دوشنبه , 29 مهر , 1398

مشخصا ت فني دستگاه برش مستقيم خاک :
دستگاه برش مستقيم وسيله اي ست جهت آزمايش نيروي برشي خاک . اين دستگاه ضمن ايجاد فشار قائم که بروي خاک مي آورد از طريق فشار جانبي دو سطح همسان را در راستاي افقي به حرکت مي آورد . مقدار نيروي عمودي از طريق وزنه هاي استاندارد اعمال شده و نيروي افقي از طريق موتور اعمال مي گردد که توسط يک لودسل و نمايشگر ( دستگاه برش مستقيم ديجيتال ) نمايش داده مي شود . در اين دستگاه اعمال نيروي عمودي تا 5500 نيوتن و نيروي افقي تا 5000 نيوتن مجاز مي باشد . سيستم حرکت افقي دستگاه برش مستقيم توسط موتور سروو الکتريک تامين مي گردد که سرعت آنرا مي توان از 0.01 ميليمتر بر دقيقه تا 2 ميليمتر به صورت ديجيتال تنظيم کرد .

 

 

 

 

 

 

 

 

تشريح کلي آزمايش برش مستقيم خاک
مقدمه :
يكي از قديمي ترين آزمايش هاي تعيين مقاومت برشي خاك هاي تحكيم شده چسبنده ، آزمايش برش مستقيم است در اين آزمايش تنشهاي وارد بر سطحي كه در آن گسيختگي رخ مي دهد در سراسر آزمايش مستقيما كنترل مي شود . دستگاه برش مستقيم اساسا مركب از يك قوطي  كه در جهت افقي به دو قسمت تقسيم شده است قسمت پايين به طور ثابت به پايه دستگاه اتصال يافته و بدون حركت است در حاليكه قسمت بالايي آزاد است و مي تواند در هر دو جهت افقي و قائم حركت كند كه مقدار حركت را مي توان بوسيله گيج اندازه گيري نمود مقاومت برشي توده خاک , مقاومت داخلي واحد سطح آن خاک است كه مي تواند براي مقابله با گسيختگي يا لغزش در امتداد هر صفحه داخلي , بروز دهد . براي تحليل مسائل پايداري خاک نظير ظرفيت فشاري , پايداري شيرواني ها و فشار جانبي بر روي سازه هاي حائل خاك ,لازم است طبيعت مقاومت برشي به خوبي شناخته شود . آزمايش برش مستقيم يک نمونه از آزمايش هاي تعيين مقاومت برشي خاک مي باشد اين آزمايش  روي نمونه تحکيم شده زهکشي شده انجام مي شود و هدف از آن تعيين c  و T  در خاک ها مي باشد .
 
در خاک هاي  ماسه اي  متراكم  نمودار صعود  مي كندبعد به يك نقطه ( pic )  مي رسد كه بعد  از اين  نقطه  خاک نرم مي شود و نزول مي كند هر چه  ماسه  متراكم تر  باشد  شيب نمودار بيشتر مي شود چون سختي آن بيشتر مي شود پس خاك ماسه اي متراكم تمايل به اتساع ( dilation ) دارد . اتساع يعني افزايش حجم ناشي ازتنش برشي . خاك متراكم وقتي تحت برش قرار مي گيرد ابتدا يك مقدار متراكم مي شود اما بعد دانه ها شروع به راندن يكديگر مي كنند ( مثل شخصي كه ميخواهد ازجمعيتي عبور كندپس بايدبه اطراف فشار بياورد ) پس تمايل به افزايش حجم پيدا مي كند واصطعكاك كمتر مي شود و با افت مقاومت برشي مواجه هستيم و خاصيت نرم شوندگي از خود نشان مي دهد . پس خاك ماسه اي متراكم تمايل به اتساع دارد . درخاك هاي ماسه اي شل وقتي تحت برش قرار مي گيرد متراكم مي شود و كاهش حجم مي دهد ( compation )
 
 وسايل مورد نياز آزمايش برش مستقيم خاک :
1- جعبه برش به همراه سنگ متخلخل و صفحه سربار
2- دستگاه برش مستقيم
3- نمونه ماسه با داشتن وزن مخصوص
4- ترازو
5- کرنومتر
6- کوليس
7- تراز
8- الک نمره 4 سايز 7.75 ميلي متر
 
شرح آزمايش برش مستقيم خاک :
 
آزمايش برش مستقيم خاک به دو روش انجام ميشود :
1- كنترل تنش : با مساوي بودن نيروي برشي ، تغيير شكل را در مراحل مختلف اندازه مي گيرند .
2- كنترل تغيير شكل : تغيير شكل ها را اعمال مي كنند و نيروي برشي نظير هركدام را بدست مي آورند .
براي  نمونه گيري ابتدا خاک را داخل جعبه برش مي کوبيم اگر بخواهيم نمونه گيري رابه صورت طبيعي تهيه کنيم يا بايد خاک را از محل گرفته و به اندازه جعبه برش در آورده داخل آن مي گذاريم . يا خاک را در جعبه برش به تراکم طبيعي برسانيم . پيچ هاي جعبه برش را بسته و سنگ متخلخل را داخل آن قرار داده  و ابعاد آنرا توسط کوليس اندازه مي گيرند تا حجم جعبه برش را به دست آوريم . از ارتفاع  حدود 2 ميلي متراکم مي کنند و حجم جعبه را به دست آورده و با داشتن وزن مخصوص ماسه، وزن ماسه مورد نياز براي پرکردن جعبه برش را محاسبه مي کنيم .
با ترازو ماسه مورد نياز راجدا کرده وبه صورت لايه لايه درون جعبه برش ريخته و متراکم مي کنيم . اين کار را توسط ورق فولادي و ضربه زدن با چکش انجام مي دهيم بايد گوشه هاي جعبه برش با دقت پر از خاک شود تا گوشه ها خالي نباشد پس از تراکم و ايجاد نمونه ارتفاع  آن از لبه جعبه برش را اندازه مي گيرند اگر برابر 2 ميلي متر نشد در مراحل بعدي آزمايش را اصلاح مي کنند نمونه به روي دستگاه برش برده مي شود دستگاه شامل يک جايگاه بار گذاري قائم است که داراي بازو مي باشد وهر 1 کيلو گرم  10 کيلو گرم بار به نمونه وارد مي کند و يک موتور بارگذاري برشي که سرعت هاي قابل تنظيم دارد . جعبه برش را در مکان خود قرار داده و سپس بازوي دستگاه را تراز مي کنند . محور اندازه گيري تغيير مکان عمودي را مماس بر بازو کرده و مفصل بالايش را در جايگاه سربار صفحه برش قرار مي دهند . بعد از آن گيج ها را روي صفر تنظيم مي نمايند و دو پيچ جعبه برش را باز کرده و دو پيچ ديگر را حدود يک يا دو دور باز مي کنند تا نمونه به راحتي برش بخورد بار را با تنظيم موتور روي سرعت مشخص وارد مي کنند و در همين لحظه پيچ تراز کننده بازوي بار عمودي را نيز باز مي کنند و هر 30 ثانيه گيج ها را قرائت مي کنند . زماني آزمايش خاتمه مي يابد که نمونه به اندازه  20% ضلع جعبه برش تغييرمکان دهد يا نيروسنج ثابت بماند يا به عقب برگردد پس از اتمام آزمايش جعبه برش را برداشته و با زدن کليد بازگشت به همان مدت زماني آزمايش دستگاه را به حالت اول بر مي گردانند . سپس همان مراحل قبلي را با  بار عمودي  20 کيلوگرم و 30 کيلوگرم انجام مي دهند . هر کدام از اين بارها با وزن ميله بار گذاري عمودي که  4. 5 کيلو گرم است جمع مي شوند وبه عنوان بار عمودي نهايي هستند سپس محاسبات لازم را انجام داده و نمودار ماکزيمم تنش برشي را بر حسب تنش عمودي که در طول آزمايش ثابت است رسم مي کنند عرض از مبدا برابر ضريب چسبندگي و شيب نمودار برابر زاويه اصطحکاک بين ذرات است .
ابتدا جعبه برش و مخزن آب آن را در جاي خود سوار مي كنيم و بعد بين دو نيمه جعبه برش را بايك لايه نازك گريس پوشانده و بوسيله ميخ هاي مخصوص روي هم ثابت مي كنيم تا ديگر هيچ جابه جايي و لغزش بين آن ها انجام نشود . با دقت نمونه را داخل جعبه برش قرار داده و جعبه را از آب اشباع مي كنيم . صفحه سربار را كه مجهز به سنگ متخلخل مي باشد روي نمونه گذاشته و قاب مخصوص بارگذاري قائم را روي آن قرارمي دهيم معمولا حد فاصل اين قاب و صفحه سربار يك گلوله فلزي قرار مي گيرد و يا اينكه مستقيما قاب در شيار صفحه سربار جاي داده مي شود گيج مخصوص اندازه گيري نشست قائم نمونه را روي صفحه سربار نصب كرده نيروي قائم را باتئجه به شرايط آزمايش و با افزودن وزنه هاي مناسب روي قاب بارگذاري اعمال مي كنيم سپس ميخ ها را بيرون مي آوريم وجعبه برش را بيرون مي آوريم نمونه آماده براي برش است نيروي برش به صورت افقي و به وسيله موتور الكتريكي با دور معيني اعمال مي شود . اين نيرو به وسيله حاقه نيرو سنج و جا به جايي بوسيله گيج تغيير شكل افقي اندازه گيري مي شود . بارگذاري را آنقدر ادامه مي دهيم تا اينكه نيروي برش ثابت بماند مادراين آزمايش از 67 kg خاك ماسه اي استفاده كرديم . سطح قاب 25 cm2 مي باشد بار قائم را با 5 kg آغاز مي كنيم .
افزايش هاي بار معمولي عبارتند از 250،500، 1000، 2000 و غيره . هر افزايش بار تا زمان رسيدن به تعادل روي نمونه باقي مي ماند . به دليل نفوذ پذيري زياد خاک هاي غير چسبنده معمولاً زماني در حد چند ساعت لازم است . قبل از اعمال بار بعدي مقدار عقربه قرائت شده و در برگه يادداشت مي‏شود . قابل ذكر است كه تراكم پذيري دستگاه قابل صرف نظر كردن است .
 
 
قرار دادن نمونه داخل جعبه برش مستقيم :
پس از پايان مراحل بارگذاري نمونه در دستگاه تحكيم ، بار ازاي آن برداشته شده و به دستگاه برش مستقيم منتقل مي‏شود . شكل نمونه اي را كه داخل جعبه برش قرار گرفته نشان مي‌دهد . فلش پيچ مربوط به محور كردن نيمه هاي بالايي و پاييني قالب را نشان مي‌دهد .
برش دادن نمونه :
براي اندازه‏گيري جابجايي افقي در طي برشي از يك گيج عقربه اي استفاده مي‏شود . قدم اول در برش دادن نمونه قرائت كردن مقدار اوليه عقربه گيج هاي تغييرشكل افقي وعمودي است . اين مقادير روي برگه يادداشت مي‌شوند . درست قبل از آغاز برش ، بايد پين‌هاي قالب را درآورد . فراموش كردن اين كار باعث آسيب شديد دستگاه مي‏شود . عرض جعبه‌ها به پيچهايي مجهز هستند كه يك فضاي خالي بين قسمت هاي بالايي و پاييني قالب ايجاد مي‏كند . فاصله خالي بين دو نيمه قالب در اين جعبه هاي برش بايد حدود 0/025 in باشد . براي اعمال نيروي برشي به نيمه بالايي قالب دو روش وجود دارد :
 
A ) روش كرنش كنترل شده : در اين حالت نيروي برشي به نحوي اعمال مي‏شود كه نرخ جابه‌جايي كنترل شود . اين امكان با استفاده از يك موتور الكتريكي و جعبه دنده مهيا مي‏شود نيروي برشي توسط بار سنج يا حلقه بار نشان داده مي‏شود اين وسايل بايد قادر باشند كه نيروي برشي را با دقت 1 % مقاومت برشي اندازه‏گيري كنند . مرحله برش تا رسيدن به جابه‌جايي معادل 10 تا20 درصد قطر اوليه نمونه ادامه مي‏يابد . بنابراين براي نمونه اي با قطر 2/5 in ، نمونه بايد تا جابجايي افقي حداقل 0/25 in ادامه يابد .
B ) روش تنش كنترل شده : در اين حالت نيروي برشي به صورت افزايشي اعمال مي‏شود . يك كابل به نيمه بالايي جعبه برش متصل شده است . اين كابل از طريق يك چرخ به آويز متصل شده است و بار به اين آويز وارد مي‏شود . با اضافه كردن وزنه به آويز نيروي برشي افزايش مي‏يابد . با افزايش يافتن تغيير شكل افقي نمونه ، بايد وزنه‌هاي سبك تري به آويز اضافه نمود . وقتي كه به مقاومت برشي نمونه رسيديد،نمونه سريعاً به نيم تقسيم مي‏شود .
در ميان دو روش بالا روش كرنش كنترل شده متداول تر است . در طول برش نمونه خاک ، داده هاي در قسمت مربوطه ثبت مي‌شوند . اين داده‌ها شامل قرائت هاي گيج هاي عقربه اي افقي و قائم و قرائت هاي حلقه بار ، بارسنج يا وزنه‌ها كه براي محاسبه تنش برشي استفاده مي‌شوند . سرعت آزمايش بايد به قدري كم باشد كه فشار منفذي در نمونه ايجاد نشود . يعني اگر نمونه تمايل به اتساع نشان داد ، بايد زمان كافي براي ورود آب به نمونه وجود داشته باشد . بالعكس اگر نمونه تمايل به تراكم نشان داد ، بايد زمان كافي براي خروج آب به نمونه وجود داشته باشد . براي تحقيق اين امر لازم است كه زمان رسيدن به مرحله گسيختگي به صورت زير باشد :
      ● در مورد ماسه تميز با كمتر از 15 درصد ريز دانه غير خميري ، زمان كل تا رسيدن به گسيختگي حداقل 10 دقيقه باشد .
      ● در ماسه لاي دار حاوي بيش از 5 درصد ريز دانه غير خميري ، زمان كل تا رسيدن به گسيختگي حداقل 60 دقيقه مي‏باشد .
      ● در مورد لاي غير خميري ، زمان كل تا رسيدن به گسيختگي بايد حدود 2 تا 3 ساعت باشد .
 ويژگي‌هاي شاخص در پايان آزمايش برش مستقيم خاک :
پس از اينكه نمونه به طور كامل برش خورد ، از داخل دستگاه برش بيرون آورده مي‏شود . سپس درصد رطوبت نمونه تعيين مي‏گردد .  پس از قرار دادن نمونه در قوطي بايد آنرا خرد نمود وجود ذرات درشت در آن را بررسي كرد . اين ذرات مانع برش خوردن نمونه شده و مقاومت را بالا مي برند درصورت مشاهده اين ذرات . اين آزمايش را مي توان با نمونه اي ديگر تكرار نمود . حداكثر اندازه ذرات در آزمايش برش مستقيم محدوديت مهمي است .
 
◄  اشكالات آزمايش برش مستقيم  :
      ● غير قابل كنترل بودن شرايط زهكشي نمونه مي باشد يعني فقط مي توان تنش كل را اندازه گرفت .
      ● وزيع تنش برشي برروي صفحه گسيختگي يكنواخت نيست وگسيختگي ازطرف كناره ها به طرف مركز بوجودمي آيد .
      ● سطح زير برش وبارهاي قائم ثابت باقي نمي ماند .
      ● دراين آزمايش اجازه داده نمي شود كه خاک درامتداد ضعيفترين صفحه گسيخته شود وگسيختگي اجبارأ درصفحه جدايي دونيمه
           فوقاني وتحتاني جعبه برش رخ مي دهد .
 
◄  محاسن آزمايش برش مستقيم :
      ● ساده بودن آزمايش وسهولت آماده نمودن آن مي باشد .
      ● ساده ترين و اقتصادي ترين آزمايش براي خاک هاي ماسه اي خشك واشباع است .
 
◄  موارد زير در يک جدول درج و محاسبه مي شود :
      ● مقدار بار
      ● قرائت نيروي برشي از روي گيج
      ● نيروي برشي kg           
      ● قرائت تغيير مكان افقي از روي گيج           
      ● تغيير مكان افقي
      ● قرائت تغيير مكان قائم از روي گيج
      ● تغيير مكان قائم
      ● نيروي برشي بيشينه از روي نمودار          
      ● مقدار  (σ (kg/cm2
      ● مقدار  (T (kg/cm2
 
 
 منابع خطا:
1- در خاكهاي غير چسبنده به علت وجود خاصيت جذب سطحي بين آب ودانه هاي خاك مقداري چسبندگي كاذب بوجود مي آيد اگر اين چسبندگي بين . 1 ت. 2 باشد از آن صرفنظر مي شود ولي اگر مقدار آن بيشتر باشد و از آن صرفنظر شود خطا بوجود مي آيد .
2- سنجنده هاي (Gage) اندازه گيري نيرو و تغيير شكل به درستي تنظيم نشده باشند .
3- عمل زهكشي به درستي صورت نگيرد .
4- آزمايش كننده در قرائت گيج ها اشتباه كند ويا خطاي محاسباتي داشته باشد .
 
دست خوردگي نمونه باعث مي‏شود که زاويه اصطكاك به دست آمده كم باشد . اما اشباع نبودن نمونه و برش سريع آن باعث حصول نتايج دست بالا مي‏شود . در مورد محدوديت هاي آزمايش برش مستقيم ، استاندارد ASTM D3080-98(2000) ميگويد :
در طول آزمايش برش مستقيم ، چرخش تنش هاي اصلي وجود دارد كه در شرايط صحرايي ممكن است وجود داشته يا نداشته باشند .
همچنين گسيختگي برش مستقيم ، چرخش تنش هاي اصلي وجود دارد كه در شرايط صحرايي ممكن است وجود داشته يا نداشته باشند همچنين گسيختگي ممكن است و در زماني كه نيرو‌ها روي صفحه افقي و يا نزديك آن در وسط بسيج شده اند روي ضعيف ترين سطح اتفاق نيفتد . موقعيت ثابت صفحه برش در آزمايش برش مزيتي براي تعيين مقاومت برشي در يك صفحه ضعيف از پيش مشخص شده و يا بررسي سطح تماس دو ماده غير مشابه مي‏باشد .
تنش ها و جابجايي هاي برشي به طرز غير يكنواختي در نمونه توزيع مي‌شوند و ارتفاع مناسبي براي تعيين كرنش برشي وجود ندارد . سرعت كم جابجايي باعث از بين رفتن فشار آب منفذي مي‏شود ، ولي باعث جريان خميري خاک هاي چسبنده نرم نيز مي‌شوند . بايد مراقب بود كه شرايط آزمايش نماينده شرايط مورد بررسي باشد .
اگر ماسه داراي ذرات درشت شن باشد ، شن مي‏تواند مقاومت برشي ماسه را به طور مصنوعي افزايش دهد ، چراكه معمولاً ارتفاع نمونه كم است (25/4 cm) . بنابراين محدوديت ديگر آزمايش برش مستقيم اندازه ذرات نمونه است . به عنوان مثال ASTM D3080-98 (2000) دو معيار را ارايه نموده است . مورد اول اينكه قطر نمونه بايد حداقل10 برابر قطر بزرگترين دانه خاك باشد . معيار دوم اينكه ارتفاع نمونه بايد حداقل 6 برابر بزرگترين دانه خاك باشد . بنابراين براي نمونه‌هاي معمولي كه قطري معادل 63/5mm  و ارتفاع 25/4mm دارند ، بر اساس معيار اول حداكثر قطر ذرات مي‏تواند 6/35mm و بر اساس معيار دوم معادل 4/2mm باشد . اين بدان معني است كه براي نمونه اي با قطر 63/2mm و ارتفاع 25/4mm ، خاك نبايد حاوي ذرات به اندازه شن باشد . با وجود اين محدوديت‏ها ، دستگاه برش مستقيم معمولاً مقادير زاويه اصطكاك مؤثري با دقت مناسب به دست مي‌دهد . اجراي اين آزمايش نسبتاً ساده و سريع است كه مهمترين دليل براي عموميت اين آزمايش مي‏باشد .
 


سایر مشخصات :
• اعمال نيروي برشي بصورت سروالکتريک با توان مشخص
• ماکزيمم نيروي برشي : ۵۰۰۰ نيوتن
• ماکزيمم نيروي عمودي : ۵۰۰ نيوتن
• اندازه نمونه : حداکثر ۱۰۰ميليمتر مربع و قطر ۱۰۰ ميلميتر
• لودسل جهت اندازه گيري مقدار نيروي برشي گيج هاي اندازه گيري مقدار جابجايي با دقت ۰٫۰۱ميلميتر
• ماکزيمم بار عمودي با استفاده از اهرم 1 به ۱0دستگاه بارگذاري۵۵۰۰ نيوتن
• جعبه برش مستقيم با کايه متعلقات
• سنگ تخلخل
• كوبه قالب
• کاتر و نمونه درآور
• صفحيه شيار دار
• وزنه هاي چاکدار با وزن کل 35Kg 2x10kg-2x5kg-2x2kg-1x1kg