آزمایش ستون تشدید در پروژه‌های عمرانی

در این مقاله می‌خواهیم در مورد آزمایش ستون تشدید در پروژه‌های عمرانی صحبت کنیم. هدف از انجام آزمایش ستون تشدید به دست آوردن مقادیر مدول برشی (G) و محاسبه مشخصات میرایی خاک آزمایشی است. این آزمایش یگی از آزمایش بررسی خاک می باشد که به کمک دستگاه‌های مختلف ستون تشدید انجام می‌شود که هرکدام به روشی، تشدیدهای مورد نیاز شرایط آزمایش را به وجود می‌آورند. آزمایش ستون تشدید در پروژه‌های عمرانی منطبق بر استاندارد ASTM D4015 انجام می‌شود. برای آشنایی بیشتر با مراحل و چگونگی انجام آزمایش ستون تشدید با ما تا انتهای این مطلب همراه باشید.

پایدارسازی گود و انواع روش های آن

آزمایش ستون تشدید

برای انجام دادن آزمایش ستون تشدید باید یک ظرف استوانه‌ای در اختیار داشته باشید. یک نمونه استوانه‌ای شکل توپر یا توخالی (بسته به شرایط آزمایش) از خاک یا مصالح نمونه پروژه پرشده و در داخل یک سلول (مشابه سلول آزمایش سه محوری) دیگر قرار داده می‌شود.

ظرف استوانه‌ای دربسته در داخل سلول تحت فشار جرمی مشخص و معلوم قرار گرفته و حول یک محور به‌صورت سیکلیک شروع به حرکت پیچشی و دورانی می‌کند. فشاری که به‌کمک یک جرم مشخص بر روی استوانه حاوی نمونه اعمال می‌شود، به کمک یک دستگاه الکترومغناطیسی تأمین می‌شود. این دستگاه باید توانایی ایجاد یک جاروب مغناطیسی فرکانسی را داشته باشد تا بتواند پدیده تشدید را ایجاد کند.

منظور از جاروب مغناطیسی فرکانسی این است که برای رخ دادن پدیده تشدید، به کاهش و افزایش فرکانس در یک محدوده تخمینی نیاز داریم. این دستگاه باید بتواند بازه فرکانسی مدنظر ما برای رخ دادن پدیده تشدید را ایجاد کند. فرکانس دستگاه از یک فرکانس پایین شروع به ایجاد لرزش کرده و با رسیدن به فرکانس موردنیاز، پدیده تشدید در ظرف حامل نمونه رخ خواهد داد.

فرکانسی که در آن پدیده تشدید رخ می‌دهد، همان فرکانس طبیعی مود اول مجموع نمونه و جرمی است که ظرف تحت فشار آن در حال پیچش است. این فرکانس توسط دستگاه گزارش‌شده و یادداشت می‌شود. با در دست داشتن فرکانس تشدید و به کمک روابط حاکم بر هندسه ظرف حاوی نمونه و شرایط مرزی دو طرف نمونه، می‌توان معادله موج را نوشت.

معادله موج، سرعت انتشار موج در نمونه را در اختیار ما قرار می‌دهد و به کمک سرعت انتشار، مقدار مدول برشی (G) قابل محاسبه خواهد بود. نسبت میرایی موج در نمونه نیز با قطع کردن نیروی محرکه و بارگذاری به‌آسانی قابل محاسبه است.

بدین منظور بار از روی نمونه برداشته‌شده و میدان الکترومغناطیسی تولیدشده توسط دستگاه قطع می‌شود. نمونه با فرکانس تشدید به‌صورت آزادانه ارتعاش می‌کند. به‌مرور زمان، الگوی کاهش دامنه ارتعاشات قابل شناسایی و محاسبه خواهد بود. از روی این الگو می‌توان نسبت میرایی موج (D) را به دست آورد.

البته روش دیگری تحت عنوان روش نیم‌توان برای محاسبه نسبت میرایی موج نمونه وجود دارد. در این روش، دامنه بارگذاری نمونه به‌صورت تدریجی افزایش پیدا می‌کند. با افزایش تدریجی بارگذاری نمونه، به دلیل کاهش سختی ناشی از افزایش کرنش، پدیده تشدید در فرکانس پایین‌تر و کمتری رخ می‌دهد.

بدین ترتیب با  انجام آزمایش در دامنه‌ بارگذاری‌های مختلف، مجموعه‌ای از معادلات بر اساس سرعت موج برشی، مدول برشی و نسبت میرایی به دست می‌آیند. با قرار دادن این معادلات در کنار هم و در یک دستگاه معادلات، می‌توان نسبت میرایی نمونه را به‌عنوان تابعی از کرنش‌های برشی به دست آورد.

دستگاه‌های آزمایش ستون تشدید

دستگاه‌های مختلفی برای ایجاد شرایط پدیده تشدید وجود دارند که می‌توانند ارتعاش‌های مورد نیاز برای رسیدن به این فرکانس را به وجود بیاورند. هرکدام از این دستگاه‌ها، شرایط مختلفی را بر روی ظرف حامل نمونه ایجاد می‌کنند تا بتوانند فرکانس موردنظر را ایجاد کرده و ثبت کنند.

متداول‌ترین روشی که به کمک آن می‌توان معادله موج را در ظرف حامل نمونه و به کمک پیچش‌های سیکلیک به دست آورد این است که پیچش بر انتهای پایینی نمونه وارد شود و پاسخ پیچش در قالب سرعت یا شتاب انتشار موج، از انتهای بالایی نمونه دریافت شود.

در این دستگاه‌ها (دستگاه‌های تحت عنوان Fixed-Free) قسمت پایین نمونه ثابت نگه داشته شده و قسمت بالایی به‌صورت آزادانه به چرخش و دوران مشغول می‌شود. البته در برخی از دستگاه‌ها دقیقاً خلاف این روش به کار برده شده است و قسمت پایینی در حال چرخش بوده و قسمت بالایی نمونه‌گیر داده می‌شود. در برخی از دستگاه‌ها نیز هر دو انتهای ظرف حامل نمونه (دستگاه‌های تحت عنوان Free-Free) به‌صورت آزادانه قادر به حرکت و پیچش هستند.

این دستگاه‌ها روش مناسبی برای به دست آوردن مدول‌های وابسته به کرنش و محاسبه نسبت میرایی انتشار موج است؛ اما در برخی موارد با محدودیت‌هایی نیز همراه است. از آنجایی که این آزمایش از یک روش مبتنی بر مهندسی معکوس و محاسبات برگشتی برای تعیین معادله موج و نسبت میرایی و مدول برشی  استفاده می‌کند، اگر خروجی سیستم صرفاً شامل پاسخ نمونه نخواهد بود، بلکه خروجی شامل پاسخ کل مجموعه نمونه، ظرف حامل و جرم معینی است که دستگاه بر روی ظرف نمونه اعمال کرده است.

بنابراین برای به‌دست آوردن داده‌های قابل استناد و دقیق، باید آزمایش تحت شرایط کاملاً مشخص و به کمک دستگاه‌های ابزار دقیق انجام شود. به عبارتی، آزمایش ستون تشدید برای به دست آوردن مدول برشی و نسبت میرایی سرعت انتشار موج در نمونه، در محدوده کرنش برشی بین %۰.۰۰۱ تا %۰.۱ مناسب خواهد بود.

بهسازی خاک و انواع روش های آن

قسمت‌های مختلف سازنده دستگاه مورد استفاده در آزمایش ستون تشدید در پروژه‌های عمرانی

قسمت‌های مختلف سازنده دستگاه مورد استفاده در آزمایش ستون تشدید به شرح زیر است:

• قالب (Mold): قالب آزمایشگاهی دارای ابعاد حدودی ۲۰ در ۱۰ سانتی‌متری برای ساختن ظرف حامل نمونه.
• کلاهک بالا و پایین (Cap): انتقال نیروی تأمین‌شده توسط دستگاه به بالا و پایین نمونه. شتاب و جابه‌جایی ایجادشده در نمونه به کمک همین کلاهک‌ها تأمین می‌شود. کلاهک‌ها دارای سنگ‌های متخلخلی هستند که برای اعمال فشار، مکش، انجام زهکشی در صورت اشباع بودن نمونه و قرائت فشار مورد استفاده قرار می‌گیرند.
• ونتوری (Ventory): قطعه‌ای کوچک برای ایجاد مکش.
• سلول سه محوری (Triaxial Cell): برای ایجاد فشار همه جانبه تا ۱۰۰۰ کیلوپاسکال.
• میله بارگذاری قائم (Rod): برای تحکیم نمونه و بارگذاری قائم.
• لرزاننده (Shaker)
• حسگرها (Sensors): حسگرهای غیرتماسی (Noncontact Sensors) برای اندازه‌گیری شتاب پاسخ، حسگر LVDT برای اندازه‌گیری نشست، حسگرهای Cell Pressure و Pore Pressure و حسگر مربوط به میله بارگذاری قائم.

سخن پایانی

در این مقاله سعی کردیم شما را با آزمایش ستون تشدید در پروژه‌های عمرانی آشنا سازیم. متوجه شدیم که این آزمایش به‌منظور محاسبه کردن مقادیر مدول برشی (G) و محاسبه نسبت میرایی موج منتشرشده در نمونه خاک تحت آزمایش طراحی‌شده و توسط دستگاه‌های مختلف ستون تشدید، پیاده‌سازی می‌شود.