1.مقدمه
آزمایش سه محوری متداولترین روشی است که امروزه در آزمایشگاههای مکانیک خاک مورد استفاده قرار می گیردکه برای تعیین مقاومت خاک و به عبارت دیگر برای تعیین(φ ,C) خاک می توان از آن استفاده نمود. با این روش مقاومت فشاری تحکیم نشده زهکشی نشده نمونه های استوانه ای شکل خاکهای چسبنده در شرایط دست خورده و دست نخورده یا متراکم نشده و با استفاده از کرنش کنترل شده و تنش کنترل شده تعیین می گردد.
نمونه در محفظه سه محوری تحت فشار همه جانبه قرار می گیرد، این روش براساس اندازه گیری تنشهای کل وارد بر نمونه می باشد بدون اینکه فشار منفذی در نظر گرفته شود.
چون در این آزمایش مقاومت برشی یک خاک برحسب تنش کل بیان می شود بنابراین مقاومت خاک بستگی دارد به فشار منفذی که در آب درون خلل و فرج خاک در هنگام بارگذاری بوجود می آید. اگر در حین بارگذاری آب بتواند از منافذ خاک خارج و یا وارد شود، فشار منفذی حاصل و در نتیجه مقاومت با آنچه که در حالت بدون زهکشی بدست می آید متفاوت است. در این روش زهکشی در سرتاسر سطح خارجی نمونه غیر مجاز است، از این رو مقاومت اندازه گیری شده بر حسب تنش کل در مسایل مربوط به محلی که زهکشی اتفاق می افتد کاربرد ندارد.
به علاوه در جایی که وضعیت کرنش در زمین با آنچه که در آزمایش سه محوری بدست می آید بطرز قابل توجهی متفاوت باشد، تنشهای بدست آمده از آزمایش سه محوری را نمی توان بکار برد.
2. تئوری آزمایش
آزمایش سه محوری بر یک نمونه استوانه ای انجام می گردد.قطراین نمونه 3یا 5یا 7 ویا حداکثر 15 سانتیمتر می باشدو ارتفاع آن دو برابر قطر آن می باشد. نمونه در پوشش پلاستیکی قرار گرفته و مجموعه در سلولی قرار می گیرد که حاوی آب می باشد. در دو انتهای نمونه دو سنگ متخلخل قرار می گیرد که به یک وسیله ی اندازه گیری فشار آب حفره ای و تغییرات حجمی متصل می باشد.
بارگذاری بر نمونه در دو مرحله انجام می شود که مرحله اول آن شامل یک فشار همه جانبه می باشد که توسط آب موجود در محفظه بر نمونه ی تحت آزمایش وارد می شود.بخش دوم نیرو تشکیل شده است از یک نیروی محوری که توسط پیستون بر نمونه وارد می شود.در آزمایش معمولی ابتدا فشار همه جانبه را بر نمونه وارد می کنند و سپس نیروی محوری را به آرامی افزایش می دهند تا نمونه گسیخته شود.
لازم به ذکر است چون تحت فشار همه جانبه تنش برشی بر حدود استوانه ای نمونه وارد نمی شودلذا تنش های وارد بر نمونه در این آزمایش تنش های اصلی می باشد و می توان با استفاده از آن دوایر موهر مربوط به خاک را رسم نمود و از روی آن و همچنین روابط هندسی حاکم بر آنها خواص مکانیکی خاک(φ , c ) مربوطه را به دست آورد.
3. شرایط و وسایل مورد نیاز
1. دستگاه سه محوری
2. CDOS برای قرائت کامپیوتری داده ها
3. کولیس
4. قالب نمونه گیری
5. پوشش پلاستیکی
4. شرح انجام آزمایش
ابتدا نمونه آماده شده را که در غشای پلاستیکی پوشیده شده و در دو انتهای آن پایه کلاهک قرار دارد، داخل محفظه سه محوری ثابت می کنیم. پیستون بارگذاری را چند بار با کلاهک نمونه تماس می دهیم تا مطمئن شویم که اتکای پیستون روی کلاهک و هم چنین هم محوری پیستون و کلاهک بطور صحیح برقرار شده است.
در طی این عمل باید مراقب بود که تنش اضافی بیش از 5/0% مقاومت فشاری برآورد شده به نمونه وارد نشود. در صورتی که وزن پیستون برای وارد آوردن تنش اضافی 5/0% مقاومت فشاری برآورد شده کافی باشد، باید پس از کنترل کردن اتکای پیستون و هم محوری پیستون و کلاهک، پیستون در بالای کلاهک نمونه قفل شود و در طی اعمال فشار جانبی به حالت قفل باقی بماند، محفظه را در محل خود در دستگاه بارگذاری قرار می دهیم.
باید دقت شود که دستگاه بارگذاری، دستگاه اندازه گیری بار محوری و محفظه سه محوری کاملاً هم محور باشند تا از ایجاد نیروی جانبی بر پیستون در طول آزمایش جلوگیری شود. دستگاه تولید و اندازه گیری فشار جانبی وصل می کنیم و محفظه را تا سطح از پیش تعیین شده از آب پر می کنیم.
دستگاه تولید و اندازه گیری فشار جانبی را برای فشار مطلوب تنظیم کرده و آن فشار را بر آب داخل محفظه وارد می کنیم. در صورتیکه دستگاه اندازه گیری بار محوری در خارج از محفظه سه محوری قرار گرفته باشد، فشار جانبی باعث وارد شدن نیرویی بر پیستون می شود و آن را بطرف بالا می راند که در نتیجه بر دستگاه بارگذاری محوری تاثیر می گذارد. در این حالت آزمایش را با قرار دادن پیستون کمی بالاتر از کلاهک نمونه شروع می کنیم.
قبل از اینکه پیستون با کلاهک نمونه تماس پیدا کند، اصطکاک اولیه و فشار وارده به پیستون را اندازه گیری کرده و یادداشت می کنیم. این فشارها را با دستگاه اندازه گیری فشار محوری اندازه گیری کرده، سپس فشارهای محوری وارده به نمونه را نسبت به این دو فشار تصحیح می کنیم.
در صورتی که دستگاه اندازه گیری بار محوری در داخل محفظه سه محوری قرار گرفته باشد، تصحیح بار محوری در مورد اصطکاک پیستون و نیروی جانبی وارد بر آن لازم نیست. در هر دو حالت وقتی که پیستون به کلاهک مماس می شود قرائتهای اولیه گیج تغییر شکل طولی را یادداشت می نماییم.
حدود 10 دقیقه پس از اینکه فشار جانبی برقرار شد، فشار محوری را با سرعت مناسب برای این آزمایش وارد می کنیم. در حین آزمایش مقادیر بار و تغییر شکل را در 1/0، 2/0، 3/0، 4/0 و 5/0 درصد کرنش و پس از آن تا 3% کرنش در هر 5/0% افزایش کرنش و پس از رسیدن به 3% کرنش در هر 1% افزایش کرنش را یادداشت می کنیم. برای رسم منحنی تنش-کرنش باید به تعداد کافی قرائت بار و تغییر شکل یادداشت نمود. از اینرو ممکن است در مراحل اولیه آزمایش تا وقتی که گسیختگی نزدیک شود، قرائتهای زیاد لازم باشد.
به هر حال تا 15% کرنش به بارگذاری ادامه می دهیم مگر وقتی که تنش اضافی 20% افت داشته باشد و یا وقتی که پس از رسیدن به حداکثر تنش اضافی باز 5% کرنش محوری اتفاق افتد، در این صورت بارگذاری متوقف می کنیم.
در پایان آزمایش برای تعیین درصد رطوبت از قسمتهای مختلف خاک نمونه برداری می شود.
5. محاسبات
به علت خاموش بودن CDOS تا مدتی بعد از شروع آزمایش داده ها بی ارزش بوده، محاسباتی انجام نشد.
6.تفسیر نتایج
...
7. خطاهای موجود در آزمایش
1. کوبش نمونه بدلیل وجود غشای لاستیکی و رعایت جانب احتیاط در مورد عدم پاره شدن آن، یکنواخت نبوده و اطراف نمونه ضعیفتر از مرکز آن بوده است.
2. عدم اشباع شدن نمونه بدلیل ضیق وقت انجام آزمایش
3. خاموش بودن CDOS در ابتدای آزمایش که باعث شد اطلاعات از دست بروند.
4. آب بند نبودن دستگاه که فشار جانبی را دچار افت می کرد
5. بسته بودن منافذ سنگهای متخلخل که باید قبل از آزمایش حدود 20 دقیقه در آب می جوشیدند.
6. احتمال وجود سوراخ در غشای لاستیکی
7. نمونه به خاطر کوبش در قالب نامناسب مقطعی بیضوی داشت که رعایت فرضیات آزمایش را به هم میزد.
8. کاربرد آزمایش در محل
در جاهایی که بخواهند سازه ای بر خاکی ناشناس ایجاد کنند منطقی آن است که در مورد آن خاک و میزان تحمل آن اطلاعاتی داشته باشیم. در نتیجه با کر گیری از لایه ها و طبقات مختلف آن خاک و ساختن نمونه های دست نخورده در مرحله اول میزان تحمل خاک را برای آن سازه محاسبه میکنند.
آنگاه اگر جواب نداد می توان با اعمال روش هایی منجمله تغییر وضعیت زهکشی ویا تحکیم اولیه خاک امید داشت که آن خاک را به حالت مطلوب رساند. ولی در نهایت نتیجه طراحی شامل اصلاحاتی بر روی خاک و تغییراتی در توزیع بارگذاری بر خاک خواهد بود که به بهترین نتیجه منجر میشود. اما به هر حال نگرش به این مساله بر اساس داده ها و نتایجی است که از این آزمایش بدست می آیند.
9. نتیجه گیری
همان طوری که دیدیم برای تعیین ضرایب مقاومت خاک می توان از آزمایش سه محوری استفاده کرد.برای این کار با استفاده از یک قالب استوانه ای یک نمونه از خاک مورد نظر تعیین کرده سپس آن را در دستگاه سه محوری قرار می دهیم ؛ و با اعمال فشار همه جانبه ی و فشار محوری آزمایش را آغاز می کنیم و این کار را تا جایی ادامه می دهیم که طول نمونه به اندازه ی 20% طول اولیه کاهش یابد.
سپس با استفاده از نتایج آزمایش دوایر موهر را رسم کرده و (φ , c) را محاسبه می کنیم.
10. منابع
1. دستور العمل آزمایش های مکانیک خاک دانشجویان دوره کارشناسی مهندسی عمران
2. آزمایشگاه مکانیک خاک، دکتر اسکروچی
3. جزوه مکانیک خاک، دکترسید محسن حائری
4. ASTM D4767 , D2850
