آزمایش برش مستقیم (Direct Shear Test) خاک یک روش آزمایشگاهی است که در مهندسی ژئوتکنیک برای تعیین مقاومت برشی خاک مورد استفاده قرار می‌گیرد. مقاومت برشی، حداکثر مقاومتی است که خاک می‌تواند در برابر نیروهای برشی از خود نشان دهد. این آزمایش یکی از ساده‌ترین و رایج‌ترین روش‌ها برای تعیین پارامترهای مقاومتی خاک، به ویژه برای خاک‌های دانه‌ای (مانند ماسه و شن) و همچنین برای تعیین مقاومت برشی در امتداد سطوح گسیختگی از پیش تعیین شده در خاک‌های چسبنده سخت یا سنگ‌های ضعیف، محسوب می‌شود.
فهرست مطالب
هدف از انجام آزمایش برش مستقیم
- تعیین پارامترهای مقاومت برشی خاک شامل:
- چسبندگی (C): نیروی چسبندگی بین ذرات خاک در واحد سطح.
- زاویه اصطکاک داخلی (phi): زاویه‌ای که نشان دهنده مقاومت اصطکاکی بین ذرات خاک در برابر لغزش است.
- برآورد ظرفیت باربری پی‌ها.
- تحلیل پایداری شیروانی‌ها و دیوارهای حائل.
- محاسبه فشار جانبی خاک وارد بر سازه‌ها.
- بررسی پایداری سدها و تونل‌ها.
- ارزیابی خطر زمین لغزش و روانگرایی.
نحوه انجام آزمایش
- تهیه نمونه: نمونه خاک دست نخورده یا بازسازی شده در یک جعبه برشی فلزی با مقطع مربع یا دایره قرار داده می‌شود. این جعبه از دو نیمه افقی تشکیل شده است که در امتداد یک سطح برش از هم جدا می‌شوند.
- اعمال بار قائم (Normal Load): یک بار قائم مشخص بر روی نمونه خاک اعمال می‌شود تا تنش قائم (σn) مورد نظر ایجاد شود. این بار معمولاً توسط وزنه‌های مرده یا یک سیستم پنوماتیک اعمال می‌گردد.
- تثبیت (Consolidation): در صورت نیاز (به ویژه برای خاک‌های چسبنده)، به نمونه زمان داده می‌شود تا تحت بار قائم تحکیم یابد و آب اضافی از آن خارج شود.
- اعمال نیروی برشی (Shear Force): نیمه بالایی جعبه برش با سرعت ثابت و کنترل شده به صورت افقی کشیده می‌شود، در حالی که نیمه پایینی ثابت نگه داشته می‌شود. این کار باعث ایجاد تنش برشی (τ) در امتداد سطح برش از پیش تعیین شده می‌شود.
- اندازه‌گیری: در طول آزمایش، نیروی برشی اعمال شده و تغییر شکل‌های افقی و قائم نمونه به طور مداوم اندازه‌گیری و ثبت می‌شوند.
- تکرار آزمایش: آزمایش معمولاً با اعمال سه یا چند بار قائم مختلف بر روی نمونه‌های مشابه تکرار می‌شود.
- ترسیم نمودار: نتایج آزمایش‌ها (تنش برشی در مقابل تنش قائم در هنگام گسیختگی) بر روی یک نمودار رسم می‌شوند. با برازش یک خط راست به این نقاط، می‌توان مقدار چسبندگی (عرض از مبدأ خط) و زاویه اصطکاک داخلی (شیب خط) را تعیین کرد.
مزایای آزمایش برش مستقیم
- سادگی: انجام آزمایش نسبتاً ساده و نیاز به تجهیزات پیچیده‌ای ندارد.
- هزینه کم: در مقایسه با سایر آزمایش‌های مقاومت برشی مانند آزمایش سه محوری، هزینه کمتری دارد.
- سرعت بالا: انجام آزمایش معمولاً سریع‌تر از آزمایش سه محوری است، به ویژه برای خاک‌های دانه‌ای.
- زهکشی مناسب: به دلیل ضخامت کم نمونه، زهکشی در شرایط آزمایش زهکشی شده (Drained) به خوبی انجام می‌شود.
معایب آزمایش برش مستقیم
- تحمیلی بودن سطح گسیختگی: سطح گسیختگی در این آزمایش به صورت افقی و از پیش تعیین شده است و ممکن است با ضعیف‌ترین سطح گسیختگی در توده خاک واقعی مطابقت نداشته باشد.
- توزیع تنش غیریکنواخت: توزیع تنش در امتداد سطح برش یکنواخت نیست و در لبه‌ها تمرکز تنش وجود دارد.
- عدم کنترل فشار منفذی: در آزمایش‌های سریع (Undrained)، اندازه‌گیری و کنترل دقیق فشار منفذی امکان‌پذیر نیست.
- چرخش نمونه: در طول برش، احتمال چرخش نمونه وجود دارد که می‌تواند بر نتایج تأثیر بگذارد.
با وجود این محدودیت‌ها، آزمایش برش مستقیم به دلیل سادگی و هزینه پایین، همچنان یک روش پرکاربرد برای تخمین مقاومت برشی خاک در بسیاری از پروژه‌های مهندسی ژئوتکنیک به شمار می‌رود، به ویژه برای خاک‌های دانه‌ای که در آن‌ها سطح گسیختگی تحمیلی معمولاً مشکل‌ساز نیست.
آزمایش برش مستقیم خاک با چه دستگاهی انجام می‌شود؟
آزمایش برش مستقیم خاک با دستگاهی به نام دستگاه برش مستقیم (Direct Shear Apparatus) انجام می‌شود. این دستگاه از اجزای اصلی زیر تشکیل شده است:
- جعبه برش (Shear Box): این جعبه معمولاً از دو نیمه افقی تشکیل شده است که نمونه خاک در داخل آن قرار می‌گیرد. سطح تماس بین این دو نیمه، سطح برش از پیش تعیین شده را تشکیل می‌دهد. جعبه‌های برش معمولاً به شکل مربع یا دایره و در اندازه‌های مختلف (مانند ۶۰×۶۰ میلی‌متر، ۱۰۰×۱۰۰ میلی‌متر و غیره) موجود هستند.
- سیستم اعمال بار قائم (Normal Load Application System): این سیستم برای اعمال نیروی عمودی مشخص و ثابت بر روی نمونه خاک به کار می‌رود. این نیرو می‌تواند توسط:
- وزنه‌های مرده (Dead Weights): وزنه‌های کالیبره شده که از طریق یک اهرم (با نسبت‌های مختلف مانند ۱:۱۰) به نمونه منتقل می‌شوند.
- سیستم پنوماتیک (Pneumatic System): استفاده از فشار هوا برای اعمال بار قائم.
- سیستم سروو هیدرولیک (Servo-hydraulic System): برای اعمال بارهای قائم دقیق و کنترل شده.
- سیستم اعمال نیروی برشی (Shear Force Application System): این سیستم برای اعمال نیروی افقی به نیمه بالایی جعبه برش با سرعت ثابت و کنترل شده استفاده می‌شود. این نیرو معمولاً توسط:
- موتور الکتریکی و گیربکس (Electric Motor and Gearbox): برای ایجاد حرکت افقی با سرعت ثابت.
- سیستم سروو موتور (Servo Motor System): برای کنترل دقیق‌تر سرعت و جابجایی برشی.
- سیستم اندازه‌گیری نیرو (Force Measurement System): برای اندازه‌گیری نیروی برشی اعمال شده در طول آزمایش. این سیستم معمولاً شامل:
- حلقه نیرو (Load Cell یا Proving Ring): یک وسیله الاستیک که با اعمال نیرو تغییر شکل می‌دهد و میزان نیرو از طریق اندازه‌گیری این تغییر شکل تعیین می‌شود.
- نمایشگر دیجیتال (Digital Readout): برای نمایش مقدار نیروی برشی اندازه‌گیری شده.
- سیستم اندازه‌گیری تغییر شکل (Displacement Measurement System): برای اندازه‌گیری جابجایی‌های افقی و قائم نمونه در طول آزمایش. این سیستم معمولاً شامل:
- ساعت اندازه‌گیری (Dial Gauge): یک وسیله مکانیکی برای اندازه‌گیری جابجایی با دقت بالا.
- ترانسدیوسر جابجایی خطی متغیر (LVDT – Linear Variable Differential Transformer): یک سنسور الکتریکی برای اندازه‌گیری دقیق جابجایی.
- انکودر (Encoder): برای اندازه‌گیری جابجایی چرخشی موتور و تبدیل آن به جابجایی خطی.
- صفحات متخلخل (Porous Stones): در بالا و پایین نمونه قرار می‌گیرند تا امکان زهکشی آب از نمونه در آزمایش‌های زهکشی شده فراهم شود.
- صفحات مشبک (Grid Plates) یا صفحات شیاردار (Grooved Plates): برای ایجاد اصطکاک مناسب بین نمونه خاک و صفحات جعبه برش.
- نرم‌افزار (در دستگاه‌های دیجیتال و اتوماتیک): برای کنترل آزمایش، جمع‌آوری داده‌ها، رسم نمودارها و انجام محاسبات.
دستگاه‌های برش مستقیم می‌توانند به صورت آنالوگ (با استفاده از وزنه‌ها و ساعت‌های اندازه‌گیری) یا دیجیتال/اتوماتیک (با استفاده از سیستم‌های الکترونیکی برای اعمال نیرو و اندازه‌گیری تغییر شکل‌ها و نرم‌افزار برای کنترل و پردازش داده‌ها) باشند. دستگاه‌های اتوماتیک دقت و کارایی بالاتری دارند و امکان انجام آزمایش‌های پیچیده‌تر را فراهم می‌کنند.
