کاربرد آزمایش برش مستقیم خاک | معایب و مزایا

در این مقاله از شرکت مهندسی ابرند قصد داریم در مورد معایب آزمایش برش مستقیم خاک صحبت کنیم. آزمایش برش مستقیم خاک یکی از آزمایش های بررسی خاک است که به‌منظور تعیین مقاومت خاک در برابر نیروها و تنش‌های اعمال‌شده به خاک انجام می‌شود و از آنجایی که مقاومت و ایمنی هر سازه و پروژه عمرانی، به مقاومت خاکی بستگی دارد که پروژه یا سازه بر روی آن بها نهاده شده است. اگر خاک به‌اندازه کافی در برابر وزن و نیروهای خمشی، برشی، کششی، کرنشی و تنشی سازه بناشده مقاومت نشان ندهد، ازهم‌گسیخته شده و فرونشست خواهد کرد. فرونشست خاک می‌تواند سازه را تخریب کرده و صدمات مالی و جانی جبران‌ناپذیری را به سازندگان و کاربران پروژه تحمیل کند. بنابراین واضح است که مقاومت اصطکاکی خاک در برابر نیروهای برشی از اهمیت فوق‌العاده بالایی برخوردار است.

مقاومت برشی خاک برای تعیین ظرفیت باربری خاک‌ها، پایداری سازه‌های ژئوتکنیکی و تحلیل مشخصات تنشی – کرنشی خاک، ضروری است. آزمایشی که تحت عنوان آزمایش برش مستقیم خاک (Disadvantages of Direct Shear Test) با هدف به دست آوردن مقاومت اصطکاکی خاک در برابر نیروهای برشی انجام می‌شود، باید از دقت بسیار بالایی برخوردار بوده و تا جای ممکن، بدون خطا انجام شود. متأسفانه موارد و فاکتورهایی وجود دارند که منجر به بروز خطا در آزمایش برش مستقیم خاک می‌شوند. معایب آزمایش برش مستقیم خاک مقوله بسیار مهمی است که باید به آن پرداخته شود. اگر شما هم در مورد معایب آزمایش برش مستقیم خاک و عواملی که باعث به وجود آمدن خطا در آزمایش برش مستقیم خاک می‌شوند، کنجکاو هستید، پیشنهاد می‌کنیم تا انتهای این مطلب ما را همراهی کنید.

آزمایش برش مستقیم خاک چیست؟  کاربردها و مزایای استفاده از آن

برای آشنایی با معایب آزمایش برش مستقیم خاک، ابتدا باید اطلاعات در مورد مفهوم، چگونگی و روش انجام آزمایش برش مستقیم خاک به دست بیاوریم. از آنجایی که گسیختگی‌ها و فرونشست‌هایی که عمدتاً در پروژه‌های ژئوتکنیکی و عمرانی رخ می‌دهد، از نوع گسیختگی‌های برشی هستند، هدف از انجام آزمایش برش مستقیم خاک، به دست آوردن و برآورد مقاومت برشی خاک در برابر نیروهای برشی اعمال شده است.

به دست آوردن مقاومت برشی خاک در پروژه‌های ژئوتکنیکی و سازه‌های عمرانی، شامل محاسبه شاخصه‌های زیر می‌شود:

• پایداری شیب‌ها
• پایداری دیواره‌های گودبرداری شده
• تعیین و تخمین مقاومت پی
• محاسبه فشار جانبی وارد بر دیوار حائل

آزمایش برش مستقیم خاک منطبق بر استاندارد ASTM D 3080 انجام می‌شود. این آزمایش به دلیل ساده بودن مراحل انجام آزمایش و نیز کاربرد آن در تشخیص تیپ‌های مختلف خاک، به‌رغم معایب آزمایش برش مستقیم خاک، از محبوبیت بالایی برخوردار است و در سرتاسر جهان انجام می‌شود.

آزمایش برش مستقیم خاک برای مصالح ریزدانه و درشت‌دانه قابل استفاده است. نتایج این آزمایش پارامترهایی مانند چسبندگی (C) و اصطکاک داخلی خاک (φ) تحت تنش مؤثر را اندازه‌گیری کرده و در اختیار مهندسین و پیمانکاران قرار می‌دهد.

طبق معیار شکست موهر کلمب (Mohr-Coulomb) در مکانیک خاک، مقدار مقاومت برشی خاک به سه عامل زیر بستگی خواهد داشت:

• تنش مؤثر طبیعی (σv)
• زاویه اصطکاک داخلی (φ)
• چسبندگی (C)

این سه مؤلفه تأثیرگذار در مقاومت برش خاک، توسط معادله زیر با یکدیگر مرتبط می‌شوند:

T= C + σv * tan(φ)

 درباره انواع روش های بهسازی خاک اعم از  تزریق با فشار بالا یا جت گروتینگ،میکروپایل و ریزشمع، تراکم دینامیکی بیشتر بدانید.

کاربردهای آزمایش برش مستقیم

کاربردهای انجام آزمایش برش مستقیم خاک در بیشتر موارد، به معایب آزمایش برش مستقیم خاک می‌چربد. این کاربردها در ساخت و تعیین ابعاد اجرایی پروژه‌های زیر است:

• سدسازی؛ شامل تعیین پارامترهای برشی آب، شستگی اطراف سد، بررسی پایداری شیروانی‌های سد و غیره
• تونل سازی
• بررسی لغزش یا گسیختگی شیروانی‌ها
• بررسی پدیده‌های مخرب ژئوتکنیکی همانند روانگرایی، زمین لغزش و غیره

مزایای انجام آزمایش برش مستقیم خاک شامل موارد زیر است:

• سهولت استفاده و اجرا کردن آزمایش.
• ارزان بودن هزینه‌ها.
• سرعت بالای اجرا و مشخص شدن نتایج؛ زمان مورد نیاز برای انجام آزمایش برش مستقیم، یک سوم مدت زمان مورد نیاز برای انجام آزمایش سه محوره است.
• زهکشی مناسب‌تر و اشباع سریع‌تر نسبت به آزمایش سه محوری.

میخکوبی یا نیلینگ یکی از روش های پایدار سازی گود را بیشتر بشناسید.

مراحل انجام آزمایش برش مستقیم خاک

مراحل انجام آزمایش برش مستقیم خاک شامل ۸ مرحله زیر است:

مرحله اول: در مرحله اول باید وزن خاک درون ظرف را اندازه بگیریم. مقدار خاک درون ظرف باید برای انجام سه‌باره آزمایش کافی باشد. اگر خاک چسبنده است، از کاتتر نوک تیز برای جدا کردن آن استفاده کنید.

مرحله دوم: در مرحله دوم، ابعاد جعبه آزمایش برش مستقیم را اندازه‌گیری کنید. سپس جعبه را با نهایت دقت در محل خود ثابت کنید. جعبه در طول مراحل آزمایش نباید کوچک‌ترین تغییر مکانی را تجربه کند.

مرحله سوم: نمونه خاک مورد آزمایش را در درون جعبه بریزی، به‌گونه‌ای که فضایی در حدود ۵ میلی‌متر در بالای جعبه خالی بماند.

مرحله چهارم: در مرحله بعد، باید یک‌بار قائم را به‌صورت کنترل‌شده به خاک نمونه درون ظرف اعمال کنید. مقدار بار خود را با توجه به میزان چسبندگی، تراکم، رطوبت و عمق خاک رون ظرف تنظیم کنید. وزن المان‌هایی که بار قائم را به کمک آن‌ها به خاک نمونه اعمال می‌کنید را نیز در مقدار نیروی د=وارده دخالت دهید.

مرحله پنجم: در این مرحله پس از اعمال بار، پیج اتصال دو فک دستگاه را باز کنید تا بخش بالایی و پایینی قابلیت جابه‌جایی داشته باشند.

مرحله ششم: در این مرحله کرنش‌های سنج‌های خود را جهت قرائت جابجایی‌های افقی و قائم نصب کنید. اگر آزمایش در حالت اشباع انجام می‌شود، باید نمونه خاک را در آب غوطه‌ور کرده و به آن مدتی زمان بدهید تا کاملاً خیس خورده و اشباع شود.

مرحله هفتم: در مرحله هفتم که مرحله ماقبل آخر است، بارگذاری افقی را آغاز کرده و جابجایی و نیروی اعمال‌شده را یادداشت کنید. بارگذاری افقی را تا که بار اندازه‌گیری شده توسط لودسل (Load Cell) به حداکثر میزان خود رسیده و سپس روند نزولی خود را آغاز کند، ادامه دهید.

مرحله هشتم: در مرحله آخر آزمایش برش مستقیم خاک، باید نمونه خاک را از جعبه آزمایش خارج کرده و این مراحل را برای حداقل دو نمونه خاک دیگر انجام دهید.

معایب آزمایش برش مستقیم خاک

اکنون که با آزمایش برش مستقیم خاک، کاربردها، مزایا و روش انجام آن آشنا شدیم، می‌توانیم به بررسی معایب آزمایش برش مستقیم خاک بپردازیم. معایب آزمایش برش مستقیم خاک و عمده خطاهایی که در طول این آزمایش رخ می‌دهند، به دلیل مشکلاتی است که دستگاه آزمایش برای ما به‌وجود می‌آورد.

بیشتر بخوانید: انکراژ چیست؟

معایب آزمایش برش مستقیم خاک را می‌توان در موارد زیر خلاصه کرد:

• موقعیت قرارگیری گیربکس دستگاه برش مستقیم
• پیچش قابل توجه شفت قائم تحت دوران‌های رفت‌وبرگشت
• لرزش‌های ناشی از گیربکس
• عدم اطمینان از عملکرد صحیح چرخ‌دنده‌های داخل گیربکس
• قائم نبودن شفت انتقال نیروها از گیربکس به قسمت تنظیم دور
• اصطکاک در سطح تماس جعبه‌ها
• جداشدگی سطح تماس در حین آزمایش تحت تأثیر رفتارهای کرنشی و برشی
• نشست‌های غیر یکسان و تورب صفحه برش
• تحمیلی بودن صفحه گسیختگی
• توزیع غیریکنواخت تنش
• عدم توانایی اندازه‌گیری فشار آب حفره‌ای
• غیرقابل محاسبه بودن وضعیت تنش در هر مرحله از آزمایش و در هر نقطه از نمونه
• تخریب قابل توجه نمونه
• مقاومت ماندگاری پایین

سخن پایانی

عمده معایب آزمایش برش مستقیم خاک و خطاهایی که در طول آزمایش رخ می‌دهند، به‌دلیل خطای بالا و عدم دقت بالای دستگاه انجام آزمایش است. تولیدکنندگان این دستگاه باید تا جای ممکن دقت دستگاه را بالا ببرند تا از معایب آزمایش برش مستقیم خاک کاسته شود.