دستورالعمل تعیین مقاومت برشی مستقیم بر جای توده سنگ (hear strength of rock)

1401-07-15

یکی از مهمترین پارامترها در طراحی پروژه های ژئوتکنیکی، پارامترهای مقاومتی در خاک و سنگ است. آزمایش برش مستقیم یکی از رایج ترین آزمایش ها برای تعیین این پارامترها می باشد. در این مقاله آزمایش برش مستقیم در سنگ توضیح داده می شود. این آزمایش به صورت برجا در محل پروژه انجام می گیرد. با انجام این آزمایش در محل، مقاومت برشی مستقیم نهایی و پسماند صفحه ضعف در سنگ به صورت مستقیم و بر اساس تابعی از تنش عمودی اعمال شده بر صفحه ضعف سنگ تعیین می شود. دستورالعمل تعیین مقاومت برشی مستقیم بر جای توده سنگ با استفاده از دستورالعمل های آزمایشی ISRM و ASTM شماره D4554 تهیه شده است.

اهمیت و موارد استفاده از آزمایش برش مستقیم در سنگ

مقاومت برشی در سطح ضعف در سنگ و یا توده سنگ (رویه گسل، سطح لایه بندی، درزه، شیستوزیته و …) یکی از مهم ترین مشخصه های طراحی در مهندسی سنگ می باشد. این مقاومت از دو پارامتر چسبندگی (C) و زاویه اصطکاک داخلی (φ) تشکیل شده است که هرکدام از این دو خود به عوامل بیشماری وابسته می باشند. آزمایش برش برجا را به روش های مختلف از جمله به صورت بارگذاری مورب، موازی و پیچشی می توان انجام داد.

انواع آزمایش برش مستقیم بر حسب جهت بارگذاری — انواع آزمایش برش مستقیم سنگ بر حسب جهت بارگذاری

در این دستورالعمل روش بارگذاری مورب که کاربرد بیشتری دارد توضیح داده می شود.

تجهیزات مورد نیاز در آزمایش برش مستقیم در سنگ

ویژگی های تجهیزات مورد نیاز آزمایش برش مستقیم در سنگ به شرح زیر می باشد:

تجهیزات مربوط به برش سنگ از مقدماتی ترین تجهیزات مورد نیاز برای این آزمایش است. تیغ اره، قلم و چکش، سامانه حفاری و همچنین تجهیزات مربوط به قالب گیری شامل قالب با ابعاد مناسب و مطابق با استاندارد، پلی استر، ابزار و مصالح مورد نیاز برای قالب گیری نمونه با بتن مسلح، از مجموعه دستگاه های مورد نیاز برای برش سنگ است.

به طور کلی سیستم بارگذاری در این آزمایش از یک سیستم جهت بارگذاری در جهت عمود بر سطح سنگ و یک سیستم نیز برای اعمال بار برشی تشکیل شده است. اعمال بار عمودی به وسیله جک های تخت، هیدرولیکی و یا سامانه وزنه ای تشکیل شده است. در صورت استفاده از پمپ هیدرولیکی، تجهیزات به کار رفته باید توانایی ثابت نگاه داشتن بار تا حدود 2 درصد بار نهایی انتخاب شده در کل آزمایش را داشته باشد. در شکل زیر وسایل جانبی مربوط به سیستم اعمال بار عمودی نشان داده شده است.

نمایش تجهیزات مورد نیاز جهت تعیین مقاومت برشی در سنگ — نمایش تجهیزات مورد نیاز بر حسب محل قرارگیری در آزمایش برش برجا

سامانه اعمال نیروی برشی که از یک یا چند جک هیدرولیکی یا جک تخت با ظرفیت مناسب تشکیل شده است، قابلیت جابه جایی این جک ها باید حداقل معادل 70 میلی متر باشد که بسته به شرایط آزمایش مورد استفاده قرار می گیرند.

برای تامین فشار پشت جک ها از پمپ های هیدرولیکی استفاده می شود. این پمپ ها خود به یک سیستم انتقال برای اعمال نیرو متصل است. این سیستم نیز به خوبی در شکل زیر قابل مشاهده می باشد.

** نیروی برشی با توجه به روش آزمایش به طور مورب با زاویه 15 درجه نسبت به سطح برش طوری اعمال می شود که همانند شکل از مرکز سطح عبور نماید تا از ایجاد خمش در سنگ که منجر به خطای قابل توجه در نتایج می شود، جلوگیری شود.

محل اعمال بار باید از کف به مقدار h فاصله داشته باشد.

h=0.2679d

که در آن d فاصله افقی مرکز سطح برش تا سطح خارجی قاب بتنی است.

اندازه گیری نیروهای اعمل شده چه به صورت عمودی و چه به صورت برشی باید با وسایلی دقیق و کالیبره با خطای بیشینه 2 درصد نسبت به بیشینه نیروی اعمال شده در آزمایش، صورت بگیرد.

برای اندازه گیری جابه جایی برشی، از جابه جایی سنج های عقربه ای یا الکتریکی با قابلیت جابه جایی 70 میلی متر و دقت 0.01 میلی متر و برای اندازه گیری جابه جایی عمودی و جانبی افقی، باید از جابه جایی سنج های عقربه ای یا الکتریکی با قابلیت جابه جایی 25 میلی متر با دقت 0.05 میلی متر استفاده نمود. باید نقاط مرجع اندازه گیری ها (یعنی تیرها، مهاری ها یا گیره ها) پس از نصب به اندازه کافی صلب باشند. بهتر است از تنظیم دوباره سنجشگرها در مدت زمان آزمایش پرهیز شود.

مراحل انجام آزمایش برش مستقیم در سنگ

مراحل زیر، در مورد آزمایش برش مستقیم سنگ اجرا می شود:

الف- آماده سازی بلوک: بلوک سنگی طوری انتخاب می شود که صفحه برشی بر قاعده آن منطبق باشد. این آزمایش نسبت به راستای برش بسیار حساس است و در راستاهای مختلف نتایج متفاوتی را ارائه خواهد نمود، بنابراین مسئول آزمایش باید دقت نماید که تا حد امکان راستای اعمال نیروی برشی بر واقعیت منطبق باشد. بلوک مورد آزمایش معمولاً ابعاد 350 × 700 × 700 میلی متر را دارد. به عنوان استاندارد این ابعاد را می توان با توجه به ماهیت صفحه برشی (به ویژه زبری آن) تغییر داد. بدین صورت که در مورد سطوح کم و بیش صاف از بلوک های کوچک تر و در مورد سطوح بسیار زبر یا ناهموار از بلوک های بزرگ تر استفاده نمود. بهتر است ابعاد و شکل بلوک طوری انتخاب شود که وجوه آن موازی با سامانه درزه و ترک ها و تا حد امکان منطبق بر آنها باشد. در این صورت آماده سازی بلوک با کم ترین دست خوردگی صورت می گیرد.

ب- پیش از آزادسازی بلوک، درصورتی که سنگ قابلیت تورم داشته باشد، برای جلوگیری از آن بلوک باید تمهیدات ویژه ای بر روی بلوک اعمال شود. لازم است پستی و بلندی هایی که در مرحله ی قالب گیری مشکل ساز شده و یا ستبرای قالب را محدود می سازند برداشته شوند. شرایط رطوبت طبیعی سطح برش باید تا لحظه آزمایش حفظ شود.

** دور تا دور قاعده بلوک، شیاری به عمق تقریبی 200 میلی متر و پهنای 80 میلی متر ایجاد می شود تا امکان جابه جایی آزادانه بلوک فراهم شود. سپس لایه ای به ضخامت حداقل 200 میلی متر از جنسی ضعیف (مثل فوم پلی استیرن در اطراف قاعده بلوک ریخته می شود.

** قالب گیری به گونه ای انجام می شود که سطوح باربری بالایی قالب، با دقت 1± میلی متر صاف بوده و با دقت 1± درجه با صفحه برش موازی باشد.

** در آخرین مرحله آماده سازی، بالشتک های انتقال، مهاری ها و دیگر تجهیزات در جای خود قرار می گیرند. این تجهیزات زمانی مورد استفاده قرار می گیرند که از سنگ های سالم اطراف به عنوان تکیه گاهی برای سیستم های بارگذاری برشی و عمودی استفاده می شود. البته ذکر این نکته ضروری است که باید زمان لازم برای گیرش بتن و رسیدن آن به مقاومت مناسب نیز در نظر گرفته شود.

ج- تحکیم: پس از آماده سازی بلوک نوبت به مرحله تحکیم می رسد. در این مرحله به نمونه و به ویژه مواد پرکننده سطح برش، این فرصت داده می شود که پیش از آغاز مرحله برش، تحت تنش عمودی کل، فرآیند زهکشی کامل شده و اضافه فشار آب حفره ای خود را تخلیه کند.

تحکیم نمونه، شامل مراحل زیر می باشد:

کلیه وسایل اندازه گیری جابه جایی از نظر استحکام، قابلیت جابه جایی و آزادی حرکت باید کنترل شده و قرائت های اولیه بار و جابه جایی ثبت شوند.
برای پیشبرد تحکیم، بار عمودی به صورت مرحله ای افزایش یافته تا به مقدار تعیین شده برای آزمایش برسد. در این حالت جابه جایی عمودی بلوک (ناشی از تحکیم) به صورت تابعی از زمان و بار اعمال شده ثبت می شود. در شکل زیر منحنی های تحکیم به دست آمده در سه تنش عمودی مختلف و در جدول زیر برگه ثبت قرائت ها نشان داده شده است.
نحوه اعمال بار عمودی به این ترتیب می باشد که بار قائم باید در پنج مرحله به بلوک اعمال شده و در هر مرحله، جابه جایی های عمودی پس از 1، 3، 5 و 10 دقیقه قرائت شوند. چنان چه میزان نشست تحکیمی مرحله های چهارم و پنجم کمتر از 0.05 میلی متر باشد، مرحله تحکیم پایان یافته است. در غیر این صورت زمان تحکیم، آن قدر ادامه می یابد که میزان جابه جایی عمودی هر سنجشگر در مدت زمان آزمایش، دست کم 10 دقیقه کمتر از 0.05 میلی متر باشد.

برگه پیش نویس ورودی اطلاعات برای آزمایش برش برجا و تعیین مقاومت برشی در سنگ — برگه پیش نویس ورودی اطلاعات برای آزمایش برش برجا

د- اعمال برش: پس از تحکیم، برای تعیین مقادیر مقاومت برشی حداکثر سنگ و مقاومت پسماند، نمونه تحت برش قرار می گیرد. روند آزمایش بدین صورت است که مقدار مقاومت های مذکور باید در پنج تنش عمودی مختلف محاسبه شوند تا مقدار پوش گسیختگی در نهایت به کمک حداقل 5 نقطه ترسیم شود.

** درصورتی که شرایط محل اجازه دهد، بهتر است که شمار بلوک بیشتری روی هر صفحه برش آماده سازی و مورد آزمایش قرار گیرد.

آزمایش برش طی مراحل زیر اجرا می شود:

نیروی برشی به صورت مرحله ای و البته به شکلی اعمال می شود که نرخ جابه جایی قابل کنترل باشد. باید نرخ جابه جایی برشی پیش از انجام یک سری قرائت و در یک دوره زمانی 10 دقیقه ای کم تر از 0.1 میلی متر بر دقیقه باشد. می توان این سرعت را در بین قرائت ها تا 0.5 میلی متر بر دقیقه نیز افزایش داد. نرخ جابه جایی باید طوری انتخاب شود که بتوان نقطه نهایی منحنی تنش – جابه جایی برشی را به دقت ثبت کرد.

لازم است که پیش از رسیدن به نقطه مقاومت نهایی، تقریباً ده مجموعه قرائت صورت گرفته باشد.

در شکل زیر منحنی تنش جابه جایی برشی برای یک آزمایش با دو تنش عمودی نشان داده شده است.

منحنی تنش برشی - جابه جایی برشی و جابه جایی عمودی - جابه جایی برشی در آزمایش برش برجا — منحنی تنش برشی – جابه جایی برشی و جابه جایی عمودی – جابه جایی برشی در آزمایش برش برجا

** در مورد آزمایش های زهکشی شده (به ویژه وقتی که ناپیوستگی حاوی موادپرکننده رسی باشد)، مدت زمان لازم برای رسیدن به مقاومت بیشینه باید از6_t₁₀₀ بیشتر باشد. مقدار ₁₀₀ t از منحنی تحکیم به دست می آید.

ه – بعد از رسیدن مقاومت نهایی و به منظور ترسیم دقیق منحنی تنش – جابه جایی برشی پس از نقطه نهایی، قرائت هایی در فواصل جابه جایی 0.5 تا 5 میلی متری انجام می شود. نرخ جابه جایی برشی در یک دوره زمانی 10 دقیقه ای پیش از انجام قرائت ها باید بین 0.02 تا 0.2 میلی متر بر دقیقه باشد.

مقدار مقاومت برشی پسماند سنگ زمانی تعیین می شود که جابه جایی برشی تحت تنش برشی ثابتی ادامه یابد. در اغلب موارد این حالت وقتی اتفاق می افتد که طی یک سانتی متر جابه جایی برشی، تغییرات تنش برشی از 5 درصد بیش تر نشود. در این فاصله باید حداقل چهار قرائت متوالی توسط آمونگر انجام شود.

پس از تعیین مقاومت پسماند، می توان تنش عمودی را افزایش یا کاهش داد و آزمایش را تا رسیدن به مقاومت پسماند دیگر تکرار کرد. لازم است که نمونه تحت هر تنش عمودی جدید دوباره تحکیم شده و مرحله برش مطابق با معیارهای یاد شده انجام شود.

و- پس از اتمام آزمایش باید از سطح برش عکس رنگی تهیه شود. این سطح باید با جزئیات کامل در گزارش شرح داده شود. از جمله مواردی که باید به آن در این زمینه مورد توجه قرار گیرد می توان به موارد زیر اشاره نمود:

مساحت
زبری صفحه برش
شیب صفحه برش
جهت صفحه برش

نمونه هایی از سنگ، ماده پر کننده و خرده های ناشی از برش باید برای انجام آزمایش های لازم در آزمایشگاه تهیه و جمع آوری شود.

محاسبات

با انجام این آزمون، مقادیر مشخصه های تنش های برشی و عمودی با توجه به نکته های زیر و با استفاده از روابط مربوط محاسبه می شوند:

– منحنی جابه جایی عمودی – لگاریتم زمان در مرحله تحکیم، با توجه به داده های ثبت شده، ترسیم می گردد و زمان t₁₀₀ یعنی زمان لازم برای تکمیل تحکیم اولیه مطابق شکل با رسم مماس هایی به شاخه های منحنی به دست می آید. زمان رسیدن به مقاومت نهایی از شروع مرحله برشی نباید کم تر از t ₁₀₀ × 6 باشد.

تنش های برشی و عمودی از روابط زیر محاسبه می شوند:

فرمول های تنش های برشی و عمودی - مقاومت برشی در سنگ

در این رابطه متغیرهای تشکیل دهنده به صورت زیر می باشند.

با استفاده از نتایج به دست آمده از کلیه آزمایش های برشی با تنش های عمودی مختلف می توان منحنی تنش برشی بر حسب تنش عمودی را رسم نموده و مشخصه های مقاومت برشی سنگ به دست می آید.

المان های منحنی تنش برشی بر حسب تنش عمودی در آزمایش برش مستقیم در سنگ

گزارش نتایج

گزارش آزمایش برش مستقیم در سنگ شامل مطالب و موارد زیر می باشد:

تصاویر دستگاه آزمایش، همراه با توضیح کاملی در مورد آن
تشریح روش های آماده سازی نمونه و انجام آزمایش
توصیف کامل مشخصات زمین شناسی با توجه به نوع سنگ، صفحه برش، پرکننده ها و ذرات ناشی از خرد شدن زبری ها. این بخش باید حاوی اطلاعاتی مثل پروفیل زبری سطح، حدود اتربرگ، درصد رطوبت و توضیح ابعادی ذرات پرکننده سطح باشد.
تصاویری واضح از هر صفحه برش، همراه با نمودارهایی که نشان دهنده ی موقعیت، ابعاد، مساحت، شیب و جهت شیب آن ها باشد.

** این نمودارها باید راستای برش و هرگونه ویژگی مربوط به هر بلوک را مشخص کنند.

لازم است برای هر بلوک سنگی مجموعه ای از جداول داده ها، منحنی تحکیم و منحنی های تنش برشی و جابه جایی عمودی نسبت به جابه جایی برشی تهیه و گزارش شود. مقادیر مقاومت های برشی نهایی و پسماند استخراج شده از منحنی ها باید همراه با مقادیر تنش عمودی، جابه جایی برشی و جابه جایی عمودی مربوط، به صورت جدول گزارش شوند.
به طور کلی برای هر سری آزمایش با تنش های عمودی متفاوت، لازم است که جدولی حاوی تنش برشی های نهایی، تنش پسماند و البته تنش های نرمال مربوط به آن ها ارائه و پوش های گسیختگی مربوط به هر حالت ترسیم شود. همچنین مقادیر مشخصه های مقاومت برشی سنگ به دست آمده از این منحنی ها باید گزارش شوند.

منابع: