آزمایش سه محوری سیکلی (Cyclic triaxial test) – شرکت عمرانی و مهندسی ایستاسازه

1401-08-25

آزمایش سه محوری سیکلی - تعیین میرایی و ضریب ارتجاعی خاک

آزمایش سه محوری سیکلی از جمله آزمایش های متداول و مهم در حوزه دینامیک خاک و ژئوتکنیک لرزه ای می باشد. آزمایش سه محوری سیکلی عبارت است از اعمال یک تنش انحرافی محوری سیکلی با مقدار ثابت (تنش کنترل) و یا اعمال تغییر شکل محوری (کرنش کنترل) بر روی یک نمونه خاک استوانه ای که داخل یک سلول فشار سه محوری قرار گرفته است. نسبت ارتفاع به قطر نمونه جهت توزیع مناسب تنش در آن معمولا برابر با 2 می باشد. با اندازه گیری تنش یا کرنش محوری ایجاد شده، مدول و نسبت میرایی نمونه خاک محاسبه می شود.

همانطور که گفته شد این آزمایش به هر دو صورت کنترل تنش و کنترل کرنش قابل انجام است. در حالت کنترل تنش، هدف بررسی تغییرات گسیختگی نمونه و یا ارزیابی روانگرایی در مصالح است که بر اساس استاندارد ASTM D5311 صورت می پذیرد. در حالت دوم، هدف، برآورد مشخصه های دینامیکی نمونه شامل مدول برشی و نسبت میرایی خاک است که مطابق با استاندارد ASTM D3999 انجام می شود.

از مشخصاتی همانند ضریب ارتجاعی (مدول الاستیسیته) و نسبت میرایی خاک که از این آزمایش به دست می آیند، در دینامیک و آنالیزهای خطی و غیرخطی می توان استفاده کرد. همچنین از این آزمایش برای ارزیابی عملکرد سازه های طبیعی و سازه های مهندسی شده تحت بارگذاری های سیکلی ناشی از زلزله، موج دریا، انفجار و غیره استفاده می شود.

از این آزمایش برای به دست آوردن مدول و میرایی خاک ها در حالت دست خورده یا دست نخورده و با استفاده از روش های سه محوری سیکلیک به روش تنش کنترل یا کرنش کنترل استفاده می شود. خصوصیات سیکلیک سه محوری خاک به دست آمده از این آزمایش به مواردی از جمله سطح کرنش، تراکم، تعداد چرخه های وارده، نوع خاک، وضعیت اشباع بودن خاک و تنش موثر بستگی دارد. از این آزمایش می توان برای بررسی رفتار خاک های ریزدانه و همچنین خاک های درشت دانه استفاده کرد.

از دو نوع آزمایش برای محاسبه ضریب ارتجاعی (E) و نسبت میرایی خاک (D) می توان استفاده کرد. در روش اول، ضریب ارتجاعی و نسبت میرایی خاک با استفاده از دستگاه وارد کننده بار ثابت به دست می آیند، در حالی که در روش دوم از یک دستگاه وارد کننده کرنش ثابت استفاده می شود.

هنگام انجام آزمایش سه محوری سیکلیک با محدودیت هایی برای شبیه سازی شرایط تنش و کرنش یک المان خاک در شرایط برجا و طی رخداد زلزله مواجه هستیم که عبارتند از:

وجود صفحات فلزی در بالا و پایین نمونه سبب می شود تا شرایط تنش در نمونه خاک به صورت یکنواخت نباشد.
مقدار مدول برشی را با استفاده از روابط الاستیک با داشتن مدول یانگ به دست می آوریم. از آنجایی که کرنش ها در این آزمایش در محدوده الاستو-پلاستیک قرار دارند، محاسبه مدول برشی با خطا مواجه خواهد شد و هر چه فاصله کرنش از محدوده الاستیک بیشتر باشد، این خطا بیشتر می شود.
بر خلاف طبیعت که محیط نیمه بی نهایت است و خاک در حالت سکون (K₀) قرار دارد، در این آزمایش نمونه تغییر شکل جانبی خواهد داشت و در حالت سکون نخواهد بود.
مدول برشی (G) و نسبت میرایی (D) به دست آمده در این آزمایش برای گسیختگی در راستای 45 درجه به دست می آیند، در حالی که در طبیعت، نیروی زلزله به صورت افقی به دست آمده و مدول برشی و نسبت میرایی در راستای افقی مد نظر هستند.
در آزمایش سه محوری تنش اصلی میانی (σ₂) برابر با تنش اصلی قائم (σ₃) می باشد. اما در طبیعت معمولاً به این صورت نیست.
یک تغییر 90 درجه ای در جهت تنش اصلی بزرگ بین دو نیمه سیکل بارگذاری در شرایط تحکیم همسان و در سطوح مشخصی از اعمال تنش سیکلی در شرایط تحکیم ناهمسان رخ می دهد.
بیشینه تنش سیکلی محوری که می تواند به یک نمونه اشباع وارد شود، توسط شرایط تنشی در انتهای مرحله اعمال تنش همه جانبه و مقادیر فشار آب حفره ای که هنگام آزمایش به وجود می آیند، کنترل می شود. برای نمونه ای که تحت تحکیم ناهمسان قرار دارد، این مقدار برابر با تنش تحکیمی موثر خواهد بود. از آنجایی که خاک های غیرچسبنده توانایی تحمل کشش را ندارند، تنش های سیکلی محوری که از این مقدار بیشتر باشند، تمایل به بلند کردن قسمت بالایی نمونه خواهند داشت.
با اینکه توصیه می شود برای آزمایش های سیکلی از بهترین نمونه دست نخورده ممکن استفاده شود، گاهی لازم است تا نمونه ها دوباره در آزمایشگاه ساخته شوند. تحقیقات نشان داده است که روش های مختلف ساخت نمونه ها در تراکم یکسان سبب تغییر قابل توجهی در رفتار سیکلی نمونه ها می شود. همچنین نمونه های دست نخورده اغلب از نمونه های دست خورده و ساخته شده در آزمایشگاه با همان تراکم مقاوم تر هستند.
اندرکنش بین نمونه، غشاء و سیال تحکیم کننده، بر رفتار سیکلی تاثیرگذار است. اثرات غشاء را نمی توان به راحتی در روند آزمایش یا در تفسیر نتایج آزمایش به حساب آورد. تغییر در فشار آب حفره ای می تواند موجب تغییر در میزان نفوذ غشاء در نمونه های ساخته شده از خاک غیرچسبنده شود. این تغییرات می تواند نتایج آزمایش را به صورت قابل توجهی تحت تاثیر قرار دهد.

با وجود این محدودیت ها، در صورت فرض ضرایب اصلاحی، آزمون های سه محوری سیکلی که با دقت انجام شوند، می توانند داده هایی با دقت مناسب برای پیش بینی رفتار سیکلی خاک ها و به دست آوردن مدول و نسبت میرایی برای سطح کرنش های کمتر از 0,5 درصد ارائه دهند. ارزانی و ساده بودن این آزمایش در کنار مراجعه بسیاری از آیین نامه ها به نتایج آن، دلیل دیگری برای استفاده گسترده از نتایج این آزمایش می باشد. جواب های این آزمایش برای محدوده کرنش های برشی بین ^3-10 تا ^5-10 مناسب می باشد.

شکل 1 نمایی از دستگاه آزمایش سه محوری سیکلی — شکل 1: نمایی از دستگاه آزمایش سه محوری سیکلی

تئوری آزمایش سه محوری سیکلی

همانطور که توضیح داده شد، در آزمایش سه محوری سیکلی، نمونه تحت فشار همه جانبه و تنش انحرافی مورد نظر تحت تعداد معینی سیکل، بارگذاری می شود. برای به دست آوردن پارامترهای مورد نظر، با توجه به توصیه آیین نامه، یکی از سیکل ها (مثلا سیکل دهم) را انتخاب کرده و با توجه به نمودار تنش-کرنش آن، پارامترهای مورد نیاز به صورت زیر به دست می آیند

شکل 2 نمونه ای از یک سیکل (چرخه) برای یک بارگذاری مشخص — شکل 2: نمونه ای از یک سیکل (چرخه) برای یک بارگذاری مشخص

پارامترهای مورد نیاز با توجه به شکل 2 به صورت زیر به دست می آیند:

فرمول نسبت میرایی خاک در آزمایش سه محوری سیکلی - شرکت ایستاسازه

مراحل انجام آزمایش سه محوری سیکلی به صورت زیر است:

ساختن نمونه آزمایش در قالب آزمایش (قالب آزمایش معمولاً استوانه ای شکل و به قطر 10 سانتی متر و ارتفاع 20 سانتی متر است).
قرار دادن سنگ متخلخل و کلاهک های نمونه.
باز کردن قالب و قرار دادن نمونه در داخل دستگاه.
قرار دادن سلول سه محوری در اطراف نمونه.
پر کردن سلول سه محوری با آب.
اعمال تنش همه جانبه مورد نظر به کمک فشار هوا.
اشباع کردن نمونه در صورت نیاز.
اعمال بارگذاری سیکلی با مقادیر تنش های انحرافی مختلف توسط میله بارگذاری.
ادامه بارگذاری تا گسیخته شدن نمونه.
استخراج نتایج از رایانه.
تحلیل نتایج.