آزمون سه محوري (Triaxial)

استاندارد : ASTM D4767-88 & D2850-87

هدف اين آزمايش نيز تعيين پارامترهاي مقاومت برشي خاك است آزمايش سه محوري نسبت به آزمايشهاي ديگر روش پيچيده تر و قابل اعتمادتري براي تعيين مقاومت برشي خاكها مي باشد . دليل آن اينست كه در آزمايش برش مستقيم خاك به اجبار از محل درزبين دو قسمت جعبه گسيخته مي شود ولي در آزمايش سه محوري خاك از محل ضعيفترين صفحه خود گسيخته مي شود.

اين آزمايش به سه نحو به شرح ذيل انجام مي گيرد:
الف: درحالت تحكيم يافته زهكشي شده (CD)
ب: درحالت تحكيم يافته زهكشي نشده(CU)
ج: درحالت تحكيم نيافته زهكشي نشده(UU)

روند كلي اين آزمايش به اين صورت است كه يك نمونه خاك كه اغلب ارتفاع آن دو برابر قطر آن است درون محفظه اي قرار گرفته و سپس تحت تاثير يك فشار همه جانبه قرار مي گيرد كه دراين حالت اگر قصد تحكيم نمونه را داشته باشيم شيرهاي خروج آب بازنگداشته مي شود تا نمونه تحكيم شود و فشار منفذي به صفر برسد. پس از اين مرحله با اعمال بار قائم نمونه به گسيختگي مي رسد دراين حالت اختلاف بار قائم و بار همه جانبه كه به تنش انحرافي معروف است باعث گسيختگي نمونه مي شود درصورتي كه قصد زهكشي نمونه وجود داشته باشد در اين مرحله نيز شيرهاي خروج آب باز نگه داشته مي شود.
اين آزمايش نيز با فشارهاي جانبي مختلف انجام مي شود سپس دواير موهر حاكم بر هركدام از آزمايشها در يك دستگاه مختصات ترسيم شده و پوش اين دواير رسم مي شود، شيب اين خط زاويه اصطكاك داخلي خاك وعرض از مبداء آن چسبندگي خاك مي باشد.

همچنانكه در توضيحات آزمايش برش مستقيم گفته شد. اين آزمايش هم بر اساس تئوري موهر كلمب قرار دارد با اين تفاوت كه اين آزمايش تشابه بسيار زيادي با رفتار خاك در محل داشته و گسيختگي در ضعيفترين سطح اتفاق مي افتد.
در اين آزمايش. فشار همه جانبه نماينده فشار جانبي خاك در محل واقعيش است و معمولا معادل مقدار تقريبي K0γz انتخاب مي شود كه K0 ضريب فشار جانبي خاك در حالت س

كون γ وزن مخصوص المان خاك و z عمق المان در اين آزمايش است. در اين آزمايش نمونه أي از خاك با مشخصات استاندارد برداشته شده. يك غشاء ظريف و نازك دور ان كشيده مي شود و سپس در داخل محفظه استوانه شكلي از جنس پلاستيك يا شيشه كه معمولا مملو از آب يا گليسيرين است. قرار مي گيرد (البته گاهي نيز از هوا استفاده مي شود.) براي آنكه نمونه تحت برش گسيخته شود. يك تنش محوري از طريق يك بازوي قائم كه براي اعمال بار نصب ش

ده، به نمونه اعمال مي شود. اين تنش ، تنش انحرافي نمام دارد. به طور كلي آزمايش‌ها به دو صورت انجام مي‌گيرد :

۱- كنترل تنش (با اضافه كردن وزنه‌هايي با گام مساوي تا لحظه گسيختگي نمونه)
۲- كنترل كرنش (اعمال تغيير شكل با سرعت ثابت به وسيله پرس هيدروليك تا لحظه گسيختگي نمونه).

در اين روش مقدار بار محوري وارده مربوط به يك تغيير شكل محوري مشخص با يك حلقه يا سلول اندازه‌گيري نيرو كه بر روي بازوي دستگاه نصب شده است، اندازه‌گيري مي‌شود.

دستگاه سه محوري ساخت کشور ELE انگليس

دستگاه سه محوری خاک – برای تعیین مقدار چسبندگی و زاویه اصطحکاک سنگ یا خاک و تعیین مقاومت فشار سه محوری-این دستگاه دارای تجهیزات ضمیمه تابلوی سه محوری جهت تعیین درصد اشباع و فشار منفذی و کلیه دستگاه های نمونه گیری و قالب گیری نمونه خاک سه محوری است.

انواع آزمايش سه محوري

نوع آزمايش سه محوري كه بايد انجام شود ، بستگي به نوع و چگونگي مساله مورد مطالعه دارد. در آزمايشگاههاي مكانيك خاك معمولا آزمايشهاي زير صورت مي‌گيرند:
آزمايش CD بر روي خاكهاي دانه‎اي (ماسه‌ها) براي بررسي رفتار دراز مدت خاكهاي چسبنده، آزمايشهاي UU و CU در شرايط اشباع همراه با اندازه‌گيري فشار منفذي براي بررسي رفتار خاكهاي ريزدانه در شرايط زهكشي نشده و آزمايش UU در شرايط نيمه اشباع جهت بررسي دفتار خاكريز حين ساخت.آزمايشهاي سه محوري بسته به اينكه شير خروج جريان منفذي باز يا بسته باشد به سه صورت انجام مي‌گيرد:

۱- آزمايش زهكشي نشده ، تحكيم نيافته (UU) : اين آزمايش در شرايطي انجام مي شود كه شير زهكشي در تمام مراحل بسته است و آزمايش بلافاصله بعد از نصب سلول فشار آغاز مي شود. مورد استفاده آن مثلا در پايداري كوتاه مدت شيبها است.
۲- آزمايش زهكشي نشده، تحكيم يافته (CU) : از اين آزمايش براي مدل كردن شرايط پايداري سدهاي خاكي در زماني كه آب پشت سد بسرعت تخليه شود و سد در مرحله دوم فرصت كافي براي زهكشي نداشته باشد.
۳- آزمايش زهكشي شده، تحكيم يافته (CD) : بر روي خاكهاي دانه أي يا پايداري دراز مدت شيبها و زمين زير ساختمانها بكار مي‌رود.

آزمايش ممكن است :
الف – روي خاكهاي دانه‌أي غير چسبنده (نمونه بايد دست نخورده بوده و اگر دست خورده باشد تراكم آن عين تراكم در محل باشد) انجام مي‌شود.
ب – روي نمونه خاك چسبنده ريز دانه بوده كه نمونه بايد عينا دست نخورده و يا حداقل دست خوردگي را داشته باشد (مخصوصا اگر خاك حساس هم باشد).

اساس آزمايش
اين آزمايش جهت تعيين مقاومت برشي نمونه‌أي است كه مدل بسيار خوبي براي

خاك در محل ميباشد. در عمل با اعمال فشار همه‌جانبه σ۳ برابر نيروي همه جانبه در محل و افزايش نيروي محوري بر روي نمونه (قطر h<3D ارتفاع نمونه ۲D<) آنرا شكسته و نيروي شكست و تغيير شكل در لحظه شكست را اندازه مي‌گيرند. بدين ترتيب هم پوش دواير موهر كشيده مي شود يعني هم C و φ براي انواع آزمايشها بدست مي‌آيد و هم رفتار خاك زير بارگذاري مورد مطالعه قرار مي‌گيرد.

وسايل مورد نياز دستگاه سه محوري شامل :

 

۱- دستگاه چرخ‌دنده با ايستگاههاي مختلف جهت سرعتهاي كم و زياد
۲- يك قاب بالائي كه رينگ ثبت نيرو و تغيير شكل بر روي آن قرار دارد
۳- سلول كه با سه گيره محكم مي‌شود و شامل استوانه آلومنيمي زير نمونه و بالاي نمونه است.
۴- غشاء پلاستيكي
۵- لوله جهت داخل كردن نمونه در غشاء
۶- ترازو با دقت ۱/۰ گرم
۷- نمونه گيرهاي مختلف
۸- جك و سر جك جهت بيرون آوردن نمونه
۹- كاردك

روش آزمايش

آزمايش تحكيم نيافته زهكشي نشده (سريع UU يا Q)
1- ابتدا به وسيله جك نمونه گير را داخل لوله خاك (اين لوله خاك قبلا به وسيله دستگاه حفاري از محل مورد نظر برداشته شده و به آزمايشگاه آورده شده‌است.) كرده و پس از صاف كردن سروته آن ، نمونه مورد آزمايش را از داخل نمونه گير خارج مي‌كنيم ( براي خاك چسبنده و ريز دانه) از اين نوع نمونه حداقل سه عدد تهيه مي‌نماييم.

براي خاك دانه أي مي‌توان در قالبهاي مخصوص خاك را ريخته و متراكم كرده تا به تراكم در محل برسد و سپس نمونه را داخل غشاء ريخته و متراكم كرده تا به تراكم در محل برسد و سپس نمونه را داخل غشاء گذاشت. براي خاكهاي غير حساس هم مي‌توان نمونه را دوباره سازي نمود.
۲- براي تعيين درصد رطوبت نمونه برداشته و در فر مي‌گذاريم (۲۴ ساعت در دماي ۱۰۵ درجه سانتيگراد)
۳- نمونه را دقيقه وزن كرده و ابعاد آنرا اندازه مي‌گيريم.
۴- نمونه را بوسيله قالب مخصوص و دستگاه خلا داخل غشاء لاستيكي مي‌گذاريم.
۵- نمونه را دقيقا در محل خود قرار داده ، سلول را روي آن گذاشته و گيره‌هاي سلول را مي‌بنديم.
۶- از سوراخ بالاي سلول آنرا بنحوي پر از آب مي‌كنيم كه هوائي داخل سلول نماند.
۷- سپس پيچ سوراخ آب را بسته و ميله بالاي سلول را پايين مي‌آوريم تا بين استوا

 

نه زير رينگ و قاب زيرين تماس برقرار شود.
۸- بعد از تراز كردن دستگاه فشار جاني را كه توسط سيستم جيوه و آب و لوله‌هاي مرتبط تامين مي‌شود بر نمونه وارد مي‌‌كنيم. اين عمل با باز كردن شير آب انجام مي‌شود.
۹- آنگاه دستگاه را روشن كرده تا با سرعت يك ميليمتر بر دقيقه بالا آمده و اندازه‌گير نيرو شروع به حركت نمايد. در اين حالت دستگاه را خاموش كرده و پس از صفر كردن دو اندازه‌گير و تغيير شكل دستگاه را مجددا دوشن مي‌كنيم.
۱۰- در هر دور تغيير شكل ميزان نيرو را مي‌خوانيم.
۱۱- قرائت اندازه گير نيرو همان نيرو در لحظه فوق الذكر است كه اگر به سطح متوسط تقسيم شود (۳ σ σ۱-) خواهد بود. اين عمل ادامه پيدا مي‌كند تا نمونه شكسته يعني اندازه گير نيرو برگردد يا نمونه خميري شود كه نقطه شكست ۲۰ درصد تغيير شكل نمونه خواهد بود.
۱۲- اين عمل را با فشارهاي جانبي مختلف براي سه نمونه انجام داده و نتايج را براي هر نمونه يادداشت مي‌كنيم.
۱۳- پس از اتمام آزمايش نمونه را درآورده و وزن مي‌كنيم. نبايد افزايش وزن داشته باشد.

آزمايش تحكيم يافته زهكشي نشده (سريع CU يا R)
1- ابتدا فشار جانبي را به آرام آرام وارد نموده و شير زهكشي را باز مي‌گذاريم تا آب خارج شود و نمونه به ۱۰۰ درصد تحكيم برسد.
۲- آنگاه شير زهكشي بسته مي‌شود. تا اين لحظه فشار تماما موثر مي‌باشد.
۳- سپس فشار محوري را وارد مي‌نمائيم تا نمونه بشكند.

آزمايش تحكيم يافته زهكشي شده (سريع CD يا S)
در تمام مدت آزمايش شير زهكشي باز است. يعني هم ۳ σ و هم σ۱ فشارهاي موثر خواهند بود. از اين آزمايش بعنوان تحكيم نمونه نيز مي‌توان استفاده كرد ولي اين عمل براي خاكهاي ريز دانه خيلي طول مي‌كشد. اشباع كردن نمونه اگر اشباع نباشد مشابه تحكيم در همان فشار همه جانبه معادل فشار جانبي وارده در محل اتفاق مي‌افتد.