دستورالعمل آزمایش مقاومت فشاری سه محوری سنگ (Triaxial compressive strength test of stone)

هدف از آزمایش مقاومت فشاری سه محوری، تعیین مقاومت فشاری یک نمونه سنگ استوانه ای شکل تحت فشار (بارگذاری) سه محوری می باشد. با انجام این آزمایش و با تعیین میزان باری که نمونه در آن دچار گسیختگی شده است، پوش گسیختگی ترسیم شده و پس از آن مقادیر زاویه اصطکاک داخلی (φ) و چسبندگی ظاهری (C) محاسبه می شود.

به طور کلی برای انجام آزمایش مقاومت فشاری سه محوری سنگ و ترسیم پوش گسیختگی، سه روش توسط آیین نامه های بین المللی پیشنهاد شده که تفاوت اصلی آنها در چگونگی به دست آوردن پوش مقاومت سنگ به شرح زیر است:

• در روش الف (آزمایش منفرد) مقاومت نهایی چند نمونه از یک سنگ، پوش گسیختگی را مشخص می نماید درحالی که در روش های ب (آزمایش شکست چند مرحله ای) و ج (آزمایش شکست پیوسته)، پوش مقاومت، از آزمایش روی یک نمونه به دست می آید.
• میزان اطلاعات به دست آمده از آزمایش روی یک نمونه، به ترتیب در روش های الف، ب و ج افزایش خواهد یافت.
• دستگاه های آزمایش نیز، به ترتیب در روش های الف، ب و ج مجهز تر خواهند شد.

اهمیت و موارد استفاده

اهمیت و محدوده کاربرد آزمایش مقاومت فشاری سه محوری سنگ را می توان در موارد زیر خلاصه نمود:

• تعیین مشخصه های مقاومتی سنگ با شبیه سازی شرایط واقعی آن در محل
• تعیین مقاومت فشاری سنگ در فشارهای جانبی مختلف
• تعیین مشخصه های الاستیک در سنگ
• تعیین مقاومت برشی سنگ در تنش های قائم متفاوت

محدودیت آزمایش مقاومت فشاری سه محوری سنگ

• این آزمایش در شرایطی که اجزای سنگ مورد نظر چه در زمان اجرا و چه در مرحله اجرا و بهره برداری، در شرایط بارگذاری سه محوری قرار داشته باشد، استفاده می شود. میزان بارهای جانبی با توجه به حوزه تنش اعمال شده تعیین خواهد شد.
• برای اندازه گیری فشار آب حفره ای در سنگ های سخت، این آزمایش دارای دقت کافی نمی باشد و مقاومت فشاری برای فشار آب موجود در منفذ تصحیح نمی گردد.
• در صورت وجود فشار منفذی، آزمایش باید در درصد رطوبت های مختلف انجام شود و در صورت مشاهده مجدد تاثیر فشار آب حفره ای، باید از تجهیزات موجود در بازار جهت اندازه گیری فشار آب حفره ای در حین آزمایش ها استفاده شود.
• در سنگ های نرم نیز کاستی ذکر شده ناشی از فشار آب حفره ای وجود دارد اما با استفاده از سامانه اندازه گیری فشار آب حفره ای این مشکل تا مقدار قابل قبولی مرتفع خواهد شد.

ابزار آزمایش

مجموعه ابزار آزمایش از موارد زیر تشکیل می شود:

• دستگاه آزمایش فشار سه محوری
• سامانه اعمال و کنترل فشار جانبی
• سامانه بارگذاری جانبی

دستگاه آزمایش فشار سه محوری

دستگاه آزمایش شامل اجزای زیر می باشد:

• دستگاه بارگذاری: در این آزمایش از یک سیستم صلب جهت اعمال بار محوری به نمونه سنگ و اندازه گیری آن در فاصله های زمانی مشخص استفاده می شود. ظرفیت این دستگاه باید به گونه ای باشد که تحمل بار اعمالی جهت شکست سنگ تحت فشار جانبی را داشته باشد. علاوه براین این دستگاه باید قابلیت اعمال و اندازه گیری تغییر شکل نسبی با آهنگ خواسته شده را داشته باشد.
• محفظه سه محوری: برای اعمال فشار جانبی بر نمونه، که می تواند یکی از انواع نشان داده شده در شکل زیر باشد.
• دیسک های انتهایی: در قسمت های بالا و پایین، از دو عدد دیسک با سختی حداقل 30 در مقیاس C (Rockwell Hardness, “c” scale)، استفاده می شود. قطر این دیسک ها باید بین D و D1.02 باشد که در آن D برابر با قطر نمونه است. ضخامت این دیسک ها نیز حداق باید 15 میلی متر و یا D/3 باشد و رویه آن تا 0.005± میلی متر صیقلی شود.
• مفصل های کروی شکل: برای جلوگیری از ایجاد خروج از مرکزیت و به تبع ایجاد لنگر در نمونه از این مفصل های کروی که مرکز انحنای آنها باید با مرکز سطح مقطع نمونه آزمایش منطبق باشد، استفاده می شود. مرکز سطح مقطع نمونه آزمایش و دیسک های انتهایی باید با مرکز انحنای مفصل کروی در یک راستا قرار گیرند. سطوح گوژ (محدب) و کاو (مقعر) مفصل ها باید پیش از هر آزمایش روغن کاری شوند.

قسمت های مشخص شده در شکل بالا به صورت زیر است:

1- پیستون بارگذاری

2- واشرها

3- دیسک های انتهایی و تشتک های کروی

4- اتصالات هیدرولیکی

5-  غلاف انعطاف پذیر

6- بست های واشر حلقوی

7-  منفذ هواگیری (4a,4b)

• غلاف انعطاف پذیر: ساخته شده از مصالح مناسب که باید برای جلوگیری از نفوذ سیال تامین کننده فشار جانبی به نمونه آزمایش استفاده شود. این غلاف نباید در منفذهای سطحی نمونه آزمایش نفوذ کند. در ضمن درازای آن باید به حدی باشد که دو دیسک انتهایی را نیز بپوشاند. قطر غلاف با کمی کشیدگی باید با قطر نمونه آزمایش برابر باشد.

آماده سازی نمونه

برای آماده سازی نمونه برای آزمایش سه محوری، باید موارد زیر مورد توجه قرار گیرد:

• نمونه های سنگی باید استوانه هایی قائم با نسبت ارتفاع به قطر 2 تا 3 باشد (با قطری که ترجیح داده می شود برابر و بیش تر از 54 میلی متر باشد).

** قطر نمونه آزمایش باید دست کم 10 برابر ابعاد بزرگ ترین دانه های موجود در سنگ باشد.

• سر و ته نمونه آزمایش باید به موازات یکدیگر و عمود بر محور طولی نمونه بریده شده و با دقت 0.01± صیقل داده شود. به طور کلی سر و ته نمونه باید صاف و بدون انحراف نسبت به صفحه عمود بر محور طولی نمونه باشد.
• سطح جانبی نمونه باید صاف و بدون هرگونه ناهمواری قابل مشاهده باشد. این نمونه باید در تمام طول مستقیم بوده و نباید بیش از 0.3 میلی متر انحراف  اشته باشد.
• استفاده از هرگونه مواد پوششی یا هر نوع کار اصلاحی، غیر از صیقل دادن، در دو انتهای نمونه غیر مجاز تلقی می شود.
• قطر نمونه باید با دقت 0.1 میلی متر در بالا، وسط و پایین نمونه اندازه گیری شود. از میانگین مقادیر اندازه گیری شده برای محاسبه سطح مقطع نمونه استفاده می گردد. علاوه براین، طول نمونه نیز با دقت 1 میلی متر در این مرحله اندازه گیری می شود.
• برای حفظ رطوبت طبیعی نمونه معمولاً نمونه ها در انبار نگه داری می شود. مدت نگه داری نمونه در انبار نباید از 30 روز بیش تر شود. علاوه براین، پیش از انجام آزمایش، باید درصد رطوبت نمونه به کمک آزمایش تعیین درصد رطوبت سنگ ها اندازه گیری شود و گزارش شود.
• تعداد نمونه های آزمایش باید برای ترسیم پوش گسیختگی سنگ در محدوده فشارهای جانبی کافی باشد. بسته به کاربرد، روش آزمایش انتخابی و همچنین تغییرات ذاتی سنگ ها تعداد نمونه ها می تواند متفاوت باشد.

مراحل انجام آزمایش

در این مقاله تنها به روش آزمایش شکست منفرد که از مرسوم ترین روش های آزمایش سه محوری است، اشاره می شود.

الف- آماده سازی دستگاه ثبات X-Y (در صورت استفاده)، انتخاب مقیاس محورها و واسنجی دستگاه مزبور و یا دیگر ابزار قرائت داده ها

ب- راه اندازی سامانه آزمایش شامل قرار دادن نمونه آزمایش، دیسک انتهایی، غلاف، محفظه سه محوری و ابزارهای اندازه گیری فشار و جابه جایی

** جزئیات مراحل اجرای آزمایش به نوع محفظه سه محوری و همچنین به نوع و محل قرارگیری ابزارهای اندازه گیری بستگی دارد.

ج- اتصال لوله های هیدرولیکی و پر کردن سلول سه محوری با روغن، هوا گیری و بستن دریچه هوا گیری

د- قرار دادن محفظه سه محوری در دستگاه بارگذاری محوری

ه – انتخاب فشار جانبی اولیه

و- فشار محوری به طور معمول، هم زمان با فشار جانبی افزایش می یابد تا مرحله ای که فشار جانبی به اندازه از پیش تعیین شده، برسد.

ز- از آن جا که آهنگ تغییر شکل نسبی باید ثابت باشد، آهنگ بارگذاری محوری باید به گونه ای تنظیم شود که شکست در فاصله زمانی بین 5 تا 15 دقیقه بارگذاری رخ دهد. به جای آن می توان سرعت افزایش تنش را در محدوده بین 0.5 تا 1 مگاپاسکال بر ثانیه اعمال نمود.

ح- بیشترین بار محوری وارد بر نمونه مورد آزمایش و فشار جانبی متناظر آن باید ثبت شود. با این حال، پیشنهاد می شود که بار و جابه جایی محوری به طور پیوسته ثبت شود.

محاسبات

مقادیر زاویه صطکاک داخلی (φ) و چسبندگی ظاهری (C) پس از طی مراحل زیر محاسبه می شود:

1. ابتدا با تقسیم بار محوری اعمالی بر سطح مقطع اولیه نمونه، تنش قائم محاسبه می شود.
2. پوش مقاومت نهایی و مقاومت پسماند در این روش با استفاده از نقاط به دست آمده نظیر شکل ابتدای مقاله رسم می شود.
3. پوش های مقاومت های نهایی و پسماند را می توان به صورت ریاضی و با معادلات خطی یا در صورت لزوم دوخطی به شکل: σ = m_iP + b_i تخمین زد که مقادیر m_i و b_i  را در محدوده فشار جانبی اعمال شده بر پایه شکل زیر محاسبه نمود.
4. در این مرحله مقادیر φ_i و C_i به کمک روابط زیر محاسبه می شود:

گزارش نتایج

گزارش آزمایش مقاومت فشاری سه محوری سنگ باید موارد زیر را شامل شود:

• اطلاعات مربوط به نمونه برداری شامل: موقعیت جغرافیایی، جهت داری، عمق، تاریخ و روش نمونه برداری.

** در صورت لزوم باید نقشه ای که نقاط نمونه برداری روی آن نشان داده شده باشد پیوست شود.

• تشریح سنگ شناسی نمونه آزمایش، به ویژه بررسی سنگ از منظر اندازه دانه های تشکیل دهنده آن
• تشریح جزئیات روش آماده سازی نمونه آزمایش، همچنین گزارش شرایط محیطی دوران انبارداری شامل رطوبت، دما و …
• راستای محور بارگذاری نسبت به ناهمسانی، لایه بندی، کلیواژ و …
• درصد رطوبت نمونه و درصد اشباع نمونه در حین انجام آزمایش
• تشریح مشخصات دستگاه و سامانه های وابسته به آن
• تاریخ انجام آزمایش
• ابعاد نمونه (قطر و ارتفاع)
• مدت زمان آزمایش و نرخ تغییرات تنش یا جابه جایی
• نمودارهای ترسیم شده از نتایج حاصله از آزمایش شامل جدولی که در آن مشخصه شناسایی نمونه ها همراه با فشار جانبی و مقاومت فشاری محوری مربوط، برای هریک از نمونه ها به گزارش پیوست شود.
• تصاویر مربوط به نحوه شکست نمونه در حین آزمایش
• مقادیر زاویه اصطکاک داخلی (φ) و چسبندگی ظاهری (C)
• درصورت محاسبه مشخصات دیگر نظیر چگالی، تخلخل و … باید همراه با روش محاسبه در گزارش ذکر شود.

نمونه ای از برگه ثبت نتایج آزمایش سه محوری در سنگ ها در شکل زیر مشاهده می شود.

منابع:

1. نشریه شماره 737 سازمان برنامه و بودجه کشور “دستورالعمل انجام آزمون های آزمایشگاهی و صحرایی مکانیک سنگ”

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)
• آزمایش های تعیین درصد رطوبت و شاخص دوام وارفتگی در سنگ ها (Water content of rock)
• آزمایش تعیین تخلخل و چگالی خشک سنگ (Experiment to determine the porosity and dry density of rock)
• دستورالعمل آزمایش تعیین مقاومت فشاری تک محوری (نامحصور) ماده سنگ (Unconfined Compression Test)
• دستورالعمل تعیین مقاومت کششی سنگ به روش غیر مستقیم (آزمایش برزیلی) (Tensile strength of stone)
• دستورالعمل آزمایش مقاومت فشاری سه محوری سنگ (Triaxial compressive strength test of stone)
• 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)
• بررسی اثر مدل رفتاری مور کولمب اصلاح شده بر رفتار گود های مهار شده
• مدلسازی تأثیر پارامتر های هندسی روش انکراژ بر پایداری گود های عمیق شهری با نرم افزار آباکوس
• مطالعه طول بهینه نیل در روش نیلینگ با استفاده از رویکرد تعادل حدی
• استفاده از اعضای مارپیچ در فعالیت های ژئوتکنیکی (Helical Nails & Anchors)
• دستگاه و تجهیزات تزریق دوغاب سیمان (ست تزریق) (Cement Grouting Equipment)
• آزمایش تعیین تخلخل و چگالی خشک سنگ (Experiment to determine the porosity and dry density of rock)

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
• تنش های موضعی در تک شمع مجاور گودبرداری با سیستم های سازه نگهبان خرپایی، سپری فلزی و روش شمع
• اختلاط عمیق خاک (Deep Soil Mixing)

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 :
• geoengineer , Triaxial Compression Test in Rock
• sciencedirect , Triaxial Test
• globalgilson , Triaxial Shear Testing