دستورالعمل آزمایش تعیین شاخص بار نقطه ای (Point load test)

1401-06-01

برای دسته بندی سنگ ها از منظر مقاومت همواره نیاز به یک شاخص مناسب می باشد. آزمایش بار نقطه ای در مکانیک سنگ یکی از آزمایش هایی است که از آن برای رده بندی سنگ های بکر استفاده می شود. البته وجود روابط هبستگی مختلف سبب شده است تا از داده های به دست آمده از این آزمایش برای تخمین دیگر مشخصه های مقاومتی نظیر مقاومت کششی و فشاری تک محوری استفاده شود. با اندازه گیری شاخص مقاومت بار نقطه ای نمونه های سنگی (Iₛ₍₅₀₎) در جهت های مختلف، شاخص ناهمسانی مقاومت ( Iₐ₍₅₀₎) که عبارت است از نسبت بیشترین مقاومت بار نقطه ای به کمترین مقدار آن، به دست می آید.

اهمیت و موارد استفاده از آزمایش تعیین شاخص بار نقطه ای سنگ

آزمایش تعیین شاخص بار نقطه ای از رایج ترین آزمایش ها در عرصه مکانیک سنگ است. نکات زیر در مورد آزمایش زیر قابل ذکر است:

عدم نیاز به آماده سازی نمونه و توانایی آزمایش نمونه سنگ با اشکال مختلف.
دستگاه آزمایش قابل حمل است.
نتیجه این آزمایش می تواند برای رده بندی نسبی مقاومت سنگ های مختلف در ساختگاه ها و همچنین به عنوان یکی از متغیرهای لازم برای طبقه بندی توده سنگ ها از دیدگاه مهندسی به کار رود، (مانند سیستم طبقه بندی سنگ RMR (Rock Mass Rating).

دستگاه آزمایش تعیین شاخص بار نقطه ای

در مجموع دستگاه این آزمایش از سه سامانه برای اندازه گیری بار نهایی P کمک می گیرد:

سامانه بارگذاری (برای نوع قابل حمل، مرکب از یک قاب بارگذاری، پمپ، جک و فک ها)
سامانه اندازه گیری بار اعمالی
سامانه ای برای سنجش فاصله میان فک های دستگاه (D)

در ادامه هر یک از سامانه های مذکور به نحوی مختصر شرح داده می شود.

سامانه بارگذاری

سامانه بارگذاری همان طور که از نامش بر می آید مسئولیت اعمال بار به شکل کنترل شده بر نمونه را دارد. این سامانه باید ویژگی های زیر را داشته باشد:

فاصله بین دو فک در سامانه بارگذاری، باید در حدی باشد که بتوان نمونه هایی در اندازه های مطلوب را آزمایش نمود. این فاصله برای نمونه های کوچک و بزرگ باید قابل تنظیم بوده و اغلب بین 15 تا 100 میلیمتر است. مطابق با استاندارد ASTM D5731 فاصله بین دو فک بین 30 تا 85 میلیمتر می باشد.
ظرفیت بارگذاری باید برای شکستن بزرگ ترین و مقاوم ترین نمونه های مورد آزمایش کافی باشد چرا که مجموعه نمونه ها بهتر است با استفاده از یک دستگاه آزمایش مورد بررسی قرار گیرند.
تغییر شکل های دستگاه به مقدار قابل توجهی بر روی نتایج آزمایش اثر گذار است. بنابراین دستگاه باید به گونه ای باشد تا در اثر اعمال مکرر بار حداکثر بر نمونه تغییر شکل دائمی ندهد چرا که اگر محور فک ها در یک راستا نباشد به تبع بار اعمال شده از حالت محوری خالص خارج شده و خروج از مرکزیت ایجاد شده سبب ایجاد لنگر و خمش در نمونه می شود بنابراین تا حد زیادی سبب بی اعتبار شدن نتیجه آزمایش می گردد. بنابراین در مدت زمان آزمایش، فک ها با تقریب 0.2± میلی متر به صورت هم محور باقی بمانند.
سطح زیر دستگاه باید کاملاً صاف باشد تا از هر گونه لغزش نمونه (به ویژه نمونه های نامنظم) جلوگیری شود.
فک های مخروطی با نوک کروی از نظر هندسی باید مطابق شکل زیر ساخته شده باشد. راس مخروط 60 درجه و فک کروی به شعاع 5 میلیمتر، باید بر هم مماس باشد. فک ها باید از مواد سختی مانند تنگستن که باید 2 یا فولاد خشک 3 ساخته شوند تا به سبب آزمایش آسیب نبینند.

تصویر نمادین فک پایینی دستگاه آزمایش بار نقطه ای سنگ

سامانه اندازه گیری بار

این سامانه وظیفه اندازه گیری بار نهایی اعمالی (P) را بر عهده دارد. این سامانه از سنجشگرهای الکترونیکی یا هیدرولیکی تشکیل می شود. سامانه اندازه گیری بار، از ابزاری مانند بارسنج یا فشارسنج هیدرولیکی یا سنجش گر الکتریکی تشکیل می شود. این سامانه باید مشخصات زیر را داشته باشد:

وسیله اندازه گیری بار P بدون توجه به اندازه و مقاومت نمونه، باید دست کم دارای دقت 5% باشد.
سامانه اندازه گیری باید در مقابل تغییرات ناگهانی فشار هیدرولیکی و لرزش مقاوم باشد، به گونه ای که دقت

قرائت با تکرار آزمایش تغییر نکند.

شکست نمونه غالباً به طور ناگهانی صورت می گیرد بنابراین لازم است که سامانه اندازه گیری بار بتواند بار حداکثر را در لحظه شکست ثبت کند.

سامانه اندازه گیری فاصله (بین دو فک)

سامانه اندازه گیری فاصله، به طور معمول شامل یک خط کش مدرج است که روی ستون ثابت دستگاه نصب می شود و با کمک آن می توان جابه جایی فک متحرک را به طور مستقیم قرائت کرد. این جابه جایی را می توان با یک جابه جایی سنج الکتریکی نیز اندازه گیری نمود. از ویژگی های این سامانه، می توان به موارد زیر اشاره نمود:

اندازه گیری D بدون توجه به ابعاد نمونه آزمایش باید دست کم دارای دقت 0.02D± باشد.
سامانه اندازه گیری باید در برابر تغییرات ناگهانی فشار هیدرولیکی (ضربه) و لرزش مقاوم باشد، به گونه ای که دقت قرائت با تکرار آزمایش تغییر نکند.
نحوه تنظیم شدن این سامانه باید به گونه ای باشد که در شرایطی که نوک فک ها با یکدیگر برخورد دارند نشانگر روی عدد صفر قرار داشته باشد.
برای اندازه گیری پهنای نمونه در آزمایش ها توصیه می شود که از کولیس استفاده گردد.

در ادامه تصویر دستگاه این آزمایش قابل مشاهده است.

مراحل انجام آزمایش تعیین شاخص بار نقطه ای

مراحل زیر، در مورد این روش آزمایش، اجرا می شود:

انتخاب و آماده سازی نمونه

نمونه آزمایش، با توجه به موارد زیر انتخاب و آماده سازی می شود:

براساس تعریف، نمونه آزمایش به مجموعه نمونه های سنگی با مقاومت مشابه گفته می شود که باید برای آنها یک مقدار مقاومت بار نقطه ای تعیین شود.
مسئول آزمایش باید دقت نماید که تعداد نمونه ها برای انجام آزمایش کافی باشد.
اندازه و شکل مورد نیاز برای آزمایش های قطری، محوری و قطعه یا کلوخ نامنظم، باید بر پایه مشخصات گفته شده در این استاندارد باشد.
برای استفاده از نتایج جهت تعیین رده بندی، نمونه ها باید در حالت اشباع و یا با رطوبت طبیعی مورد آزمایش قرار گیرند.

واسنجی دستگاه

دستگاه آزمایش باید به طور متناوب و با استفاده از یک بارسنج استاندارد و دو بلوک در بالا و پایین آن برای انتقال بار واسنجی شود. قرائت بار P و فاصله D در کل دامنه بارگذاری و جابه جایی های مربوط به آزمایش باید کنترل شود.

به طور معمول این آزمایش به دو روش قطری و محوری انجام می گیرد. در روش قطری محور فک ها عمود بر محور نمونه می باشد. حال آنکه در روش محوری محور مرکزی نمونه بر محور گذرنده از فک ها منطبق است.

آزمایش قطری

این روش آزمایش، با توجه به موارد زیر، انجام می گیرد:

الف- برای آزمایش قطری، برای نمونه های مغزه ای با نسبت طول به قطر بزرگ تر از 1، مناسب می باشند.

ب- بهتر است دست کم 10 آزمایش روی هر نمونه انجام شود. در صورت ناهمگن و ناهمسان بودن نمونه ها، شمار آزمایش بیشتری لازم است.

د- فاصله D با دقت 2% اندازه گیری شود.

ه- سرعت بارگذاری باید یکنواخت بوده و شکست نمونه در 10 تا 60 ثانیه رخ دهد. مسئول آزمایش باید به دقت روند آزمایش را تحت کنترل داشته و بار نهایی در لحظه شکست را یادداشت نماید.

و- اگر سطح شکست در امتداد نقاط تماس نمونه با دو فک نباشد، نتیجه آزمایش قابل قبول نیست. نمونه ای از حالت های شکست قابل قبول و غیر قابل قبول در شکل زیر قابل مشاهده است.

آزمایش محوری

این روش آزمایش، با توجه به موارد زیر، انجام می گیرد:

الف- نمونه های مغزه ای با نسبت طول به قطر 0.3 تا 1، برای آزمایش محوری مناسب هستند. برای نمونه های بلندتر، ابتدا انجام آزمایش قطری توصیه می شود چرا که پس از آن می توان از قطعات به دست آمده برای آزمایش محوری استفاده نمود البته به شرط آن که نمونه های باقی مانده در اثر انجام آزمایش قطری تضعیف نشده باشند.

** نمونه های مناسب را می توان به وسیله اره نیز تهیه کرد.

ب- در این آزمایش نیز توصیه آیین نامه بر تکرار آزمایش برای 10 نمونه مناسب است. به تبع در صورت ناهمگن و ناهمسان بودن نمونه ها، شمار آزمایش بیشتری لازم است.

د- فاصله بین نقاط تماس فک ها با نمونه (D) باید با تقریب 2± درصد D ثبت شود. پهنای نمونه عمود بر جهت بارگذاری بوده و باید با تقریب 5± درصد W اندازه گیری و ثبت شود.

ه – سرعت بارگذاری باید یکنواخت بوده و شکست نمونه در 10 تا 60 ثانیه رخ دهد. مسئول آزمایش باید به دقت روند آزمایش را تحت کنترل داشته و بار نهایی در لحظه شکست را یادداشت نماید.

شرایط هندسی نمونه ها در آزمایش بار نقطه ای

حالت های شکست نمونه ها در آزمایش بار نقطه ای برای آزمایش قابل قبول و غیرقابل قبول

محاسبات

برای محاسبه مقاومت بار نقطه ای تصحیح نشده I_s از رابطه زیر استفاده می شود. در این رابطه، پارامتر Dₑ² معرف قطر معادل است و مقدار آن نیز به صورت زیر محاسبه می شود.

** کم ترین سطح مقطع عرضی از صفحه ای که از نقاط تماس بین فک ها می گذرد به کمک این رابطه محاسبه می شود. A = WD

تصحیح شاخص بار نقطه ای

مقادیر به دست آمده از شاخص بار نقطه ای باید پیش از انجام محاسبات اصلاح شود.

مقدار I_s در آزمایش های قطری به عنوان تابعی از اندازه D و در آزمایش های محوری، قطعه و کلوخ غیر منتظم تابعی از Dₑ (قطر موثر) می باشد. با توجه به تفاوت قطر نمونه ها، باید از یک مقدار واحد برای مقاومت بار نقطه ای در نمونه های سنگی مختلف برای رده بندی سنگ ها نیز استفاده کرد.
شاخص مقاومت بار نقطه ای تصحیح طبق تعریف، معادل مقاومت بار نقطه ای به دست آمده در نمونه ای با قطر 50 میلیمتر است و این مقدار در واقع همان مقداری است که برای رده بندی به عنوان شاخص استفاده می شود.

** معتبرترین روش تصحیح، انجام آزمایش روی چندین نمونه با اندازه های D و یا ^Dₑ مختلف ترسیم نمودار تغییرات بار P بر حسب Dₑ² است. بهتر است این نمودار در مقیاس لگاریتمی ترسیم شود چرا که نمودار به شکل خطی در می آید. بنابراین استخراج اطلاعات از آن به مراتب راحت تر خواهد بود.

محاسبه میانگین مقادیر

اگر، دست کم نتیجه 10 آزمایش معتبر در دست باشد، میانگین با حذف دو عدد حداکثر و دو عدد حداقل از میان نتیجه ها محاسبه می شود. اگر شمار نتیجه های معتبر، به طور قابل توجهی کمتر از 10 آزمایش باشد، تنها کمترین و بیشترین مقدار حذف و میانگین باقی مانده نتیجه ها، محاسبه می شود.

نمونه ای از نمودار نیرو برحسب مجذور قطر موثر

نقاطی که به طور چشمگیری خارج از خط راست قرار دارد، می توان با درون یابی به دست آورد. اگر به برون یابی نیاز باشد، اندازه شاخص مقاومت بار نقطه ای تصحیح شده به صورت زیر محاسبه می شود.

شاخص ناهمسانی مقاومت بار نقطه ای

شاخص ناهمسانی مقاومت بار نقطه ای طبق تعریف عبارت است از: نسبت دو مقدار میانگین که یکی در جهت عمود و دیگری موازی با صفحات ضعیف اندازه گیری شده باشند. به عبارت دیگر، نسبت بیشترین مقدار شاخص مقاومت بار نقطه ای به کمترین مقدار آن می باشد. شاخص ناهمسانی مقاومت بار نقطه ای برای سنگ های کم و بیش همسان، برابر 1 و برای سنگ های ناهمسان بیش تر از 1 است.

گزارش نتایج

نتیجه آزمایش های قطری، محوری، قطعه ای، کلوخی نامنظم و آزمایش های در جهت عمود و موازی صفحات ضعیف، باید در جدول های جداگانه ای ثبت شود.