اهمیت انجام آزمایش سه محوری سنگ Compressive Test) Triaxial)
برای سدسازی، حفر تونل، راه‌سازی، معادن روباز و زیرزمینی و…. معمولاً با توده‌های سنگی با کیفیت‌های و انواع مختلف آن در ارتباط هستیم. بدین منظور پارامترهای مکانیک سنگی مؤثر در این پروژه‌ها که نقش کلیدی در طراحی صحیح آنها ایفا خواهد کرد را نیاز داریم. باتوجه‌به اینکه، انجام آزمایش‌های برجا و صحرایی همواره به‌راحتی امکان‌پذیر نبوده و هزینه بالایی را دربر دارد، در نتیجه می‌بایست به‌منظور شناسایی خواص سنگ از آزمایش‌های آزمایشگاهی استفاده شود.
هدف از آزمایش مقاومت فشاری سه محوری سنگ
هدف از آزمایش مقاومت فشاری سه محوری، تعیین مقاومت فشاری یک نمونه سنگ استوانه‌ای‌شکل تحت‌فشار (بارگذاری) سه محوری است. نتیجه آزمایش‌ها، ترسـیم پـوش مقاومـت سـنگ را ممکـن سـاخته و سـرانجام زاویـه اصطکاک داخلی (f) و چسبندگی «ظاهری (C)» قابل‌محاسبه خواهد بود. علاوه بر پارامترهای مقاومت برشی می‌توان شکل‌پذیری سنگ بکر، سنگ درزدار را در شرایط مختلف تنش‌های همه‌جانبه بارگذاری و همچنین فشار منفذی را در درجه حرارت مناسب مورد بررسی قرارداد .
آزمایش مقاومت فشاری سه محوری و تعیین مدول الاستیسیته و مدول یانگ در سنگ
آزمایش سه محوری در شرایط استاتیکی و دینامیکی به صورت‌های مختلف از قبیل آزمایش مقاومت فشاری سه محوری معمولی، مقاومت فشاری سه محوری چندمرحله‌ای، مقاومت فشاری سه محوری با افزایش پیوسته فشار جانبی استاندارد شده است .
تفاوت اصلی سه روش پیشنهاد شده در چگونگی به‌دست‌آوردن پوش مقاومت سنگ به شرح زیر است.
تفاوت اصلی سه روش پیشنهاد شده در چگونگی به‌دست‌آوردن پوش مقاومت سنگ
اساس همه روش‌های فوق در نتیجه اعمال تنش جانبی به‌صورت هیدرولیکی و اعمال فشار قائم تا رسیدن نمونه به گسیختگی است. همچنین جهت تعیین مدوله‌های تغییرشکل‌پذیری سنگ در فشار سه محوری، نمونه مغزه‌ای سنگ بکر در شرایط محوری زهکشی نشده قرار می‌گیرد. با این روش می‌توان ضمن ترسیم منحنی‌های تنش محوری – کرنش محوری و تنش محوری – کرنش جانبی، مقادیر مدول یانگ E و ضریب پواسون سنگ v را تعیین نمود.
آزمایش مقاومت فشاری سه محوره بیانگر رفتار واقعی سنگ در اعماق زمین تحت شرایط تنش‌های سه محوره است. در این روش، برای اعمال تنش سه محوره از سلول هوک که در آن ضمن اعمال یک فشار جانبی هیدرولیکی، نمونه تحت تنش قائم نیز قرار می‌گیرد استفاده می‌شود.
معرفی دستگاه آزمایش فشار سه محوری سنگ
دستگاه آزمایش فشار سه محوری سنگ شامل قسمت‌های زیر است:
دستگاه بارگذاری برای اعمال و اندازه‌گیری بارمحوری در نمونه سنگ مورداستفاده قرار می‌گیرد. این دستگاه باید برای شکست نمونه آزمایش تحت‌فشار جانبی تعیین شده و قابلیـت اعمـال تغییـر شکل نسبی با آهنگ انتخاب شده و دارای ظرفیت کافی باشد.
محفظه سه محوری برای اعمال فشار جانبی بر نمونه مورد آزمایش.
دیسک‌هایی انتهایی با سختی راک ول حداقلC30 که در دو انتهای نمونه آزمایش قرار می‌گیرد. انـدازه قطـر دیسک‌ها باید بین D و 1.02D) قطر نمونه سنگ استوانه‌ای‌شکل (D= و ضخامت آنها دست‌کم 15 میلیمتر (D/3) بوده و رویهٔ آن تا 005/0 ± میلیمتر صیقلی شود.
مفصل‌های کروی شکل که مرکز انحنای آنها باید با مرکز سطح مقطع نمونه آزمایش منطبـق باشـد. بـرای جلوگیری از اعمال بارهای خارج از محور، مرکز سطح مقطع نمونه آزمایش و دیسک‌هایی انتهایی باید با مرکـز انحنای مفصل کروی در یک راستا قرار گیرند. سطوح محدب و مقعـر مفصل‌ها بایـد پـیش از هـر آزمـایش روغن‌کاری شوند.
غلاف انعطاف‌پذیر ساخته شده از مصالح مناسب که باید برای جلوگیری از نفوذ سیال تأمین‌کننده فشـار جانبی به نمونه آزمایش استفاده شود. این غلاف نباید در منفذهای سطحی نمونه آزمایش نفوذ کند. درضـمن طول آن باید به حدی باشد که دو دیسک انتهایی را نیز بپوشاند. قطر غلاف با کمـی کشـیدگی بایـد بـا قطـر نمونه آزمایش برابر باشد.
سامانه اعمال و کنترل فشار جانبی: سامانه اعمال و کنترل فشار جانبی باید ظرفیت کافی داشته و قابلیت بارگـذاری بـا هـر آهنگـی متناسـب بـا شرایط قید شده را داشته باشد.
برای اندازه‌گیری و ثبت مداوم جابه‌جایی محوری، یک جابه‌جایی سنج الکتریکی باید مورداستفاده قـرار گیـرد.
روش آماده‌سازی نمونه آزمایش سه محوری سنگ
روش آماده‌سازی نمونه آزمایش سه محوری سنگ
نمونه با رعایت موارد زیر آماده‌سازی می‌گردد:
نمونه‌های سنگی باید استوانه‌هایی قائم با نسبت ارتفاع به قطر 2 تا 3 باشد (با قطری که ترجیح داده می‌شود برابر و بیشتر از 54 میلیمتر باشد . (NX= قطر نمونه آزمایش بایـد دست‌کم 10 برابـر ابعـاد بزرگ‌ترین دانه‌های موجود در سنگ باشد.
سروته نمونه آزمایش باید به‌موازات یکدیگر و عمود بر محور طولی نمونه بریده شده و تا ±0.01 میلیمتر صیقل داده شود.
سروته نمونه آزمایش باید بادقت ±0.001 رادیان (حدود 5/3 دقیقه یـا 05/0 میلیمتر در 50 میلیمتر (یکنواخت و صاف شده و نباید از صفحه عمود بر محور طولی نمونه آزمایش انحراف داشته باشد.
سطح جانبی نمونه باید صاف و بدون هرگونه ناهمواری قابل‌مشاهده باشـد. ایـن نمونـه بایـد در تمـام طـول مستقیم بوده و نباید بیش از 3/0 میلیمتر انحراف داشته باشد.
استفاده از هرگونه مواد پوششی یا هر نوع کار اصلاحی، غیر از صیقل‌دادن، در دو انتهای نمونه آزمایش مجـاز نیست.
قطر نمونه آزمایش باید بادقت 1/0 میلیمتر در دو راستای عمود بر هم در سـه مقطـع (بخش‌های بـالایی، میانی و پایینی نمونه) اندازه‌گیری شده و میانگین آنها برای محاسبه مساحت سطح مقطع مورداستفاده قرار گیرد. اندازه‌گیری طول نمونه آزمایش بادقت 1 میلیمتر کافی است.
محدودیت آزمایش مقاومت فشاری سه محوری سنگ
1- این آزمایش در شرایطی که اجزای سنگ موردنظر چه در زمان اجرا و چه در مرحله اجرا و بهره‌برداری، در شرایط بارگذاری سه محوری قرار داشته باشد، استفاده می‌شود. میزان بارهای جانبی باتوجه‌به حوزه تنش اعمال شده تعیین خواهد شد.
2- برای اندازه‌گیری فشار آب حفره‌ای در سنگ‌های سخت، این آزمایش دارای دقت کافی نمی‌باشد و مقاومت فشاری برای فشار آب موجود در منفذ تصحیح نمی‌گردد.
3- در صورت وجود فشار منفذی، آزمایش باید در درصد رطوبت‌های مختلف انجام شود و در صورت مشاهده مجدد تأثیر فشار آب حفره‌ای، باید از تجهیزات موجود در بازار جهت اندازه‌گیری فشار آب حفره‌ای در حین آزمایش‌ها استفاده شود.
4- در سنگ‌های نرم نیز کاستی ذکر شده ناشی از فشار آب حفره‌ای وجود دارد؛ اما با استفاده از سامانه اندازه‌گیری فشار آب حفره‌ای این مشکل تا مقدار قابل‌قبولی مرتفع خواهد شد.
کاربرد آزمایش سه محوری در مسائل مهندسی
همان‌طور که ذکر شد، داده‌های به‌دست‌آمده از آزمایش سه محوری، برای تعیین خواصی از قبیل زاویه مقاومت برشی (زاویه اصطکاک)، چسبندگی ظاهری و زاویه اتساع مواد مختلف مورداستفاده قرار می‌گیرند. با به‌کارگیری این عامل‌ها در مدل‌های کامپیوتری می‌توان رفتار مواد در مسائل واقعی مهندسی را پیش‌بینی کرد.
