معرفی آزمایش برش پره و نحوه انجام آن

3505

آزمایش برش پره یکی از آزمایش های صحرایی است که در آن ابزاری چهار پره مانند آنچه که در شکل ۱ نشان داده شده است با اعمال فشار، وارد زمین شده و از طریق اندازه گیری نیروی لازم برای چرخش آن در خاک، مقاومت برشی رس های نرم تا نسبتاً سخت اندازه گیری می شود.

توجه : برای آشنایی با انواع آزمایش های صحرایی به منظور برآورد مشخصات خاک اینجا کلیک کنید.

آزمایش برش پره

شکل ۱- تجهیزات آزمایش برش پره

استفاده از این آزمایش محدود به خاک هایی می گردد که چرخش آرام تیغه ها (۶ درجه در دقیقه) بتواند باعث گسیختگی برشی زهکشی نشده در آنها گردد.

تجهیزات آزمایش برش پره

تجهیزات آزمایش برش پره شامل موارد زیر می باشد:

  • تیغه چهار پره، که نسبت ارتفاع به قطر پره برای آن ۲ می باشد.
  • میله ها، که تیغه را به سیستم تولید نیرو متصل می نمایند و معمولاً قطر آنها ۱۲/۷ میلی متر است.
  • سیستم تولید نیرو برای چرخش میله ها، که می تواند دستی یا ماشینی باشد.
  • ابزار اندازه گیری میزان نیرو (گشتاور) تولید شده.

در برخی از دستگاه های آزمایش برش پره علاوه بر موارد مذکور ابزارهایی برای کاهش و یا محاسبه اصطکاک میله ها و همچنین چرخ دنده هایی برای ثابت نگه داشتن سرعت چرخش پره ها وجود دارد.

قطر پره های استاندارد ۶۵ میلی متر، ارتفاع آنها ۱۳۰ میلی متر و ضخامت آنها ۲ میلی متر می باشد.

با این حال معمولاً پره هایی با قطر ۳۸ تا ۹۲ میلی متر، ارتفاع ۷۶ تا ۱۸۴ میلی متر و ضخامت ۱/۶ تا ۳/۲ میلی متر مورد استفاده قرار می گیرد.

شکل پره ها معمولاً مستطیلی است، با این حال برای سهولت نفوذ در خاک در برخی موارد لبه پره ها را پخ نموده و آنها را نظیر آنچه در شکل ۲ نشان داده شده است به صورت نوک تیز می سازند.

نحوه انجام آزمایش برش پره

شکل ۲- دو نوع معمول پره مورد استفاده در آزمایش برش پره

انتخاب اندازه پره تابع مقاومت مورد انتظار از خاک و قابلیت سیستم اعمال نیرو می باشد.

پره های بزرگتر برای خاک های سخت تر به کار گرفته می شوند و معمولاً نتایج دقیق تری به دست می دهند.

البته باید توجه شود که این پره ها دست خوردگی بیشتری در خاک ایجاد می نمایند و چرخاندن آنها هم سخت تر است.

در عمل بهتر است چندین پره و آچار با اندازه های مختلف به صحرا ارسال گردد تا متناسب با شرایط زمین نوع پره و آچار انتخاب گردد.

روش انجام آزمایش برش پره

روش انجام آزمایش برش پره در استاندارد ASTM D-2573 آمده است.

با توجه به نوع پره ای که برای انجام آزمایش انتخاب می گردد، امکان ایجاد اصطکاک بین میله ها و زمین وجود دارد و عددی که عقربه گشتاور سنج در بالای چاه نشان می دهد شامل گشتاور لازم برای غلبه بر این اصطکاک نیز می باشد.

باید تلاش گردد که این اصطکاک در حداقل مقدار خود باشد و نهایتاً مقدار آن هم به نحوی اندازه گیری شود.

از طرف دیگر برای حداقل نمودن اثر دست خوردگی ناشی از نصب پره ها بهتر است فاصله انتهای گمانه از بالای پره ها بیشتر از ۴ برابر قطر گمانه باشد.

آزمایش ۵ دقیقه پس از جاگذاری دستگاه در خاک شروع می شود و پره ها با سرعت ۶ درجه در دقیقه به چرخش در آورده می شوند.

این سرعت باعث می شود که در ظرف ۲ تا ۵ دقیقه خاک به حالت گسیختگی برسد و به این ترتیب می توان اطمینان داشت که شرایط گسیختگی خاک، زهکشی نشده بوده است.

با این حال زمان گسیختگی در رس های خیلی نرم ممکن است بین ۱۰ تا ۱۵ دقیقه طول بکشد

در دستگاه های دیجیتال نمودار کامل گشتاور در مقابل زمان و یا زاویه چرخش ترسیم می گردد.

همچنین در دستگاه های معمولی گشتاور وارده معمولاً در فواصل زمانی ۳۰ تا ۶۰ ثانیه ثبت می گردد.

بدین ترتیب پاسخ خاک به نیروی وارده به دست آمده و می توان مقاومت زهکشی نشده خاک را محاسبه نمود.

برآورد مشخصات خاک از آزمایش برش پره

آزمایش برش پره برای ارزیابی مشخصات خاک های ریزدانه اشباع کاربرد دارد.

برخی از خصوصیات خاک های ریزدانه بطور مستقیم و برخی دیگر نیز از طریق روابط همبستگی موجود بین مشخصات خاک و نتایج آزمایش برش پره به دست می آیند.

مشخصاتی از خاک که بطور مستقیم توسط آزمایش برش پره قابل محاسبه هستند عبارتند از :

  • مقاومت برشی زهکشی نشده خاک Su,vst
  • مقاومت برشی زهکشی نشده خاک در حالت بازسازی شده Sr,vst
  • درجه حساسیت خاک Stvst

قابل ذکر است که از آنجایی که این پارامترها از آزمایش های مختلفی قابل محاسبه هستند و گاهی نتایج آنها با هم متفاوت نیز می باشد، اندیس vst به نمادهای مذکور اضافه گردیده است تا مشخص باشد که این نتایج مربوط به آزمایش برش پره هستند.

در صورتی که برای انجام آزمایش، گمانه غلاف گذاری نشده باشد بین خاک و میله های آزمایش اصطکاکی بوجود می آید.

این اصطکاک باعث می شود که گشتاور بیشتری توسط دستگاه ثبت گردد.

پیش از انجام محاسبات لازم است گشتاور ناشی از اصطکاک میله ها (Trod) از گشتاور ثبت شده توسط دستگاه (Tmax) کاسته گردد.

بدین ترتیب مقدار خالص گشتاور (Tnet) از رابطه زیر به دست می آید:

ازمایش VST

مقاومت زهکشی نشده خاک برای پره مستطیلی استاندارد (H/D=2) به صورت زیر خواهد بود:

براورد مشخصات خاک با ازمایش برش پره

همچنین در حالت کلی برای انواع پره های مستطیلی و پخ شده فرمول زیر قابل استفاده است:

ازماش برش پره

در روابط بالا D قطر و H ارتفاع پره ها است. همچنین iB و iT به ترتیب زاویه پخ پایین و بالای پره می باشد که در شکل ۲ نشان داده شده اند.

مقاومت برشی زهکشی نشده خاک در حالت بازسازی شده Srvst نیز از طریق همین روابط به دست می آید.

با این تفاوت که برای قرائت Tnet لازم است پره ها به میزان ۱۰ دور و بطور سریع در داخل خاک چرخانده شوند.

پس از محاسبه Srvst درجه حساسیت خاک از رابطه زیر به دست می اید :

آزمایش صحرایی برش پره

از سوی دیگر، بررسی های آزمایشگاهی نشان می دهد که با افزایش شاخص خمیری خاک دقت آزمون برش پره در تخمین مقاومت برشی خاک کاهش می یابد.

بر همین اساس برخی محققین توصیه کرده اند که نتایج صحرایی آزمون برش پره در ضریب اصلاح μR ضرب گردد و رابطه زیر را برای محاسبه μR ارائه کرده اند :

روابط ازمایش برش پره

که در آن tf زمان وقوع شکست بر حسب دقیقه می باشد.

خاک هایی که زمان شکست آنها طولانی تر است ضریب اصلاح کوچکتری دارند و لذا مقاومت واقعی آنها کمتر از مقدار ثبت شده در آزمون صحرایی است.

علاوه بر این Coduto در سال ۲۰۰۲ بر مبنای مطالعات سایر محققان منحنی تغییرات ضریب اصلاح μR را بر حسب شاخص خمیری خاک به صورت شکل ۳ ارائه کرده است :

آزمایش برش پره خاک

شکل ۳- ضریب تصحیح نتایج آزمون برش پره

با استفاده از نتایج آزمایش برش پره تنش پیش تحکیمی خاکهای رسی σp نیز قابل محاسبه است.

مطالعه آزمایشهای ارائه شده توسط Kulhawy and Mayne در سال ۱۹۹۰ نشان می دهد که رابطه زیر بین فشار پیش تحکیمی و مقاومت زهکشی نشده خاک های رسی وجود دارد:

فرمول های ازمایش برش پره

محمد حسن دانشور
محمد حسن دانشور

دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی عمران گرایش ژئوتکنیک دانشگاه شیراز هستم امیدوارم بتوانم آموخته های 7 سال تحصیل و پژوهش خود را در دانشگاه شیراز با شما دانشجویان و مهندسین عمران به اشتراک بگذارم

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

*