8092
شناسه خبر: 8092
بازدید: 10

در این نوشتار به آزمایش هایی که در محیط آزمایشگاه انجام می شوند تا پارامترهای دینامیکی خاک را تعیین کنند می پردازیم. با ما همراه باشید.

در آزمایش های آزمایشگاهی امکان ارزیابی مستقیم رفتار تنش – کرنش هیسترزیس خاک فراهم می گردد، از این رو آزمایش های آزمایشگاهی بهترین نوع آزمایش ها جهت برآورد پارامترهای دینامیکی خاک به شمار می آیند. اما در عین حال آزمایش های آزمایشگاهی دینامیکی با محدودیت هایی بدین شرح نیز همراه هستند :

  • از بین رفتن شرایط تنش برجا و مشکلات مربوط به ایجاد دوباره این تنش ها در زمان آزمایش
  • مشکلات مربوط به اخذ نمونه های دست نخورده از خاک های دانه ای و بازسازی نمونه های دست خورده
  • زمان و هزینه مربوط به آزمایش های آزمایشگاهی دینامیکی

پیشنهاد مطالعه: آشنایی با میرایی هیسترزیس و رایلی با نمودارهای مربوطه

متداول ترین آزمایش های آزمایشگاهی که در برآورد پارامترهای دینامیکی خاک توسعه یافته اند به اختصار عبارتند از :

آزمایش ستون تشدید

در آزمایش ستون تشدید به منظور تعیین پارامترهای دینامیکی خاک، از تئـوری انتشار موج در یک میله استفاده می شود. در این آزمایش هر دو نوع موج برشی و فشاری می توانند در نمونه خاک انتشار داده شوند. بسته به نوع نمونه گیر، نمونه های توپر یا توخالی می توانند در آزمایش استفاده شوند.

ئستگاه آزمایش ستون تشدید

تصویر 1 – دستگاه آزمایش ستون تشدید (Resonant Column Test) جهت تعیین پارامترهای دینامیکی خاک

جهت برآورد پارامترهای سرعت موج فشاری و یا برشی، بارگذاری فشاری و یا پیچشی به صورت سینوسـی از طریـق کلاهک بالایی به بالای نمونه اعمال و تغییر شکل بالایی نمونه در طول آزمایش اندازه گیری می شود. در ادامه بارگذاری با فرکانس های مختلف انجام و تا زمان بروز پدیده تشدید در نمونه ادامه می یابد. بدین ترتیب سرعت موج از طریق فرکـانس تشدید و خصوصیات هندسی نمونه و دستگاه اعمال بار قابـل محاسـبه خواهـد بـود. در این آزمـایش همچنین امکـان اندازه گیری میرایی در مصالح با استفاده از قطع بارگذاری در هنگام تشدید و ثبـت دامنـه کـاهش نوسـانات، وجـود دارد. کاهش دامنه با زمان به منظور تعیین کاهش لگاریتمی که به صورت مستقیم به ضریب میرایی ویسکوز مرتبط است، به کار می رود.

اشکال عمده در استفاده از آزمایش ستون تشدید، محدود بودن آزمایش به کرنش های برشی بسیار کوچک تا متوسط به علت ملاحظات بار اعمالی و فرکانس های تشدید می باشد. به علاوه در کرنش های بزرگ، به منظور حفظ کـرنش ثابـت در مقطع نمونه باید از نمونه های توخالی استفاده شود. بنا به این دلایل، آزمایش ستون تشدید بیشتر جهت تعیین مدول برشی در کرنش های کوچک به کار می رود. همچنین این آزمایش می تواند برای تعیـین تغییـرات مـدول برشـی و میرایی ویسکوز معادل، در کرنش های میانی نیز مورد استفاده قرار گیرد. آزمایش ستون تشدید با استفاده از اسـتاندارد ASTM D4015 قابل انجام است.

آزمایش المان خمشی

وقتی یک نیروی مکـانیکی بـه مصـالح پیزوالکتریـک ماننـد سـرامیک وارد می شـود قطب های کریستالی تغییر یافته و ولتاژ الکتریکی ایجاد می شود؛ همچنین وقت ولتاژ الکتریکـی بـه ایـن مصـالح اعمـال می شود، کریستال ها تغییر فرم می دهند. اساس آزمایش المان خمشی بر این مبنا استوار است. المان خمشی در واقع شامل دو قطعه نازک است که در بالا و پایین نمونه خاک قرار می گیرند. یک سیگنال الکتریکی در بـالای نمونـه باعـث حرکت خمشی در نمونه می گردد و موج برشی سینوسی از بالای نمونه به سمت پایین ارسال می شود و توسط یک اسیلوسـکوپ سیگنال الکتریکی در پایین نمونه رصد می شود. با اندازه گیری تاخیر زمانی بین امواج ارسالی و دریافت شـده و همچنـین طول مسیر (نمونه)، سرعت موج برشی حداکثر نمونه خاک و در نتیجه مدول برشی حداکثر تعیین می گردد.

دستگاه آزمایش المان خمشی

تصویر 2 – دستگاه آزمایش المان خمشی (Bender Element Test)

آزمایش سه محوری تناوبی

آزمایش سه محور تناوبی به منظور ارزیابی رفتار تناوبی خاک ها مورد استفاده قرار می گیرد. در این آزمایش ابتدا نمونه به صورت همسان در سلول سه محوری، تحکیم یافته و سپس بـا اعمـال تـنش تفاضلی تحت برش استاتیکی قرار می گیرد. در ادامه، بارگذاری دینامیکی به صورت بار محوری تناوبی منجر به قرارگیری نمونه در حالت کشش و فشار می شود.

پارامترهای دینامیکی خاک

تصویر 3 – دستگاه آزمایش سه محوری تناوبی (Cyclic Triaxial Test)

این آزمایش به هر دو صورت کنترل تنش و کنترل کرنش قابل انجام است. در حالت کنترل تنش، هدف بررسی تغییرات گسیختگی نمونه و یا ارزیابی روانگرایی در مصالح است که براساس استاندارد ASTM D5311 صورت می پذیرد. درحالت دوم، هدف برآورد پارامترهای دینامیکی شامل مدول برشی و میرایی است که مطابق اسـتاندارد ASTM D3999 انجام می شود.

اشکال عمده در آزمایش های سه محوری تناوبی، عدم تطابق کامل آن با وضعیت تنش ایجاد شده در اثر زمین لرزه در داخل محیط خاکی می باشد. برخی از مهم ترین اشکالات عبارتند از:

1 . در آزمایش سه محوری، نمونه آزمایشگاهی به صورت همسان تحکیم می یابـد، در حالی کـه نمونـه هـای خـاک در محیط واقعی در شرایط سکون و یا K0 تحکیم یافته اند.

2 . تغییر جهات تنش های اصلی در زمان زلزله به صورت پیوسته انجام می گیرد، در حالی که در آزمـایش سـه محـوری جهات تنش های اصلی فقط 0 یا 90 درجه است.

3 . تنش عمودی متوسط در محل تقریباً ثابت است در حالی که در آزمایشگاه تنش عمودی متوسـط بـه طـور تنـاوبی تغییر می کند.

آزمایش برش ساده تناوبی

آزمایش برش ساده سیکلی (تناوبی) می تواند دقیـق تـرین پارامترهای دینامیکی خاک را برای انتشار قائم موج برشی در خاکریزهایی با لایه بندی افقی در مقایسه با سایر آزمایش های آزمایشـگاهی ارائـه دهـد. دستگاه برش تناوبی ساده اصولاً به دو شکل مختلف ساخته می شود. یکی شامل جعبه مستطیل شکل و دیگری به صورت حلقه های فلزی قرار گرفته بر روی هم که در هر دو حالت، این قالب ها نمونه خاک را احاطـه کـرده و مـانع از تغییر شـکل جانبی نمونه در حین آزمایش می شود. همچنین دستگاه شامل تنظیماتی برای اعمال بار قائم ثابت و یا ثابت نگهداشـتن ارتفاع نمونه در حین اندازه گیری بار قائم بوده و قابلیت اعمال بار برشی تناوبی به صورت افقی را داراست.

آزمایش برش ساده تناوبی

تصویر 4 – دستگاه آزمایش برش ساده تناوبی (Cyclic Simple Shear Test)

آزمایش برش ساده پیچشی

آزمایش برش ساده پیچشی به منظور تعیین پارامترهای دینامیکی خاک و غلبه بر برخی محدودیت هـای آزمـایش برش ساده تناوبی و آزمایش های سه محوری تناوبی ابداع گردیده است.

در این آزمایش نمونه ها به شکل سیلندری ساخته می شوند که در آن نسبت شعاع خارجی به داخلی با نسبت ارتفـاع خارجی به داخلی مساوی و تقریبا برابر با 2 می باشد. این نمونه تیوپ شکل، تضمین کننده کرنش برشی نسبتاً یکنواختی در راستای افقی در کل نمونه می باشد. آزمایش برش ساده یچشی مزایای زیادی نسبت به آزمایش برش ساده تنـاوبی و آزمایش های سه محوری تناوبی دارد که عبارتند از :

  • امکان فراهم کردن شرایط تنش (کرنش) در محل مانند آزمایش برش ساده تناوبی وجود دارد.
  • اعمال تنش های افقی و قائم به صورت مستقل امکان پذیر است.
  • این امکان در انجام آزمایش فراهم شده تا تنش عمودی هشـت وجهـی (Octahedral Normal Stress) در طـول آزمایش بدون تغییر باقی بماند.

آزمایش برش ساده پیچشی

تصویر 5 – دستگاه آزمایش برش ساده پیچشی (Torsional Simple Shear Test)

این آزمایش معایبی نیز دارد از جمله اینکه تفسیر نتایج کمی پیچیده بوده و تعریف روانگرایی در آن، امکـان ارتبـاط نتایج آزمایش برش ساده پیچشی را با نتایج سایر آزمایش ها نمی دهد. همچنـین شـکل نمونـه آزمایشـی، باعـث صـعوبت استفاده از این دستگاه برای کاربردهای معمول مهندسی شده چرا که تهیه نمونه های دست نخـورده بـدین شـکل تقریبـاً غیر عملی می باشد.

نویسنده

مجید غواصیه
فارغ التحصیل کارشناسی مهندسی عمران از دانشگاه شیراز هستم. موضوعات مورد علاقه من راه سازی، حمل و نقل، مهندسی ترافیک و مسائل مربوط به محیط زیست می باشد.

مشاوره از طریق واتساپ