آزمایش سه محوری

آزمایش سه محوری Triaxial Shear Test برای تعیین تنش های برشی خاک

هدف از آزمایش سه محوری تعیین پارامترهای مقاومت برشی خاک است. آزمایش سه محوری با استاندارد ASTM D4767-88 & D2850-87 نسبت به آزمایش های دیگر روش پیچیده تر و قابل اعتمادتری برای تعیین مقاومت برشی خاک ها است. دلیل آن اینست که در آزمایش برش مستقیم خاک به اجبار از محل درز بین دو قسمت جعبه گسیخته می‌شود ولی در آزمایش سه محوری خاک از محل ضعیفترین صفحه خود گسیخته می‌شود. به طور کلی آزمایش ها به دو صورت انجام می‎گیرد.

•  کنترل تنش (با اضافه کردن وزنه هایی با گام مساوی تا لحظه گسیختگی نمونه)
• کنترل کرنش (اعمال تغییر شکل محوری با سرعت ثابت به وسیله یک پرس هیدرولیک تا لحظه گسیختگی نمونه)

تئوری آزمایش سه محوری

در آزمایش سه محوری، نحوه و میزان تنش‌های اعمال شده به نمونه تحت آزمایش در یک راستا با تنش‌های عمود بر آن تفاوت دارند. این نوع بارگذاری، با قرار دادن نمونه بین دو صفحه فلزی موازی و اعمال تنش در راستای عمود بر صفحات (فشار محوری) و سپس، اعمال فشار جانبی از طریق سیال دربرگیرنده (معمولاً آب) به نمونه انجام می‌شود. برخی از دستگاه‌های آزمایش برش سه محوری، دارای قابلیت اعمال تنش‌های مختلف در هر سه جهت عمود بر هم هستند. در شکل زیر، یک دستگاه معمولی انجام آزمایش سه محوری به همراه اجزای مختلف آن نمایش داده شده است.

تنش فشاری، موجب شکل‌گیری تنش برشی و گسترش آن در درون نمونه می‌شود. در دستگاه‌های مخصوصِ انجام آزمایش سه محوری، امکان افزایش بارگذاری و بررسی تغییر شکل تا لحظه شکست نمونه وجود دارد. میزان فشار سیال دربرگیرنده و تنش اعمالی صفحات تا هنگام رخ دادن شکست و شکل‌گیری ناحیه لغزش در نمونه افزایش می‌یابد. به ناحیه شکل‌گیری لغزش بر روی نمونه، خطوط برش (Shear Bands) گفته می‌شود.

مراحل پایانی آزمایش سه محوری، با کاهش ارتفاع و ایجاد برآمدگی در کناره‌های نمونه همراه خواهد بود. در این مرحله، تنش فشاری صفحات کاهش و فشار جانبی سیال دربرگیرنده افزایش می‌یابد. این تغییر در نحوه بارگذاری، موجب افزایش مجدد ارتفاع نمونه خواهد شد. معمولاً برای جمع‌آوری اطلاعات مورد نیاز در مورد تنش و کرنش، چرخه بارگذاری چندین بار تکرار می‌شود. فشار منفذی سیال (آب، روغن و غیره) یا گازهای مورد استفاده را می‌توان به وسیله دستگاه فشار منفذی بیشاپ(Bishop’s Pore Pressure Apparatus) در حین انجام آزمایش اندازه‌گیری کرد.

کاربرد آزمایش سه محوری در مسائل مهندسی

داده‌های به دست آمده از آزمایش سه محوری، برای تعیین خواصی از قبیل زاویه مقاومت برشی (زاویه اصطکاک) چسبندگی ظاهری و زاویه اتساع(افزایش حجم) مواد مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرند. با به کارگیری این پارامترها در مدل‌های کامپیوتری می‌توان رفتار مواد در مسائل واقعی مهندسی را پیش‌بینی کرد.

انواع آزمایش سه محوری

آزمایش CD بر روی خاک‌های دانه‎ای (ماسه‌ها) برای بررسی رفتار دراز مدت خاک های چسبنده، آزمایش‌های UU و CU در شرایط اشباع همراه با اندازه‌گیری فشار منفذی برای بررسی رفتار خاک های ریزدانه در شرایط زهکشی نشده و آزمایش UU در شرایط نیمه اشباع جهت بررسی رفتار خاکریز حین ساخت است. آزمایش های سه محوری بسته به اینکه شیر خروج جریان منفذی باز یا بسته باشد به سه صورت انجام می‌گیرد.

درحالت تحکیم یافته زهکشی شده (CD)

در آزمایش تحکیم یافته زهکشی شده (Consolidated Drained یا اصطلاحاً CD، نمونه در حین آزمایش سه محوری به وضعیت تحکیم می‌رسد و با اعمال فشار به آرامی برش داده می‌شود. این کار، باعث از بین رفتن فشار منفذی حاصل از برش خواهد شد. در آزمایش CD، نرخ تغییر شکل محوری ثابت است و میزان کرنش تحت کنترل قرار دارد. هدف این آزمایش، تعدیل (تحکیم) نمونه و فشارهای منفذی با توجه به تنش‌های دربرگیرنده است. در برخی از مواقع (بخصوص برای نمونه‌هایی با نفوذپذیری کم)، به زمان زیادی برای زهکشی و تعدیل کرنش در سطوح مختلف تنش نیاز خواهد بود.

درحالت تحکیم یافته زهکشی نشده (CU)

در آزمایش تحکیم یافته زهکشی نشده (Consolidated Undrained) یا اصطلاحاً CU، به نمونه اجازه زهکشی داده نمی‌شود. اندازه‌گیری خواص برشی ماده در شرایط زهکشی نشده صورت می‌گیرد و فرض می‌شود که نمونه کاملاً اشباع شده است. در آزمایش سه محوری CU، با اندازه‌گیری فشارهای منفذی می‌توان مقاومت CD را نیز تخمین زد. به علاوه، سرعت برش معمولاً بر اساس نرخ تحکیم نمونه تحت یک فشار دربرگیرنده مشخص (در شرایط اشباع) محاسبه می‌شود. مقادیر فشارهای دربرگیرنده بین 1 تا 100 پوند بر اینچ مربع (psi) یا بیشتر تغییر می‌کند. در شرایطی که میزان فشار مورد نیاز بالا باشد، نیاز به استفاده از سلول‌های بارگذاری مخصوص خواهد بود.

درحالت تحکیم نیافته زهکشی نشده (UU)

در آزمایش تحکیم نیافته زهکشی نشده (Unconsolidated Undrained) یا اصطلاحاً UU، بارگذاری با سرعت بالایی انجام می‌شود و اجازه تحکیم به نمونه داده نمی‌شود. در آزمایش سه محوری UU، نمونه با یک نرخ ثابت (کرنش کنترل شده) تحت فشار قرار می‌گیرد.

وسایل مورد نیاز آزمایش سه محوری شامل

• دستگاه چرخ‌دنده با ایستگاههای مختلف جهت سرعتهای کم و زیاد
• یک قاب بالائی که رینگ ثبت نیرو و تغییر شکل بر روی آن قرار دارد
• سلول که با سه گیره محکم می‌شود و شامل استوانه آلومنیمی‌زیر نمونه و بالای نمونه است.
• غشاء پلاستیکی
• لوله جهت داخل کردن نمونه در غشاء
• ترازو با دقت 0.1 گرم
• نمونه گیرهای مختلف
• جک و سر جک جهت بیرون آوردن نمونه
• کاردک

روش آزمایش تحکیم نیافته زهکشی نشده (سریع UU یا Q)

• ابتدا به وسیله جک نمونه گیر را داخل لوله خاک (این لوله خاک قبلا به وسیله دستگاه حفاری از محل مورد نظر برداشته شده و به آزمایشگاه آورده شده‌است.) کرده و پس از صاف کردن سروته آن، نمونه مورد آزمایش را از داخل نمونه گیر خارج می‌کنیم (برای خاک چسبنده و ریز دانه) از این نوع نمونه حداقل سه عدد تهیه می‌نماییم.
• برای خاک دانه‌ا‌ی می‌توان در قالب های مخصوص، خاک را ریخته و متراکم کرده تا به تراکم در محل برسد و سپس نمونه را داخل غشاء ریخته و متراکم کرده تا به تراکم در محل برسد و سپس نمونه را داخل غشاء گذاشت. برای خاک های غیر حساس هم می‌توان نمونه را دوباره سازی نمود.
• برای تعیین درصد رطوبت نمونه برداشته و در فر می‌گذاریم (۲۴ ساعت در دمای ۱۰۵ درجه سانتیگراد)
• نمونه را دقیقا وزن کرده و ابعاد آن را اندازه می‌گیریم.
• نمونه را بوسیله قالب مخصوص و دستگاه خلا داخل غشاء لاستیکی می‌گذاریم.
• نمونه را دقیقا در محل خود قرار داده، سلول را روی آن گذاشته و گیره‌های سلول را می‌بندیم.
• از سوراخ بالای سلول آنرا بنحوی پر از آب می‌کنیم که هوائی داخل سلول نماند.
• سپس پیچ سوراخ آب را بسته و میله بالای سلول را پایین می‌آوریم تا بین استوانه زیر رینگ و قاب زیرین تماس برقرار شود.
• بعد از تراز کردن دستگاه فشار جانی را که توسط سیستم جیوه و آب و لوله‌های مرتبط تامین می‌شود بر نمونه وارد می‌‌کنیم. این عمل با باز کردن شیر آب انجام می‌شود.
• آنگاه دستگاه را روشن کرده تا با سرعت یک میلیمتر بر دقیقه بالا آمده و اندازه‌گیر نیرو شروع به حرکت نماید. در این حالت دستگاه سه محوری را خاموش کرده و پس از صفر کردن دو اندازه‌گیر و تغییر شکل دستگاه را مجددا روشن می‌کنیم.

قرائت دستگاه

• در هر دور تغییر شکل میزان نیرو را می‌خوانیم.
• قرائت اندازه گیر نیرو همان نیرو در لحظه فوق الذکر است که اگر به سطح متوسط تقسیم شود (σ₃ σ₁-) خواهد بود. این عمل ادامه پیدا می‌کند تا نمونه شکسته یعنی اندازه گیر نیرو برگردد یا نمونه خمیری شود که نقطه شکست ۲۰ درصد تغییر شکل نمونه خواهد بود.
• این عمل را با فشارهای جانبی مختلف برای سه نمونه انجام داده و نتایج را برای هر نمونه یادداشت می‌کنیم.
• پس از اتمام آزمایش سه محوری، نمونه را درآورده و وزن می‌کنیم. نباید افزایش وزن داشته باشد.

آزمایش تحکیم یافته زهکشی نشده (سریع CU یا R)

• ابتدا فشار جانبی را به آرام آرام وارد نموده و شیر زهکشی را باز می‌گذاریم تا آب خارج شود و نمونه به 100 درصد تحکیم برسد.
• آنگاه شیر زهکشی بسته می‌شود. تا این لحظه فشار تماما موثر می‌باشد.
• سپس فشار محوری را وارد می‌نمائیم تا نمونه بشکند.

آزمایش تحکیم یافته زهکشی شده (سریع CD یا S)

در تمام مدت آزمایش سه محوری شیر زهکشی باز است. یعنی هم  σ₃ و هم σ₁ فشارهای موثر خواهند بود. از این آزمایش بعنوان تحکیم نمونه نیز می‌توان استفاده کرد ولی این عمل برای خاک‌های ریز دانه خیلی طول می‌کشد. اشباع کردن نمونه اگر اشباع نباشد مشابه تحکیم در همان فشار همه جانبه معادل فشار جانبی وارده در محل اتفاق می‌افتد.