آزمایش مکانیک خاک

مقدمه

این آزمایش سریعترین و ساده ترین روش آزمایش برای تعیین مقاومت برشی است و همچنین در تعیین مقاومت در جای خاک از این روش استفاده می‌شود.    به منطور تعیین مقاومت برشی خاکهای چسبنده معمولا از این آزمایش استفاده می شود ، این آزمایش سر   یعترین و ساده ترین روش آزمایش برای تعیین مقاومت برشی است و در تعیین مقاومت در جای خاک نیز از این روش استفاده می گردد ؛ این آزمایش را می توان آزمایش سه محوری    با فشار همه جانبه برابر صفر نامید .

مقاومت در خاکهای چسبنده : اجزای مقاومت برشی در خاکهای چسبنده بسیار پیچیده تر از خاکهای دانهای است . خاکهای دانه ای از ذراتی تشکیل شده اند که به علت اندازه و شکلشان ، دارای سطح مخصوص (Specific Surface) کوچکی هستند و در آن رفتار نیروهای جرمی مانند وزن، بیشتر از نیروهای سطحی کنترل کننده است ؛ از طرف دیگر ذرات خاک چسبنده به علت شکل و اندازه ای که دارند ( اغلب پولکی شکل هستند ) ، دارای سطح مخصوص بالایی بوده و رفتار آنها بیشتر تابع نیروهای سطحی است تا نیروهای جرمی .

مقاومت برشی خاکهای چسبنده از دو نوع متفاوت اصطکاکی و مقاومت چسبندگی ناشی می شود . مقاومت اصطکاکی تابع نیروهای وزنی است که بیشتر در خاکهای دانه ای به چشم می خورد و مقاومت چسبندگی تابع نیروهای سطحی است ، البته رفتار دقیق نیروهای سطحی که باعث چسبندگی می شود هنوز ناشناخته می باشد . باید توجه داشت که چسبندگی خاک یک پارامتر ثابت نبوده ، تابعی از بار منتقل شده توسط سازه خاک است ، همچنین بستگی به بارهای بین دانه ای و چکونگی انجام آزمایش دارد . در حالتی که هیچ بار جانبی بر نمونه وارد نشود ، چسبندگی به عنوان مقاومت برشی خاک مطرح می گردد .

آزمایش تک محوری(un confined compression test ) ،که یکی از ساده ترین و پراستعمال ترین آزمایش هاست و با رابطه زیر تعریف می شود:

 = مقاومت فشاری ساده (تک محوری)

این مقاومت با اعمال تنش محوری به نمونه‌ی استوانه‌ای شکل خاک بدون آنکه فشار محیطی به آن وارد شود و با بررسی کرنش‌های محوری مربوط به مقادیر مختلف تنش، تعیین می‌شود. تنشی که بر اثر آن در نمونه‌ی خاک گسیختگی رخ خواهد داد به نام مقاومت فشاری ساده (تک محوری) نامیده شده است.

در نمونه‌های رسی که اشباع باشند، این مقاومت با افزایش درصد رطوبت خاک، کاهش می‌یابد. در خاکهای غیراشباع و در صورتی که وزن مخصوص خشک خاک ثابت باقی بماند نیز این مقاومت با افزایش درجه‌ی اشباع خاک کاهش می‌یابد.

2-هدف آزمایش و شماره‌ی ASTM

این آزمایش با نام استاندارد تعیین مقاومت فشاری تک محوری (خاکهای چسبنده)باشماره ASTM D2166-66 می باشد.

هدف از انجام این آزمایش تعیین چسبندگی اولیه یعنیCU، رسم منحنی رفتار خاک و اندازه گیری مقاومت فشاری تک محوری خاکهای چسبنده دست خورده یا دست نخورده با استفاده از روش کرنش کنترل شده می باشد.

به طور خلاصه می توان گفت هدف از این آزمایش تعیین تقریبی و سریع مقاومت فشاری تک محوری خاکی است که دارای چسبندگی کافی و مناسب جهت انجام این آزمایش باشد.

در روش های فوق مقاومت فشاری تک محوری،عبارت است از حداکثر نیروی وارد بر سطح به هنگام شکست نمونه و یا نیروی وارده بر واحد سطح وقتی که 20 درصد کرنش انجام گیرد.

3-ابزار مورد نیاز آزمایش

1) وسیله انجام آزمایش فشاری ساده

2) قالب تراکم و کوبه‌ی مخصوص  

3) جک

4) کولیس

5) کرنومتر

6)  ظرف فلزی جهت توزین آب

7) ظرف جهت توزین خاک

8) الک نمره4

9) ترازو با دقت 1/0 گرم

دستگاه مخصوص آزمایش

وسیله‌ی انجام آزمایش فشاری ساده:این دستگاه شامل یک پایه ی سنگینی مجهز به یک جک دنده ای جهت بارگذاری و قاب بارگذاری می باشد به قاب بارگذاری حلقه نیروسنج و صفحه ی بالایی نگهدارنده نمونه متصل می باشد. جک بارگذاری می تواند هیدرولیکی یا با هوای فشرده کار کند که به محور بالا رونده آن صفحه ی نگهدارنده ی پایینی نمونه متصل است و می تواند آن را در جهت قائم بالا و پایین ببرد.

4- گزارش نحوه‌ی تهیه‌ی نمونه و اجرا

ابتدا 372.9 گرم خاک رد شده از الک نمره 4 را با 40 گرم آب به خوبی با هم مخلوط کردیم (مقادیر ذکر شده برای خاک و آب در بخش محاسبات خواهد آمد). به گونه‌ای که رطوبت به تمام قسمتهای خاک برسد و گل یکدستی به دست آید. سپس این گل را به شرح زیر داخل قالب تراکم مخصوص آزمایش تک محوری ریختیم.

ابتدا یک سوم از گل ساخته شد را در قالب ریخته و12  ضربه با کوبه مخصوص که سطح مقطع استوانه‌ای به قطر داخلی قالب داشت به صورت عمود و به گونه‌ای که قالب تراکم حرکت نکند، کوبیدیم. سپس از دو سوم گل باقیمانده، یک سوم دیگر آن را داخل قالب ریختیم و به تعداد ذکر شده با شرایط گفته شده کوبیدیم.

همین عمل را با یک سوم نهایی گل انجام دادیم. سپس قالب تراکم را روی جک قرار داده و با حرکت دسته‌ی جک به سمت بالا و پایین نمونه را از قالب جدا کردیم و قطر طول آن را با کولیس اندازه گرفتیم. در این مرحله نمونه را روی فک پایینی دستگاه مخصوص آزمایش تک محوری که با فک بالایی فاصله‌ای بیشتر از ارتفاع نمونه داشت قرار دادیم و با زدن دکمه بالا برنده‌ی فک پایین، که سرعتی برابر mm/min 1 داشت سطح بالایی نمونه را با فک بالایی دستگاه کاملاً مماس کردیم. در این مرحله دکمه را خاموش کردیم و گیج اندازه‌گیری تغییر شکل رینگ را که از نوع فشاری بود را کالیبره کرده به گونه‌ای که عقربه آن روی صفر قرار داده شد. در این زمان دکمه بالا برنده فک پایین را روشن کرده و هر 15 ثانیه یکبار عدد مشاهده شده روی گیج را قرائت کرده و یادداشت نمودیم. این عمل را 15 ثانیه، 15 ثانیه تکرار کردیم تا زمانی که عدد قرائت شده از روی گیج از 15 ثانیه قبلی خود کمتر شد.

این موضوع بیانگر گسیختگی نمونه در اثر برش در صفحه‌ای از نمونه خاک بود. در این مرحله به منظور تکمیل آزمایش تا چند بار دیگر هر 15 ثانیه عدد قرائت شده از گیج را که دیگر روندی نزولی داشت قرائت نموده و آنها را یادداشت کردیم. به این ترتیب کلیه نقاط لازم جهت رسم منحنی رفتار به دست آمد.

5-اندازه‌گیری‌ها

مشخصات نمونه:

D = 5 Cm

L = 9.9Cm

W = 10%

372.9 gr  = وزن خاک خشک

40 gr = وزن آب

410.2 gr = وزن نمونه پس از اختلاط (مقداری از آب در حین اختلاط تبخیر شده است.)

150	135	120	105	90	75	60	45	30	15	T زمان (sec)
437	398	351	300	245	193	142	100	59	23	عدد قرائت شده از روی گیج (mm)

	210	195	180	165	T زمان (sec)
	354	389	443	453	عدد قرائت شده از روی گیج (mm)

6-محاسبات و نتیجه‌گیری

                          

                              

                                    

                                                واقعی

                                                       واقعی

محاسبات مربوط به یک زمان خاص مثلاً t = 2 min :

2 mm = تغییر شکل میلیمتر

129 = قرائت اندازه‌گیری

 

                                                =   تغییر شکل نسبی

   = تغییر شکل – طول اولیه = طول نمونه در حین آزمایش 

         

  =  مساحت اولیه ×                      = مساحت تصحیح شده 

                                                               =  قرائت رینگ   =  نیرو                                                                                                                                                                          

بعد از رسم منحنی رفتار داریم:

                                            =                                 = فشار

                                                        ضریب چسبندگی

تغییر شکل     mm	قرائت گیج نیرو سنج	تغییر شکل نسبی	طول نمونه در حین آزمایش	سطح مقطع اصلاح شده Cm^2	نیرو(kg)	فشار(تنش) kg/cm^2	زمان s
DL	G	e = DL/L0	1 - e	A = A0 / 1 - e	F=1/42*G/9.81	s = F / A
0.00	0.00	0.00	1	19.63	0.00	0.00	0.00
0.25	23	0.002525	0.997475	19.6797	3.329256	0.169172	15
0.50	59	0.005051	0.994949	19.72964	8.540265	0.432865	30
0.75	100	0.007576	0.992424	19.77985	14.47503	0.731807	45
1.00	142	0.010101	0.989899	19.83031	20.55454	1.036521	60
1.25	193	0.012626	0.987374	19.88102	27.9368	1.405199	75
1.50	245	0.015152	0.984848	19.932	35.46381	1.77924	90
1.75	300	0.017677	0.982323	19.98324	43.42508	2.173075	105
2.00	351	0.020202	0.979798	20.03474	50.80734	2.535962	120
2.25	398	0.022727	0.977273	20.08651	57.6106	2.868124	135
2.50	437	0.025253	0.974747	20.13855	63.25586	3.141034	150
2.75	453	0.027778	0.972222	20.19086	65.57187	3.247602	165
3.00	443	0.030303	0.969697	20.24344	64.12436	3.167662	180
3.25	389	0.032828	0.967172	20.29629	56.30785	2.774292	195
3.50	354	0.035354	0.964646	20.34942	51.24159	2.518086	210

7- بحث در خطاها

1) خطای توزین میزان خاک و آب

2) خطای نرسیدن رطوبت به طور یکنواخت به همه قسمتهای خاک جهت تهیه نمونه

3) خطای لرزش قالب تراکم حین زدن ضربه

4) خطای کاملاً عمود نبودن کوبه مخصوص حین زدن ضربه

5) عدم همزمانی کامل و وجود کمی فاصله بین زمانی که باید قرائت انجام شود و زمان قرائت در عمل.

6)سطح فوقانی نمونه باید کاملاً مسطح و صاف می بودکه در عمل به علت عدم کوبش به طور کاملاً یکنواخت این امر در حد ایده آل محقق نشد.

7)خطای ناشی از دستگاه ها نظیر خطای دقت ترازو یا کولیس یا خطای عدم تنظیم گیج نیرو یا کرنش

8)خطای ناشی از فاصله افتادن بین زمان ساخت نمونه و زمان قرارگیری آن در دستگاه تک محوری

9)خطای ناشی از عدم قرارگیری صحیح نمونه در دستگاه تک محوری

8-نظرات شخصی

از مواردی که در بررسی این آزمایش میتوان به آن پرداخت لزوم عدم تغییر رطوبت و یا مقطع نمونه حین بیرون آوردن آن از قالب توسط دستگاه بیرون آورنده نمونه از لوله است.از آنجا که استفاده از دستگاه بیرون آورنده ی نمونه ممکن است باعث فشردگی و دست خوردگی نمونه شود بهتر است لوله نمونه گیر را به قطعات کوچکتری تقسیم کنیم تا خارج کردن نمونه آسان و بدون دستخوردگی صورت پذیرد و یا می توانیم آن را از درازا شکافته ونمونه را خارج کنیم.

اگر در آزمایش از نمونه های تراشیده شدنی استفاده می کنیم باید این عمل در اتاق مرطوب و یا جاییکه هیچگونه تغییر در میزان رطوبت آنها داده نشود انجام گیرد.در چنین مواردی نمونه ها باید دارای مقطع عرضی مربع یا دایره باشند و هر دو انتها بر محور تقارن عمود باشند.در صورتی که سنگریزه و یا قلوه هایی باعث ناهمواری در قاعده ی نمونه شده باشد می توانیم به وسیله ی لایه ی نازکی از پلاستر یا ماده ای مشابه آن را صاف کنیم همچنین لازم به ذکر است در صورتی که نمونه مناسب باشد می توانیم تمام آنرا در ماشین تراش قرار دهیم تا نمونه ی آزمایشگاهی با قطر و طول لازم تهیه شود.در بعضی از موارد برای جلوگیری از ایجاد و افزایش نیروی مویینه در خاک بهتر است بلافاصله (حتی در طول آزمایش)نمونه را با غشا پلاستیکی ،گریس یا انواع محافظ های دیگر بپوشانیم. از جمله موارد دیگر که می توان به آن توجه کرد این است که در این آزمایش تنها روش کنترل کرنش به کار برده شد که اگر هر گروه به روش کنترل تنش نیز این آزمایش را انجام می داد، می توانست نتایج حاصل از هر دو روش را مورد مقایسه و بررسی قرار دهد0افزون بر آن انجام آزمایش تک محوری نمونه اشباع شده و مقایسه نتایج آن با نمونه غیراشباع می توانست به دانشجویان در توجه به نکات تأثیر گذار بر این آزمایش کمک کند.