انواع آزمایش سه محوری(مکانیک خاک و سنگ):
آزمایش سه محوری، به روش های زیر انجام می گیرد:
1. تحکیم یافته زهکشی شده (CD):
در آزمایش «تحکیم یافته زهکشی شده» (Consolidated Drained) یا اصطلاحاً «CD»، نمونه در حین آزمایش به وضعیت تحکیم می رسد و با اعمال فشار به آرامی برش داده می شود. این کار، باعث از بین رفتن فشار منفذی حاصل از برش خواهد شد.
در آزمایش CD، نرخ تغییر شکل محوری ثابت است و میزان کرنش تحت کنترل قرار دارد. هدف این آزمایش، تعدیل (تحکیم) نمونه و فشارهای منفذی با توجه به تنش های دربرگیرنده است. در برخی از مواقع (به خصوص برای نمونه هایی با نفوذپذیری کم)، به زمان زیادی برای زهکشی و تعدیل کرنش در سطوح مختلف تنش نیاز خواهد بود.
2. تحکیم یافته زهکشی نشده (CU):
در آزمایش «تحکیم یافته زهکشی نشده» (Consolidated Undrained) یا اصطلاحاً «CU»، به نمونه اجازه زهکشی داده نمی شود.
اندازه گیری خواص برشی ماده در شرایط زهکشی نشده صورت می گیرد و فرض می شود که نمونه کاملاً اشباع شده است.
در آزمایش CU، با اندازه گیری فشارهای منفذی می توان مقاومت CD را نیز تخمین زد. به علاوه، سرعت برش معمولاً بر اساس نرخ تحکیم نمونه تحت یک فشار دربرگیرنده مشخص (در شرایط اشباع) محاسبه می شود. مقادیر فشارهای دربرگیرنده بین 1 تا 100 پوند بر اینچ مربع (psi) یا بیشتر تغییر می کند. در شرایطی که میزان فشار مورد نیاز بالا باشد، نیاز به استفاده از سلول های بارگذاری مخصوص خواهد بود.
3. تحکیم نیافته زهکشی نشده (UU):
در آزمایش «تحکیم نیافته زهکشی نشده» (Unconsolidated Undrained) یا اصطلاحاً «UU»، بارگذاری با سرعت بالایی انجام می شود و اجازه تحکیم به نمونه داده نمی شود. در آزمایش UU، نمونه با یک نرخ ثابت (کرنش کنترل شده) تحت فشار قرار می گیرد.
4. آزمایش سه محوری واقعی:
سیستم «آزمایش سه محوری واقعی» (True Triaxial Test)، به منظور کنترل جداگانه تنش های اعمال شده به نمونه در سه جهت عمود بر هم توسعه یافته است.
کنترل تنش در جهات مختلف، امکان بررسی مسیرهای تنشی را فراهم می کند که در دستگاه های آزمایش سه محوری متقارن (دستگاه های معمولی) ایجاد نمی شوند. این قابلیت، برای مطالعه رفتار شن و ماسه سیمانی شده و خاک های ناهمسانگرد کاربرد دارد.
در آزمایش سه محوری واقعی، سلول آزمایش به صورت مکعبی شکل است. به علاوه، شش صفحه مجزا برای اعمال فشار در جهت های مختلف وجود دارند که بر روی هر یک از آن ها، از یک «ترانسفورماتور تفاضلی متغیر خطی» (Linear Variable Differential Transformer) یا «LVDT» برای قرائت میزان جابه جایی صفحه استفاده می شود.
فشار در راستای سوم را می توان با استفاده از فشار هیدرو استاتیک در محفظه آزمایش به نمونه اعمال کرد. در این راستا، تنها به 4 سری تنش (در چهار وجه مکعب) نیاز خواهد بود. دستگاه مخصوص آزمایش سه محوری واقعی بسیار پیچیده تر از دستگاه آزمایش سه محوری متقارن است. از این رو، این آزمایش کمتر مورد استفاده قرار می گیرد.
5. آزمایش سه محوری در شرایط انتهای آزاد:
دستگاه های معمولی آزمایش سه محوری، اعمال میدان تنش و کرنش درون نمونه در محدود کرنش های بزرگ، به صورت غیر یکنواخت صورت می گیرد.
به علاوه، وجود شکستگی بسیار واضح در ناحیه برشی، به صفحات زبر در دو طرف استوانه و ارتفاع زیاد نمونه ارتباط دارد. به همین دلیل، انتقادهای زیادی به روش های قدیمی اجرای آزمایش سه محوره شده است.
به منظور رفع این مشکلات، یک دستگاه جدید و یک دستگاه بهبود یافته برای اجرای آزمایش سه محوری در محدوده کرنش های بزرگ ابداع شد.
هر دو این دستگاه ها از قواعد مشابهی پیروی می کنند. به عنوان مثال، ارتفاع نمونه تا اندازه قطر کاهش یافته و اصطکاک موجود در صفحات انتهایی حذف شده است.
در دستگاه های معمولی، تمام سطح سرِ پیستون از یک فیلتر متخلخل و زبر ساخته شده است و در دو طرف نمونه از صفحات زبر استفاده می شود. در دستگاه های ارتقا یافته، صفحات قدیمی جای خود را به شیشه های نرم و صیقلی به همراه یک فیلتر کوچک در مرکز داده اند.
در این پیکربندی، امکان لغزش/گسترش افقی نمونه به همراه شیشه صیقلی وجود دارد. به این ترتیب، از تجمع اصطکاک اضافی در ناحیه تماس بین نمونه و صفحات انتهایی جلوگیری شده و یک میدان تنش خطی و همسانگرد درون نمونه تشکیل می شود.
با ایجاد یک میدان تنش بسیار یکنواخت و تقریباً همسانگرد، امکان دستیابی به وضعیت «تسلیم همسانگرد» (Isotropic Yielding) برای نمونه فراهم می شود. در حین این فرآیند، کرنش حجمی درون نمونه در همه جهات به صورت یکنواخت توزیع می شود.
این موضوع، اندازه گیری تغییرات حجمی در آزمایش های CD و فشار آب منفذی در آزمایش های CU را بهبود می بخشد. علاوه بر این، با اعمال فشار محوری در فرآیند تسلیم همسانگرد، نمونه به صورت یکنواخت و شعاعی گسترش می یابد. دیواره نمونه استوانه ای شکل در این وضعیت، به صورت عمودی و صاف باقی می ماند.
در طرف مقابل، پس از انجام آزمایش در دستگاه های قدیمی، به دلیل ثابت ماندن شعاع نمونه در ناحیه تماس با صفحات انتهایی، یک برآمدگی در مرکز آن تشکیل می شود.
دستگاه ارتقاء یافته آزمایش سه محوری (دانمارکی):
دستگاه جدید آزمایش سه محوری توسط «لارس بو ایبسن» (Lars Bo Ibsen) ارتقا یافته است و با عنوان دستگاه آزمایش سه محوری دانمارکی شناخته می شود. این دستگاه قابلیت انجام آزمایش بر روی تمام انواع خاک را دارد و امکان اندازه گیری دقیق تر تغییرات حجمی را فراهم می کند.
به دلیل وابستگی محدوده مقادیر مقاومت شن و ماسه زهکشی نشده به پدیده کاویتاسیون در آب منفذی، میزان تغییرات حجمی همسانگرد در انجام آزمایش CU از اهمیت بالایی برخوردار است. در این روش، قابلیت اندازه گیری تغییرات در نزدیکی سطوح نمونه، دقت اندازه گیری را بهبود می بخشد. سلول بارگذاری به صورت غوطه ور و در تماس مستقیم با هِد فشار بالایی نمونه قرار دارد.
مبدل های تغییر شکل نیز مستقیماً به سر پیستون ها متصل شده اند. کنترل دستگاه کاملاً خودکار بوده و به همین دلیل، امکان بارگذاری چرخه ای در آن با بهره وری و دقت بالایی فراهم شده است.
ویژگی هایی از قبیل قابلیت اتوماسیون بالا، بهبود دوام نمونه و سازگاری با تغییر شکل های بزرگ، در دستگاه سه محوری دانمارکی، باعث گسترش محدوده کاربرد آن شده است. این دستگاه می تواند نمونه های شن و ماسه CD و CU را بدون رخ دادن شکست برشی یا تشکیل برآمدگی، به حالت پلاستیک برساند.
به این ترتیب، با بارگذاری پیوسته و انجام تنها یک آزمایش می توان نمونه را چندین بار به حالت تسلیم رساند. علاوه بر این، امکان روان گرایی نمونه در محدوده کرنش های بزرگ و ایجاد شکست CU در آن ها وجود دارد.
آزمایش های CU نیز می توانند به حالت CD تغییر وضعیت دهند. در این وضعیت، می توان با اعمال بارگذاری های چرخه ای در حالت CD، نحوه بازیابی مقاومت و سختی نمونه پس از روانگرایی را مورد ارزیابی قرار داد. تمام این قابلیت ها، کنترل بر روی نمونه را به میزان زیادی افزایش می دهند و برخلاف روش های قدیمی آزمایش سه محوری، امکان مشاهده الگوهای رفتاری شن و ماسه را به خوبی فراهم می کنند.
در تصویر بالا، یک نمونه شن ریز پس از انجام آزمایش سه محوری دانمارکی را مشاهده می کنید. این نمونه در طی چرخه های CU به حالت روانگرایی رسیده و سپس به وسیله چرخه های CD، چندین بار مورد بازیابی قرار گرفته است.
چین و چروک های موجود بر روی نمونه، بر اثر تغییرات بیش از حد حجم در طی تکرار فرآیند روانگرایی CD و زهکشی ایجاد شده اند. در وضعیت روانگرایی، نمونه به قدری نرم می شود که می تواند به شکل لاتکس درآید. در طی چرخه های CD نیز به قدری سخت می شود که دیگر نمی تواند شکل ایجاد شده را به حالت اول برگرداند.
نکته قابل توجه این است که با وجود رسیدن نمونه به چندین تسلیم پلاستیک، هیچ گونه برش یا برآمدگی در آن مشاهده نمی شود.
استانداردهای آزمایش سه محوری:
برخی از استاندارهای اصلی آزمایش سه محوری در فهرست زیر آورده شده اند. این موارد شامل، استانداردهای «انجمن مواد و آزمون آمریکا» (American Society for Testing and Materials) یا «ASTM»، «سازمان بین المللی استاندارسازی» (International Organization for Standardization) یا «ISO»، «موسسه استانداردهای بریتانیا» (British Standards Institute) یا «BS» و غیره می شوند.
برای آشنایی بیشتر با نحوه انجام صحیح این آزمایش در شرایط مختلف، می توانید نام و کد هر یک از استانداردهای معرفی شده را جستجو کنید:
|
|
|
|
| نماد اعتماد الکترونیک | نشان ملی ثبت | گواهی شامد ارشاد |
© کلیه حقوق مادی و معنوی این وب سایت متعلق به داده پردازان هومان پویان می باشد.
