معرفی آزمایش برش پره و نحوه انجام آن
آزمایش برش پره يكي از آزمايش های صحرايي است كه در آن ابزاري چهار پره مانند آنچه كه در شکل 1 نشان داده شده است با اعمال فشار، وارد زمين شده و از طريق اندازه گيري نيروي لازم براي چرخش آن در خاك، مقاومت برشي رس هاي نرم تا نسبتاً سخت اندازه گيري مي شود.
توجه : برای آشنایی با انواع آزمایش های صحرایی به منظور برآورد مشخصات خاک اینجا کلیک کنید.
شکل 1- تجهیزات آزمایش برش پره
استفاده از اين آزمايش محدود به خاك هايي مي گردد كه چرخش آرام تيغه ها (6 درجه در دقيقه) بتواند باعث گسيختگي برشي زهكشي نشده در آنها گردد.
تجهيزات آزمایش برش پره
تجهيزات آزمایش برش پره شامل موارد زير مي باشد:
- تيغه چهار پره، كه نسبت ارتفاع به قطر پره براي آن 2 مي باشد.
- ميله ها، كه تيغه را به سيستم توليد نيرو متصل مي نمايند و معمولاً قطر آنها 12/7 میلی متر است.
- سيستم توليد نيرو براي چرخش ميله ها، كه مي تواند دستي يا ماشيني باشد.
- ابزار اندازه گيري ميزان نيرو (گشتاور) توليد شده.
در برخي از دستگاه هاي آزمایش برش پره علاوه بر موارد مذكور ابزارهايي براي كاهش و يا محاسبه اصطكاك ميله ها و همچنين چرخ دنده هايي براي ثابت نگه داشتن سرعت چرخش پره ها وجود دارد.
قطر پره هاي استاندارد 65 ميلي متر، ارتفاع آنها 130 ميلي متر و ضخامت آنها 2 ميلي متر مي باشد.
با اين حال معمولاً پره هايي با قطر 38 تا 92 ميلي متر، ارتفاع 76 تا 184 ميلي متر و ضخامت 1/6 تا 3/2 ميلي متر مورد استفاده قرار مي گيرد.
شكل پره ها معمولاً مستطيلي است، با اين حال براي سهولت نفوذ در خاك در برخي موارد لبه پره ها را پخ نموده و آنها را نظير آنچه در شكل 2 نشان داده شده است به صورت نوك تيز مي سازند.
شکل 2- دو نوع معمول پره مورد استفاده در آزمايش برش پره
انتخاب اندازه پره تابع مقاومت مورد انتظار از خاك و قابليت سيستم اعمال نيرو مي باشد.
پره هاي بزرگتر براي خاك های سخت تر به كار گرفته مي شوند و معمولاً نتايج دقيق تري به دست مي دهند.
البته بايد توجه شود كه اين پره ها دست خوردگي بيشتري در خاك ايجاد مي نمايند و چرخاندن آنها هم سخت تر است.
در عمل بهتر است چندين پره و آچار با اندازه هاي مختلف به صحرا ارسال گردد تا متناسب با شرايط زمين 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 اي كه براي انجام آزمايش انتخاب مي گردد، امكان ايجاد اصطكاك بين ميله ها و زمين وجود دارد و عددي كه عقربه گشتاور سنج در بالاي چاه نشان مي دهد شامل گشتاور لازم براي غلبه بر اين اصطكاك نيز مي باشد.
بايد تلاش گردد كه اين اصطكاك در حداقل مقدار خود باشد و نهايتاً مقدار آن هم به نحوي اندازه گيري شود.
از طرف ديگر براي حداقل نمودن اثر دست خوردگي ناشي از نصب پره ها بهتر است فاصله انتهاي گمانه از بالاي پره ها بيشتر از 4 برابر قطر گمانه باشد.
آزمايش 5 دقيقه پس از جاگذاري دستگاه در خاك شروع مي شود و پره ها با سرعت 6 درجه در دقيقه به چرخش در آورده مي شوند.
اين سرعت باعث مي شود كه در ظرف 2 تا 5 دقيقه خاك به حالت گسيختگي برسد و به اين ترتيب مي توان اطمينان داشت كه شرايط گسيختگي خاك، زهكشي نشده بوده است.
با اين حال زمان گسيختگي در رس هاي خيلي نرم ممكن است بين 10 تا 15 دقيقه طول بکشد
در دستگاه هاي ديجيتال نمودار كامل گشتاور در مقابل زمان و يا زاويه چرخش ترسيم مي گردد.
همچنين در دستگاه هاي معمولي گشتاور وارده معمولاً در فواصل زماني 30 تا 60 ثانيه ثبت مي گردد.
بدين ترتيب پاسخ خاك به نيروي وارده به دست آمده و مي توان مقاومت زهكشي نشده خاك را محاسبه نمود.
برآورد مشخصات خاك از آزمایش برش پره
آزمایش برش پره براي ارزيابي مشخصات خاك هاي ريزدانه اشباع كاربرد دارد.
برخي از خصوصيات خاك هاي ريزدانه بطور مستقيم و برخي ديگر نيز از طريق روابط همبستگي موجود بين مشخصات خاك و نتايج آزمايش برش پره به دست مي آيند.
مشخصاتي از خاك كه بطور مستقيم توسط آزمايش برش پره قابل محاسبه هستند عبارتند از :
- مقاومت برشي زهكشي نشده خاك Su,vst
- مقاومت برشي زهكشي نشده خاك در حالت بازسازي شده Sr,vst
- درجه حساسيت خاك Stvst
قابل ذكر است كه از آنجايي كه اين پارامترها از آزمايش هاي مختلفي قابل محاسبه هستند و گاهي نتايج آنها با هم متفاوت نيز مي باشد، اندیس vst به نمادهاي مذكور اضافه گرديده است تا مشخص باشد كه اين نتايج مربوط به آزمايش برش پره هستند.
در صورتي كه براي انجام آزمايش، گمانه غلاف گذاري نشده باشد بين خاك و ميله هاي آزمايش اصطكاكي بوجود مي آيد.
اين اصطكاك باعث مي شود كه گشتاور بيشتري توسط دستگاه ثبت گردد.
پيش از انجام محاسبات لازم است گشتاور ناشي از اصطكاك ميله ها (Trod) از گشتاور ثبت شده توسط دستگاه (Tmax) كاسته گردد.
بدين ترتيب مقدار خالص گشتاور (Tnet) از رابطه زير به دست مي آيد:
مقاومت زهكشي نشده خاك براي پره مستطيلي استاندارد (H/D=2) به صورت زير خواهد بود:
همچنين در حالت كلي براي انواع پره هاي مستطيلي و پخ شده فرمول زير قابل استفاده است:
در روابط بالا D قطر و H ارتفاع پره ها است. همچنین iB و iT به ترتيب زاويه پخ پايين و بالاي پره مي باشد كه در شكل 2 نشان داده شده اند.
مقاومت برشي زهكشي نشده خاك در حالت بازسازي شده Srvst نيز از طريق همين روابط به دست مي آيد.
با اين تفاوت كه براي قرائت Tnet لازم است پره ها به ميزان 10 دور و بطور سريع در داخل خاك چرخانده شوند.
پس از محاسبه Srvst درجه حساسيت خاك از رابطه زير به دست مي اید :
از سوي ديگر، بررسي هاي آزمايشگاهي نشان مي دهد كه با افزايش شاخص خميري خاك دقت آزمون برش پره در تخمين مقاومت برشي خاك كاهش مي يابد.
بر همين اساس برخي محققين توصيه كرده اند كه نتايج صحرايي آزمون برش پره در ضريب اصلاح μR ضرب گردد و رابطه زير را براي محاسبه μR ارائه کرده اند :
كه در آن tf زمان وقوع شكست بر حسب دقيقه مي باشد.
خاك هايي كه زمان شكست آنها طولاني تر است ضريب اصلاح كوچكتري دارند و لذا مقاومت واقعي آنها كمتر از مقدار ثبت شده در آزمون صحرايي است.
علاوه بر اين Coduto در سال 2002 بر مبناي مطالعات ساير محققان منحني تغييرات ضريب اصلاح μR را بر حسب شاخص خميري خاك به صورت شكل 3 ارائه کرده است :
شکل 3- ضريب تصحيح نتايج آزمون برش پره
با استفاده از نتايج آزمايش برش پره تنش پيش تحكيمي خاكهاي رسي σp نيز قابل محاسبه است.
مطالعه آزمايشهاي ارائه شده توسط Kulhawy and Mayne در سال 1990 نشان مي دهد كه رابطه زير بين فشار پيش تحكيمي و مقاومت زهكشي نشده خاك هاي رسي وجود دارد:
