ایستاسازه
En Ar

خانه - خدمات ایستاسازه - معایب آزمایش برش مستقیم خاک (Disadvantages of Direct Shear Test)

معایب و خطاهای آزمایش برش مستقیم خاک

(Disadvantages of Direct Shear Test)

ایمنی هر سازه ژئوتکنیکی به مقاومت خاک بستگی دارد. اگر خاک گسیخته گردد، سازه بنا شده بر روی آن می تواند فرو ریزد و حیات بشر را به خطر بیاندازد و موجب صدمات اقتصادی گردد. لذا مقاومت خاک ها دارای اهمیت فوق العاده ای برای مهندسین ژئوتکنیک می باشد. کلمه مقاومت برای بیان مقاومت برشی به کار می رود که عبارت است از مقاومت اصطکاکی خاک در برابر نیروهای برشی. مقاومت برشی در تخمین ظرفیت باربری خاک ها، پایداری سازه های ژئوتکنیکی و تحلیل مشخصات تنش – کرنش خاک ها لازم است. یک دستگاه متداول برای تعیین پارامترهای مقاومت برشی، جعبه برش می باشد. این آزمایش وقتی مفید است که احتمال گسیخته شدن خاک در امتداد یک ناحیه نازک، تحت شرایط کرنش صفحه ای وجود داشته باشد. همان طور که در شکل زیر نشان داده شده است، جعبه برش یک جعبه باز و دو تکه می باشد. خاک در داخل جعبه قرار داده می شود و نصف جعبه به سمت نصف دیگر حرکت داده می شود که در نتیجه گسیختگی در طول یک ناحیه خاک در صفحه افقی محدود می گردد. صفحات فلزی دندانه دار و شیاردار در وجوه فوقانی و تحتانی خاک قرار داده می شوند تا نیروی برشی ایجاد کنند. از طریق صفحه فلزی واقع در روی صفحه دندانه دار فوقانی، نیروهای قائم وارد می شود. نیروهای افقی از طریق یک موتور برای کنترل تغییر مکان یا به وسیله وزنه ها از طریق سیستم قرقره جهت کنترل بار اعمال می گردد.

جعبه برش آزمایش برش‌مستقیم خاک - ایستا سازه
جعبه برش آزمایش برش مستقیم خاک

در این نوشتار ضمن بیان معایب و خطاهای موجود در آزمایش برش مستقیم و تشریح راه حل برای آنها تلاش شده است که در ادامه به ترتیب به آنها اشاره گردد. عمده خطاهای موجود در آزمایش برش مستقیم به علت معضلات دستگاه برش مستقیم و یا بر حسب عدم رعایت برخی تمهیدات ساده موجود در محل آزمایشگاه به وجود می آیند.

موقعیت قرارگیری گیربکس دستگاه برش مستقیم

وظیفه گیربکس دستگاه برش مستقیم، انتقال، تنظیم و تبدیل انرژی تولید شده از یک الکتروموتور به دیگر بخش های دستگاه برش مستقیم می باشد. قرارگیری گیربکس می تواند به دو صورت مجزا و یا سوار بر روی دستگاه آزمایش برش مستقیم باشد. در نمونه هایی که گیربکس، سوار بر روی دستگاه می باشد و از ابتدا حرکت افقی را تولید می نماید، گیربکس عملکرد دقیق تر و بهتری را داراست. زیرا حرکت افقی به طور مشخص و در محوری مستقیم با کرنش ثابت تولید می گردد و اجزای دستگاه برای انتقال این کرنش نقشی ندارند. از طرف دیگر در دستگاه هایی که جابجایی های برشی مورد نیاز توسط دستگاهی مجزا تأمین می شود، موارد مختلفی به طور غیر مستقیم بر روی نتایج تأثیر منفی می گذارند. به طور مثال در این نمونه دستگاه های برش، ابتدا با انتخاب سرعت ثابت توسط متعلقات گیربکس و سپس روشن نمودن الکتروموتور گیربکس و به حرکت درآوردن چرخ دنده های از پیش تعبیه شده درون گیربکس، حرکتی دورانی به یک شفت قائم ایجاد می شود. حرکت دورانی با محوریت قائم توسط شفت قائم به بخش های تنطیم دور دستگاه منتقل شده و در این ناحیه به حرکت دورانی پیش رونده با محوریت افقی تبدیل می گردد و نهایتاً با توجه به اتصال به جعبه برش این حرکت پیشرونده تبدیل به جابجایی افقی و یا برشی می گردد. همان طور که اشاره گردید هر چقدر شرایط و مسیر انتقال نیروها در این اجزا طولانی تر باشد، خطاهای ناشی از آنها در نهایت به صورت تغییر در کرنش ثابت انتخابی ظاهر می شود. به طور مثال می توان به معایب و عوامل ایجاد خطاهای آزمایش برش مستقیم خاک در این بخش نظیر قائم نبودن شفت انتقال نیروها از گیربکس به قسمت تنظیم دور، لرزش ناشی از گیربکس که بر روی قرائت و تراز سیستم، تأثیر منفی دارد، عدم اطمینان از عملکرد صحیح چرخ دنده های داخل گیربکس به ویژه در دراز مدت و پیچش قابل توجه شفت قائم تحت دوران های رفت و برگشت در حین آزمون اشاره نمود. شکل زیر نمونه دستگاهی را نشان می دهد که در آن حرکت دورانی از بخش پایینی توسط یک گیربکس تولید شده و سپس به وسیله یک شفت قائم با حرکت دورانی به بخش تنظیم دور وارد می گردد.

جزئیات عملکرد آزمایش برش مستقیم در نمونه دستگاه های برش مستقیم با گیربکس مجزا
جزئیات عملکرد آزمایش برش مستقیم خاک در نمونه دستگاه های برش مستقیم با گیربکس مجزا
بعضی از عوامل ایجاد خطا در آزمایش برش مستقیم
بعضی از معایب و عوامل ایجاد خطا در آزمایش برش مستقیم خاک

شکل زیر مقایسه ای میان قرارگیری گیربکس در سه نمونه مختلف از دستگاه های برش مستقیم جعبه بزرگ مرسوم را نشان می دهد. در نمونه a گیربکس دستگاه به صورت مجزا نشان داده شده است و در دو نمونه b و c تصویر گیربکس دستگاه های برش که بر روی خود دستگاه سوار می باشد، نشان داده شده است.

مقایسه قرارگیری گیربکس در سه نوع از دستگاه های برش‌مستقیم جعبه بزرگ
مقایسه قرارگیری گیربکس در سه نوع از دستگاه های برش مستقیم جعبه بزرگ

اصطکاک در سطح تماس جعبه ها

در هر آزمایش، شناخت رفتار قطعات و ابزار آلات به کار رفته و تأثیر این رفتارها بر روی نتایج جزء لاینفک آن بوده و با شناخت بهتر می توان به راه حلی برای کاهش و یا از بین بردن آن دست یافت. حتی ساده ترین موارد نظیر نوع، جنس و شکل قالب نیز می تواند بر روی نتایج نهایی پارامترهای مقاومت برشی تأثیرگذار باشد. از موارد دیگر می توان به مقدار سطح تماس دو قالب بالایی و پایینی جعبه های برش، وزن جعبه بالایی و همچنین شرایط انتقال نیروهای برشی از جعبه بالایی اشاره نمود.

به طور مثال تنش قائمی که توسط مؤلفه وزن جعبه برش بالایی تولید می شود، بر روی سطح تماس دو جعبه اعمال می شود و با توجه به اینکه اصطکاک ناشی از این تنش قائم به عنوان نیرویی در مقابل حرکت جعبه برش پایینی عمل می نماید، در نهایت موجب می گردد تا ارقام قرائت شده بالاتر از مقدار واقعی به دست آیند. واضح است زمانی که در آزمون برش مستقیم از تنش های قائم بالاتر استفاده می شود، قرائت های گیج نیروی برشی ارقام بیشتری را نشان می دهند. همان طور که در شکل زیر نشان داده شده است، در بخش هایی که این میله بر روی تکیه گاه می نشیند، وزن خود میله های انتقال نیرو و تأثیر نشست بر روی تکیه گاه بر روی استقامت نمونه خاک در برابر حرکت افقی به ویژه در لحظات قبل از گسیختگی تأثیرگذار است. راه حل این معضل بسیار آسان بوده و کافی است سیستم انتقال دهنده نیروی برشی به جعبه برش بالایی متصل نباشد و یا تا آنجا که امکان داشته باشد، از وزن متعلقات سنگین جعبه برش بالایی کاست.

متعلقات سنگین جعبه برش بالایی و تکیه گاه آن در قسمت های دیگر دستگاه
متعلقات سنگین جعبه برش بالایی و تکیه گاه آن در قسمت های دیگر دستگاه

جداشدگی سطح تماس در حین آزمایش

رفتارهای کرنشی و برشی در مصالح خاکی مختلف در حین آزمایش برش مستقیم با یکدیگر متفاوت می باشد. در این قسمت ابتدا به ذکر دو مثال از رفتارهای کرنشی و برشی مربوط به نمونه مصالح خاکی سست و همچنین متراکم پرداخته شده و سپس به بیان معایب و خطاهای ناشی از این دو مسئله در آزمایش برش مستقیم خاک می پردازیم.

  • در رفتارهای برشی ماسه های سست ابتدا تنش برشی مقاوم با تغییرمکان برشی افزایش می یابد تا تنش گسیختگی حاصل شود و پس از آن مقاومت برشی با افزایش بیشتر تغییر مکان برشی، تقریباً ثابت می ماند. در رفتارهای کرنشی ماسه های سست و مصالح خاکی با نشست پذیری بالا از ابتدای آزمایش تا انتهای آن همواره روند انقباضی در ارتفاع نمونه با افزایش تغییر شکل برشی وجود دارد.
  • اما بسیاری دیگر از نمونه مصالح خاکی که نیاز به تراکم دارند و در واقع به صورت متراکم مورد آزمایش قرار می گیرند، در ابتدا در آنها تنش برشی مقاوم با تغییر مکان برشی افزایش می یابد تا تنش برشی گسیختگی حاصل شود. بعد از تنش گسیختگی، تنش برشی مقاوم به تدریج با افزایش تغییر مکان برشی،کاهش می یابد تا بالاخره به یک مقدار ثابتی برسد که به آن مقاومت برشی نهایی می گویند.

با توجه به دو مدل بالا که نمونه های سست و متراکم را تشریح نمودند، نکته اصلی این است که در حین آزمون این رفتارهای برشی و کرنشی درون جعبه برش چگونه خود را نشان می دهند. در نمونه هایی که مصالح به صورت سست درون جعبه برش قرار داده می شوند و یا اینکه نمونه مصالح درون جعبه برش بسیار نرم و نشست پذیر باشند، سطح تماس جعبه بالایی و پایینی تا انتهای آزمایش بر روی هم باقی می ماند و از هم جدا نمی شود. اما زمانی که نمونه های مصالح خاکی به ویژه مصالح درشت دانه به صورت متراکم درون جعبه برش جا داده می شوند، از اواسط آزمایش دو جعبه بالایی و پایینی تمایل به جدا شدن از یکدیگر را دارند. با افزایش این جداشدگی تا انتهای آزمون فاصله های میان لبه های تماس جعبه ها افزایش چشمگیری می یابد. برای حل این معضل می بایست سطح تماس جداره های جعبه برش بالایی و پایینی را با مصالحی که اصطکاک را به حداقل می رسانند، آغشته نمود. به طور مثال می توان حتی از تفلون های پلاستیکی مخصوص در جداره های جعبه برش استفاده نمود که در جهت کاهش اصطکاک خاک درون جعبه برش با جداره آن عمل می نمایند.

با جداشدگی سطوح تماس جعبه های برش، خطای اصطکاک در سطح مشترک به نوعی از بین می رود اما جداشدگی میان سطح مشترک و نفوذ سنگدانه ها در میان آن موجب خطاهای بزرگتری که ناشی از اصطکاک میان سنگدانه ها و سطوح فلزی بالایی و پایینی می باشد، می گردد.

جداشدگی سطح تماس جعبه های برش در حین آزمایش
جداشدگی سطح تماس جعبه های برش در حین آزمایش – معایب آزمایش برش مستقیم خاک

نشست های غیر یکسان و تورب صفحه برش

یکی دیگر از معایب آزمایش برش مستقیم خاک کاهش سطح مقطع صفحه برشی به خاطر افزایش جابجایی های برشی ناشی از پیشروی جعبه برش پایینی، مسئله دیگری را نیز به همراه خواهد داشت که آن افزایش خروج از مرکزیت برآیند بار قائم اعمالی می باشد. در واقع خروج از مرکزیت، موجب نشست های غیر یکسان شده و این نشست ها موجب تغییر قابل توجهی در زاویه صفحه افقی برش می گردد که نهایتاً بر نتایج پارامترهای مقاومت برشی نیز تأثیرات نامطلوبی خواهد گذاشت.

شایان ذکر است که نشست های غیر یکسان تقریباً از لحظه گسیختگی شروع شده و تا انتهای آزمایش روند رو به رشدی را طی می نمایند. این امر را می توان به پیشرفت شرایط غیرتعادلی اهرم تعادل دانست. بدین معنی که زمان شروع آزمون، اهرم تعادل تراز شده است اما در حین آزمایش به دلیل این نشست های غیر یکسان و ثابت ماندن محور قائم و مرکزی کلاهک اعمال تنش قائم، اهرم تعادل به حالت غیر تراز در می آید و بدین ترتیب به صورت دو سویه موجب تورب در صفحه برش می شوند.

بهترین راه حل برای اینکه دستگاه برش در مسیر اعمال تنش قائم و در حین آزمون نیازی به تراز نمودن نداشته باشد، کافیست که وزنه ها و کلاهک دارای یک محور قائم یکسان باشند و در نتیجه وزنه های اعمالی با خود کلاهک همگام با جعبه برش بالایی حرکت می کنند. البته به دلیل اینکه اهرم در چندین برابر نمودن بار قائم ناشی از وزنه ها نقش دارد، بهتر است که تنها با تغییر دادن نوع جک و تبدیل آن به جک های هیدرولیکی در دستگاه های برش مستقیم، این مشکل را حل نمود. در این راستا جک های با دسته چرخان و همچنین متصل به اهرم های تراز با هر بار تراز، تأثیر جبران ناپذیری بر روی ارقام قرائت شده گذاشته و نتایج را غیر قابل اطمینان می سازد.

خطای محاسبات ناشی از مسئله تورب صفحه برش و مسئله کاهش سطح مقطع صفحه برشی با یکدیگر جمع شده و با توجه به اینکه در داده ها و نتایج، پس از لحظه گسیختگی تأثیرات بسیار نامطلوب و زیادی می گذارند، تعیین رفتارهای کرنشی و برشی در حالت پسماند برای نمونه های آزمایش شده با دستگاه هایی که این مشکل را دارا هستند را غیر قابل اطمینان می سازد.

جمع بندی

با توجه به مطالب ذکر شده و به منظور کاهش مقادیر خطاهای آزمایش برش مستقیم خاک می توان به نتایج زیر اشاره نمود:

تولیدکنندگان این دستگاه می بایست تا جایی که ممکن هست از نصب متعلقات سنگین بر روی جعبه برش بالایی خودداری نمایند. همچنین در سطح تماس جداره داخلی جعبه های برش از مصالح عایق و بسیار غیر اصطکاکی استفاده نمایند تا در هنگام تماس با خود خاک و در حین آزمایش سطح تماس میان دو جعبه بالایی و پایینی به دلیل مسئله تورم ناشی از رفتارهای کرنشی از یکدیگر جدا نشوند.

از سویی دیگر، لبه های جعبه های برش بالایی باید به صورت هلالی ساخته شوند تا به جای سطحی وسیع و مستعد پخش نیروهای اصطکاکی، خطی را طی نمایند و نمایانگر حداقل تماس با سطح جعبه پایینی باشند. همچنین در محاسبات تنش های برشی باید از تنش برشی اصلاح شده بهره گرفته شود. زیرا این تنش وابسته به متغیر سطح خالص بوده و با افزایش تغییر مکان های برشی، افزایش چشمگیری می یابد. کاهش سطح مقطع در رفتارهای پسماند تأثیر بسیار زیادی می گذارد.

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

انواع روش های تخریب سنگ و بتن (A Variety of Methods of Rock and Concrete Demolition)

در برخی از پروژه های پایدارسازی دیواره های گود شرکت [...]


بیشتر بخوانید

پدیده فروچاله چیست؟ (?What is The Phenomenon of Sinkhole)

پدیده فروچاله چیست؟ (?What is Sinkhole) فروچاله ها حفره هایی [...]


بیشتر بخوانید

خطرات عملیات تخریب ساختمان (Risks of Building Demolition Operation)

به دنبال گسترش ناحیه شهرنشینی و همچنین نوسازی ساختمان ها [...]


بیشتر بخوانید

شمع پلاستیک (Plastic pile)

شمع پلاستیک (Plastic pile) پیامدهای حضور منابع آب به ویژه [...]


بیشتر بخوانید