کلیات آزمایش سه محوری (مکانیک، خاک و سنگ)

کلیات آزمایش سه محوری:
یکی از روش های متداول برای اندازه گیری خواص مکانیکی مواد، استفاده از «آزمایش برش سه محوری» (Triaxial Shear Test) است.

این روش اغلب برای اجسام شکل پذیری مانند خاک (شن و ماسه)، سنگ و دیگر مواد دانه ای مورد استفاده قرار می گیرد.

در آزمایش سه محوری، نحوه و میزان تنش های اعمال شده به نمونه تحت آزمایش در یک راستا با تنش های عمود بر آن تفاوت دارند.

این نوع بارگذاری، با قرار دادن نمونه بین دو صفحه فلزی موازی، اعمال تنش در راستای عمود بر صفحات (فشار محوری) و سپس، اعمال فشار جانبی از طریق سیال دربرگیرنده (معمولاً آب) به نمونه انجام می شود.

برخی از دستگاه های آزمایش برش سه محوری، دارای قابلیت اعمال تنش های مختلف در هر سه جهت عمود بر هم هستند. در شکل زیر، یک دستگاه معمولی انجام آزمایش سه محوری به همراه اجزای مختلف آن نمایش داده شده است.

تنش فشاری، موجب شکل گیری تنش برشی و گسترش آن در درون نمونه می شود. در دستگاه های مخصوصِ انجام آزمایش سه محوری، امکان افزایش بارگذاری و بررسی تغییر شکل تا لحظه شکست نمونه وجود دارد. میزان فشار سیال دربرگیرنده و تنش اعمالی صفحات تا هنگام رخ دادن شکست و شکل گیری ناحیه لغزش در نمونه افزایش می یابد.

به ناحیه شکل گیری لغزش بر روی نمونه، «خطوط برش» (Shear Bands) گفته می شود. مراحل پایانی آزمایش، با کاهش ارتفاع و ایجاد برآمدگی در کناره های نمونه همراه خواهد بود. در این مرحله، تنش فشاری صفحات کاهش و فشار جانبی سیال دربرگیرنده افزایش می یابد.

این تغییر در نحوه بارگذاری، موجب افزایش مجدد ارتفاع نمونه خواهد شد. معمولاً برای جمع آوری اطلاعات مورد نیاز در مورد تنش و کرنش، چرخه بارگذاری چندین بار تکرار می شود.

فشار منفذی سیال (آب، روغن و غیره) یا گازهای مورد استفاده را می توان به وسیله «دستگاه فشار منفذی بیشاپ» (Bishop’s Pore Pressure Apparatus) در حین انجام آزمایش اندازه گیری کرد.

داده های به دست آمده از آزمایش سه محوری، برای تعیین خواصی از قبیل زاویه مقاومت برشی (زاویه اصطکاک)، چسبندگی ظاهری و زاویه اتساع مواد مختلف مورد استفاده قرار می گیرند. با به کارگیری این پارامترها در مدل های کامپیوتری می توان رفتار مواد در مسائل واقعی مهندسی را پیش بینی کرد.

به عنوان مثال، با وارد کردن پارامترهایی نظیر زاویه اصطکاک، چسبندگی و چگالی ماده در نرم افزارهای ژئوتکنیکی (مانند Slide)، امکان مشاهده رفتار احتمالی شیب های خاکی و سنگی، یعنی پایداری یا ناپایداری آن ها فراهم می شود.

آزمایش های سه محوری در کنار دیگر آزمایش ها برای انجام پیش بینی های مهندسی مورد استفاده قرار می گیرند.

اتساع پذیری و فشردگی مواد:
در حین فرآیند برش، مواد دانه ای معمولاً دچار کاهش یا افزایش حجم می شوند. اگر نمونه در حالت اولیه خود به صورت متراکم باشد، حجم آن در طی آزمایش افزایش خواهد یافت.

به این افزایش حجم، پدیده «اتساع پذیری» (Dilatancy) می گویند. در طرف مقابل، در صورتی که نمونه پیش از بارگذاری به صورت سست باشد، پیش از رخ دادن یا در حین برش، احتمال کاهش حجم (فشردگی) آن وجود خواهد داشت.

گاهی اوقات، برای نمونه هایی با چسبندگی بالا می توان از «آزمایش مقاومت فشاری محصور نشده» (Unconfined Compression Test) استفاده کرد.

این آزمایش با عناوین دیگری نظیر «آزمایش فشاری ساده» یا «آزمایش تک محوری» نیز شناخته می شود و در آن، نمونه تحت هیچ فشار جانبی قرار نمی گیرد.

در این آزمایش، دستگاه مورد نیاز و آماده سازی نمونه بسیار ساده تر و ارزان تر است اما کاربرد آن محدود به نمونه هایی است که در صورت قرارگیری در معرض هوا خرد نشود.

به علاوه، از آنجایی که تنش محصورکننده در این حالت کمتر از تنش برجا است، امکان به دست آوردن نتایج محافظه کارانه (مقاومت بسیار پایین) نیز وجود خواهد داشت.

آزمایش تعیین مقاومت فشاری بتن و آزمایش مقاومت فشاری محصور نشده مشابه یکدیگر هستند؛ با این تفاوت که در آزمایش بتن، از دستگاه های مخصوصِ نمونه های بزرگ تر و با قابلیت بارگذاری بیشتر استفاده می شود.