کاربرد آزمایش سه محوری سیکلی در پروژه‌های عمرانی

در این مقاله قصد داریم در مورد آزمایش سه محوری سیکلی صحبت کنیم که جزو یکی از مهم‌ترین و ضروری‌ترین آزمایش‌های مورد نیاز روی خاک در پروژه‌های عمرانی مختلف است. آزمایش سه محوری دینامیک زمانی روی خاک‌ها انجام می‌شود که ارزیابی مقاومت و خواص تغییر شکل آن‌ها در شرایط بارگذاری چرخه‌ای ضروری باشد. این شرایط ممکن است شامل بارگذاری دینامیکی ناشی از زلزله، وسایل نقلیه و قطار‌های عبوری، امواج دریا، باد، ماشین‌های ارتعاشی و غیره باشد. این آزمایش که در حوزه آزمایش‌های لرزه‌ای و ژئوتکنیک خاک قرار می‌گیرد، بررسی خاک با اعمال یک تنش انحرافی محوری سیکلی با مقدار ثابت (تنش کنترل) و اعمال تغییر شکل محوری (کرنش کنترل) بر روی نمونه خاک محل احداث پروژه انجام می‌شود.

برای انجام این آزمایش، نمونه خاک پروژه را در یک استوانه سلولی سه محوری قرار می‌دهند و سپس با اعمال تنش‌ها و کرنش‌های کنترل‌شده، متغیرهای موردنیاز از جمله مدول و نسبت میرایی خاک نمونه را محاسبه و یادداشت می‌کنند. برای آشنایی بیشتر با آزمایش سه محوری سیکلی در پروژه‌های عمرانی پیشنهاد می‌کنیم تا انتهای این مطلب ما را همراهی کنید.

بیشتر بخوانید: بهسازی خاک چگونه انجام می شود؟

آزمایش سه محوری سیکلی

همان‌طور که اشاره شد این آزمایش به دو روش اعمال تنش به خاک نمونه و اعمال کرنش به خاک نمونه قابل انجام است. اصول اولیه آزمایش سه محوری سیکلی باید به تکنسین‌هایی که آزمایش دینامیکی را در آزمایشگاه‌های ژئوتکنیک انجام می‌دهند، آموزش داده شود.

با اعمال تنش به خاک نمونه طبق استاندارد ASTM D5311، متغیرهای مهمی از خاک مانند تغییرات گسیختگی، ضریب ارتجاعی (مدول الاستیسیته (E)) و میزان روانگرایی قابل محاسبه است. همچنین با اعمال کرنش به خاک طبق با استانداردASTM D3999 نیز متغیرهایی نظیر مدول برشی و نسبت میرایی خاک (D) به‌دست می‌آید است.

در اختیار داشتن و محاسبه این متغیرها و مشخصه‌های خاک برای استارت زدن پروژه‌های عمرانی و آنالیزهای خطی و غیرخطی خاک ضروری هستند. ضریب ارتجاعی و نسبت میرایی خاک با استفاده از دستگاه واردکننده بار ثابت یا دستگاه واردکننده کرنش ثابت محاسبه می‌شوند.

نتایج به‌دست‌آمده از این آزمایش تحت تأثیر مشخصه‌هایی همانند سطح کرنش، تراکم، تعداد چرخه‌های وارده، نوع خاک، وضعیت اشباع بودن خاک، تراکم و رفتار ریزدانه‌ها و درشت‌دانه‌های خاک و تنش مؤثر وابسته خواهد بود.

دستگاه و لوازم جانبی برای انجام آزمایش

دستگاه دینامیک سه محوری معمولاً نسخه پیشرفته‌ای از یک سیستم سه محوری استاتیک است. این سیستم شامل اجزای زیر است:

فریم بارگذاری Load Frame

فریم بارگذاری برای انجام آزمایش سه محوری سیکلی باید به‌اندازه کافی محکم باشد تا مقدار بار واردشده به نمونه را بدون تغییر شکل قابل توجه تحمل کند. همچنین، باید در برابر لرزش محرک دینامیکی مقاومت کند و با تغییرات ناگهانی بار در طول آزمایش چرخه‌ای مقابله کند.

بیشتر بخوانید: اجرای جت گروتینگ یا تزریق با فشار بالا

محرک دینامیک Dynamic Actuator

محرک دینامیکی فریم بار را قادر می‌سازد تا بار چرخه‌ای را به نمونه خاک اعمال کند. انواع محرک‌های دینامیکی در ظرفیت‌های بار مختلف (به‌عنوان مثال ۵ تا ۵۰۰ کیلو نیوتن) و فرکانس (۰.۱ تا ۲۰ هرتز) وجود دارد. انتخاب مناسب‌ترین سیستم به نوع برنامه‌های مورد نیاز کاربر و نوع نمونه خاک‌هایی که برای آزمایش استفاده می‌شود بستگی دارد. مقادیر فرکانس معمولی برای رایج‌ترین برنامه‌ها در جداول آماده قابل استفاده هستند. برای مثال، فرکانس‌های تا ۱ هرتز برای اکثر برنامه‌ها کافی در نظر گرفته می‌شوند.

دو نوع اصلی سرور کنترلر وجود دارد، الکترومکانیکی و هیدرولیک. کنترل‌کننده الکترومکانیکال از نیروی الکتریکی برای تبدیل آن به انرژی مکانیکی و اعمال بار بر روی نمونه استفاده می‌کند. از طرف دیگر، یک سرور کنترل هیدرولیک روغن را فشرده می‌کند تا پیستون را حرکت داده و بار لازم را اعمال کند. ظرفیت موتور‌های الکترومکانیکی چرخه‌ای می‌تواند بین ۵ تا ۵۰ کیلو نیوتن باشد، در حالی که یک کنترل‌کننده هیدرولیک می‌تواند تا ۵۰۰ کیلو نیوتن ظرفیت داشته باشد.

سلول سه محوری (اصلاح‌شده برای انجام تست‌های دینامیکی) Triaxial Cell (modified for performing Dynamic tests)

سلول سه محوری که در آزمایش سه محوری سیکلی خاک استفاده می‌شود، نسخه اصلاح‌شده سلول سه محوری استاتیک است و از یک پیستون پیشرفته با مهروموم کم‌اصطکاک برای جلوگیری از گرم شدن بیش از حد و کاهش تخریب در طول حرکت چرخه‌ای استفاده می‌کند. سلول‌ها معمولاً دارای سه پورت هستند که برای کنترل فشار محصور‌کننده، اعمال فشار برگشتی به نمونه و اندازه‌گیری فشار آب حفره‌ای (PWP) استفاده می‌شوند. پورت سوم از یک مبدل برای اندازه‌گیری فشار آب حفره‌ای استفاده می‌کند.

کنترل‌کننده‌های فشار خودکار برای تنظیم فشار سلولی و برگشتی Automatic Pressure Controllers for adjusting Cell and Back pressure

در طول بارگذاری چرخه‌ای نمونه، رام بارگیری به‌صورت دوره‌ای به داخل و خارج سلول حرکت می‌کند. این امر باعث می‌شود که فشار سلول به‌تناسب افزایش و کاهش یابد و تنش کل افقی و عمودی را تغییر دهد. پیشرفت‌های اخیر برای کنترل فشار سلولی شامل کنترل‌کننده‌های فشار هیدرولیک اتوماتیک بسیار دقیق با قابلیت تنظیم سریع نوسانات فشار و کنترل‌کننده‌های فشار دینامیکی است که تنظیم چرخه‌ای فشار سلول را انجام می‌دهند. روش انتخاب‌شده به‌دقت مورد نیاز و بودجه موجود بستگی دارد.

بیشتر بخوانید: اختلاط عمیق خاک

سنسور اندازه‌گیری بار Load Cell

سنسورهای اندازه‌گیر بار معمولاً غوطه‌ور هستند (در داخل سلول قرار دارند) تا از اصطکاکی که بین رام بارگیری و سلول ایجاد می‌شود جلوگیری شود. به‌طور معمول، سنسورهای اندازه‌گیر بار مورد استفاده دارای ظرفیت بین ۱ کیلو نیوتن تا ۵۰ کیلو نیوتن هستند.

سنسور اندازه‌گیری جابجایی Displacement measuring sensor

سنسور جابجایی باید بر روی رام بارگذاری نصب شود تا تغییر شکل دقیق نمونه را در طول بارگذاری چرخه‌ای دنبال کند. این سنسورها معمولاً مبدل‌های تبدیل کرنش خطی (LSCT) هستند و اندازه آن‌ها حداکثر ۱۰۰ میلی‌متر است.

سنسور اندازه‌گیری فشار آب حفره‌ای Pore Water Pressure measuring sensor

فشار آب حفره‌ای با استفاده از سنسور فشار متصل به یک درگاه در پایین نمونه خاک اندازه‌گیری می‌شود. سنسور فشاری که برای این منظور استفاده می‌شود باید توانایی اندازه‌گیری فشار‌ها را با نرخ بالاتر (یعنی سریع‌تر) نسبت به یک سیستم سه محوری استاتیک داشته باشد.

سیستم جمع‌آوری داده‌ها (DAS)

سیستم جمع‌آوری داده باید بتواند داده‌ها را با سرعت بالا، تا ۵۰۰ نمونه در ثانیه بگیرد. به این ترتیب، شکل موج‌های حاصل با دقت بسیار بالاتری ترسیم می‌شود و رفتار خاک می‌تواند با جزئیات بیشتر به تصویر کشیده شود.

مراحل انجام آزمایش سه محوری سیکلی خاک

مراحل انجام آزمایش سه محوری سیکلی به شرح زیر خواهد بود:

• باز کردن فریم و قرار دادن نمونه در داخل دستگاه
• قرار دادن سنگ متخلخل و کلاهک نمونه
• قرار دادن سلول سه محوری در اطراف نمونه
• پر کردن سلول سه محوری با آب
• اعمال تنش و کرنش مورد نظر به نمونه خاک پروژه
• اشباع کردن نمونه خاک (در صورت نیاز)
• اعمال بارگذاری سیکلی با مقادیر تنش‌های انحرافی مختلف
• ادامه آزمایش تا گسیخته شدن نمونه
• استخراج نتایج شبیه‌سازی از کامپیوتر
• تحلیل نتایج بر اساس نمودار تنش-کرنش و جای‌گذاری پارامترهای به‌دست آمده در فرمول نهایی

سخن پایانی

در این مقاله سعی کردیم شما را با آزمایش سه محوری سیکلی خاک آشنا کرده و اطلاعات مفیدی در مورد تجهیزات موردنیاز و روند انجام آزمایش در اختیار شما قرار دهیم. از اینکه تا انتها ما را همراهی کردید سپاس‌گزار هستیم.