آزمایش برش پره (VST)

کلیات

اندازه گیری مقدار لنگر پیچشی پره برش که با ابعاد معین در خاک فرو رانده شده و با سرعت ثابت معلوم به چرخش وا داشته شده، برای محاسبه چسبندگی زهکشی نشده نهشته های خاکی به ویژه خاک های چسبنده خیلی خمیری، آزمایش برش پره نامیده می شود.

اولین مورد استفاده از یک وسیله برش پره توسط جان اولسن(1918) در سوئد انجام شد . اما استفاده وسیع و قابل پذیرش از این وسیله صورت نگرفت تا پس از اینکه کار تکمیلی انیسیتوی ژئو تکنیک سوئدی رویال در فاصله سالهای 1947 تا 1949 در مورد این آزمایش انجام گرفت و سپس بوسیله کادلینگ و اودینستاند در سال 1950 نتیجه آن گزارش داده شد . در همان دوره اسکمپتون (1948) نیز نتایجی را در مورد آزمایش برش پره ارزیابی نموده و گزارش داد. از آن زمان آزمايش پره استفاده فزاینده ای در بیشتر قسمتهای جهان پیدا نمود .

ASTM D 2573 آزمایش برش پره در محل و ASTM 4648-87 آزمایش برش پره میناتوری در آزمایشگاه را استاندارد کرده است.

روش انجام آزمایش

برای آزمایش، ابتدا پره در داخل خاک فرو رانده می شود. سپس در بالای میله، لنگر پیچشی اعمال می شود به طوری که پره با سرعت ثابتی بچرخد. استوانه ای از خاک به ارتفاع h و قطر d در مقابل لنگر پیچشی مقاومت خواهد کرد تا لحظه ای که خاک گسیخته شود. حال می توان چسبندگی زهکشی نشده خاک را محاسبه کرد. به این ترتیب که اگر T حداکثر لنگر پیچشی وارد بر بالای میله پیچشی برای ایجاد گسیختگی باشد، مقدار آن باید مساوی مجموع لنگر مقاوم نیروی برش در امتداد سطح جانبی استوانه خاک (Ms ) و لنگر مقاوم نیروی برشی در بالا و پایین استوانه خاک (Me) باشد .

نكات مربوط به آزمايش در هنگام اجرا

• كنترل كنيد كه نوع خاك مورد آزمايش ، چسبنده و مناسب براي تعيين مقاومت برشي توسط پره برشي باشد . ( خاكهاي خيلي ماسه اي يا ترد و شكننده براي اين آزمايش مناسب نيستند )
• سر پره و تيغه پره هر دو تميز و خشك باشند و نشانگر يا شاخص آزادانه بتواند حركت كنند و در هيج وضعيتي گير نكنند.
• كنترل كنيد كه تيغه و ميله پره با هم متناسب باشند و خم يا صدمه ديده نباشند .
• پره برشي را به صورت عمودي نسبت به سطح خاك نگهداريد و تيغه پره را به داخل خاك به عمق حد اقل دو برابر طول تيغه پره فشار دهيد . اغلب 70 تا 80 ميلي متر براي ايجاد برش روي لبه هاي قائم تيغه پره ،بدون حركت سطح خاك در حالت دست نخورده ، كافي است .
• عمق حفاري پره نبايد بيشتر از طول ميله تيغه پره باشد .
• نشانگر بايد در وضعيت شروع صحيح قرار داشته باشد .
• سر پره را در يك يا دو دست نگهداريد . نشانگر را تميز كنيد و خيلي آرام به طور يكنواخت آنرا بچرخانيد .
• وقتي خاك برش مي خورد ، نيروي گشتاور اعمالي توسط نشانگر ثبت مي شود .
• زمانيكه خاك به حد اكثر مقاومت برشي خود رسيد و به طور كامل گسيخته شد عقربه نشانگر ديگر حركت نمي كند و در اين حالت آزمايش به اتمام رسيده است .

اجزاء وسيله آزمايش

• پره
• وسایل اعمال لنگر
• وسایل اندازه گیری
• رادهای اضافه
• نمودار کالیبره شده یا ضریب دستگاه
• جعبه حمل دستگاه

1) پره :

پره متشكل از چهار تیغه فولادی نازک با ابعاد مساوي است که به یک شفت جوش شده اند؛ كه این شفت باید داراي صلبيت کافی باشد. پره ها ممکن است بصورت مستطيلي يا با نوک مخروطی باشند.

ابعاد تيغه ها طبق استاندارد آشتو، بايستي مطابق جدول زير تعيين گردند :

U.S.B.R برای DH از ابعاد 2 4، 3 6 و 4 8 استفاده می کند.

2) انواع وسایل اعمال لنگر پیچشی :

الف ) وسايل دستي :

1- ساده : پيچش بوسيله يك دستگيره دايروي و يا يك دسته تی شكل اعمال مي گردد.

2-چرخ دنده ای: پيچش به كمك يك هندل و توسط سيستم جعبه دنده ، به شفتهاي پيچشي منتقل مي شود. مكانيسم عمل چرخ دنده ها به گونه اي است كه بطور مثال در دستگاه نشان داده شده ،اگر هندل با سرعت 12دور در دقیقه چرخانده شود ، سرعت اعمال گشتاور یک صدم درجه در ثانیه مي گردد.

ب ) وسايل الكتريكي : اين دستگاهها داراي يك مبدل الكتريكي بوده و با تنظيم ولتاژ و يا دور موتور ، مي توان گشتاور مورد نظر و یا سرعت اعمال گشتاور را وارد نمود.

3) وسایل اندازه گیری :

الف) دستگاههای الکتریکی : در این دستگاهها اندازه گیری گشتاور با توجه به ولتاژ دستگاه صورت می گیرد .

ب) دستگاه برش پره دارای فنر پیچشی : بطور کلی مکانیسم کار در این دستگاهها به صورت زير است:

اعمال گشتاوربا سرعت ثابت ← تغيير طول فنر ← انتقال نيروي فنر به پره ←افزايش تغيير طول فنر ← گسيختگي خاگ ← رها شدن ضامن ← ثبت گشتاور ماكزیمم ← تعيين

مقاومت برشي با توجه به نوع دستگاه

ج) گیج های الکتریکی اندازه گیری تنش و کرنش که در بالای پره ها قرار ميگيرند: يكي از دقيقترين ابزار اندازه گيري گشتاور، بخصوص براي اعماق زياد مي باشد. خطاهای ناشی از اصطکاک رادها و پیچش رادها دراندازه گیری وارد نمی گردد. . این اندازه گیر را می توان مستقیماً به یک قابل حمل متصل نموده و با وارد کردن زمان ، نمودار های مختلف را در مورد خاک مورد آزمایش ، استخراج نمود .

4)رادهای اضافه شونده :

با افزايش عمق آزمايش ، از اين رادها استفاده مي گردد. رادها بايد داراي صلبيت كافي باشند.

5)نمودار كاليبره شده يا ضريب دستگاه :

به كمك اين نمودار يا ضريب ، مي توان مقاومت برش پره را با توجه به عدد قرائت شده از روي صفحه مدرج ، بصورت مستقيم بدست آورد. اين نمودار با توجه به شماره سريال تيغه ها و شماره سريال صفحه مدرج ، مورد استفاده قرار مي گيرد.

6)جعبه حمل دستگاه :

اين جعبه شامل آچارهايي براي نصب و يا باز كردن قسمتهاي مختلف دستگاه و آداپتورهايي براي اتصال رادهاي اضافه شونده مختلف به قسمت بالايي دستگاه می باشد.

تعيين مقاومت برشي خاك با استفاده از آزمایش پره

براي آزمايش،ابتدا پره در داخل خاک فرو رانده مي شود سپس در بالاي ميله لنگر پيچشي اعمال مي شود به طوريکه پره با سرعت ثابتي بچرخد. استوانه اي به ارتفاع H و قطر معين D در مقابل لنگر پيچشي مقاومت خواهد کرد تا لحظه اي که خاک گسيخته شود.

T= Ms+Mt+Mb

Ms=πD^2×H×Su/2

Mt=Mb=πD^3×Su/12

Su=T/(π(D^2×H/2+D^3/6))

حدا كثر لنگر پيچشي اعمال شده = T

لنگر مقاوم در طرفين استوانه = Ms

مجموع لنگر مقاوم در بالا = Mt

مجموع لنگر مقاوم در پايين = Mb

مقاومت برشي زهكشي نشده = Su

اگر فقط يک انتهای پره در برش خاک رس نقش داشته باشد مقاومت برشي زهكشي نشده بصورت زير قابل محاسبه مي باشد:

Su=T/(π(D^2×H/2+D^3/12))

تعيين مقاومت طبق رابطه كالدينگ :

• β=1/2 براي توزيع مثلثي
• β=2/3 براي توزيع يكنواخت
• β=3/5 براي توزيع سهمي

برای پره هایی که هم در قسمت بالای آن و هم در قسمت پایین آن مثلثی هستند، مقاومت برشی زهکشی نشده از رابطه زیر به دست می آید که در آن iT زاویه شیب بالای پره و iB زاویه شیب پایین پره است.

برای پره های مستطیلی (Rectangular)رابطه روبرو برقرار خواهد بود.

برای پره های نیلکون (Nilcon) رابطه روبرو برقرار خواهد بود.

برای پره های ژئونور (Geonor) رابطه روبرو برقرار خواهد بود.

تعيين مقاومت برشي خاك طبق دستورالعمل انجمن ژئو تكنيك زلاندنو

مقدار لنگر اعمالي= M

ثابتي است كه بستگي به ابعاد و شكل پره دارد=k

K=πD^2 H / 2 ×(1+ D/3H ) × 10^-6

در اين دستورالعمل اندازه استاندارد قطر ميله 19ميليمتروارتفاع تيغه 29 ميليمتر مي باشد.در اين دستورالعمل به منظور افزايش كارائي ميله پارامتري را به نام نسبت مساحت تعريف كرده كه به صورت زير مي باشد :

• اين نسبت تا آنجاكه ممكن است بايد كم باشد و نبايد از 25 در صد بيشتر شود .
• D = 0.1 mm قطرتيغه با دقت
• T = 0.01 mm ضخامت تيغه با دقت
• D = 0.1 mm قطر ميله پره با دقت

تعيين ضریب برای اصلاح Cu

بیروم (1971) پیشنهاد می کند که برای مقاصد عملی، نتیجه به دست آمده از آزمایش برش پره باید طبق رابطه زیر اصلاح شود :

بیروم تغییرات ضریب اصلاح فوق را با نشانه خمیری طبق منحنی روبرو پیشنهاد می دهد:

اس و همکاران (1986) تغییرات را بر حسب نسبت Cu به دست آمده در صحرا به (فشار موثر سربار موجود) مطابق شکل زیر توصیه می کند :

چاندلر(1988) تغییرات ضریب اصلاح فوق را با نشانه خمیری طبق منحنی زیر پیشنهاد می دهد:

اصلاح Cu برای اختلاف سرعت دورانی پره برش

برای شیل :

برای کائولینیت :

ASTMگزارش موارد زیر در آزمایش برش پره را لازم می داند :

• روش انجام آزمايش
• تاريخ انجام آزمايش
• شماره گمانه
• اندازه و شكل پره ( مستطيلي يا مخروطي )
• شماره سريال قسمت فوقاني دستگاه و تيغه ها ( اختياري )
• عمق نوك پره
• عمق نوك پره از ته چانه يا گمانه
• ماكزيمم پيچش قرائت شده
• زمان رسيدن به گسيختگي
• سرعت بازسازي يا به هم زدن خاك ( در صورت انجام )
• ماكزيمم پيچش قرائت شده براي آزمايش بازسازي شده
• مقاومت برشي زهكشي نشده به دست آمده

آزمایش برش پره روی نهشته های خاکی زیر مناسب است

آزمایش برش پره یکی از معمولترین روشهای آزمایش درجا به منظور تخمین مقاومت برش زهکشی نشده خاک می باشد . این آزمایش معمولاً بر روی خاکهای چسبنده نرم اشباع ، خاکهای سیلتی ، رسوبات آلی و بعضاً برای تعیین مقاومت برشی لجن و زباله های بیولوژیکی مناسب می باشد.

اين آزمايش در مورد رسهاي نرم با مقاومت كمتر از 0.3 (سه دهم) کیلو گرم بر سانتیمتر مربع و با درصد رطوبت نزديك به حد مايع ، بسيار مناسب مي باشد. اين آزمايش در مورد خاكهاي ماسه اي (به علت زهكشي در طول آزمايش) و رسهاي خيلي سخت انجام نمي شود.

نتایج برخی از آزمایشات نشان دهنده برتری آزمایش پره نسبت به آزمایشات محدود نشده در رسهای نرم می باشد. همچنين هزينه و وقت كمتري صرف مي كند.

مزایا

• سریع و اقتصادی
• تجهیزات و آزمایش ساده
• روش ارزان برای اندازه گیری رس حساس
• نتایج تجدید پذیر در خاکهای هموژن

معایب

• محدود شده برای خاکهای نرم تا سفت
• مقاومت آن باید تصحیح گردد
• نتایج آن می تواند در لنز های ماسه ای و شیل ها و خاکهای انیسوتروپیک تاثیر گذار باشد.

منابع خطا و اصلاح پارامترها

• اصطكاك رادها( Rod ) و در آنها : براي حل اين مشكل از غلاف يا اندازه گيرهاي نصب شده در نزديك پره ها استفاده مي شود ويا مقدار اصطكاك با انجام آزمايش ، بدون پره اندازه گيري مي شود؛ همچنین در شرایط خاص ممکن است پره تا سر میله در نمونه نفوذ کند به طوریکه اساسا راد کلا بیرون نمونه قرار گیرد.
• كرنش پيچشي در رادها : بدليل عدم صلبيت كامل رادها ، بايستي به براي پيچش كاليبره شوند.
• نتايج اين آزمايش ، در صورت وجود لايه هاي ماسه اي ، دانه هاي شن ، قشرهاي سخت و ريشه درختان ، ممكن است داراي خطاي زيادي گردد.

فاکتورها و متغیرهایی که بر نتایج VST تاثیرگذارند:

دستگاه پره برشی صحرايي الكتريكي

در زیر نمودار به دست آمده از نرم افزار Geoving که برای ارزيابي مقاومت برشي بر اساس آزمايش برش پره بکار می رود، نمايش داده شده است : در اين نمودار تفاوت بين گشتاور كل و گشتاور ميله درثابت اندازه پره ضرب شده است .

اجزاء مدل استاندارد وسايل پره الكتريكي

• سروسيله
• پره
• قسمت پائين پره كه به شكل مخروط است
• پيچاننده لغزشي با محدوديت 15 درجه
• پردازشگر داده ها (pc )
• هيچ محافظ پره يا غلافي (لوله هاي SPT ) استفاده نمي شود .

روش كار دستگاه پره برشی صحرايي الكتريكي

• درمدل استاندارد ، ميله هاي طولي در ميان دستگاه ثبات قرار مي گيرد.
• يك پيچاننده لغزشي بين ميله هاي طولي و پره براي اندازه گيري اصطكاك بين ميله هاي طولي و لوله غلاف سوار مي شود .
• گشتاور اعمالي با گيج هاي كرنش اندازه گيري مي شود .
• زواياي چرخش هر نيم درجه ثبت ميشود.
• تمام اين اطلاعات دريك پردازه صحرايي يا Geologg _ Pc ثبت مي شود .
• شكل منحني ، يك كنترل صحيح از آزمايش و شاخص طبيعت خاك را توليد ميكند .

آزمايش برش پره مينياتوري Torvane Pocket vane test

• شكل اصلاح شده از دستگاه برش پره : توروين( Torvaine) است كه يك وسيله دستي با فنر كاليبره شده ميباشد.
• از اين وسيله ميتوان براي تعيين Cu در اكتشافات صحرائي ويا نمونه هاي جمع آوري شده در آزمايشگاه استفاده كرد .
• روش كار همانند آزمايش برش پره مي باشد.
• مقاومت برشي زهكشي نشده در هنگام گسيختگي روي صفحه مدرج دستگاه ثبت مي شود.

مزاياي استفاده از دستگاه توروين(Torvane) :

1)تعيين سريع مقاومت برشي :

از آنجا كه نحوه كار با دستگاه و نيز آماده سازي محل انجام آزمايش ، ساده و آسان است ، تعداد زيادي آزمايش توروين را مي توان در مدت زمان كوتاهي انجام داد . به همين دليل ، آزمايش توروين را مي توان به عنوان يك آزمايش كنترلي براي تعيين مقاومت برشي خاك ، قبل از آزمايشات ديگر استفاده نمود.

2)وجود سه نوع پره قابل تعويض براي خاكهاي با استحكام متفاوت :

پره حساس : براي خاكهاي نرم با مقاومت برشي در محدوده تا 0.2 kg/cm^2 مناسب مي باشد .

پره استاندارد : براي تنشهاي برشي در محدوده تا به1 kg/cm^2 كار مي رود .

پره با ظرفيت اندازه گيري برشهاي بالا : براي تنشهاي برشي بالا تا محدوده2.5 kg/cm^2 قابل استفاده است . قطر ديسك در اين نوع پره برابر با 75 اینچ می باشد.

همچنين ممكن است پره هاي اين دستگاه از نوعي پلاستيك مخصوص ساخته شده باشند ، كه اين مساله باعث سبكتر و ارزانتر شدن دستگاه و افزايش سرعت تعويض پره ها مي گردد.

3)آسان بودن استفاده از اين دستگاه ، چه در محل و چه در آزمايشگاه :

كل چيزي كه در اين آزمايش مورد نياز است ، يك سطح صاف با قطر حداقل 2 اينچ مي باشد.

---