تجربة القص المباشر للتربة مع المناقشة (Direct Shear Test)

يعد اختبار القص المباشر أحد أقدم اختبارات القوة للتربة، و يتم استخدام جهاز القص المباشر للتربة لتحديد قوة القص للتربة الغير متماسكة (أي زاوية الاحتكاك الداخلي Ø).

من مخطط إجهاد القص مقابل الإزاحة الأفقية، يتم الحصول على أقصى إجهاد قص للإجهاد العمودي المحدد. بعد تشغيل التجربة عدة مرات لمختلف اجهادات الانضغاط الرأسي، يتم رسم مخطط  لأقصى إجهادات القص مقابل اجهادات الانضغاط العمودية لكل اختبار. من المخطط، يمكن تقريب منحنى الفشل لخط مستقيم (دائرة مور)، بالنسبة للتربة غير المتماسكة (كالرمل) (c=0)، يتم حساب قوة القص لأي اجهاد عمودي من المعادلة التالية:

التكوين العام لجهاز فحص القص المباشر للتربة

يظهر في الشكل (3) مقطع عرضي لجهاز فحص القص المباشر النموذجي. تحتوي عينة التربة على حجر مسامي في أعلى وأسفل للسماح بتصريف حر. وفوق الحجر العلوي يوجد غطاء تحميل معدني يخضع بدوره لقوة عموديه ثابتة المقدار طول زمن الفحص و تكون فائدة هذا الغطاء لتوزيع القوة العمودية على كل مساحة مقطع التربة بشكل متساوي و كذلك لتثبيت نموذج التربة بشكل مرصوص و ثابت في مكانه دون ان يتحرك.

نقوم بوضع اولاً الحجر المسامي السفلي و يجب ان يكون حجمهُ مناسب للقالب (بنفس ابعاد قالب الفحص) ثم توضع العينه المراد فحصها بالتدريج مع الرص المستمر ثم يوضع الحجر المسامي العلوي. يتم إجراء معظم اختبارات القص المباشر المختبرية على عينات بابعاد (6*6*3) سم. ومع ذلك، قد نحتاج الى استخدام عينات بابعاد اكبر من ذلك  في التربة التي تحتوي على جزيئات بحجم أكبر مثل الحصى.

تجربة القص المباشر للتربة (Direct Shear Test)

الغرض من اختبار القص المباشر للتربة هو الحصول على مقاومة القص النهائية، وزاوية الاحتكاك الداخلي، وتماسكها، وخصائص تشوه إجهاد القص.

هذه المعلومات ضرورية لتحليلات البنية التحتية، وفي تحديد قدرة تحمل التربة، وحسابات ثبات منحدرات الأرض، ودفع الركائز ، وأعمال الحفر الأخرى.

1. الغرض من التجربة

تعريف المهندسين الشباب لتقدير سريع لمعاملات مقاومة القص (زاوية الاحتكاك والتماسك) لعينة التربة.

يجب أن تفهم طبيعة مقاومة القص من أجل تحليل مشاكل استقرار التربة مثل؛

• قدرة التحمل (Bearing capacity) واستقرار المنحدر والضغط الجانبي على هياكل الاحتفاظ بالأرض.

2. المواصفة المعتمدة

• AASHTO T236-90
• ASTM D3080-90
• BS 1377: Part 4.

3. نضرية التجربة

في هذه التجربة سنحصل على قراءات التي هي عبارة عن تدريجات لمقياس الازاحة الافقية التي تكون تدريجاته هي (0.001) ملم لكل تدريجة لذلك نستطيع الحصول على قيمة الازاحة الافقية من القانون:-

D (mm) = gauge * 100

D: Horizontal Displacement

Gauge: Reading of the Horizontal Displacement Gauge

و النتيجة الاخرى والتي نسجلها بالتزامن مع الاولى هي عبارة عن قراءة المقياس الموجود داخل دائرة الجهاز و التي نستطيع تحويل قراءاتها الى قوة القص المطبقة من الجهاز بلحظة اخذ القراءة و التي تحتوي على ثوابت يتم الحصول عليهم اثناء معايرة جهاز فحص القص والتي تتم بفترات طويلة او عند ملاحظة اخطاء بقياسات الجهاز و يمكن الحصول على قيمة قوة القص من خلال تطبيق قيمة قراءة مقياس الدائرة في معادلة التحويل و التي هي:-

4. الاجهزة و الادوات

1- جهاز فحص القص المباشر

يتكون جهاز اختبار القص المباشر من وحدة للتسليط وعلبة يوضع صندوق القص فيها والية لتسليط ثقل عمودي و مولد قوة قص كهربائي والية لتوليد قوة القص يدوياً من خلال عتلة دوارة و مقاييس لقياس الازاحة الافقية والعمودية و مقياس الدائرة الذي يمكن ادخال قراءته في معادلة خاصة (مذكورة في نضرية التجربة).

يستخدم مقياس الدائرة للحصول على مقدار قوة القص المسلطة على النموذج و يمكن اسناد الجهاز ووضعه على منضدة حاملة ليستقر الجهاز او وضعه على حامل حديدي.

قد يصل وزن الجهاز محملاً بالاثقال الى اكثر من 200 كغم لذلك يفضل تثبيت الجهاز بالارضية بواسطة البراغي لمنع اي حركة او اهتزاز للجهاز.

2- صندوق القص

يتكون صندوق القص من 3 اجزاء يثبت الجزء السفلي والجزء الوسطي بواسطة مسامير تثبيت قبل البدء بالفحص في حين يوضع الجزء العلوي بعد اكمال وضع و رص العينة وفائدة هذا الجزء هو لتوزيع الحمل العمودي الذي يطبق من عتلة الحمل العمودي بالتساوي على كل مساحة سطح العينة وتوضع بين العينة والقطعة العلوية وبين العينة والقطعة السفلية لوحة نفاذة (حجر مسامي). وكذلك يحتوي الجهاز على عتلة تنقل قوة القص ليتم قياسها بواسطة مقياس الدائرة.

3- ميزان

4- مسطرة لقياس عمق القالب قبل وبعد وضع العينة

5. طريقة العمل

1. أزل مجموعة صندوق القص من جهاز الفحص. تزال المسامير الثلاثة العمودية والاثنين الأفقيين. أزل رأس التحميل الافقي والعمودي وأخرج الصندوق من الجهاز. أدخل المسامير العموديتين للحفاظ على نصفي صندوق القص معًا و لكي لا تخرج العينة من بين نصفي الصندوق.
2. وزن نموذج الرمل الجاف، املأ صندوق القص بالرمل في طبقات صغيرة. يمكن استخدام اداة رص صغيرة لضغط طبقات الرمال. يجب أن يكون الجزء العلوي من العينة المضغوطة حوالي (6.4) ملم أسفل الجزء العلوي من صندوق القص.
3. حدد أبعاد عينة التربة (أي، الطول L، العرض B، والارتفاع H للعينة ).
4. قم بتثبيت راس التحميل (الجزء العلوي من صندوق القص).
5. ضع مجموعة صندوق القص في مكانها في آلة القص المباشر.
6. تطبيق الحمل الرأسي المطلوب (N) على العينة. يمكن القيام بذلك عن طريق تعليق الأوزان الجاهزة على عتلة الحمل العمودي. ستبقى مسامير الحمل العمودي مثبتة على العينة لتسليط الحمل العمودي على رأس التحميل و على العينة.
7. قم بإزالة المسمارين العموديين اللذان قمنا بتثبيت جزئي القالب السفليين بهما (اللذين تم إدراجهما في الخطوة 1 للحفاظ على نصفي صندوق القص معًا).
8. حرر المسامير الرأسية الثلاثة الموجودة على الجدران الجانبية للنصف العلوي من صندوق القص. يتم ذلك لفصل نصفي الصندوق. يجب أن تكون المساحة بين نصفي الصندوق أكبر قليلاً من أكبر حجم لحبيبات عينة التربة (عن طريق الملاحظة البصرية).
9. اضبط رأس التحميل من خلال تشديد المسمارين الأفقيين الموجودين في النصف العلوي من صندوق القص. الآن ازل المسامير الثلاثة العمودية. بعد القيام بذلك، لن يكون هناك اتصال بين نصفي صندوق القص باستثناء التربة.
10. قم بتوصيل مقاييس الازاحة الأفقية (0.01 ملم لكل تدريجة ) والرأسية و مقياس الدائرة.
11. تطبيق الحمل الأفقي إلى النصف العلوي من صندوق القص. يجب أن يتراوح معدل تسليط قوة القص بين 0.1 إلى 0.02 بوصة. دقيقة (2.54 إلى 0.51 ملم / دقيقة). لكل إزاحة صغيرة لكل تدريجة عاشرة في مقياس الازاحة الأفقية، سجل قراءات مقياس الطلب العمودي ومقياس الحلقة (الذي يقيس قوة القص).

شاهد الفيديو أدناه لفهم أفضل.

6. الحسابات

7. المناقشة

يتم إجراء الاختبار على عينة من التربة محصورة في صندوق معدني ذو مقطع عرضي مربع يتم تقسيمه أفقيًا عند منتصف الارتفاع. تتم المحافظة على زيادة صغيرة بين نصفي الصندوق، ويتم قطع التربة على طول نموذج محدد سلفًا عن طريق تحريك النصف العلوي من الصندوق بالنسبة للنصف السفلي. عادةً ما يكون الصندوق مربعًا بحجم 60 مم × 60 مم.

إذا كانت عينة التربة مشبعة كلياً أو جزئياً، توضع الألواح المعدنية المثقبة والأحجار المسامية أسفل وفوق العينة للسماح بالتصريف الحر. إذا كانت العينة جافة، يتم استخدام ألواح معدنية صلبة. يمكن تطبيق الحمل الطبيعي على مستوى القص على عينة التربة من خلال غطاء الصندوق.

يمكن إجراء الاختبارات على الرمال والحصى بسرعة، وعادةً ما يتم تجفيفها حيث وجد أن الماء لا يؤثر بشكل كبير على قوة التصريف. بالنسبة للطين، يجب اختيار معدل القص لمنع تراكم ضغوط المسام الزائدة.

عند تطبيق الحمل العادي الرأسي على العينة، يتم تطبيق إجهاد القص تدريجياً بشكل أفقي، وذلك بالتسبب في تحريك نصفي الصندوق بالنسبة لبعضهما البعض. يتم قياس حمل القص مع إزاحة القص المقابلة. كما يتم قياس التغير في سمك العينة.

يتم اختبار عدد من عينات التربة في ظل أحمال عمودية مختلفة ويتم رسم قيمة إجهاد القص عند الفشل مقابل الإجهاد الطبيعي لكل اختبار. بشرط عدم وجود ضغط زائد على مسام الماء في التربة، فإن الضغوط الكلية والفعالة ستكون متطابقة. من ضغوط الفشل، يمكن الحصول على ظرف الفشل.

الاختبار له العديد من المزايا:

• يمكن اختبار العينات الكبيرة في صناديق القص الكبيرة، حيث يمكن للعينات الصغيرة أن تعطي نتائج مضللة بسبب عيوب مثل الكسور والشقوق، أو قد لا تكون ممثلة حقًا.
• يمكن قص العينات على طول القواعد المحددة مسبقًا، عند الحاجة إلى قوة القص على طول الشقوق الأخرى المحددة. من السهل اختبار الرمل والحصى.

عيوب الاختبار في ما يلي:

• لا يمكن لجهاز صندوق القص أن يعطي قوة موثوقة غير محجوبة لأنه كذلك المستحيل لمنع التصريف الموضعي بعيداً عن قاعدة القص.
• لا يوجد أي مقياس لقياس ضغط ماء المسام في صندوق القص وبالتالي لا يمكن تحديد الضغوط الفعالة من الاختبارات غير المحجوزة.
• يكون مستوى الفشل دائمًا أفقيًا في الاختبار، وقد لا يكون هذا المستوى هو المستوى الأضعف في العينة.
• يحدث فشل التربة تدريجياً من الحواف باتجاه مركز العينة.