بخشی از مقاله
خلاصه
تغییرات دمایی در بسیاری از مسائل مهندسی ژئوتکنیک رخ میدهد و تاثیر این تغییرات در رفتار مهندسی خاک و سنگ یکی از موضوعات مورد توجه در این حوزه دانش مخصوصا محدوده ژئومکانیک زیست محیطی است. یکی از اصلیترین موضوعات مورد بحث راجع به افزایش حرارت خاک های مراکز دفن زباله هستهای بود. محققین بسیاری اذعان داشتند که زباله هستهای باعث افزایش حرارت خاکهای پیرامون میشود که در نتیجه باعث تغییرات در رفتار فیزیکی و مکانیکی خاکها میشود. تا کنون تحقیقات زیادی به منظور فهم رفتار ترمو- هیدرو- مکانیکی خاکها انجام گرفته است. ولی تفاوت های زیادی بین یافته های محققان مختلف وجود دارد که این هم ممکن است مربوط به تاثیرات پیچیده دما بر اندرکنش خاک - آب باشد و به نظر می رسد در غیاب آزمایش های مربوط به اثر حرارت بر تغییر کانی شناسی خاکها این مسئله لاینحل باقی بماند.
لذا لازم است برای در نظر گرفتن تمام پارامترهای موثر در پیشبینی صحیح رفتار ترمومکانیکی خاکها این مسئله نیز در نظر گرفته شود. از طرفی، آزمایش سه محوری متداولترین روش برای اندازهگیری پارامترهای مقاومت برشی خاکهای چسبنده و غیر چسبنده، در شرایط تحکیم یافته زهکشی شده یا نشده و تحکیم نیافته زهکشی نشده میباشد. آزمایش سه محوری نسبت به آزمایشهای دیگر روش دقیقتر و قابل اعتمادتری برای تعیین مقاومت برشی خاکها می باشد. این تحقیق به معرفی و بررسی اجزای تشکیل دهنده دستگاه سه محوری ارتقاء یافته میپردازد. این مقاله روند طراحی، ساخت و کالیبراسیون سلول و اجزا دستگاه سه محوری که با نوآوری در حداکثر دمای قابل حصول، برای اولین بار در استان مازندران انجام پذیرفته است مرور میکند.
کلمات کلیدی: رفتار هیدرولیکی- مکانیکی خاکها، دستگاه سه محوری ارتقاء یافته، دمای بالا، آزمایش سه محوری.
.1 مقدمه
در طی چند دهه اخیر، تسهیلات زیرزمینی بزرگ مانند خطوط آهن زیرزمینی، بزرگراه ها، سیستمهای پمپ حرارتی منبع زمین و ذخایر زائدات هستهای به طرز گستردهای در هر دو منطقهی سطحی و عمیقتر زمین با اهداف گوناگون ساخته شدهاند.[1] از طرفی نیز، در طی چند دهه اخیر، تسهیلات زیرزمینی بزرگ مانند خطوط آهن زیرزمینی، بزرگراه ها، سیستمهای پمپ حرارتی منبع زمین و ذخایر زائدات هستهای به طرز گستردهای در هر دو منطقهی سطحی و عمیقتر زمین با اهداف گوناگون ساخته شدهاند. بخصوص این روزه استفاده از انرژی زمین با ایجاد شمع های با عمق زیاد که در طول تابستان از سرمای زمین برای خنک کردن و در طول زمستان از گرمای زمین برای گرم کردن منازل مورد استفاده میشود. این تغییر حرارت ممکن است بر روی خاک های اطراف شمع ها تاثیر بسزایی بگذارد و خواص میکانیکی انها را عوض کند.
بنابراین محققان باید درک درستی از اثرات دما بر روی خواص مکانیکی- شیمیایی و فیزیکی داشته باشند و ازمایشات کاملی برای بررسی ان تغییرات انجام پذیرید. .[2] تا کنون تحقیقات زیادی به منظور فهم رفتار ترمو- هیدرو-مکانیکی خاکها انجام گرفته است. ولی تفاوت های زیادی بین یافته های محققان مختلف وجود دارد که این هم ممکن است مربوط به تاثیرات پیچیده دما بر اندرکنش خاک- آب باشد. از طرفی، آزمایش سه محوری متداولترین روش برای اندازهگیری پارامترهای مقاومت برشی خاکهای چسبنده و غیر چسبنده، در شرایط تحکیم یافته زهکشی شده یا نشده و تحکیم نیافته زهکشی نشده میباشد. آزمایش سه محوری نسبت به آزمایشهای دیگر روش دقیقتر و قابل اعتمادتری برای تعیین مقاومت برشی خاکها می باشد. دلیل آن اینست که در آزمایش برش مستقیم خاک به اجبار از محل درز بین دو قسمت جعبه گسیخته میشود ولی در آزمایش سه محوری خاک از محل ضعیفترین صفحه خود گسیخته می شود. این آزمایش به سه شکل به شرح ذیل انجام می گیرد:
درحالت تحکیم یافته زهکشی شده - CD - درحالت تحکیم یافته زهکشی نشده - CU - درحالت تحکیم نیافته زهکشی نشده - UU - یکی از اصلیترین چالشها در مطالعات ژئوتکنیکی که تاثیر دما و حرارت بر رفتار مهندسی خاکها را مورد بررسی قرار دهد، دستگاههای آزمایشگاهی است که قابلیت ایجاد و کنترل دماها به خصوص دماهای بالا را داشته باشد. بی تردید در مطالعات مکانیکی- هیدرولیکی خاکها آزمایش سه محوری از جمله شناخته شده ترین و عملی ترین ابزار موجود در دست محققین مکانیک خاک میباشد. اما از آنجا که دستگاههای معمول سه محوری قابلیت اندازه گیری و تحمل دما را ندارند، نیاز به طراحی یک دستگاه با قابلیت تغییر دما حتی دماهای بالاتر از 50 درجه سانتی گراد ضروری به نظر می-رسد.[3] یکی از اصلیترین چالشها در این نوع مطالعات دستگاههای آزمایشگاهی است که قابلیت ایجاد و کنترل دماهای بالا را داشته باشد. بیتردید در مطالعات مکانیکی- هیدرولیکی خاکها آزمایش سه محوری از جمله شناخته شده ترین و عملی ترین ابزار موجود در دست محققین مکانیک خاک میباشد اما از آنجا که دستگاههای معمول سه محوری تنها قابلیت تحمل دما تا حدود 60 درجه را دارند نیاز به طراحی و ساخت دستگاه با قابلیت کنترل دماهای بالا میباشد که شرحی از تجربیات سایر محققین و روند طراحی، ساخت و کالیبراسیون دستگاه سه محوری در این مقاله ارائه میشود.
.2 مروری بر سوابق تحقیقات
به منظور انجام آزمایشهای مکانیکی در دمای بالا و تحلیل رفتار مکانیکی- حرارتی خاکها نیاز به ابزار آزمایشگاهی متناسب است که قابلیت تغییر دما و اعمال حرارت و ثبت قرائتهای مربوط به دما را علاوه بر مکانیسم و تجهیزات در دمای معمول داشته باشد. از آنجا که به این منظور دستگاه استانداردی تولید نشده است معمولا طراحی و ساخت به صورت ابتکاری توسط محقق انجام میشود. به گونهای که اثرات نامطلوب دمای بالا بر اجزاء سیستم به حداقل رسیده و امکان اعمال دمای هدف به نمونه در حداقل زمان ممکن فراهم شود. اولین دستگاههای مکانیکی- حرارتی با قابلیت دما مربوط به دستگاه های تحکیم بود که معمولا تا دمای 60 درجه امکان افزایش دما وجود داشت. در این دستگاه ها معمولا با افزایش دمای آب اطراف نمونه در سلول تحکیم اعمال حرارت به نمونه انجام میشد. سپس دستگاه های سه محوری با قابلیت کنترل دما طراحی و ساخته شد که اولین مورد آن توسط کمپنلا و میچل [4] گزارش شده است.
از آن زمان تا کنون دستگاههای سه محوری معدودی در بعضی از دانشگاه ها و مراکز تحقیقاتی ساخته شده است که قابلیت اعمال حرارت بر نمونه را داشته است. در مقایسه دستگاههای آزمایشگاهی با قابلیت افزایش دما، آنچه سلولهای سه محوری و تجهیزات مربوط به آنها را از یکدیگر متمایز میکند، روش اعمال حرارت بر نمونه است. این روش ها را در یک نگاه کلی به سه دسته اصلی میتوان تقسیمبندی نمود: اول اعمال حرارت به وسیله سیال در حال دوران، دوم اعمال حرارت با هیترهای داخلی و سوم اعمال حرارت با هیترهای جانبی میباشد. از طرفی، به علت اهمیت موضوعات اثر دماهای بالا بر روی ویژگیهای مکانیکی- هیدرولیکی خاک به بررسی تحقیقات هر چند معدود محققین در این زمینه پرداخته میشود.
از اولین مطالعاتی که اثر حرارت بر رفتار خاک را مورد مطالعه قرار داد، گری - 1936 - بوده است که نتایج کار ازمایشگاهی او حاکی از این بود تغییراتی در نفوذپذیری و فشار پیش تحکیمی خاک با توجه به دما بوجود میآید.[5] تحقیقات زیادی نیز در زمینه تغییرات حجم، تحکیم با توجه به تغییرات دما انجام گرفته است.[6-9] در اولین گزارشات مربوط به آزمایشات کنترل شده بر دمای خاکهای اشباع نشده، رومرو و همکارانش در سال 2003 نتایج آزمایشگاهی در مورد اثرات مکش و دما بر رفتار حجمی خاک رس فشرده شده را ارائه کردند. در این مطالعه، دستگاه اودومتر در داخل وان حاوی روغن سیلیکون ترموستاتیک قرار گرفت.[9] ویلار و لورت در سال 2004، با قرار دادن اودومتر در داخل یک وان آب ترموستاتیک، نتایجی را بر روی اثرات دما - بین 20 تا 80 درجه سانتی گراد - بر روی خواص هیدرولیکی- مکانیکی بنتونیتهای فشرده شده بدست آوردند.[10] فرانکویس و لالویی در سال 2010 یک ادومتر حرارتی - هیدرولیکی-مکانیکی پیشرفته ای را توسعه دادند. همچنین، داده های محبوس شده آب و منحنی های هم فشار در مکش های مختلف بدست آمدهاند.[11]
همچنین، تانگ و همکارانش در سالهای 2007 و 2008 یک سلول ایزوتروپیک کنترل شده بر اساس دما را توسعه دادند که این سلول در داخل وان آب تحت کنترل دما غوطه ور میشود تا رفتار هیدرولیکی - مکانیکی بنتونیت های فشرده شده را مطالعه کنند.[12] یوچایپویچات و خلیلی در سالهای 2009 و 2011 یک دستگاه سه محوری که قابلیت تنظیم دما را دارد، را برای آزمایش خاکهای اشباع نشده در دماهای بالاتر از 60 درجه سانتی گراد توسعه دادند. همچنین آنها بررسیهای آزمایشگاهی مطالعات خود را در خصوص رفتار حرارتی- هیدرولیکی- مکانیکی خاک های غیر اشباع را ارائه کردند14]و.[13
.3 فرآیند اعمال حرارت در دستگاه های سه محوری
در مقایسه دستگاههای آزمایشگاهی با قابلیت افزای دما، آنچه سلولهای سه محوری و تجهیزات مربوط به آنها را از یکدیگر متمایز می کند رو اعمال حرارت به نمونه است این روشها را در یک نگاه کلی به سه دسته اصلی می توان تقسیم بندی
