ایستاسازه
En Ar

خانه - آموزش - آزمایش برش مستقیم خاک (Direct Shear Test)

آزمایش برش مستقیم خاک برای بررسی مقاومت برشی خاک مورد استفاده قرار می گیرد. پارامتر مقاومت برشی یکی از مهم ترین پارامترهای مشخص کننده ی ویژگی های خاک است زیرا گسیختگی هایی که در پروژه های مرتبط با ژئوتکنیک رخ می دهند گسیختگی های برشی می باشند. تخمین مقاومت برشی خاک برای پروژه های مهندسی مانند پایداری شیب، پایداری دیواره های گود، تخمین مقاومت پی و محاسبه ی فشار جانبی وارد بر دیوار حائل لازم است. یکی از روش های متداول برای بررسی مقاومت برشی خاک استفاده از آزمایش برش مستقیم خاک می باشد. آزمایش برش مستقیم به دلیل سریع و ارزان بودن با وجود نقایصی که دارد مورد توجه است.

استاندارد بین المللی مورد استفاده برای آزمایش برش مستقیم، استاندارد ASTM D 3080 می باشد که به تشریح کامل مراحل و تجهیزات مورد نیاز آزمایش برش مستقیم پرداخته است.

آزمایش برش مستقیم خاک یکی از قدیمی ترین آزمایش های مورد استفاده در علم ژئوتکنیک برای ارزیابی مقاومت خاک می باشد. مقاومت برشی بیشینه مقاومتی است که خاک تحت تنش برشی تحمل می کند تا به گسیختگی برسد. در این آزمایش یک دستگاه اعمال تنش برشی مورد استفاده قرار می گیرد تا مقاومت برشی خاک را مشخص کند. برای انجام آزمایش برش مستقیم نمونه ی خاک در محفظه ی مخصوص قرار گرفته و یک تنش قائم به خاک وارد می شود. سپس تنش برشی به خاک اعمال شده و افزایش می یابد تا زمانی که خاک به گسیختگی برسد. در نتیجه ی این آزمایش می توان یک نمودار تنش برشی – جابجایی افقی رسم نمود و بیشینه تنش برشی که خاک تحمل می کند را تحت تش قائم مشخص به دست آورد.

این آزمایش چندین بار برای تنش های قائم متفاوت بر روی خاک انجام می شود و در هر آزمایش بیشینه تنش برشی با توجه به تنش قائم وارد بر نمونه مشخص می گردد. پس از اتمام آزمایش می توان یک نمودار تنش برشی – تنش قائم رسم نمود و در آن بیشینه تنش برشی را بر اساس تنش قائم مشخص کرد. با اتصال نقاط مشخص شده بر روی نمودار پوش گسیختگی خاک، حاصل می شود که نزدیک به پوش گسیختگی ارائه شده بر اساس معیار موهر کولمب می باشد. شیب خط رسم شده در این نمودار برابر زاویه اصطکاک داخلی خاک است و مقاومت برشی خاک توسط معادله ی زیر مشخص می شود:

فرمول عوامل موثر بر روی مقاومت خاک

بر اساس معیار موهر کولمب مقاومت خاک به سه پارامتر تنش قائم، زاویه ی اصطکاک داخلی خاک و چسبندگی خاک وابسته است. به همین خاطر با افزایش مقدار تنش قائم در آزمایش، مقادیر تنش برشی بیشینه افزایش می یابند.

عوامل موثر بر روی مقاومت خاک - ایستا سازه
عوامل موثر بر روی مقاومت خاک – ایستا سازه

برای انجام این آزمایش به دستگاه آزمایش برش مستقیم، گیج های اندازه گیری بار و جابجایی و وزنه نیاز است.

تجهیزات برش مستقیم خاک (Direct Shear Test)

نمونه ی خاک در یک دستگاه که به دستگاه برش مستقیم معروف می باشد قرار داده می شود.دستگاه آزمایش برش مستقیم از دو صفحه ی فلزی، دو سنگ متخلخل، دو پیچ و صفحه ی بارگذاری تشکیل شده است. جعبه ی برش می تواند به شکل دایره یا مربع باشد که از کرنش جانبی جلوگیری کرده اما اجازه ی برش در صفحه ی بین دو نیمه ی فلزی جعبه را به خاک می دهد.

شکل شماتیک دستگاه آزمایش برش مستقیم خاک
شکل شماتیک دستگاه آزمایش برش مستقیم

مراحل انجام آزمایش برش مستقیم به شرح زیر می باشند:

  1. در ابتدا وزن کل خاک درون ظرف اندازه گیری می شود.
  2. ابعاد (عرض و ارتفاع) جعبه آزمایش برش مستقیم اندازه گیری می شود.
  3. به آرامی و با دقت، جعبه ی آزمایش سر هم شده و در دستگاه برش مستقیم قرار می گیرد. سپس یک سنگ متخلخل و یک کاغذ صافی در جعبه ی برش قرار داده می شود.
  4. ماسه را درون محفظه ی خاک ریخته و سطح آن را صاف کرده تا دقیقا هم تراز سطح جعبه شود. سپس یک کاغذ صافی، یک سنگ متخلخل و یک صفحه بر روی جعبه ی آزمایش قرار داده می شود.
  5. پیچ های تنظیم از دستگاه خارج شده. چک شود تا از فاصله داشتن صفحات فلزی اطمینان حاصل گردد.
  6. مجددا وزن کل خاک در ظرف اندازه گیری شده و مقدار خاک استفاده شده برای آزمایش محاسبه می شود.
  7. دستگاه آزمایش برش مستقیم کاملا سر هم شده و هر سه گیج اندازه گیری (گیج جابجایی افقی، گیج جابجایی قائم و گیج بار برشی) صفر می شود.
  8. بر اساس مقدار از پیش تعیین شده بار یا تنش قائم مورد نیاز به نمونه وارد می شود.
  9. موتور بارگذاری با توجه به سرعت مورد نیاز روشن شده تا تنش برشی با نرخ ثابت به نمونه وارد شود. مقادیر روی گیج های جابجایی افقی، جابجایی قائم و تنش برشی با پیشرفت آزمایش قرائت می شود.
  10. برداشت داده های آزمایش تا زمانی که تنش برشی یک قله زده و بعد سقوط کند یا جابجایی افقی به 15% عرض برسد ادامه داده می شود.
مراحل انجام آزمایش برش مستقیم خاک
مراحل انجام آزمایش برش مستقیم خاک

وجود سنگ های متخلخل در دو طرف نمونه برای فراهم آوردن امکان زهکشی در نمونه می باشد. در مرحله ی اول که خاک درون محفظه قرار گرفته است و بار قائم به خاک وارد می شود خاک دچار تحکیم می شود. قبل از انجام آزمایش و در مرحله ی 5 عنوان شده در مراحل انجام آزمایش حتما از جدا بودن صفحات فلزی بالا و پایین جعبه اطمینان حاصل شود تا تنش قائم تنها به  نمونه وارد شود و صفحات فلزی با اتصال به یکدیگر بخشی از بار قائم را تحمل ننمایند.

برای به دست آوردن نتایج صحیح لازم است تا تنش به صورت یکنواخت به نمونه وارد شود. این یکنواختی و سرعت اعمال تنش می تواند تا مقدار 5% دچار نوسان شود. نرخ بارگذاری به نوع خاک وابسته است و لازم است به قدری آرام انجام شود تا از ایجاد اضافه فشار آب حفره ای جلوگیری شده و زهکشی به راحتی انجام شود.

از آن جایی که امکان اندازه گیری فشار آب حفره ای در آزمایش برش مستقیم وجود ندارد لازم است حتما نمونه اشباع بوده و تحت تحکیم قرار گیرد در غیر این صورت اگر هنگام انجام آزمایش اضافه فشار آب حفره ای در نمونه ایجاد شود باعث کاهش مقاومت برشی خاک می گردد.

خطاهایی که معمولا در آزمایش برش مستقیم صورت می گیرد عبارتند از:

  • دست خوردگی نمونه قبل از انجام آزمایش
  • عدم تحکیم کامل خاک
  • سرعت بالای اعمال تنش به نمونه
خطاهای معمول آزمایش برش‌مستقیم
خطاهای معمول آزمایش برش مستقیم

دست خوردگی نمونه با تغییر ساختار خاک باعث می شود رفتار خاک در آزمایشگاه و محل یکسان نباشد و در نتیجه نمی توان از مشابه بودن رفتار و مقاومت به دست آمده در آزمایش برای رفتار در محل نمونه بهره برد.

تحلیل نتایج آزمایش به شرح زیر است:

  1. چگالی خاک با توجه به وزن خاک و ابعاد اندازه گیری شده از محفظه ی خاک محاسبه شود.
  2. داده های برداشت شده از روی گیج های آزمایش به واحدهای مناسب تبدیل شده و در گزارش آزمایش وارد شوند. ابتدا مساحت نمونه محاسبه شده و سپس تنش نرمال با تقسیم بار وارد شده به سطح نمونه محاسبه گردد:
2 فرمول آزمایش برش‌مستقیم
  • تنش برشی با استفاده از تقسیم نیروی برشی به مساحت نمونه محاسبه شود:
3 فرمول آزمایش برش مستقیم
  • نمودار تنش برشی – جابجایی افقی رسم شود.
  • مقدار بیشینه تنش برشی برای هر آزمایش محاسبه شود.
  • نمودار بیشینه تنش برشی – تنش نرمال رسم شده و بر اساس خط به دست آمده پوش گسیختگی بر اساس معیار موهر کولمب و زاویه ی اصطکاک داخلی خاک مشخص شود.

رفتار خاک تحت آزمایش برش مستقیم بسته به تراکم و وضعیت عادی یا پیش تحکیم یافته بودن خاک متفاوت است. در خاک های ماسه ای با تراکم بالا یا رس پیش تحکیم یافته، با افزایش کرنش برشی تنش برشی خاک افزایش می یابد و به نقطه ای می رسد که یک بیشینه تنش را نشان می دهد پس از آن نقطه با افزایش کرنش برشی، تنش برشی به سرعت کاهش پیدا می کند. در نتیجه در نمودار کرنش برشی – تنش برشی به دست آمده از آزمایش برش مستقیم رفتار ماسه ی متراکم یا رس عادی تحکیم یافته دارای یک قله می باشد.

تنش برشی در ماسه ی غیرمتراکم و رس عادی تحکیم یافته با افزایش کرنش برشی افزایش می یابد و برخلاف رفتار ماسه ی متراکم دارای قله نمی باشد. در کرنش های برشی زیاد تنش برشی برای ماسه ی متراکم یا رس پیش تحکیم یافته با تنش برشی ماسه ی غیر متراکم یا رس عادی تحکیم یافته برابر است.

نمودار تنش برشی – کرنش برشی آزمایش برش مستقیم

رفتار نمونه را از نظر حجم و کرنش قائم نیز می توان بررسی نمود. در ماسه ی متراکم یا رس پیش تحکیم یافته حجم نمونه در ابتدا کاهش یافته و سپس به علت جابجایی ذرات خاک بر روی یکدیگر و اتساع خاک افزایش حجم می یابد. اما در ماسه ی غیر متراکم یا رس عادی تحکیم یافته با افزایش کرنش برشی، حجم خاک مرتبا کاهش می یابد.

نمودار کرنش برشی – کرنش قائم آزمایش برش مستقیم
نمودار کرنش برشی – کرنش قائم آزمایش برش مستقیم

آزمایش برش مستقیم دارای مزایا و معایبی می باشد که در ادامه بررسی شده اند.

مزایای آزمایش برش مستقیم خاک (Direct Shear Test)

آزمایش برش مستقیم یکی از قدیمی ترین و متداول ترین آزمایش های اندازه گیری مقاومت خاک است. این آزمایش با سرعت مناسب و هزینه ی کم قابل اجرا است.

معایب آزمایش برش مستقیم خاک (Direct Shear Test)

در آزمایش برش مستقیم سطح برش به نمونه ی خاک تحمیل می شود در نتیجه خاک در صفحه ای غیر از ضعیف ترین صفحه ی خود گسیخته می شود. در آزمایش برش مستقیم امکان اندازه گیری فشار آب حفره ای وجود ندارد که باعث کاهش امکان نظارت بر روی روند آزمایش می گردد. به دلیل ابعاد نمونه ی تحت آزمایش توزیع تنش برشی بر روی سطح گسیختگی غیر یکنواخت است.

مزایا و معایب آزمایش برش‌مستقیم - شرکت عمرانی مهندسی ایستاسازه
مزایا و معایب آزمایش برش مستقیم – شرکت عمرانی مهندسی ایستاسازه

در زمینه مطالعات ژئوتکنیک بیشتر مطالعه کنید :

در زمینه پایدارسازی گود بیشتر مطالعه کنید : 

در زمینه طراحی و مشاوره ژئوتکنیک بیشتر مطالعه کنید : 

در زمینه بهسازی خاک بیشتر مطالعه کنید : 

در زمینه تخریب و خاکبرداری بیشتر مطالعه کنید : 

در زمینه ابنیه و ساختمان بیشتر مطالعه کنید : 

مطالب مرتبط :

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

سایر مقاله ها

مبحث دوازدهم مقررات ملی ساختمان (ایمنی و حفاظت کار در حین اجرا)

مبحث دوازدهم مقررات ملی ساختمان (ایمنی و حفاظت کار در [...]


بیشتر بخوانید

کنترل نیروی بلند کننده پی (آپلیفت) با استفاده از تحلیل دینامیکی (Dynamic Analysis of Uplift)

کنترل نیروی بلند کننده پی (بلند شدگی یا آپلیفت) با [...]


بیشتر بخوانید

نیروی بالا برنده یا آپلیفت چیست؟ (?What is Uplift)

Uplift به معنای بلند شدگی یا برکنِش می باشد. عامل های [...]


بیشتر بخوانید

واتر استاپ یا آب‌ بند چیست؟ (?What is WaterStop )

واتر استاپ یا آب بند چیست؟ (?What is WaterStop) آب [...]


بیشتر بخوانید