خاک نمی تواند در آن مدت تحکیم یابد ، به کار رود.

4-2. تئوری آزمایش

در این آزمایش نمونه خاک اشباع ابتدا توسط فشار محفظه ای همه جانبه    تحکیم می یابد ، سپس تنش انحرافی قائم     در شرایط بدون زهکشی افزایش داده می شود تا جایی که باعث گسیختگی شود. در حین آزمایش مقادیر  و  به طور همزمان قرائت می شوند . افزایش فشار حفره ای  در شکل بدون بعد ، به صورت زیر نشان داده می شود( A  پارامتر فشار حفره ای اسکمپتون می باشد ):

شکل عمودی تغییرات   و  در مقابل کرنش محوری برای ماسه و رس ، در شکلهای زیر نشان داده شده است . همانطور که دیده می شود ، در ماسه شل و رس عادی تحکیم یافته با افزایش کرنش ، فشار آب حفره ای افزایش می یابد . در ماسه متراکم و رس اضافه تحکیم یافته با افزایش کرنش ، فشار آب حفره ای ابتدا افزایش می یابد ، لیکن پس از گذر از حد مشخصی فشار اب حفره ای کاهش یافته ، نسبت به فشار اتمسفر منفی می شود . این مساله به علت تمایل نمونه به اتساع است .

در این آزمایش تنش اصلی کل و موثر با هم مساوی نیستند و با اندازه گیری فشار آب حفره ای در حین آزمایش تنش موثر قابل اندازه گیری است.

4-2-1. نتایج آزمایش بر روی رس عادی تحکیم یافته

مقاوت یک خاک اشباع با فشار تحکیم تغییر می کند و نتایج آزمایش اغلب به صورت دیاگرامی نشان داده می شود که در آن مقاومت  در مقابل فشار تحکیم  Cu رسم می شود . برای رسهای عادی تحکیم یافته مقاومت برشی  Cu  مستقیما متناسب با P می باشد

در اغلب خاکهای رسی به شرح زیر است :

1-        رس های عادی تحکیم یافته 0.5 تا 1

2-       رس های اضافه تحکیم یافته 0.5- تا 1

پوش گسیختگی برای تنش های کل ، از رسم مماس بر دوایر موهر تنش های کل ( A  ،  B  ) به دست می آید . برای ماسه و رس عادی تحکیم یافته ، این پوش تقریبا یک خط مستقیم است که از مرکز مختصات گذشته ، معادله آن به صورت  می باشد که در آن    تنش کل ، زاویه ای است که پوش گسیختگی تنش کل با محور تنش قائم ( محور افقی ) می سازد و به زاویه مقاومت برشی تحکیم یافته زهکشی نشده معروف است . در این شکل همچنین پوش گسیختگی مماس بر دوایر موهر تنش موثر ، برای ماسه و رس عادی تحکیم یافته هم کشیده شده که معادله آن  است که مشابه نتیجه به دست آمده از آزمایش تحکیم یافته زهکشی شده است .

4-2-2. نتایج آزمایش بر روی رسهای پیش تحکیم یافته

اگر به نمونه ای از خاک رس اجازه تحکیم از فشار  Pa  تا فشار  Pb  داده شود و سپس تا فشار           متورم گردد ، رطوبت و مقاومت برشی آن نظایر نقاط   b  و   d  خواهد بود . مشاهده می شود که دو نمونه  a  و  d  اگر چه تحت یک فشار قرار گرفته اند اما مقاومتهای متفاوتی از خود نشان می دهند ، بدین دلیل که رطوبت رس پیش تحکیم یافته کمتر از رس عادی تحکیم یافته است و بنابر این چسبندگی نمونه پیش تحکیم یافته بیشتر است ارتباط CU   و  P   برای رس های پیش تحکیم یافته به هیچ وجه ثابت نبوده ، به طور کلی مقاومت تنها تا حد کمی بستگی به نمونه دارد . اگر فشار همه جانبه وارد بر نمونه ای از خاک پیش تحکیم یافته ، بیش از فشار تحکیمی باشد فشار حفره ای ناشی از برش مثبت خواهد بود و در صورتی که کمتر از فشار پیش تحکیمی باشد این فشار منفی خواهد شد . یک سد خاکی نیز در دراز مدت نظیر یک خاک پیش تحکیم یافته عمل می کند ، ولیمیزان پیش تحکیمی آن دقیقا مشخص نیست . بررسی پایداری سد در دراز مدت ممکن است با استفاده از آزمایش CD   انجام شود ، ولی به هنگام افت سریع آب و یا زلزله ، حالتی نظیر آزمایش CU   در سد اتفاق می افتد. در رسهای پیش تحکیم یافته ، پوش گسیختگی تنش کل به دست آمده از آزمایش   مطابق شکل ( 16 ) خط مستقیم  a'b'  است که دارای معادله  می باشد و خط مستقیم    b'c'    نیز از رابطه به دست می آید و پوش گسختگی برای تنش موثر با استفاده از دوایر موهر تنش به دست می آید.

در مرحله دوم آزمایش ، شیر زهکشی بسته شده ، تنش محور یتا لحظه شکست افزایش میابد. از آنجا که طی این مرحله زهکشی انجام نمی شود ، هیچ تغییر حجمی در نمونه به وجود نمی آید ولی تمایل به تغییر حجم باعث تغییراتی در فشار اب منفذی می گردد که تابعی از نوع خاک و تنش گذشته وارد بر آن است . در رس عادی تحکیم یافته ، فشار آب منفذی با تغییر شکل نسبی افزایش می یابد ، بنابراین تنش موثر کمتر از تنش اعمال شده خواهد شد . در رس پیش تحکیم یافته تمایل برای افزایش حجم در هنگام برش موجب اعمال کشش در آب یا به عبارتی دیگر فشار حفره ای منفی می گردد که تنش موثر را بیش از تنش اعمال شده می سازد ، در نتیجه یک رس پیش تحکیم یافته تحت همان تنش کلی همه جانبه وارد بر یک رس عادی تحکیم یافته ، دارای مقاومت بیشتری به هنگام برش خواهد بود زیرا مقاومت برشی به وسیله تنشهای موثر کنترل می گردد.

4- 3 . محاسبات

محاسبات همانند محاسبات آزمایش  CD  است ، با این تفاوت که در اینجا ما می توانیم  با اندازه گیری فشار اب منفذی پارامترهای برشی زهکشی شده برای خاک مورد نظر را به دست آوریم ، زیرا اصولا آزمایش   CD  بر روی خاکهای رسی بسیار وقت گیر است . بنابراین با کم کردن فشار آب منفذی اندازه گیری شده در لحظه شکست از تنشهای اصلی آزمایش  CU در لحظه شکست داریم :

                                                                                      

که     و     معادل تنش اصلی ماکزیمم و مینیمم در آزمایش   است .

خطاها

1-اگر غشا خیلی تنگ باشد یک فشار جانبی ایجاد خواهد کرد که در محاسبات مقدار واقعی  خطا ایجاد می کند .

2-فشار ایجاد شده توسط منبع فشار تا رسیدن به محفظه دارای حدود 10 kpa   افت است که با در نظر گرفتن تقریبی این مقدار خطا باز هم خطاهایی در مقدار فشار واقعی بوجود خواهد آمد .

3-در طول مدت آزمایش باید فشار جانبی ثابت باشد که اگر به دلیلی این فشار تغییر کند در آزمایش خطا خواهیم داشت .

4-اگر نمونه در زیر پیستون بار خروج از محوریت داشته باشد بارگذاری خارج از محور صورت گرفته ونمونه بصورت استاندارد گسیخته نخواهد شد .

5-خطا در ثبت اطلاعات نمونه آزمایش .

6- عدم آب بندی صحیح کلاهک وپایه .

7- در رسم مماس بر دوایر مور اگر بیش از سر دایره باشد به هر حال از یک دقت نسبی بر خوردار است که این نیز به نویه خود از منابع خطا است.

8- خطا در اندازه گیریو از روی نمودار .