برش مستقیم خاک (Direct Shear Test)

برش مستقیم خاک ، آزمایشی است که در تحقیقات مهندسی ژئوتکنیک با هدف تعیین پارامتر های مقاومت برشی خاک نظیر نظیر زاویه اصطکاک داخلی (Ø) و چسبندگی (c) انجام می شود و حداکثر مقاومت خاک در هنگام قرارگرفتن در برابر برش را اندازه گیری می کند. به طور کلی ، تست برش مستقیم یکی از رایج ترین و ساده ترین آزمایش ها برای استخراج مقاومت خاک است این آزمایش بر خلاف آزمایش سه محوری ، ساده و ارزان قیمت است.و می تواند بر روی نمونه و تیپ های مختلفی از خاک انجام شود.
در مکانیک خاک ، مقاومت برشی را می توان با استفاده از معیار شکست  Mohr-Coulomb (M-C) ارزیابی کرد.

طبق معیار M-C فرض می شود که مقاومت برشی به سه عامل بستگی دارد:

• تنش موثر طبیعی (σn)
• زاویه اصطکاک داخلی (φ)
• چسبندگی  (c)

که معادله زیر ارتباط میان این فاکتورها را نشان می دهد.

T=c+ σn*tan(φ)

به طور معمول ، خاک های دانه ای غیر چسبنده در نظر گرفته می شوند. برعکس ، خاک های رسی وقتی بیش تحکیم یافته شوند یا تحت فشار قرار بگیرند چسبنده می شوند.

کاربردهای آزمایش برش مستقیم خاک

تعیین ظرفیت باربری خاک

یکی از مهمترین کاربردهای آزمایش برش مستقیم، استفاده از نتایج و خروجی های این آزمایش جهت تعیین ظرفیت باربری خاک است ظرفیت باربری خاک که فرمول آن توسط ترزاقی ارائه شد و بعدها توسط هانسن و مایرهوف تکمیل گردید، نیازمند اطلاعاتی از خاک محل، همچون (φ) و(c) خاک است.

سد سازی

از نتایج این آزمایش می توان در تعیین پارامترهای برشی آبرفت های اطراف سد، منابع قرضه و بررسی پایداری شیروانی های سد استفاده کرد.

تونل سازی

ساخت تونل، مغارهای زیرزمینی و سایر سازه های زیر سطح زمین، نیازمند دانش کافی از خصوصیات برشی خاک است.

پایداری شیروانی ها

بدون تخمین درست پارامترهای برشی خاک ممکن است شیروانی ها دچار لغزش یا گسیختگی گردند.

بررسی پدیده های مخرب ژئوتکنیکی

همچون روانگرایی، زمین لغزش و …

دستگاه و تجهیزات آزمایش برش مستقیم خاک

تجهیزات این آزمایش شامل دستگاه های برشی مستقیم هستند که از استانداردهای آزمون ASTM D3080 و AASHTO T 236 برخوردارند. که به چند نوع تقسیم می شوند.

معمولا دستگاه های برش مستقیم پنوماتیک با استفاده از فشار پنوماتیک برای اعمال بارهای عمودی از ۴-۱۰۰ پوند (۰٫۰۱۸ تا ۰٫۴۴ کیلو نیوتن) تا حداکثر ۱۵۰۰ پوند (۶٫۶۷ کیلو نیوتن) استفاده می شوند.

دستگاه برش مستقیم سبک وزن ، جمع و جور هستند و برای تست مقاومت در یک محیط آزمایشگاهی ساخته شده است. این دستگاه از یک دستگاه مکانیکی ۱۰: ۱ و وزنه های دستی برای اعمال بارهای عمودی استفاده می کند.

نوع دیگری از این دستگاه ها مقاومت کل را در برابر نیروهای برشی افقی خاک در ۱۲ مربع (۳۰۵ میلی متر) اندازه گیری می کند و بارهای تا ۴۵ یا ۹۰ کیلو نیوتن (۱۰،۰۰۰ یا ۲۰،۰۰۰lbf) را بر نمونه اعمال می کنند.

تمامی دستگاه ها در آزمایش برش مستقیم خاک بطور کلی از مواردی زیر تشکیل شده است :

1. جعبه برش مستقیم
2. سنگ متخلخل
3. دستگاه جهت بارگذاری نیرو قائم
4. دستگاه جهت بارگذاری نیرو برشی
5. لودسل
6. محفظه رطوبت
7. کرنش سنج

 

                                                              

دستگاه برش مستقیم با باکس ۱۰۰*۱۰۰ میلیمتر

 

روش انجام آزمایش برش مستقیم

تست برش مستقیم خاک ، با توجه به نوع خاکی که مورد آزمایش قرار می گیرد متفاوت است.

نمونه خاک در دستگاهی معروف به جعبه برش قرار می گیرد که شامل دو صفحه فلزی ، دو سنگ متخلخل ، دو پیچ ، یک دیسک چسبنده و یک کلاهک است که در آن تنش طبیعی اعمال می شود. جعبه برش ، که ممکن است دایره ای یا مربع شکل باشد ، کرنش افقی نمونه را محدود می کند و در عین حال امکان برش در صفحه افقی محل اتصال دو صفحه فلزی را فراهم می کند.

سپس جعبه در دستگاه برش قرار می گیرد. در ابتدا با استفاده از وزن اهرمی یا از طریق سیستم پنوماتیک ، فشار طبیعی عادی در بالای نمونه اعمال می شود. این مرحله به عنوان مرحله تحکیم شناخته می شود و به روشی مانند آزمایش نشست خاک انجام می شود. در این مرحله صفحات فلزی بهم پیچ می شوند.

قبل از شروع مرحله برش ، صفحه فلزی کمی بالا می آید تا از جداسازی دو نیمه دستگاه اطمینان حاصل شود که بارهای طبیعی و برشی فقط در نمونه اعمال و منتقل می شوند.

مرحله اعمال تنش برشی

پس از آن ، یک تنش برشی در امتداد صفحه افقی اعمال می شود تا زمانی که نمونه شکسته و تخریب شود. دستگاه برش یک نرخ جابجایی ثابت با ۵ درصد دقت را اعمال می کند. این میزان به مشخصات خاک بستگی دارد و باید نسبتاً کم باشد تا از ایجاد فشار منفذی در نتیجه ایجاد زهکشی کافی جلوگیری کند که توسط موتور و مجموعه جعبه دنده دستگاه کنترل می شود.

تغییر شکل عمودی و افقی از طریق صفحه نمایشگر دستگاه برش مستقیم خاک مشخص می شود.

دستگاه برش مجهز به سنسورهایی برای اندازه گیری فشار منافذ در حین انجام آزمایش نیست. بنابراین ، بسیار مهم است که نمونه قبل از شروع برش اشباع شود و فرآیند نشست یا فشرده سازی کاملا انجام شود. در غیر این صورت ، اگر فشار آب منافذ در طول آزمایش افزایش یابد ، مقاومت برشی نمونه ناچیز یا کمتر از حد طبیعی خواهد بود.

خطاهای متداولی که در حین آزمایش برش مستقیم خاک رخ می دهد شامل دستخوردگی نمونه قبل از تست ، عدم فشرده سازی کامل آن یا انتخاب نرخ برشی بسیار بالا ، می باشد.

دستخوردگی یا اختلال معمولاً بر ساختار نمونه تأثیر می گذارد و مقاومت آن را کاهش می دهد. بنابراین ، نتایج آزمون نمایانگر رفتار واقعی خاک نیست.

خلاصه مراحل برش مستقیم خاک

روش آزمایش را می توان در مراحل زیر خلاصه کرد:

• • گام اول:

  در مرحله اول وزن خاک درون ظرف را اندازه گیری می کنند.

  مقدار خاک باید به اندازه ای باشد که بتوان با آن سه نمونه را تحت آزمایش قرار داد.

  (در خاک های چسبنده نمونه خاک را توسط کاتر یا جسم برنده تیز به اندازه جعبه برش، برش می دهند.)

  • گام دوم:

  ارتفاع و عرض جعبه آزمایش برش مستقیم را اندازه گیری و با دقت در محل خود ثابت کنید.

  • گام سوم:

  نمونه خاک را در داخل جعبه برش می ریزید، به صورتی که فضایی حدودا ۵ میلی متری بالای آن خالی باقی بماند.

  • گام چهارم:

  با توجه به عمق نمونه گیری خاک، بار قائم مناسبی به نمونه اعمال می کنند. در این جا باید توجه داشت که وزن المان های دستگاه برش مستقیم را نیز جزء این بار حساب می کنند.

  • گام پنجم:

  در این مرحله پیج اتصال دو فک دستگاه را باز می کنید تا بخش بالایی و پایینی بتوانند جا به جا شوند.

  • گام ششم:

  نصب کرنش سنج ها جهت قرائت جابجایی های افقی و قائم را در این مرحله انجام می دهند.

  نکته: اگر باید آزمایشات در حالت اشباع انجام گیرند باید در اطراف نمونه آب بریزید، به صورتی که آن را غرقاب کنید. جهت اشباع شدن کل نمونه نیاز است که مدت زمانی را به آن اختصاص بدهید.

  • گام هفتم:

  در این مرحله بارگذاری افقی را آغاز و مقدار جابجایی و نیروی اعمال شده را یادداشت می کنند. این فرآیند تا زمانی باید اتفاق بیفتد که بار اندازه گیری شده توسط لودسل (Load Cell) به حداکثر میزان خود برسد و روند نزولی به خود بگیرد.

  نکته: قرائت دو نیرو پس از به حداکثر رسیدن نیرو کافی است.

  • گام هشتم:

  نمونه را از جعبه آزمایش برش مستقیم خارج می کنند و تمام این مراحل برای حداقل دو نمونه خاک دیگر باید اجرا شوند.

 

تخمین پارامترهای مقاومت برشی

گاهی به دلیل گران قیمت بودن انجام آزمایش برش مستقیم و یا به دلیل وجود اشکالاتی در دستگاه برش مستقیم، امکان انجام آزمایش وجود ندارد. در این شرایط می توانیم از نتایج آزمایش های قبلی که بر روی انواع خاک ها صورت گرفته است استفاده کرد. همچنین گاهی امکان دارد آزمایش برش مستقیم بر روی خاک خاصی انجام داده باشیم و بخواهیم از صحت آزمایش های انجام شده مطمئن شویم.

در این حالت نیز می توانیم از جداول زیر که محدوده نتایج پارامترهای مقاومت برشی را ارائه می کند استفاده کرد.

شایان ذکر است که این نتایج تقریبی بوده و صرفا جهت تخمین زدن و برآورد کلی مناسب است و استفاده از آنها جهت طراحی توصیه نمی گردد.

تخمین زاویه اصطکاک داخلی (Ø) از آزمایش برش مستقیم

برای تخمین زاویه اصطکاک داخلی در خاک های مختلف می توانید از جدول زیر استفاده کنید.

نوع خاک	تخمین زاویه اصطکاک داخلی (Ø) بر حسب درجه
	حداقل	حداکثر
شن شکسته، بدون ناخالصی با تراکم کم	۴۰	۴۴
شن و ماسه شکسته شده، بدون ناخالصی – با تراکم کم	۳۸	۴۰
مخلوط شن و ماسه طبیعی، بدون ناخالصی با دانه بندی منظم و گسترده و تراکم متوسط	۳۴	۳۷
مخلوط شن و ماسه طبیعی دارای دانه بندی منظم و گسترده و تراکم متوسط و با داشتن ۵ تا ۱۲ درصد ناخالصی سیلیسی و رسی	۳۲	۳۶
مخلوط شن و ماسه طبیعی با تراکم متوسط و با ناخالصی ۱۲ تا ۲۵ درصد سیلت و رس و دانه بندی نامنظم	۳۰	۳۲
ماسه با دانه بندی منظم و گسترده، بدون ناخالصی و تراکم متوسط	۳۲	۳۵
ماسه متوسط و ریز، با ۵ تا ۱۲ درصد ناخالصی سیلتی و رسی تراکم متوسط و دانه بندی نامنظم	۲۸	۳۲
ماسه با تراکم متوسط و مخلوط با سیلت	۲۷	۳۱
ماسه با تراکم متوسط و مخلوط با سیلت و رس	۲۵	۳۰
سیلت بدون ناخالصی رسی و تراکم متوسط	۲۶	۲۸
مخلوط سیلت و رس با ۵ تا ۱۲ درصد ناخالصی ماسه ریز و تراکم متوسط	۲۲	۲۴
مخلوط سیلت و رس بدون ناخالصی ماسه ای و تراکم متوسط	۱۸	۲۲
رس با ناخالصی سیلت	۱۲	۱۸
رس	۰	۱۶

 

 تخمین چسبندگی خاک (c) از آزمایش برش مستقیم

در صورتی که تمایل به دانستن چسبندگی خاک های مختلف داشته باشید می توانید از مقادیر تقریبی در جدول زیر استفاده کنید.

نوع خاک	تخمین چسبندگی خاک (c) بر حسب کیلوگرم بر سانتی متر مربع
	حداقل	حداکثر
شن شکسته تمیز با تراکم کم	۰	۰
شن و ماسه شکسته بدون ناخالصی  با تراکم کم	۰	۰
مخلوط شن و ماسه طبیعی بدون ناخالصی با دانه بندی منظم و گسترده و تراکم متوسط	۰	۰
مخلوط شن و ماسه طبیعی با دانه بندی منظم و گسترده و تراکم متوسط و با داشتن ۵ تا ۱۲ درصد ناخالصی سیلیسی و رسی	۰٫۲۵	۰٫۵
مخلوط شن و ماسه طبیعی با تراکم متعارف (متوسط) و با ناخالصی ۱۲ تا ۲۵ درصد سیلت و رس و دانه بندی نامنظم	۰٫۴	۰٫۸
ماسه با دانه بندی منظم و گسترده، بدون ناخالصی و تراکم متوسط	۰	۰
ماسه متوسط و ریز، با ۵ تا ۱۲ درصد ناخالصی سیلتی و رسی تراکم متوسط و دانه بندی نامنظم	۰٫۲۵	۰٫۵
ماسه با تراکم متوسط ، مخلوط با سیلت	۰٫۲۵	۰٫۷
ماسه با تراکم متوسط ، مخلوط با سیلت و رس	۰٫۲۵	۰٫۸
سیلت ( بدون چسبندگی ) و بدون ناخالصی رسی و تراکم متوسط	۰٫۱	۰٫۲۵
مخلوط سیلت و رس با ۵ تا ۱۲ درصد ناخالصی ماسه ریز با تراکم متوسط	۰٫۲۵	۰٫۶۵
مخلوط سیلت و رس بدون ناخالصی ماسه ای با تراکم متوسط	۰٫۵	۱
رس به همراه ناخالصی سیلت	۰٫۵	۱٫۵
رس	۰٫۵	۲٫۵