1-   مقدمه

روش‌های مختلف آزمایشگاهی و صحرایی برای تعیین پارامترهای مقاومتی خاک وجود دارد. آزمایش‌های صحرایی در مقایسه با انواع آزمایشگاهی، به دلیل آنکه در شرایط طبیعی و واقعی زمین، هم از نظر اندازه، جهت و نحوه توزیع تنش‌های موجود و هم از نظر ناهمگنی­های ساختی و بافتی خاک­­ها و سنگ­ها انجام می­شوند، ارزیابی دقیق­تری از شرایط زمین را دارند. پرسیومتری یا فشارسنجی یک آزمایش برجا بوده که کاربرد وسیعی در انواع متعددی از سنگ‌های ضعیف و خاک‌ها دارد.

2-     آزمایشپرسیومتری و جایگاه آن

کوگلر و شیدیگ در سال ۱۹۳۰ دستگاه پرسیومتر را به کار گرفتند. در سال ۱۹۵۷ منارد با تکمیل این دستگاه کاربرد آن را توسعه بخشید به گونه‌ای که اکنون دستگاه پرسيومتر از وسايل مهم در آزمايش‌های برجا به شمار می‌آيد. نکته‌ی جالب توجه در آزمايش پرسيومتری، اندازه‌گيری توأم پارامترهای تغييرشکل و مقاومت می‌باشد. اساس کار بر انبساط يک استوانه بلند غشايی که در داخل گمانه قرار گرفته و می‌توان ÷ فشار وارده و بنابراين تغيير حجم (و يا تغيير شعاع) غشاء را در حين پيشرفت آزمايش اندازه‌گيری کرد، استوار است. از ویژگیهای مهم این آزمایش ارتباط بین خصوصیات مقاومتی و خصوصیات تغییر شکل‌پذیری خاک می‌باشد. به بیان دیگر، یکی از نتایج آزمایش پرسیومتر، بدست آوردن منحنی فشار- تغییر حجم است.

پارامترهای زیادی از خاک بر اساس نتایج آزمایش پرسیومتری قابل اندازه‌گیری یا مقایسه با سایر آزمایش‌ها هستند. اندازه‌گیری‌هایی که با آزمایش پرسیومتری انجام می‌شود به لحاظ مکانیزم بارگذاری انطباق بیشتری با بارگذاری‌های وارده بر توده خاکی دارد.

 مدول تغییرشکل و پارامتر مقاومتی جزء مهمترین ویژگی­های خاک­ها و سنگ­ها است که مقدار نشست زمین در اثر بارگذاری را تعیین می­کند. هر چه قدر میزان پارامترها دقیق­تر باشد محاسبات انجام شده از جمله تعیین ظرفیت باربری و کنترل نشست با دقت بالایی صورت گرفته و ضریب ایمنی سازه مورد نظر بالا خواهد رفت. به طورکلی پرسیومتر از سه بخش اصلی تشکیل شده است:

• واحد کنترل، که انبساط و فشار غشا را اندازه گیری می کند،
• محفظه ی استوانه ای انعطاف پذیر (سوند) که با فشار سیال درون آن، باد می کند،

• لوله های رابط بین واحد کنترل و محفظه

3-    انواع پرسیومتر

اختلاف اصلی بین پرسیومترها بر نحوه ی قرار گیری آنها در گمانه می باشد. پرسيومترهای متداول شامل پرسيومترهای رانشی[1] ، پرسيومترهای خودحفار[2] و پرسيومترهای پیش حفاری شده[3] می‌باشند.

آزمایش فشاری ساده (تک محوری)  Unconfined Compression

هدف از آزمایش:

هدف از این آزمایش،اندازه گیری تقریبی مقاومت برشی یک خاک چسبنده می باشد.

وسايل آزمايش :

گريس + قوطي درصد رطوبت + چكش لاستيكي+ قالب وادوات تهيه نمونه تك محوري + الك نمره40 + خاك خشك به ميزان لازم ريزدانه چسبنده + آبفشان + گرمخانه + ترازو با دقت 0.1 + ويسكاتور

تئوری آزمایش:

مقاومت برشی خاکهای چسبنده از دو نوع مقاومت اصطکاکی ومقاومت چسبندگی ناشی می شود. مقاومت اصطکاکی تابع نیروهای وزنی است که بیشتر در خاکهای دانه ای به چشم می خورد و مقاومت چسبندگی تابع نیروهای سطحی است، باید توجه داشت که چسبندگی خاک یک پارامتر ثابت نبوده، تابعی از بارمنتقل شده توسط سازه خاک است، همچنین بستگی به بارهای بین دانه ای وچگونگی انجام آزمایش دارد. درحالی که هیچ بار جانبی به نمونه وارد نشود، چسبندگی به عنوان مقاومت برشی خاک مطرح می گردد.

آزمایش فشار تک محوری نوع ویژه ای از آزمایش برش سه محوری است. این آزمایش تعیین مقاومت فشاری یک استوانه خاک بدون هیچ بار جانبی است و مشابه آزمایش سه محوری تحکیم یافته زهکشی نشده و از آن میتوان برای تعیین چسبندگی  درخاکهای رسی استفاده کرد.

 مقاومت فشار تک محوری                                           

درنمونه های رسی اشباع، مقاومت نهایی با افزایش درصد رطوبت خاک کاهش می یابد. درخاکهای غیر اشباع نیز در صورتی که وزن مخصوص خشک خاک ثابت بماند، این مقاومت با افزایش درجه اشباع اندکی کاهش می یابد.

آزمایش فشاری تک محوری این مزیت را نسبت به آزمایش برش مستقیم دارد که تنش وکرنش ها به شکل یکنواخت درآن ایجاد می شود. همچنین سطح شکست، درضعیفترین قسمت رسی اتفاق می افتد.

تهیه نمونه :

شرایط تهیه نمونه باید منطبق بر واقعیت باشد،بدین مفهوم که درصورتی که شرایط واقعی اعمال بار بر نمونه دست نخورده باشد (نظیر پی یک سازه ) باید حتی المقدور نمونه دست نخورده تحت آزمایش واقع باشد ودر صورتی که نمونه ای از یک خاکریز تحت آزمایش است ،باید نمونه دست خورده با همان شرایط رطوبت وتراکم تهیه وآزمایش شود.این آزمایش بیشتر در مورد نمونه های دست نخورده کاربرد داردو محدود به خاکهایCL-ML,MH,ML,CH,CL می باشد.

تهیه نمونه دست خورده:

در این مورد می توان از نمونه های دست نخورده شکسته شده یاازخاک دست خورده استفاده کرد.درحالت اول نمونه در یک غشاء لاستیکی پیچیده شده، آنقدر ورز داده می شود تا کاملاً همگن گردد، به طوری که ازمحبوس شدن هوا در بین دانه های خاک جلوگیری شده ،درصد رطوبت طبیعی نمونه حفظ شود . درحالت دوم خاک در قالب مخصوص استوانه ای متراکم می شود. سپس دو انتهای نمونه کاملاً صاف می شود به طوری که به محور نمونه عمود باشد.بعد از آن قالب باز شده نمونه خارج می شود.

روش آزمایش:

همانند سایر آزمایشهای مقاومت برشی ،دراینجا نیز از هردو روش کرنش کنترل شده وتنش کنترل شده به کار می روند. روش ارائه شده برای حالت کرنش کنترل شده است.

1. نمونه را در جایگاه مخصوص خود در دستگاه آزمایش قرار می دهیم ،به طوری که محور عمودی آن نزدیک مرکز بارگذاری درصفحه بارگذاری باشد.اگر راستای نمونه بر صفحه های دستگاه عمود نباشد،خیلی زود منحنی تنش – کرنش به حالت افقی خود نزدیک می شود. برای تماس مطمئن تر می توان بار 5/0 کیلوگرم بر نمونه وارد کرد . این بار اولیه در نمونه یک تغییر مکان اولیه ایجاد می کند که باید در ابتدای آزمایش تصحیح شود.
2. گیج اندازه گیری بار وتغییر مکان را روی صفر تنظیم می کنیم .سپس بارگذاری را با آهنگ کرنش 5/0 تا 2 درصد در دقیقه اعمال می کنیم.
3. قرائتهای بارگذاری را دردرصد کرنشهای زیر اندازه گیری نمایید.

 20,18,16,14,12,10,8,6,5,4,3,2,1,0.5,0.2,0.1,0

  4. فشار همچنان بر نمونه اعمال می شود تا آنکه ترک در نمونه ظاهر شود یا آنکه منحنی تنش –کرنش از مقدار بیشینه خود عبور کند. در واقع قرائتها تا جایی که یکی از سه حالت زیر اتفاق افتد ادامه می یابد:

• بار در نمونه کاهش یابد.
• بار برای 4 قرائت یکسان شود.
• تغییر مکان تا 15 درصد (یا 20 تا 25 درصد) ادامه پیدا کرده باشد.

5. نمونه گسیخته شده را در اتاق مرطوب برده ،زاویه ترک را باافق اندازه می گیریم (باید توجه داشت که این زاویه بلافاصله پس از ایجاد ترک خوانده شود). نمونه گسیخته شده را به دقت بررسی می نماییم. این مشاهده در تهیه اطلاعات وارائه بهتر نتایج به ماکمک کی کند. نمونه را وزن کرده ،بعد از خشک کردن کامل آن در گرمخانه ،درصد رطوبت آن را به دست           می آوریم.

محاسبات:

محاسبات را بر اساس کرنش وتنشهای محوری انجام می دهیم ومقدار تنش نهایی () از روی منحنی های تنش – کرنش به دست می آید.

کرنش محوری از رابطه زیر به دست می آید:                

: تغییر طول نمونه خوانده شده از کرنش سنج

: طول اولیه نمونه

تنش لحظه ای را می توان از رابطه زیر به دست آورد:               

P: بار روی نمونه در لحظه قرائت

A: سطح مقطع نمونه در لحظه قرائت P

تعیین مقدار دقیق سطح مقطع در هر لحظه مهم است . سطح مقطع در هر لحظه را می توان با ثابت در نظر گرفتن حجم نمونه به دست آورد. در لحظه شروع آزمایش حجم نمونه عبارت است از:

بعد از تغییر طول نمونه ،حجم نمونه عبارت است از:                     

با تساوی این دو رابطه مساحت سطح مقطع واقعی در هر لحظه عبارت است از :

تنش برشی بیشینه  نصف تنش فشاری  است واز رابطه زیر به دست می آید:

(P ) نیروی فشاری = فاکتور کالیبراسیون نیروسنج * (قرائت اولیه نیروسنج – قرائت فعلی نیروسنج )

درصورتی که مقاومت اوجی وجود نداشته باشد ،مقاومت درکرنش حدود15% تا20% به عنوان مقاومت اوج فرض می شود وشیب قسمت اول منحنی تنش – کرنش به عنوان مدول الاستیسیته اولیه تغییر شکل محایبه می گردد.می توان از مدول سکانت که شیب خط راستی است که از مبداء به هر نقطه ازمنحنی وصل می شود استفاده کرد.

 تئوري آزمايش:

مطالعات نشان داده است که سختي سنگ ها با مقاومت فشاري تک محوري و مدول کشساني سنگ ها در ارتباط است در واقع سختي يكي از مفاهيم رايج است كه براي توصيف رفتاري سنگها بكار مي رود. سختي تابعي از عوامل ذاتي چون نوع كاني ها، ابعاد دانه ها، چسبندگي مرزي كاني ها، مقاومت و رفتار الاستيك و پلاستيك سنگ مي باشد. تركيب و اندركنش اين عوامل،  تعيين كننده سختي يك سنگ است.  روش هاي متعددي براي تعيين سختي سنگ پيشنهاد شده است كه يكي از اين روشها بكارگيري وسيله اي به نام چكش اشميت است. كه معروف به آزمايشهاي واجهشي يا ديناميكي است. در اين دسته از آزمايش ها از يك چكش يا وزنه براي ضربه زدن به سطح سنگ استفاده مي شود و ارتفاع واجهش وزنه مقياسي براي سنجش سختي است. هرگونه رفتار پلاستيك يا تغيير شكل بر اثر ضربه، انرژي الاستيك  واجهش چكش را كاهش مي دهد.

از سوالهاي مهمي كه همواره در پايان ترم مكانيك سنگ است و بيشترين بارم را به خود اختصاص مي دهد رسم دايره موهر است در واقع با رسم دايره موهر مي توان تنش برشي max ,min و تنش عمودي max , min را بدست اورد شيوه ترسيم متفاوتي در مكانيك سنگ, مقاومت مصالح, ژئوتكنيك ارائه شده است ما دراينجا شيوه ترسيم استاد سياوشي را بيان ميكنيم:

ابتدا مقدار ∂xرا روي محو x مشخص كرده سپس مقدار Txy را ازروي ان مشخص كرده حالا ∂y را مشخص كرده و معكوس Txy را روي ان مشخص مي نماييم اين دو نقطه بدست امده را بهم وصل كرده تا مركز دايره موهر مشخص شود حال اگر از مركر خطي عمودي رسم نماييم نقاط برخورد با دايره مقادير تنش برشي بيشينه و كمينه خواهد بود نقاط برخوردمحورx با دايره تنش عمودي بيشينه (در جهت مثبت محور)و كمينه(در جهت منفي محور) مي باشد

ميتوان از فرمولهاي زير نيز استفاده كرد

ө∂=(∂x+∂y/2) –( ∂x-∂y/2)cos2ө+Txysin2ө

Tө= ( ∂x-∂y/2)sin2ө+ Txycos2ө

∂max\min=(∂x+∂y/2)+\-   1/2 √(∂x-∂y)²+4(Txy)²

Tmax\min=+\-   1/2 √(∂x-∂y)²+4(Txy)²

Tg 2ө₁=-2Txy/(∂x-∂y)

Tg 2ө₂=(∂x-∂y)/2Txy

Tg 2ө₂=(∂x-∂y)/2Txy

از مهمترين خواص مکانيکي سنگها مي توان به ويژگيهاي مقاومتي و تغيير شکل پذيري سنگ اشاره کرد. در زير به بررسي هر يک از اين ويژگيها پرداخته و روش هاي تعيين آنها را مطرح مينمائيم. اما قبل از آن بايد به نحوه ي تهيه ي نمونه هاي آزمايشگاهي براي اندازهگيري خواص بپردازيم.

◄ مغزه گيري و آماده سازي نمونه:

براي انجام آزمايش هاي مقاومت کششي، مقاومت فشاري تک محوره، مقاومت فشاري سه محوره ،آزمايش مقاوت کششي غير مستقيم نيازمند نمونه هايي با استاندارد هاي مشخص مي باشيم. اين نمونه مغزه ناميده مي شود.

مغزه‌ها نماينده يك توده سنگ در آزمايشگاه مي‌باشند، اما به دليل اينكه يك قسمت كوچكي از توده سنگ هستند فقط اطلاعات كمي ولي با ارزشي را بيان مي‌كنند.

براي مغزه‌گيري از توده سنگ از حفاري چرخشي استفاده مي‌شود. مته‌هاي حفاري عامل انتقال انرژي از لوله حفاري به سنگ مي‌باشند كه اين انرژي به صورت چرخشي به سنگ وارد مي‌شود. مته‌ها بر اساس مواد تشكيل دهنده و برنده‌ها(cutter) به انواع مختلفي تقسيم مي‌شوند.

بعد از مغزه گيري نمونه را بايد آماده سازي كرد. نمونه ها بايد استوانه‌اي باشند كه سر وته آنها توسط ارة فولادي يا الماسه بريده شده و تلرانس ناصافي آن زياد نباشد.سطوح جانبي نمونه بايد صاف و عاري از هر گونه ناهمواري شديد باشد و حداكثر در طول نمونه 5/0 ميليمتر باشد.سطوح انتهايي مغزه بايدبايكديگر موازي و عمود بر محور مركزي مغزه باشند.معمولاُ برا ي پرداخت نمودن سطوح انتهايي مغزه‌ها از دستگاه ساينده و سپس از پودرهاي خاصي براي از بين بردن تلرانس نمونه استفاده مي‌كنند.

بعد از بدست آمدن نمونه هاي استاندار ميتوان آزمايش هاي مختلف را بر روي آنها انجام داد. در قسمت هاي بعدي به اين موضوع پرداخته ميشود.

 يکي از مهمترين عوامل مؤثر بر مقاومت فشاري يک محوره، صلبيت ماشين آزمايش است. وقتي ماده اي شکننده مثل سنگ در ماشين بارگذاري معمولي تحت نيروي فشاري قرار ميگيرد، با افزايش بار مقداري انرژي کرنشي الاستيک در بدنه ماشين ذخيره مي گردد. در چنين ماشين هايي که تحت عنوان ماشين نرم شناخته مي شوند، پس از رسيدن نمونه به مقاومت نهايي و گسيختگي آن، انرژي کرنشي الاستيک ذخيره شده در ماشين به صورت ناگهاني آزاد شده وصفحات بار گذاري ماشين به سرعت به سمت يکديگر حرکت مي‌کنند. اين حرکت ناگهاني باعث خردشدگي شديد نمونه و در نتيجه شکست انفجاري آن ميگردد. در حالي که در مهندسي سنگ ما نيازمند اندازه گيري مقاومت باقيمانده ي سنگ بعد از شکست مي‌‌باشيم.

بطور کلي با اعمال نيروي P در يک آزمايش فشاري باعث تغيير شکل در نمونه و در ماشين مي گردد. بنابراين انرژي الاستيک ذخيره شده در ماشين آزمايش از رابطه زير به دست مي آيد:

رابطه اخير نشان مي دهد که هر چه صلبيت ماشين بيشتر باشد، انرژي الاستيک ذخيره شده در آن کمتر خواهد بود. بدين ترتيب اثر تخريبي ماشين آزمايش روي نمونه کاهش مي يابد. به عبارت ديگر براي اجتناب از شکستن انفجاري نمونه ها، لازم است که صلبيت ماشين به مراتب بيشتر از صلبيت نمونه پس از گسيختگي باشد که اين حالت در ماشين هاي آزمايشي نرم وجود ندارد.

به عبارتي چنانچه ماشين صلب باشد، مقدار انرژي آزاد شده در اثر بار برداري کمتر از انرژي جذب شده توسط نمونه مي باشد. بنابراين انرژي آزاد شده ماشين به راحتي توسط نمونه جذب مي گردد. بدين ترتيب مي توان تغيير شکل نمونه را بعد از نقطه اوج نيز اندازه گيري نمود. اما انرژي آزاد شده توسط ماشين نرم بيشتر از انرژي قابل جذب توسط نمونه است و در نتيجه نمونه دچار شکست انفجاري شده و امکان ترسيم منحني تنش- کرنش بعد از نقطه اوج وجود ندارد.

طراحي پي ها بر روي توده هاي سنگي شامل بررسي جنبه هاي مختلفي مي باشد. يكي از اين جنبه ها علاوه بر بررسي مساله نشست و ناپايداري ، تعيين ظرفيت باربري پي هاي سنگي مي باشد. درمقاله حاضر ضمن معرفي روشهاي مختلف تخمين ظرفيت باربري پي هاي سنگي در خصوص پي هاي كم عمق، مقايسه اي بين نتايج بدست آمده از ظرفيت باربري مجاز حاصل از روشهاي مختلف براي 5 نوع توده سنگ (در حالتهاي دست خورده و دست نخورده) انجام گرفته است.

كلمات كليدي:

ظرفيت باربري ، پي سنگي ، توده سنگ

برای دانلود مقاله به ادامه بروید