Triaxial Testing of Soils

آزمایش سه محوری تقریباً همیشه برای مطالعات پدیده های جدید انتخاب می شود، زیرا نسبتاً ساده و همه کاره است. آزمایش سه محوری مناسب ترین آزمایش برای این گونه مطالعات است و در مهندسی ژئوتکنیک به منظور طراحی پروژه های خاص و برای مطالعه و درک رفتار خاک مورد نیاز است. اولین دستگاه آزمون سه محوری خاک، نشان داده شده در شکل 1، توسط فون کارمان (1910، 1911) برای آزمایش هسته سنگ طراحی شد. مقیاس ممکن است از این واقعیت استنباط شود که نمونه 4 سانتی متر قطر دارد. با این حال، مقاله او مورد توجه قرار نگرفت یا فراموش شد تا زمانی که در سال 1930 زمانی که کازاگراند در دانشگاه هاروارد نامه ای به ترزاقی در دانشگاه فنی وین نوشت و در آن بازدید خود از آزمایشگاه هیدرولیک در برلین را توصیف کرد. در اینجا او دستگاهی برای اندازه گیری نفوذپذیری خاک دید. پیشنهاد کرد که نمونه استوانه ای در این دستگاه می تواند در جهت عمودی (محوری) بارگذاری شود تا مقاومت آن را نشان دهد. بنابراین او قصد ساخت یک نمونه اولیه را داشت و ترزاقی پیشنهاد کرد که برای او هم بسازد. به نظر می رسد این آغاز آزمایش سه محوری خاک در مهندسی ژئوتکنیک باشد. این کتاب به آزمایش سه محوری خاک و تا حدی آزمایش های پیشرفته تر و آزمایش سنگ های نرم خاک های سخت می پردازد.

این دستگاه بلافاصله توسط رندولیک و ترزاقی در سال 1934، برای آزمایشات با و بدون غشا استفاده شد که نتایج آن نقش مهمی در درک اصل تنش موثر و همچنین نقش فشار آب منفذی و تحکیم بر مقاومت برشی ایفا کرد. زمانی که اصل تنش موثر هنوز مورد پرسش قرار می گرفت. (اسکمپتون 1960؛ دی بوئر 2005).

کتاب های قبلی در مورد پیشرفت روش های آزمون سه محوری توسط بیشاپ و هنکل (1957، 1962) و توسط هد (1986) نوشته شده است. مجموعه مقالات کنفرانس آزمایش سه محوری پیشرفته خاک و سنگ (دوناگ و همکاران 1988) برای خلاصه کردن پیشرفت ها در این زمینه منتشر شد. از آن زمان به بعد کتاب دیگری منتشر نشد. برای درک کتاب آزمایش سه محوری خاک ها، خواننده باید سابقه ای در زمینه مکانیک خاک، کمی تجربه در آزمایشات آزمایشگاهی مکانیک خاک و شاید در زمینه مهندسی پی داشته باشد.

علاوه بر آزمایش سه محوری خاک، مطالب کتاب ممکن است تا حدی برای آزمایش های پیشرفته تر و آزمایش سنگ های نرم خاک های سخت اعمال شود. این برای کارگران تحقیقاتی، آزمایشگاه های آزمایش خاک و مهندسان مشاور نوشته شده است. تأکید بر آنچه که نمونه خاک در معرض آن قرار می گیرد و تجربه می کند به جای زیبایی ظاهر تجهیزات است. استفاده قابل توجهی از فیزیک و ریاضیات برای نشان دادن استدلال ها و بحث ها وجود خواهد داشت. به استثنای چند مورد، به مقالاتی که به راحتی در دسترس هستند در ادبیات فنی ارجاع داده شده است، بیشتر کتاب آزمایش سه محوری خاک بر چگونگی دستیابی به نتایج آزمایشی با کیفیت بالا متمرکز است.

این کتاب در یک توالی منطقی با اصول آزمایش سه محوری در فصل 1 و محاسبات و ارائه نتایج آزمون در فصل 2 سازماندهی شده است. تجهیزات سه محوری در فصل 3 توضیح داده شده است و ابزار دقیق، اندازه گیری ها و کنترل در فصل 4 بررسی شده است. آماده سازی نمونه های سه محوری در فصل 5 ارائه شده است و اشباع نمونه ها در فصل 6 توضیح داده شده است. دو مرحله آزمایش تحکیم و برش به ترتیب در فصل 7 و 8 ارائه شده است. فصل 9 تصحیحات اندازه‌گیری ‌ها را در نظر می‌ گیرد، فصل 10 در مورد آزمایش ‌های خاص و شرایط آزمایش و فصل 11 نتایج آزمایش ‌های سه محوری را با بررسی نتایج آزمایش ‌هایی با سه تنش اصلی نابرابر در چشم انداز قرار می ‌دهد. ضمائم برای توضیح روش های آزمایشی خاص ارائه شده است. اطلاعات مربوط به فروشندگان انواع مختلف تجهیزات را می توان از اینترنت به دست آورد.

پیشینه نویسنده برای نگارش این کتاب شامل یک حرفه در آزمایشگاه در سطح دانشگاه برای مطالعه و مدل سازی رفتار خاک است. به طور خاص، او مدرک کارشناسی ارشد خود را در سال 1967 از دانشگاه فنی دانمارک دریافت کرد و برای آن پایان نامه ای در مورد تأثیر تنش اصلی جانبی بر مقاومت ماسه نوشت و بر اساس نتایج کاملا درست به نتیجه گیری اشتباه رسید. او در سال 1972 دکترای خود را از دانشگاه کالیفرنیا در برکلی با پایان نامه ای در مورد “ویژگی های تنش-کرنش و مقاومت خاک های بدون چسبندگی” دریافت کرد که شامل نتایج آزمایش های فشاری سه محوری، آزمایش های سه محوری واقعی و آزمایش های برش پیچشی برای نشان دادن اثرات تنش اصلی جانبی بر رفتار ماسه و همچنین یک مدل تشکیل دهنده الاستو پلاستیک سه بعدی برای رفتار خاک در نظر گرفت.

نویسنده با دانش آموزان خود تجهیزات آزمایشی را توسعه داد، آزمایش‌ها را انجام داد و مدل‌های سازنده ای برای رفتار خاک مشاهده شده ساخت در حالی که استاد دانشگاه کالیفرنیا در لس آنجلس، دانشگاه جانز هاپکینز (1993-1999) بود. دانشگاه آلبورگ در دانمارک (1999-2003) و دانشگاه کاتولیک آمریکا در واشنگتن دی سی (2003-2015). بسیاری از روش های تجربی توسعه یافته در این بازه زمانی در کتاب آزمایش سه محوری خاک ها توضیح داده شده است.

هدف از آزمون های سه محوری

هدف از انجام آزمایش های سه محوری تعیین خواص مکانیکی خاک است. فرض بر این است که نمونه‌ های خاکی که باید آزمایش شوند، همگن و نماینده خاک موجود در پروژه هستند و در واقع می توان خواص خاک مورد نظر را از آزمایش ‌های سه محوری، مستقیماً یا با تفسیر از طریق برخی نظریه ‌ها به‌دست آورد. خواص مکانیکی که اغلب از آزمایش های سه محوری به دنبال آن هستند عبارتند از روابط تنش-کرنش، تغییر حجم یا رفتار آب به طور مثال فشار منفذی و مقاومت برشی خاک. در رفتار تنش-کرنش نیز تراکم پذیری و مقدار ضریب فشار جانبی زمین در حالت سکون، K₀  گنجانده شده است. سایر ویژگی ‌هایی که ممکن است از آزمایش های سه محوری به ‌دست آید که شامل زمان به عنوان یک جزء است، نفوذپذیری، ضریب تحکیم، و ویژگی ‌های مربوط به رفتار وابسته به زمان مانند اثرات سرعت، خزش و تنش است. مهم است که نمونه خاک که در پروژه گرفته شده است به اندازه کافی یکنواخت باشد که معرف توده خاک در پروژه باشد. بنابراین بسیار مهم است که خاک در سایت به خوبی شناخته شده و قابل درک باشد.

حتی در این صورت، نمونه‌ های خاک یکنواخت ممکن است حاوی ویژگی ‌هایی نباشند که نماینده واقعی خاک پروژه باشد. این موضوع ممکن است به یکی از دو دلیل زیر باشد:

الف) به دلیل تغییر در وضعیت تنش مؤثر که همیشه با فرآیند نمونه برداری همراه است.

ب) به دلیل اختلال مکانیکی ناشی از نمونه ‌برداری، حمل و نقل یا جابجایی در آزمایشگاه اتفاق بیفتد.

خواص تنش-کرنش و مقاومت خاک‌ های بسیار حساس که دست خورده شده اند را نمی‌ توان در آزمایشگاه بازسازی کرد یا با تفسیر آزمایش‌ های انجام‌ شده بر روی نمونه ‌های ناکافی به‌ دست آورد. اثرات نمونه برداری در زیر به طور خلاصه در رابطه با انتخاب فشار تحکیم در آزمون سه محوری مورد بحث قرار خواهد گرفت. موضوع نمونه گیری در غیر این صورت خارج از بحث است.

مفهوم آزمایش خاک

مفهومی که در آزمایش خاک ها باید دنبال شود، شبیه سازی فرآیندی است که در پروژه انجام می شود. از آنجایی که تعداد زیادی متغیر (مانند چگالی، درصد رطوبت، درجه اشباع، نسبت پیش تحکیم، شرایط بارگذاری، مسیرهای تنش) وجود دارد که بر رفتار خاک حاصل تأثیر می‌ گذارند، ساده‌ ترین و مستقیم‌ ترین راه برای به دست آوردن اطلاعات مربوط به شرایط پروژه است و تا حد امکان باید این فرآیند تکرار شود.

با این حال، به دلیل محدودیت در تجهیزات و به دلیل محدودیت های عملی در تعداد آزمایشی که می توان برای هر پروژه انجام داد، ضروری است که:

1. شرایط واقعی بارگذاری پروژه (شامل شرایط زهکشی) مشخص گردد.

2. تجهیزات آزمایشگاهی شرایط واقعی را با دقت مورد نیاز شبیه سازی کنند.

3. یک تخمین معقول از اهمیت تفاوت بین شرایط بارگذاری پروژه و شرایط قابل بازسازی در تجهیزات آزمایشگاهی انجام شود.

واضح است که آزمون سه محوری از بسیاری جهات قادر به شبیه سازی چندین جنبه مهم شرایط بارگذاری پروژه نیست. به عنوان مثال، اثرات تنش اصلی جانبی، اثرات چرخش تنش های اصلی و اثرات زهکشی جزئی در حین بارگذاری در پروژه را نمی توان بر اساس آزمایش سه محوری بررسی کرد. اثرات چنین شرایطی مستلزم مطالعاتی است که نیازمند انواع دیگر تجهیزات یا تجزیه و تحلیل مسائل مرزی است. برای ارائه پیش زمینه ای برای ارزیابی نتایج آزمایش های سه محوری، انواع دیگر آزمایش های مقاومت برشی آزمایشگاهی و نتایج معمولی از این گونه آزمایش ها در فصل 11 ارائه شده است.