مقاومت برشى خاکها وسنگ ها

مقاومت برشى خاک وسنگ عبارت است از استقامت آن براى تحمل نيروى هاى برشى وارده بر واحد سطح آنها. يک نمونه زمانى گسيخته مى شود که مقاومت نمونه دو برابر نيروى برشى وارده بر آن از بين رود. وبه عبارت ديگر وقتى يک نمونه تحت تاثير نيروى برشى قرار مى گيرد چقدر استقامت دارد.

عوامل موثر در مقاومت برشى خاکها

1- چسبندگى 2- زاويه اصطکاک داخلى 3- تنش قائم

چسبندگى cohesion=(c) ذاتى –ظاهرى(در خاکها) يک خاصيت ذاتى است که بوسيله عوامل زير کنترل مى شود:

الف-نوع خاک(خمير خاک)

ب- اندازه ذرات خاک

ج- شکل ذرات خاک

د- دانه بندى ذرات خاک

ه- درصد رطوبت خاک

الف- نوع خاک (جنس خاک)

خاکها تحت تاثير دو عامل توليد مى شوند(هوازدگى فيزيکى-هوازدگى شيميائى سنگ)

گرانيت را در نظر مى گيريم :

کائولينيت –ايلمنيت-مونت مورينيت ß خاک هاى رسى = هوازدگى شيميايى،تجزيه شيميايى – گرانيت(کوارتز-فلدسپات- ميکا) –هوازدگى فيزيکى/تخريب مکانيکى - شن ،ماسه،سيت ،کوارتز،فلدسپات ،ميکا يعنى خاک هاى دانه اى

نتيجه : خاکهاى رسى در مقايسه با خاک هاى دانه اى چسبندگى بيشترى دارند لذا به خاک هاى رسى مى گوئيم خاک هاى چسبنده مى گويند. (خاک هاى چسبنده (Cohsive soil

ب- اندازه ذرات خاک

هر چه اندازه ذرات کوچکتر باشد چسبندگى بيشتر است .براى خاک هاى دانه اى چسبندگى ظاهرى است وبراى خاک هاى رسى چسبندگى ذاتى است

ج –شکل ذرات خاک رس

هر چه ذرات خاک زاويه دار تر باشند(يعنى گردشدگى کمتر باشد) چسبندگى بيشتر است.

د- دانه بندى ذرات خاک

خاک ها از نظر دانه بندى به سه دسته تقسيم مى شوند.

الف- خاک هاى خوب دانه بندى شده ناهمگن از نظر زمين شناسي= خاکى که سه نوع دانه را دارد (شن وماسه و...)ومنشاء آبرفتى دارد.

ب- خاکهاى بد دانه بندى شده= خاکى که نوع خاصى از ذرات را دارد وفشار ومنشاء آبرفتى دارد

ج- خاکهاى با دانه بندى ناقص =خاکى است که ذرات درشت دانه در متن ريز دانه قرار دارد ومنشاء يخچالى دارد.

تاثير اين خاکها در چسبندگى

خاک خوب دانه بندى شده: چسبندگى زياد است چون تماس بين ذرات زياد است.

خاک بد دانه بندى شده : چسبندگى کم است چون ذرات هم اندازه اند ومقياس بين ذرات نقطه اى است

خاک با دانه بندى ناقص: حد وسط چسبندگى را دارند.

ه- درصد رطوبت

حضور آب درخاک به 2 صورت باعث بالا رفتن چسبندگى خاک مى شود.

1- رفتار فيزيکى خاک را تغيير مى دهد وچسبندگى بيشتر در خاک حاصل مى شود

2- ايجاد خاک هاى موئينه اى بين ذرات جامد خاک وبالا رفتن چسبندگى (شن وماسه)

- در خاک هاى رسى افزايش درصد رطوبت باعث کاهش چسبندگى مى شود.

- در خاک هاى دانه اى افزايش درصد رطوبت باعث افزايش چسبندگى مى شود.

زاويه اصطکاک داخلى Internal Friction Angle(a)

زاويه اطصکاک داخلى يک خاصيت ذاتى خاک يا سنگ است که ميزان ناهموارى سطوح شکستگى را نشان مى دهدوبطور مستقيم در استقامت آنها تاثير دارد.در محل تماس يک حرکت در سطح ناهموار اتفاق مى افتد که به زاويه اين سطح ناهموارQ مى گويند.

عوامل موثر روى زاويه اصطکاک منحنى(خاکها)

الف- نوع خاک

ب- اندازه ذرات خاک

ج-شکل ذرات خاک

د- دانه بندى ذرات خاک

الف- نوع خاک

خاکهاى حاصل ازهوازدگى فيزيکى، زاويه Q بزرگترى نسبت به خاک هاى حاصل ازهوازدگى شيميائى دارند.به عبارت ديگر خاک هاى دانه اى زاويه Q بزرگترى نسبت به خاک هاى رسى دارند.

ب- اندازه ذرات خاک

هر چه اندازه ذرات خاک بزرگتر باشد زاويه Q خاک بزرگتر است(عکس حالت الف)

ج- شکل بندى ذرات خاک

هر چه ذرات گردشدگى کمترى داشته باشند و گوشه دارتر باشند)زاويه Q انها بزرگتر است چون ،تداخل ذرات بيشتر- سطوح ناهموارتر

نتيجه: خاک هاى واريزه اى > خاک هاى آبرفتى> خاک هاى بادى

د- دانه بندى ذرات خاک

هرچه دانه بندى خاک همگن تر- زاويه Q کمتر خاک با دانه بندى بد

هرچه دانه بندى خاک ناهمگن تر – زاويه Q بشتر = خاک با دانه بندى ناقص خاک خوب دانه بندى .

تنش قائم

تنش قائم برابر است با نيروى قائم وارده بر واحد سطح نمونه در زمان بارگذارى برش.

هر چه تنش قائم بيشتر- مقاومت برشى بيشتر

تنش قائم با افزايش فشار آب منفذى کاهش مى يابد وباعث کم شدن مقاومت برشى خاک مى شود.

اگر نمونه مورد آزمايش اشباع باشد.در محل خط شکستگى فشار آب درجهت عکس تنش قائم عمل مى کند.

نحوه ارزيابى مقاومت برشى خاک ها

يکى از روش هاى متداول براى ارزيابى مقاومت براى خاک ها انجام آزمايشات برش مستقيم است. در اين آزمايش نمونه خاک در حضور تنش قائم ثابت مورد بارگذارى برشى قرار مى گيرد.اعمال بارگذارى برشى تدريجى است و در هر مرحله ميزان جابجايى افقى اندازه گيرى ميشود. بارگذارى برشى تا گسيخته شدن نهائى نمونه ادامه مى يابد.

اين آزمايش در 4 مرحله انجام مى شود که در هر مرحله مقدار تنش قائم تغيير مى کند.

شرح آزمايش

نمونه را در يک محفظه قرار مى دهيم (معمولاً چهار گوش به ابعاد 5×5 سانتيمتر) هر چه ذرات ما درشت تر باشد از محفظه بزرگترى استفاده مى کنيم.

ابعاد محفظه هاى موجود

Cm 50×50 cm 30×30 cm10×10 cm5×5

سطح مقطع محفظه يا مربعى شکل است که بيشتر متداول است ويا دايره اى مشکل

پس از قرار دادن نمونه در داخل محفظه،محفظه را در داخل دستگاه آزمايش قرار داده ونمونه کلاً در آب شناور مى گردد.

از قسمت بالا تنش قائم بر نمونه اعمال مى شود وباز بودن قسمت وسط اين امکان را به نمونه مى دهد که در افق جابجائى انجام دهد.در حقيقت قسمت وسط بارگذاشته مى شود تا تنش برشى اعمال شود. تنش قائم در هر مرحله ثابت است . پس نمونه در حضور تنش قائم ثابت مورد آزمايش تنش برشى قرار مى گيرد.

حال اين آزمايش را در 4 مرتبه با تغيير تنش قائم انجام مى دهيم.مى بينيم که هر چه فشار بيشتر مى شود –شيب بيشتر مى شود- مقاومت بيشتر مى شود- مقدار جابجايى کم مى شود

بطور کلى دو نوع مقاومت داريم : مقاومت حداکثر-مقاومت نهائى

مقاومت حداکثر زمانى است که نمونه گيسخته شده ولى ظاهر نشده را بصورت سطحى ناپيوسته شکسته بوجود آمده از اين نقطه (نقطه مقاومت حداکثر (به بعد مقاومت نمونه از بين رفته ونمونه گسيخته مى شود.

نتيجه: مقاومت حداکثر بيشتر از مقاومت نهائى است.

مقاومت برشى سنگها

سنگ برخلاف خاک يک جسم پيوسته است (خاک تجسمى) ناپيوسته از ذرات جامد است که هيچ پيوندى بين ذرات نيست بنابراين مقامت برشى سنگ ها در مقايسه با خاکها بيشتر است.وقتى خاک تحت تاثير نيروى برشى قرار مى گيرد براحتى گسيخته مى شود. ولى وقتى سنگ تحت تاثير نيروى برشى قرار مى گيرد- براحتى گسيخته نمى شود وشرايط آزمايشگاهى براى انجام آن ميسر نيست. لذا سنگها عموماًً در طول سطوح ناپيوسته خود گسيخته مى شوند بنابراين خصوصيات اين سطوح ناپيوسته تاثير زيادى در مقاومت برشى يک سنگ دارد.

سطوح ناپيوسته(سطحى که رفتار مهندسى در 2 طرف آن تغيير مى کند) شامل :

1- سطوح لايه بندى

2- سطوح گسله

3-سطوح درز وشکاف

4- سطوح دگر شيبى

5- سطوح هوازده

سوال،مقاومت برشى سنگ چه کاربردى دارد؟

مثلاً ناپايدارى در سطوح شيب دار: در سطوح شيب دار اگر سنگ بخواهد حرکت لغزشى داشته باشد اين لغزش در اثر مولفه برشى (مولفه قائم) از حرکت سنگ جلوگيرى مى کند. لذا براى ارزيابى مقاومت برشى سنگ بايد نمونه اى داشته باشيم که داراى سطح ناپيوسته باشد وآنرا در آزمايشگاه تحت تاثير نيروى برشى قرار دهيم.