ایستاسازه
En Ar

خانه - آموزش - آزمایش سه محوری خاک (Triaxial Compression Test)

آزمایش سه محوری خاک یکی از دقیق ترین و متداول‌ ترین روش ‌های اندازه‌ گیری پارامترهای مکانیکی مواد و اجسام شکل ‌پذیر نظیر خاک، سنگ و شن و ماسه است. که شامل آزمایش سه محوری CU – آزمایش سه محوری UU – آزمایش سه محوری CD و … می باشد. جالب است بدانید یکی از پرکاربرد ترین 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.

آزمایش 3 محوری مانند تمام آزمایشات المانی و مدل سازی فیزیکی تحت دو حالت بارگذاری انجام می گردد:

  • بارگذاری استاتیکی
  • بارگذاری دینامیکی

یکی از بهترین روش‌ های تعیین پارامترهای مقاومت برشی خاک برشی نظیر زاویه اصطحکاک داخلی (Internal friction angle) و ضریب چسبندگی (Cohesion) 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. تفاوت و علت قابل اعتماد بودن آزمایش سه محوری نسبت به برش مستقیم این است که در آزمایش برش مستقیم، خاک به اجبار از محل درز بین دو قسمت جعبه گسیخته می شود ولی در آزمایش سه محوری، خاک از محل ضعیف ترین صفحه خود گسیخته می شود.

مزیت آزمایش سه محوری نسبت به آزمایش برش مستقیم - ایستاسازه
مزیت آزمایش سه محوری نسبت به آزمایش برش مستقیم

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 مدل های کامپیوتری در فضای واقعی مهندسی می‌ باشد.

دستگاه سه محوری استاتیکی آزمایشگاه ژئوتکنیک دانشکده مهندسی عمران دانشگاه تهران - شرکت ایستاسازه
دستگاه سه محوری استاتیکی آزمایشگاه ژئوتکنیک دانشکده مهندسی عمران دانشگاه تهران

شرح آزمایش سه محوری خاک

ابتدا روش و چگونگی انجام و انواع برش سه محوری توضیح داده می شود. قابل ذکر است که جهت انجام آزمایش سه محوری خاک، می ‌بایست قالبی از جنس لتکس و به شکل استوانه را با نمونه خاک پر کرد و صفحات دایره ‌ای فلزی را در هر دو انتهای استوانه قرار داد. استوانه با هدف اعمال فشار جانبی به هر دو سمت نمونه خاک، در محفظه ‌ای حاوی سیال هیدرولیکی (عمدتاً آب) قرار می ‌گیرد. جهت اعمال فشار همه جانبه به نمونه، صفحه بالایی در راستای استوانه به بالا و پایین حرکت می کند که میزان این جابجایی با در نظر گرفتن نیروی مورد نیاز برای حرکت دادن صفحه اندازه گیری خواهد شد.

غشاء مورد استفاده از جنس لتکس
غشاء مورد استفاده از جنس لتکس در آزمایش سه محوری

باید توجه نمود 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 اندازه گیری 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، می توان میزان تغییرات حجم نمونه را اندازه گیری کرد.

نمونه خاک قرار گرفته در دستگاه سه محوری استاتیکی تحت فشار همه جانبه - شرکت عمرانی ایستاسازه
نمونه خاک قرار گرفته در دستگاه سه محوری استاتیکی تحت فشار همه جانبه

در تکمیل توضیحات روند اجرای آزمایش سه محوری می توان به موارد زیر نیز اشاره نمود:

  • غشاء لاستیکی باید حتما عاری از هرگونه آسیبی یا سوراخ باشد.
  • باید توجه داشت که نمونه خاک مورد آزمایش فاقد هرگونه ترک و یا شکستگی باشد.
  • قطر نمونه نیز بر اساس قطر بزرگترین دانه انتخاب می گردد.
  • فشار منفذی سیال در برگیرنده را هنگام انجام آزمایش می توان با «دستگاه فشار منفذی بیشاپ» اندازه گیری نمود.
  • آزمایش سه محوری هنگامی به پایان می رسد که نیرو حالت کاهشی به خود می گیرد.
  • نوع دیگر اتمام آزمایش سه محوری زمانی است که نمونه تا حدود بیست درصد کرنش را تجربه کرده است.

شرح وقوع برش در نمونه خاک تحت آزمایش سه محوری

در فرآیند آزمایش سه محوری خاک، 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 می شود. دستگاه های انجام آزمایش های سه محوری قابلیت بررسی تغییر شکل و افزایش بارگذاری تا لحظه‌ شکست نمونه را دارا هستند؛‌ باید توجه کرد میزان فشار آب (سیال در برگیرنده)‌ 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 می شود. به ناحیه شکل‌گیری لغزش بر روی نمونه، “خطوط برش (Shear Bands) ” گفته می‌شود.

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 در برگیرنده، 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 می شود.

اطلاعات حاصل از انجام آزمایش سه محوری بر روی نمونه های مواد و اجسام شکل پذیر (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 می گیرد. با استفاده از این داده ها می توان رفتار مواد را در دنیای واقعی مهندسی و با استفاده از مدل های کامپیوتری پیش بینی کرد.

نمایش تجهیزات آزمایش سه محوری به صورت نمادین - شرکت مهندسی ایستا سازه
نمایش تجهیزات آزمایش سه محوری به صورت نمادین

انواع آزمایش سه محوری خاک

همان گونه که پیش تر اشاره شد، در آزمایش سه محوری خاک، نمونه در غشای پلاستیکی (قالب استوانه ای) قرار داده می شود و سپس در محفظه ای محصور در سیال (عمدتاً آب) قرار گرفته و تنش های همه جانبه به آن وارد می شود. آزمایش سه محوری خاک با توجه به نوع وضعیت شیر خروجی آب به سه دسته کلی تقسیم می شود:

آزمایش سه محوری تحکیم نیافته زهکشی نشده (آزمایش سه محوری UU)

آزمایش سه محوری UU برای خاک های دانه درشت کاملاً اشباع، قابل استفاده نیست. نکته قابل توجه این است که در تمام مراحل آزمایش سه محوری UU، شیر زهکشی بسته است. در انجام آزمایش سه محوری UU سرعت بالای بارگذاری اجازه تحکیم به نمونه را نمی دهد؛ نکته‌ قابل ذکر دیگر در خصوص این آزمایش این است که در آزمایش سه محوری UU، نمونه با کرنش کنترل شده (نرخ ثابت) تحت فشار قرار می گیرد.

آزمایش سه محوری UU- شرکت مهندسی ایستا سازه
آزمایش سه محوری تحکیم نیافته زهکشی نشده ( آزمایش سه محوری UU )

آزمایش سه محوری تحکیم یافته زهکشی نشده (آزمایش CU)

آزمایش سه محوری CU متداول ترین نوع آزمایش سه محوری است. در آزمایش سه محوری CU ابتدا نمونه به صورت کامل تحت تنش همه جانبه (در حالی که شیر زهکشی باز است) تحکیم می‌شود؛ در مرحله بعدی، شیر زهکشی بسته می شود و به نمونه تنش انحرافی اعمال می شود تا نمونه گسیخته شود.

منحنی تنش – کرنش و پوش گسیختگی در آزمایش
منحنی تنش – کرنش و پوش گسیختگی در آزمایش سه محوری تحکیم یافته زهکشی نشده (آزمایش سه محوری CU)

قابل ذکر است که این آزمایش سه محوری CU در خصوص خاک های چسبنده ای که پیش از این بر اثر تحمل بار دائمی تحکیم پیدا کرده اند، استفاده می شود.

آزمایش سه محوری تحکیم یافته زهکشی شده (آزمایش سه محوری CD)

در آزمایش سه محوری CD، 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 می رسد. باید توجه کرد که حفظ آرامش در اعمال نیرو به نمونه در این مرحله از آزمایش سه محوری CD جهت جلوگیری از ایجاد فشار آب حفره ای در نمونه امری بسیار مهم است؛ مقاومت برشی هر خاک وابسته به میزان فشار آب حفره ای ایجاد شده در حین انجام آزمایش است.

طبق تجارب به دست آمده می توان گفت که مدت زمان انجام آزمایش سه محوری خاک، بسته به میزان نفوذپذیری خاک، متغیر است. هر چه اندازه دانه خاک درشت تر باشد، میزان زاویه اصطکاک داخلی افزایش پیدا می کند. در خاک های رسی بر خلاف خاک های ماسه ای (که آزمایش سریع انجام می شود) آزمایش ممکن است تا چندین روز به طول انجامد،‌ زیرا این نوع خاک ها ضریب گذردهی کمی برای آب دارند.

انواع آزمایش های سه محوری خاک
انواع آزمایش های سه محوری خاک

نکات انواع تست های سه محوری

  • در تست UU قطر بزرگترین دانه باید کمتر از 0/1 قطر نمونه باشد.
  • حالت خاصی از آزمایش سه محوری UU ، آزمایش «تک محوری» است.
  • در تست UU بر روی خاک های 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 می رسد.

کاربردهای آزمایش سه محوری

از مزایای آزمایش سه محوری نسبت به سایر روش های 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 زاویه اصطکاک داخلی (Internal friction angle) و ضریب چسبندگی (Cohesion) را امکان پذیر می سازد.

مجموعه ای از تجهیزات مورد استفاده در آزمایش - شرکت مهندسی ایستا سازه
مجموعه ای از تجهیزات مورد استفاده در آزمایش سه محوری

با افزودن تجهیزات مناسب، از آزمایش سه محوری می توان برای تعیین سایر متغیرها مانند سختی و نفوذپذیری نیز استفاده کرد. در ادامه، برخی از مهم ترین کاربردهای این آزمایش توضیح داده می شود که هم در مطالعات آکادمیک و دانشگاهی و هم در پروژه های صنعتی دید درستی به مهندسین ارائه می دهد.

استخراج ویژگی های خاک

استخراج و به دست آوردن ویژگی های خاک به ویژه در پروژه های ساختمانی اهمیت زیادی دارد. آزمایش سه محوری چنین امکانی را برای ما فراهم می کند. برای این منظور با استفاده از یک قالب استوانه ای از جنس لتکس، 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 محاسبه خواهد بود.

محاسبه خواص سنگ

کاربردهای آزمایش سه محوری به خاک محدود نمی شود و می توان برای محاسبه رفتار و ویژگی های سنگ نیز از آن استفاده نمود. البته با توجه به مقاومت بالای سنگ، نوع انجام این فرآیند و برخی از ابزاری که به کار می رود، متفاوت است. برای مثال، به جای استوانه لتکسی 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 به دست آمده از آزمایش سه محوری خاک، به منظور مشخص کردن برخی خواص مانند زاویه مقاومت برشی (φ) و یا چسبندگی (C) ظاهری کاربرد دارد که با استفاده از آنها و مدل سازی نرم افزاری، پیش بینی رفتار مواد در محاسبات مهندسی میسر می گردد. پس از به دست 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. در صورتی که افزایش حجم مشاهده گردد، به آن اتساع پذیری و در صورت کاهش حجم به آن فشردگی می گویند.

محاسبه تنش مؤثر خاک

تنش مؤثر که با استفاده از تنش کل و فشار منفذی به دست می آید، با قراردادن سطحی متخلخل بر روی یکی از سطوح بالایی یا پایینی و اندازه گیری فشار سیال در هنگام اجرای آزمایش، منتج خواهد شد. این پارامتر نیز جزء مقادیر مهم به دست 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 برشی ناپیوستگی ها را می دهد.

آزمایش سه محوری سیکلیک (دینامیکی)

در بررسی رفتار خاک، شرایط بارگذاری به دو بخش اصلی تقسیم می شود:

1) بارهای استاتیکی

2) بارهای دینامیکی

در بخش دینامیکی بر اساس بارهای سیکلی یا دینامیکی همچون زلزله رفتار سازه مورد بررسی قرار می ‌گیرد که تعیین آن توسط دستگاه های سه محوری دینامیکی صورت می پذیرد.

منحنی تنش برشی – کرنش برشی و پوش گسیختگی در آزمایش سه محوری دینامیکی
منحنی تنش برشی – کرنش برشی و پوش گسیختگی در آزمایش سه محوری دینامیکی

در آزمایش سه محوری دینامیکی با کنترل تنش، مطالعات روانگرایی روی خاک های دانه ‌ای اشباع صورت می پذیرد. آزمایش سیکلیک در موارد بارگذاری مکرر جهت تحلیل روانگرایی خاک ها و یا تعیین مدول ارتجاعی خاک ها مورد استفاده قرار خواهد گرفت.

دستگاه سه محوری دینامیکی (سیکلیک) آزمایشگاه ژئوتکنیک دانشکده مهندسی عمران دانشگاه تهران- ایستاسازه
دستگاه سه محوری دینامیکی (سیکلیک) آزمایشگاه ژئوتکنیک دانشکده مهندسی عمران دانشگاه تهران

نکته قابل ذکر در خصوص دستگاه های انجام آزمایش سه محوری سیکلیک (تناوبی) این است که این تجهیزات:

  • قابلیت تنظیم اعمال نیروی وارده
  • امکان انجام آزمایش های مربوطه بر روی نمونه ‌هایی با قطر متغیر
  • امکان انجام آزمایش به صورت زهکشی شده و زهکشی نشده
  • شرایط اعمال بارهای سیکلیک یا دینامیکی
  • امکان اعمال مسیر تنش های متفاوت
  • امکان کنترل تنش از طریق کنترل بارگذاری مونوتونیک و سیکلی

را دارا هستند. در پایان، نتایج آزمایش سه محوری سیکلیک را می‌توان بر اساس دوایر تنش موهر – کولمب به جهت مشخص کردن پارامترهای مقاومتی ارائه کرد.

نمونه آماده شده جهت انجام آزمایش
نمونه آماده شده جهت انجام آزمایش سه محوری دینامیکی (سیکلیک)

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 21 مقررات ملی ساختمان (پدافند غیرعامل) – ویرایش 1395

فصل یک مبحث 21 مقررات ملی ساختمان (پدافند غیر عامل): [...]
بیشتر بخوانید

بهسازی لرزه ای سازه ها (Seismic Retrofitting of Structures)

بهسازی (Rehabilitation) در معنای کلی لغوی یعنی اصلاح کردن یا [...]
بیشتر بخوانید

مبحث 22 مقررات ملی ساختمان (مراقبت و نگهداری از ساختمان ها) – ویرایش 1392

فصل یک مبحث 22 (بیست و دوم) مقررات ملی ساختمان [...]
بیشتر بخوانید

آزمایش سه محوری خاک (Triaxial Compression Test)

آزمایش سه محوری خاک یکی از دقیق ترین و متداول‌ [...]
بیشتر بخوانید