آزمایش ستون تشدید (Resonant Column)

آزمایش ستون تشدید برای محاسبه مدول برشی (G) و همچنین محاسبه مشخصات میرایی خاک آزمایشی مناسب می باشد که با استفاده از دستگاه های گوناگون ستون تشدید انجام می شود.

استاندارد ارائه شده برای آزمایش ستون تشدید، ASTM D4015 می باشد. در آزمایش ستون تشدید یک نمونه استوانه ای شکل توپر و یا گاهی تو خالی از خاک یا مصالح مورد نظر، داخل یک سلول مشابه سلول آزمایش سه محوری قرار گرفته و با قرار گرفتن یک جرم معلوم بر روی آن، تحت حرکت پیچشی یا طولی سیکلیک قرار می گیرد. فرکانس دستگاه الکترو مغناطیس وارد کننده بار از یک مقدار حداقل تا یک مقدار حداکثر تغییر می کند (جاروب فرکانسی) تا پدیده تشدید رخ دهد. در واقع فرکانس بارگذاری برابر با فرکانس طبیعی مود اول مجموع نمونه خاک و جرم فوقانی می شود. دستگاه، تشدید را تشخیص داده و این فرکانس را ثبت می کند. با داشتن مقدار فرکانس تشدید نمونه و هندسه و شرایط مرزی دو طرف نمونه، می توان به کمک محاسبات برگشتی، سرعت انتشار موج در نمونه خاک و در نتیجه مقدار مدول برشی (G) را به دست آورد. پس از رسیدن به فرکانس تشدید و ثبت آن، سیستم محرک قطع شده و بارگذاری متوقف می گردد و نمونه به صورت آزاد ارتعاش می کند. با مشاهده الگوی کاهش دامنه ارتعاش آزاد، نسبت میرایی نمونه (D) محاسبه می شود. روش دیگر برای محاسبه میرایی نمونه، به کار بردن روش نیمتوان است که معمولاً متداول تر است.

روند بالا با افزایش گام به گام دامنه بارگذاری تکرار می شود. هرچه دامنه بارگذاری افزایش یابد، فرکانس طبیعی نمونه کاهش یافته و در فرکانس کمتری تشدید رخ می دهد که دلیل آن کاهش سختی ناشی از افزایش سطح کرنش ایجاد شده در نمونه است. پس از رسیدن به فرکانس تشدید و در مرحله ارتعاش آزاد، نسبت میرایی نمونه به دلیل افزایش سطح غیرخطی بودن رفتار نمونه ناشی از افزایش کرنش های برشی، افزایش می یابد. بدین ترتیب با انجام آزمایش در دامنه های مختلف، مجموعه ای از داده ها شامل سرعت موج برشی و به تبع آن مدول برشی و نسبت میرایی به عنوان توابعی از کرنش های برشی به دست خواهد آمد.

دستگاه های ستون تشدید انواع مختلفی دارند که هر کدام شرایط متفاوتی را در بالا و پایین نمونه جهت ایجاد تغییر شکل ها اعمال می کنند. متداول ترین شرایط مورد استفاده در دو انتهای نمونه برای آزمایش هایی که نمونه را تحت پیچش سیکلیک قرار می دهند در شکل 1 نشان داده شده است. در مدل نشان داده شده در قسمت a شکل 1، پیچش بر انتهای پایینی نمونه وارد شده و پاسخ از انتهای بالایی نمونه تحت عنوان سرعت یا شتاب دریافت می شود. دستگاه شکل a از جمله دستگاه های Fixed-Free می باشد؛ به این معنا که قسمت پایینی آن ثابت و گیردار بوده و قسمت فوقانی آن آزادانه حرکت می کند. نوع دیگری از دستگاه های Fixed-Free در قسمت b در شکل 1 نشان داده شده است. در این مدل، پیچش به انتهای بالایی نمونه وارد شده و پاسخ نیز از انتهای بالایی نمونه دریافت می شود. در این حالت، برای اعمال پیچش به بالای نمونه، نیاز است تا یک جرم بر بالای نمونه سوار شود. بنابراین ممان اینرسی پیچشی این جرم نیز باید در محاسبات وارد شود.

لازم به ذکر است که نوع دیگری نیز از دستگاه های ستون تشدید با عنوان Free-Free وجود دارد که در آن هر دو انتهای نمونه قادر به حرکت آزادانه هستند.

در کل می توان گفت که آزمایش ستون تشدید، آزمایشی مناسب برای محاسبه مدول های وابسته به کرنش و همچنین محاسبه مشخصات میرایی خاک می باشد. اما مطابق آنچه در ذیل آمده است، محدودیت هایی نیز دارد:

1. آزمایش ستون تشدید اساسا یک روش مبتنی بر محاسبات برگشتی با مراجعه به پاسخ یک سیستم که شامل نمونه خاک و ملحقات آن هست، می باشد. بنابراین خروجی، فقط پاسخ نمونه خاک به تنهایی نیست. بلکه تاثیرات ترکیبی خاک و ملحقات آن (از جمله جسم فوقانی) را نیز در بر می گیرد. بنابراین احتیاط و توجه زیادی برای به دست آوردن داده های قابل اعتماد باید به کار برده شود.
2. آزمایش ستون تشدید برای به دست آوردن داده های مربوط به خصوصیات دینامیکی خاک ها در محدوده کرنش برشی بین %0.001 و %0.1 مناسب است.

در ادامه به توضیح قسمت های مختلف دستگاه و همچنین دستگاه های جانبی مورد استفاده در آزمایش ستون تشدید پرداخته می شود:

1. قالب (Mold): قالب موجود در آزمایشگاه برای آزمایش ستون تشدید ابعادی در حدود 20 در 10 سانتی متر دارد که جهت ساختن نمونه از آن استفاده می شود. این قالب دارای یک شیر است که از جمله کاربردهای آن ایجاد مکش بین قالب و غشاء لاستیکی برای ساخت بدون نقص نمونه است. همچنین دو دستک برای انتقال قالب تعبیه شده است. (شکل 2)
2. کلاهک بالا و پایین (Cap): قطعاتی هستند که در بالا و پایین نمونه قرار گرفته و به وسیله آنها نیرو، شتاب، جابجایی و … به نمونه وارد می شود. این قطعات دارای سنگ های متخلخل و دو شیر هستند که از آنها برای اعمال فشار، مکش، انجام زهکشی درصورت اشباع بودن نمونه و قرائت فشار استفاده می شود.

• ونتوری (Ventory): از این وسیله برای ایجاد مکش استفاده می شود. ونتوری قطعه ای کوچک است که دارای یک مجرای باریک بوده و این باریک شدن مجرا سبب افزایش سرعت هوای فشرده شده ارسالی از کمپرسور می شود. از طرفی در این مجرا یک سوراخ تعبیه شده و با عبور هوا با سرعت بالا از این سوراخ، هوا کشیده شده و مکش تولید می شود.
• سلول سه محوری (Triaxial Cell): از آن برای اعمال فشار همه جانبه استفاده می شود و توانایی تحمل فشار تا 1000 کیلوپاسکال را دارد.
• میله بارگذاری قائم (Rod): از آن برای تحکیم نمونه و بارگذاری قائم استفاده می شود. به وسیله این میله می توان شرایط تحکیم ناهمسان را ایجاد کرد.
• لرزاننده (Shaker): قطعه ای است که بر روی کلاهک بالایی نمونه سوار شده و لنگر پیچشی سیکلی را در دامنه و فرکانس های تعریف شده به نمونه وارد می کند. در دو طرف لرزاننده دو عملگر یا Actuator وجود دارد که کوپل ورودی به وسیله آنها اعمال می شود. حرکت لرزاننده با حرکت عملگرها به صورت نسبی انجام می گیرد. این بدان معناست که شتاب عملگرها با شتاب لرزاننده متفاوت است. شتاب عملگرها بیانگر دامنه ورودی است و شتاب لرزاننده که به همراه کلاهک بالایی نمونه حرکت می کند، شتاب پاسخ است که به وسیله حسگرها اندازه گیری می شود (شکل 3).

• حسگرها (Sensors): در این آزمایش از حسگرهای غیرتماسی (Noncontact Sensors) برای اندازه گیری شتاب پاسخ (شکل 4)، حسگر LVDT برای اندازه گیری نشست و حسگرهای Cell Pressure و Pore Pressure و حسگر مربوط به میله بارگذاری قائم استفاده شده است.

لازم به ذکر است که معمولا دو نوع حسگر غیر تماسی وجود دارد. نوع اول اصطلاحا به حسگر غیرتماسی خازنی معروف است که با ایجاد تغییرمکان، فاصله بین حسگر و جسم روبروی آن تغییر می کند که سبب می شود تا ظرفیت خازن عوض شود. با ثابت بودن جریان، در اثر این تغییر ظرفیت خازن، اختلاف ولتاژ به وجود آمده و با توجه به اختلاف ولتاژ، خروجی مورد نظر به دست می آید. نوع دیگر این حسگرها، حسگرهای سلفی هستند که با تغییر ظرفیت سلف و با توجه به روابط الکترومغناطیسی، خروجی مورد نظر به دست می آید.

در زمینه مطالعات ژئوتکنیک بیشتر مطالعه کنید :

• مطالعات خاک یا مطالعات ژئوتکنیک چیست؟ (Site Investigation)
• مطالعات لرزه خیزی چیست؟ (Seismicity studies)
• ژئوفیزیک (Geophysics)
• زمین شناسی (Geology)
• آزمایش سه محوری خاک (Triaxial Compression Test)
• انواع آزمایش های المانی بررسی رفتار روانگرایی خاک ها Different Types of Element Test for Soil) Liquefaction Assessment)
• روانگرایی خاک (Soil Liquefaction)
• روش های مقابله با روانگرایی خاک (Soil Liquefaction Mitigation)
• تحقیقات محلی در پروژه های ژئوتکنیک دریایی (Offshore geotechnical Site Investigation)
• آزمایش برش مستقیم (Direct Shear Test)
• آزمايش بارگذاری صفحه ای (Plate Loading Test or Plate Bearing Test)
• آزمایش برش مستقیم برجا In Situ Direct Shear) Test)
• معایب و خطاهای آزمایش برش مستقیم Disadvantages of) Direct Shear Test)
• پدیده فروچاله چیست؟ (?What is The Phenomenon of Sinkhole)
• نشست غیر یکنواخت (Differential Settlement)
• خاک ‌های رمبنده (Collapsible Soil)
• آزمایش تحلیل چند کاناله امواج سطحی یا MASW چیست؟ (Multichannel Analysis of Surface Waves)
• آزمایش دیلاتومتری (DMT: Dilatometer Test)
• مدل سازی فیزیکی در مهندسی ژئوتکنیک (Physical Modeling in Geotechnical Engineering)
• مبانی، تاریخچه و نظریه مدل سازی فیزیکی با استفاده از دستگاه سانتریفیوژ ژئوتکنیکی
• دستورالعمل تعیین مقاومت برشی مستقیم بر جای توده سنگ (hear strength of rock)
• تعیین مدول تغییر شکل پذیری سنگ با استفاده از آزمایش دیلاتومتری
• دستورالعمل آزمایش تعیین سختی واجهشی سنگ به وسیله چکش اشمیت

در زمینه بهسازی خاک بیشتر مطالعه کنید :

• تزریق پر فشار یا جت گروتینگ چیست؟ (Jet Grouting)
• ریزشمع یا میکروپایل چیست؟ (Micropile & Underpinning)
• پیش بارگذاری چیست؟ (fill surcharge preloading method)
• مطالعات خاک یا مطالعات ژئوتکنیک چیست؟ (Site Investigation)
• اختلاط عمیق خاک یا DSM چیست؟ (Deep Soil Mixing)
• تراکم دینامیکی یا DC چیست؟ (Dynamic Compaction)
• ستون شنی ارتعاشی یا تراکم ارتعاشی چیست؟ (Vibro Stone Column)
• شمع ساختمان ، طراحی و اجرای شمع بتنی و شمع فلزی (Concrete Pile , Steel Pile)
• مدل سازی عددی تراکم دینامیکی (Numerical Modeling of Dynamic Compaction)
• بررسی دو روش تراکم دینامیکی و اختلاط عمیق در بهسازی بستر سواحل (DSM & DC)
• مقایسه دو روش تزریق با فشار بالا و اختلاط عمیق در بهسازی خاک (Jet Grouting & DSM)
• بررسی موردی عملکرد ستون های جت گروتینک در بهسازی بستر پی گسترده
• بهسازی خاک به روش میکروپایل یا ریز شمع (Micropile & Underpinning)
• بررسی عملکرد ستون های شنی در بهسازی خاک
• اختلاط عمیق خاک (Deep Soil Mixing)
• در زمینه پایدارسازی گود بیشتر مطالعه کنید : 

• ساخت از بالا به پایین یا تاپ دان چیست؟ (Top-Down Construction)
• نیلینگ یا میخ کوبی دیواره چیست؟ (Soil Nailing)
• انکراژ یا مهارگذاری خاک چیست؟ (Soil Anchorage)
• مهارمتقابل یا استرات چیست؟ (Braced Excavations – Struts)
• سازه نگهبان خرپایی چیست؟ (Truss Retaining Structure)
• خاک مسلح یا ژئوسنتتیک چیست؟ (Geosynthetict)
• سپرکوبی چیست؟ (Sheet Pile)
• دیوار دیافراگمی یا دیوار دوغابی چیست؟ (Diaphragm walls – Slurry walls)
• دیوار برلنی یا دیوار سولجر پایل چیست؟ (Berlin wall – Soldier Pile and Lagging System)
• زهکشی و آب بندی در گودبرداری چیست؟ (Drainage- Dewatering & Waterproofing )
• نقشه برداری یا مهندسی نقشه برداری چیست؟ (Surveying)
• پایش گود یا مانیتورینگ چیست؟ (Monitoring)
• دستورالعمل بهداشت، ایمنی و محیط زیست چیست؟ (HSE)
• آموزش گام به گام نقشه خوانی انواع روش های پایدارسازی و گودبرداری
• ژئوتکستایل چیست؟ (?What is a Geotextile)
• ژئوممبران چیست؟ (?what is geomembrane)
• ژئوفوم چیست؟ (What is Geofoam)
• فوم بتن چیست؟ (What is Foam Concrete)
• جی سی ال چیست؟ (?what is GCL)
• استفاده از اعضای مارپیچ در فعالیت های ژئوتکنیکی (Helical Nails & Anchors)

در زمینه طراحی و مشاوره ژئوتکنیک بیشتر مطالعه کنید : 

• معرفی نرم افزار Plaxis
• معرفی نرم افزار GEOSLOPE
• معرفی نرم افزار AutoCAD
• معرفی نرم‌ افزار ETABS
• معرفی نرم افزار SAP2000
• معرفی نرم افزار SAFE
• معرفی نرم افزار ABAQUS
• معرفی نرم افزار FLAC
• معرفی نرم افزار MIDAS

در زمینه تخریب و خاکبرداری بیشتر مطالعه کنید : 

• مهندسی تخریب ساختمان (Destruction Engineering)
• خاکبرداری چیست؟ (Excavation)
• رمپ و جمع آوری رمپ در گودبرداری (Ramp removal excavation)
• گودبرداری و خاکبرداری دو عملیات متمایز از یکدیگر
• گودبرداری غیر اصولی (Unprincipled Building Excavation)
• گودبرداری چیست؟ و اصول اجرای گودبرداری های ساختمانی (Excavation)

در زمینه ابنیه و ساختمان بیشتر مطالعه کنید : 

• ساخت و ساز ابنیه و ساختمان (Building & Structure)
• قرارداد مشارکت در ساخت (Construction participation contract)
• نظارت بر اجرای پروژه های عمرانی (Construction Supervision)
• مشاوره ساختمانی (Construction consulting)
• مدیریت پیمان (Management Contracting)
• مدیریت طرح (Construction Management)
• انواع سیستم های سازه ای (Structural System)
• مدیریت پروژه های عمرانی (Project Management)
• آیین نامه ی ۲۸۰۰ ، طراحی ساختمان ها در برابر زلزله
• مطالب مرتبط :

• controls-group , Resonant Column Appartus