آزمایش برش پره

آزمایش برش پره یا Vane Shear Test (VST) یکی از آزمایش‌های صحرایی پرکاربرد در مهندسی ژئوتکنیک است که برای تعیین مقاومت برشی زهکشی نشده خاک (Undrained Shear Strength) مورد استفاده قرار می‌گیرد.
این آزمایش بیشتر در خاک‌های رسی اشباع و نرم انجام شده و امکان تخمین سریع مقاومت برشی خاک را بدون نیاز به نمونه‌گیری و انجام آزمایش‌های پیچیده آزمایشگاهی فراهم می‌کند.
در این مقاله به بررسی کامل آزمایش VST، تجهیزات مورد نیاز، نحوه انجام آزمایش، روابط محاسباتی، کاربردها، مزایا و محدودیت‌های این روش پرداخته می‌شود.

آزمایش VST چیست؟

آزمایش VST یک آزمایش صحرایی است که در آن یک تیغه چهار پره‌ای داخل خاک فرو برده شده و با اعمال دوران کنترل‌شده، مقاومت خاک در برابر برش اندازه‌گیری می‌شود.
با ثبت گشتاور لازم برای شکست خاک، می‌توان مقاومت برشی زهکشی نشده خاک را محاسبه کرد.
این آزمایش اولین بار برای بررسی مقاومت رس‌های نرم توسعه یافت و امروزه در پروژه‌های ژئوتکنیکی دریایی، پایدارسازی شیب‌ها، خاکریزها و مطالعات پی کاربرد دارد.

تجهیزات آزمایش برش پره

ابزارهای مورد استفاده در آزمایش VST شامل موارد زیر است:

1- تیغه چهار پره

این چهار پره بر یکدیگر عمود هستند.
ارتفاع پره، دو برابر عرض پره‌ها است.
قطر پره‌های استاندارد 6.5 سانتی‌متر و ارتفاع آن‌ها 13 سانتی‌متر است.
در پره های استاندارد، ضخامت پره 2 میلی متر است.
عموماً شکل پره ها مستطیلی است.
اما گاهی برای نفوذ بهتر در خاک، آنها را به شکل نوک تیز می سازند.
پره ها در سایزها و ابعاد متنوعی ساخته می شوند.
پره های بزرگتر برای خاک های قوی تر به کار می روند.
نتایج دقیق تری نیز می توان با آنها به دست آورد.
اما باید توجه کرد که پره بزرگتر، دست خوردگی بیشتری هم در پی دارد.
همچنین چرخاندن پره های بزرگ در خاک بسیار سخت و گاهی غیر ممکن است.
لذا باید اندازه پره را متناسب با میزان سختی خاک انتخاب نمایید.

2- میله جهت اتصال پره ها به منبع تولید چرخش یا گشتاور

این میله در اغلب موارد قطری معادل 1.27 سانتی متر دارند.

3- منبع تولید چرخش

اعمال گشتاور یا نیرو چرخشی می تواند به صورت دستی و یا توسط ماشین انجام شود.

4- ابزاری جهت اندازه گیری گشتاور اعمالی به میله

5- تجهیزاتی جهت کاهش اصطکاک میله ها

روش انجام آزمایش برش پره

این آزمایش با استفاده از استاندارد ASTM D 2573 انجام می شود.
شیوه کار به این صورت است که پره ای متناسب با نوع خاک انتخاب شده و به داخل زمین فرو برده می شود.
پس از قرار دادن پره در داخل زمین 5 دقیقه صبر می کنیم تا خاک شرایط قبلی خود را بازیابد.
سپس پره را با سرعت 6 درجه در دقیقه می چرخانیم.
پس از 2 تا 5 دقیقه، خاک به گسیختگی می رسد.
مدت زمان گسیختگی در خاک های مختلف متفاوت است.
مثلاً در رس های خیلی نرم، زمان گسیختگی گاهی تا 15 دقیقه هم ادامه می یابد.

در دستگاه هایی که عملیات به صورت کاملاً دستی انجام می شود، باید میزان گشتاور اعمالی را هر 30 ثانیه ثبت کنیم.
سپس نمودار گشتاور نسبت به زمان را ترسیم کنیم.
امروزه این کار توسط نرم افزارها و ابزارهای دیجیتال انجام می شود.
خروجی این آزمایش، مقاومت زهکشی نشده خاک است.
باید دقت شود که در حین انجام آزمایش، مقداری اصطکاک بین خاک و میله در حال دوران وجود دارد.
باید با استفاده از ابزارهایی این میزان اصطکاک محاسبه شده و از گشتاور اصلی کم شود.

محاسبات آزمایش VST

در آزمایش VST مقدار گشتاور ثبت شده در لحظه شکست خاک، مبنای محاسبه مقاومت برشی زهکشی نشده است.
رابطه کلی محاسبه مقاومت برشی به صورت زیر است:

آزمایش برش پره

پارامترهای موثر در محاسبات شامل موارد زیر هستند:

• گشتاور شکست
• قطر پره
• ارتفاع پره
• شکل هندسی تیغه
• اصلاحات مربوط به اصطکاک میله

 آزمایش VST چه کاربردی دارد؟

عمده  کاربرد آزمایش برش پره، تخمین خصوصیات خاک های ریزدانه مانند رس یا سیلت در حالت اشباع است.
در انواع دیگر خاک کاربرد ندارد.
این آزمایش را نمی توان در خاک های درشت دانه مثل شن ها انجام داد.
چرا که به دلیل ظرافت پره ها، امکان فرو بردن آن داخل خاک های سخت مثل شن ها نیست.
مشخصات زیر را با استفاده از آزمایش پره می توان به طور مستقیم تعیین کرد:

1. درجه حساسیت خاک
2. مقاومت برشی زهکشی نشده خاک در حالت ریمولد شده
3. مقاومت برشی زهکشی نشده

مزایا و معایب تست برش پره

در این قسمت، معایب و مزایای این آزمایش را معرفی می‌کنیم:

مزایای آزمایش برش پره

1. تعیین مقاومت زهکشی نشده خاک
2. ساده بودن روند انجام آزمایش
3. تعیین حساسیت رس
4. استفاده طولانی مدت در عمل

معایب آزمایش برش پره

1. محدودیت کاربرد در رس های نرم تا سخت
2. نیاز به تصحیح برای مقاومت به دست آمده از آزمایش
3. تحت تاثیر قرار گرفتن نتایج در صورت وجود ماسه
4. عدم امکان کاربرد در خاک های آلی

کنترل نتایج آزمایش برش پره

یکی از چالش های هر آزمایش این است که آیا نتایجی که به دست آوردیم صحیح است یا خیر.
در این بخش رابطه ای را به شما معرفی می کنیم که با استفاده از آن می توانید نتایج خود را کنترل کنید.

تخمین نتایج آزمایش برش پره

همانطور که در رابطه بالا ملاحظه می گردد، صرفا با انجام آزمایش حدود اتربرگ می‌توان مقاومت برشی زهکشی‌نشده خاک را به دست آورد.
مقدار به دست آمده را با نتیجه ای که از تست برش پره به دست آوردید مقایسه کنید.
به هر ترتیب نتیجه ای که از این آزمایش می‌گیرید همواره ثابت نیست و تابع عوامل زیر است:

• نوع خاک
• مقاومت ناهمسانگرد
• دستخوردگی ناشی از نصب برش پره
• سرعت چرخش
• زمان انجام آزمایش
• گسیختگی خاک اطراف پره

در خصوص آزمایش برش پره سوال دارید؟

در صورتی که از فرآیند انجام آزمایش برش پره سوالی دارید و یا با خواندن مطالب بالا ابهامی در ذهنتان ایجاد شده است، می توانید در بخش دیدگاه ها در زیر همین نوشتار، آن را بیان کنید.
کارشناسان ما پس از چند دقیقه پاسخ شما را خواهند داد.

نویسنده این مقاله:

رسول غلامی

دانش‌آموخته دوره دکترای مهندسی عمران از دانشگاه صنعتی شریف

مهندس پایه یک سازمان نظام مهندسی استان تهران

کارشناس رسمی دادگستری
مدرس دانشگاه