آزمایش تک محوری

مقدمه

آزمايش مقاومت تك محوري شايد ساده ترين و ارزان ترين روش هاي بررسي مقاومت برشي ‍زهكشي نشده خاك چسبنده اشباع در سه حالت ( دست نخورده، بازسازي شده، متراكم شده) تحت اثر بار محوري يا كرنش كنترل شده مي باشد.

خاك هاي مناسب جهت انجام ازمايش

خاك هاي چسبنده( خاك رس و سيمانته شده) حاصل از لوله های نمونه گیر جدار نازک است.

علت كاربرد اين ازمايش در خاك هاي چسبنده :

 1- فشار جانبي براي نمونه وجود ندارد و نمونه بدون اعمال فشار جانبي بصورت منسجم باقي مي ماند.
2- ضمن بارگذاري اب از انها خارج نخواهد شد و پس از حذف فشار هاي محدود كننده، مقاومت اصلي انها باقي خواهد ماند.
3- اب در اثر تغيير شكل يا تراكم خاك خارج مي شود.

خاك هاي نامناسب جهت انجام ازمايش

ماسه ها، پيت ها، خاك هاي كلوخه اي، ترك خورده.

علت عدم كاربرد اين ازمايش در خاك هاي غيرچسبنده اين است كه اين خاك ها نمي توانند بدون حمايت جانبي خود را نگه دارند.

معايب ازمايش

1-  اين ازمايش مقدار تقريبي مقاومت چسبندگي خاك هارا بر حسب تنش هاي كل بدست مي دهد.
2- مقاومت فشاري، به صورت تقريبي بدست مي ايد.

مزاياي آزمايش

مزیت آزمایش تک محوری نسبت به برش مستقیم آن است که تنش و کرنش به شکل یکنواخت ایجاد می شوند و سطح گسیختگی در ضعیف ترین قسمت نمونه رس اتفاق می افتد. البته رس صفحه گسیختگی ندارد، بلکه انبساط جانبی پیدا می کند.

در ابتدا به بررسي اصطلاحات مربوط به به اين ازمايش مي پردازيم:

مقاومت فشاري محدود نشده ( qu)

تنش فشاري كه نمونه خاك استوانه اي محدود نشده در ازمايش فشاري ساده گسيخته خواهد شد.
در اين ازمايش، مقاومت فشاري تك محوري به صورت حداكثر بار بر واحد سطح در 15% كرنش محوري، هر كدام كه در حين اجراي ازمايش در ابتدا بدست آيند، در نظر گرفته مي شود. این مقدار با قطر دایره موهر برابر است.

حساسیت (ST)

حساسیت خاک، به صورت افت خواص مقاومتی آن در اثر دست خوردگی معرفی می شود و برای خاکهایی با ساختار فلوکوله، بسیار زیاد و برای خاکهای با ساختارهای موازی، کمتر است.
 در واقع، وقتی خاک رس دست نخورده تحت برش قرار می گیرد، در ابتدا، چسبندگی زیادی دارد، اما کمی بعد از آن، خمیری شده و دست خورده می شود و مقاومت آن کم می شود. این کاهش مقاومت، به دلیل دست خوردگی در ساختار خاک را حساسیت گويند. علت حساسیت خاکهای رسی، آن است که به هم زدن نمونه سبب می شود تا بافت طبیعی یا استخوان بندی ذرات که طی عملیات زمان بر رسوب گذاری به وجود آمده است از بین برود. ولی اگر نمونه به هم خورده مدتی به حال خود گذاشته شود، با گذشت زمان، مجددا مقاومت از دست رفته را کسب می نماید که به این پدیده، تیکسوتروپی می گویند.

بررسي مقاومت برشي خاك چسبنده(S u)

1-  مقاومت اصطكاكي: تابع نيروي وزني است و بيشتر در خاك هاي دانه اي مي باشد.
2- مقاومت چسبندگي: تابع نيروي سطحي است 
نمونه هايي از خاك داراي سطوح لغزشي يا ساختار ترك خورده، نمونه اي از انواع لس، رس هاي خيلي نرم، خاك هاي ترد و خشك و مواد لايه لايه اي، با نمونه هاي شامل بخش قابل توجهي لاي يا ماسه،  يا هر دو ( همه انهايي كه معمولا خواص چسبندگي از خود نشان مي دهند،غالبا مقاومت برشي بالاتري را از خود نشان مي دهند.
مقاومت برشی زهکشی نشده معمولا حداکثر تنش برشی در نظر گرفته می شود.

مقاومت نهایی

به کمترین مقاومتی که یک خاک دارای چسبندگی محصور نشده از خود نشان می دهد، مقاومت نهایی گویند.

مقاومت باقیمانده

مقاومتی کمتر از مقاومت اوج، که پس از وقوع گسیختگی نیز باقی می ماند.

شرکت ترانشه ارائه دهنده خدمات نیلینگ، خرپا، انکراژ، آزمایش خاک، بهسازی خاک، مقاومت خاک، طبقه بندی خاک، میکروپایل، سازه نگهبان، حفاری دستی، طراحی ساختمان و جلوگیری از نشست ساختمان می باشد. همچنین برای آشنایی با انواع خاک و شناخت بیشتر تیپ خاک نیز می توانید از وبلاگ مجموعه ترانشه بازدید کنید.

تجهيزات:

1- دستگاه فشار:

شامل يك سكو قرار گيري(مجهز به جك پيچي فعال كننده در قسمت جلوب دستگاه بالا و پایین می شود)، يوغ بارگذاري، صفحه بالایی که ثابت است و به وسيله بارگذاري  هيدروليكي( با ظرفيت كافي و كنترل كننده جهت تنظيم سرعت بارگذاري ) متصل می باشد.
* مقاومت ایجاد شده توسط صفحه بالایی ثابت، یک نیروی محوری به نمونه وارد می کند.

– براي خاك با مقاومت فشاري تك محوري < 100 Kpa  دستگاه فشار بايد قادر به اندازه گيري تنش فشاري در حدود  1kpa باشد.         – براي خاك با مقاومت فشاري تك محوري => 100 kpa دستگاه فشار بايد قادر به اندازه گيري تنش فشاري در حدود 5kpa باشد.

2- خارج كننده نمونه:

بايد قادر به خارج نمودن مغزه خاك از لوله نمونه گير( در همان جهتي كه نمونه داخل لاله شده، با سرعت يكنواخت، با حداقل دست خوردگي در نمونه).

3- شاخص تغيير شكل:

شاخص تغيير بايد تا 0.03 ميليمتر(in 0.001) درجه بندي شده باشد.
داراي محدوده حركت حداقل 20% طول نمونه مورد ازمايش باشد.

4- دستگاه اندازه گيري عقربه اي:

جهت اندازه گيري ابعاد فيزيكي نمونه در حدود 0.1 % بعد اندازه گيري شده.
استفاده از كوليس براي نمونه هاي نرم توصيه نمي شود.

5- زمان سنج:

 براي تعيين سرعت كرنش و داراي اندازه گيري با دقت ثانيه مي باشد.

6- ترازو:

براي تعيين وزن نمونه و داراي دقتي برابر با 0.1 درصد باشد.

ساير وسايل متفرقه:

ابزار صاف كردن و بريدن –  وسيله دوباره سازي – قوطي هاي درصد رطوبت و اوراق داده هاو ديگر ابزار مورد نياز.

اماده سازي نمونه:

اندازه نمونه:

– اگر قطر نمونه=>30 mm باشد، ابعاد بزرگترين دانه <0.1 قطر نمونه  بايد باشد.
– اگر قطر نمونه>72 mm باشد، ابعاد بزرگترين دانه  <0.16 قطر نمونه  بايد باشد.

– در رابطه با نمونه هاي دست نخورده، اگر پس از ازمايش مشخص شد ابعاد ذره اي بزرگتر از مقدار مجاز است حتما بايد در توضيحات گزارش ذكر گردد.
 که نسبت میانگین ارتفاع به نمونه قطر برابر 2و 2.5 باشد.

  
– براي اندازه گيري ارتفاع مي بايست حداقل سه نقطه (با زاويه 120 درجه) و سه قطر در نقاط  0.25  ارتفاع در نظر بگيريد.
* این ازمايش مي تواند بر روي نمونه هاي دست نخورده و یا با داشتن وزن مخصوص و درصد رطوبت، بر روی نمونه های دست خورده نیز انجام گیرد.

روش ازمايش:

الف: براي نمونه دست خورده  با داشتن وزن مخصوص و درصد رطوبت:
1- ابتدا مقدار خاك مورد استفاده را وزن مي كنيم.
2- مقدار خاك را با داشتن وزن مخصوص و درصد رطوبت   
3- نمونه را در وسيله بارگذاري طوري قرار دهيد كه در مركز صفحه تحتاني جاگيرد.
4- دستگاه بارگذاري را طوري كه صفحه فوقاني به طور كامل با نمونه در تماس باشد با دقت تنظيم كنيد. 
5- گیج اندازه گیری کرنش و بار محوری را صفر نماييد.
6-  بار محوري را طوري اعمال كنيد كه كرنش محوري داراي سرعت 0.5 الی 4 درصد در دقيقه باشد.
7- مقادير بار، تغيير شكل، زمان را در فواصل مناسب ( معمولا 10- 15 نقطه) تعيين كنيد.
8- سرعت كرنش را به گونه اي تنظيم كنيد كه زمان رسيدن به لحظه گسيختگي از حدود min 15 بيشتر نشود.
مصالح نرم تا گيسختگي تغيير شكل بزرگتري از خود نشان مي دهند در نتيجه بايد در سرعت كرنش بالاتري ازمايش شود.
 مواد سفت و شكننده تا گيسختگي تغيير شكل كمتري از خود نشان مي دهند در نتيجه بايد در سرعت كرنش كمتري ازمايش شود.  
توصیه می شود که قرائت گیج تغییر شکل عمودی را در کرنش های 0– 0.1-  0.2 – 0.5-1– 2– 3– 4– 5– 6– 8 –10– 12– 14– 16 –18  و 20 درصد قرائت شود.
9- بارگذاري تا زماني ادامه يابد كه مقادير با افزايش كرنش، كاهش يافته يا به 15% كرنش برسد( در واقع روی سطح نمونه ترک مشاهده شود).
اگر نمونه تا کرنش 20 درصد افزایش داد یعنی ابتدا به حداکثر نرسید و سپس کاهش پیدا کند، یعنی شکست نمونه به صورت شکم دادگی بوده است و  مقاومت فشار تک محوری در کرنش 20 درصد اندازه گیری می شود.

به طور کلی نمونه به دو روش شکست می خورد: 

 1- در رس های سخت تر، یک صفحه شکست متمایز تشکیل می شود. به احتمال زیاد محل شکست با اندازه گیری یک مقدار پیک و سپس کاهش بار نشان داده میشود، به همین سبب پیشنهاد می شود که پس از رسیدن به نقطه شکست  4-5 بار قرائت را ادامه دهید. 
2- برای رس های نرم بیشتر شکم دادگی در وسط نمونه ایجاد می شود و یک صفحه شکست متمایز تشکیل نمی گردد.

10- درصد رطوبت نمونه را با استفاده از كل نمونه تعيين نماييد و مشخص شود كه درصد رطوبت نمونه قبل يا بعد از نمونه تعيين شده است.
11-  براي نشان دادن زاويه شيب سطح گسيختگي، در صورتي كه زاويه قابل اندازه گيري باشد شكل نمونه در حالت گسيختگي را كشيده يا از ان عكس بگيريد.

الف: براي نمونه دست نخورده :

1- نمونه از لوله نمونه گیری با کمترین میزان دست خوردگی خارج کنید.
2- نمونه استوانه ای به طوری که انتهای ان کاملا صاف و نسبت ارتفاع به قطر 2-2.5 باشد برش دهید.
3- نمونه استوانه ای را روی وسیله بارگذاری طوري قرار دهيد كه در مركز صفحه تحتاني جاگيرد.
* بقیه موارد مانند ازمایش تک محوری برای نمونه دست خورده می باشد. 

محاسبات:

كرنش محوري( ) با تقريب 0.1 % براي بار وارده :

 = تغيير طول نمونه كه از روي شاخص تغيير شكل قرايِت شده بر حسب ميليمتر(in)
= طول اوليه نمونه ازمايش بر حسب ميليمتر(in)

متوسط مساحت سطح مقطع عرضي (A):

= ميانگين سطح مقطع اوليه نمونه بر حسب ميليمتر مربع(اینچ مربع)
= كرنش محوري براي بار وارده بر حسب درصد

تنش فشاري براي سه حالت مختلف با دقت 1 كيلو پاسكال :

P = بار وارده بر حسب كيلو پاسكال (ton/ft^2 )
A = ميانگين سطح مقطع متناظر بر حسب ميليمتر مربع(in^2)

مقدار حساسيت، در صورت تعيين مقاومت فشاري تك محوري:

خروجي

یکی دایره موهر مقاومت نهایی و دیگری، منحنی تنش- کرنش، که منجر به استخراج ضریب مدول الاستیسیته خاک می گردد.

گردآورندگان: مهندس کیمیا سبزه پرور (کارشناس ارشد ژئوتکنیک دانشگاه بین الملل امام خمینی)
                     مهندس میلاد مصرآبادی (کارشناس ارشد ژئوتکنیک دانشگاه بین الملل امام خمینی)