بخشی از مقاله
خلاصه
این مقاله با عنوان طراحی و ساخت دستگاه جدایش مخروط - Cone pull -out apparatus - به منظور بررسی چسبناکی - Adherence - رس به سطح فلز با هدف توسعه روشی کارامدتر نسبت به روشهای موجود برای بررسی چسبناکی رس نگاشته شده است. به این منظور دستگاه جدایش مخروط با الهام از نمونه های قبلی ساخته شده و ضمن بررسی دقت و صحت دستگاه مذکور، کارایی آن با ایجاد تغییر در ویژگی فیزیکی یک نمونه رس - تغییر رطوبت - و انجام آزمایش های مختلف بر روی آن بررسی شده و رابطه معینی میان چسبناکی و تنش کششی - Tensile stress - مشاهده گردیده است؛ بدین صورت که با افزایش رطوبت، رابطه بین چسبناکی و تنش کششی تغییر میکند.
1. مقدمه
چسبیدن خاک به فلز پدیدهای است که با نام انسداد - Clogging - شناخته میشود و در صنعت تونلسازی و بخصوص حفاری مکانیزه باTBM، باعث تحمیل خسارات مالی و اتلاف زمان زیادی میگردد و روند اجرا و اتمام پروژه را به تعویق میاندازد. روشها و آزمایشهای متعددی برای اندازهگیری این پتانسیل و تعیین میزان تنش کششی - Tensile stress - لازم برای این جدایش توسعه یافتهاند که از آن جمله میتوان به روش جدایش پیستون - Pull -out test - و جدایش مخروط - Cone pull-out test - اشاره نمود.
پژوهشهای زیادی در زمینه اندازهگیری پتانسیل انسداد صورت گرفته است که از آن جمله میتوان به پژوهشهای انجام شده توسط توز - Thewes, 2004 - ، ساس و بورباوم - Sass & Burbaum, 2009 - ، فرناندز و همکارانش - Fernández-Steeger et al., 2010 - ، هولمن و توز - Hollmann & Thewes, 2013 - ، خبازی و همکاران - طراحی و ساخت دستگاه اندازهگیری چسبناکی خاک رسی به سطح فلز و بررسی تکرارپذیری نتایج آن، - 1393 و کرمی و همکارانش - Karami et al., 2015 - اشاره کرد.
توز - Thewes, 2004 - با ارائه یک معیار، خاک ها را بر اساس شاخص خمیری - IP - و شاخص استحکام - IC - از لحاظ خطر پتانسیل انسداد به سه گروه خطر کم، متوسط و بالا تقسیم بندی نمود .[1] ساس و بورباوم - Sass & Burbaum, 2009 - برای اندازهگیری تنش چسبناکی در مقیاس آزمایشگاهی، دستگاه جدایش پیستون را طراحی نمودند [2] و تاثیر پارامترهای مختلفی مانند رطوبت، زمان نگهداشت - Time maintenance - و فشار وارده بر پیستون را مورد بررسی قرار دادند اما بدلیل ناکافی بودن تعداد آزمایشات به نتایج قابل قبولی دست نیافتهاند.
فرناندز و همکارانش - Fernández -Steeger et al., 2010 - با طراحی آزمایش جدایش مخروط، معیاری برای اندازهگیری پتانسیل انسداد بر اساس شاخص استحکام و چسبناکی - Adherence - ارائه نمود که طبق آن، به سه گروه یتانسیل انسداد کم، متوسط و بالا تقسیم بندی می شود .[3] هولمن و توز - Hollmann & Thewes, 2013 - با استفاده از دادههای تونلهای حفاری شده که با پدیده انسداد مواجه شده بودند، معیاری را بر اساس ویژگیهای خمیری و رطوبت خاک ارائه نمودند [4]؛ با استفاده از این معیار، می توان حین عمل حفاری، با کنترل رطوبت، از وقوع پدیدهی انسداد جلوگیری نمود.
خبازی و همکارانش - طراحی و ساخت دستگاه اندازهگیری چسبناکی خاک رسی به سطح فلز و بررسی تکرارپذیری نتایج آن، - 1393 با طراحی دستگاه جدایش پیستون، تکرارپذیری نتایج حاصل از آن را مورد بررسی قرار دادند [5] و کرمی و همکارانش - Karami et al., 2015 - تاثیر پارامترهای رطوبت و ماسه دانه ریز بر چسبناکی خاکهای رسی به سطح پیستون را مورد بررسی قرار دادند
لزوم پیدایش و استانداردسازی آزمون اندازهگیری چسبناکی خاکها و عدم اثبات کارایی برای اغلب روشهای موجود به علل مختلف از جمله عدم تعریف دقیق پارامترها، عدم سادگی و قابلیت انجام در آزمایشگاههای ژئوتکنیک به صورت ساده و سریع، دارا نبودن قابلیت ارجاع به پارامترهای استاندارد خاک و عدم شفافیت بالا، مسیر مطالعات را به ترجیح ابزاری که شرایط بیشتری را تأمین کرده باشد سوق میدهد.
دستگاه جدایش مخروط به علت تطابق بیشتر با ملزومات مدنظر از قبیل اندازهگیری چسبناکی قائم، قابلیت نمایش وقوع انسداد در صورت وقوع، ارائه اعداد مناسب در ادبیات فنی و انطباق بیشتر با شرایط حفاری به عنوان ابزار مناسب تشخیص داده شده است. در تحقیق حاضر دستگاه جدایش مخروط بهمنظور اندازهگیری میزان تنش چسبناکی و وقوع یا عدم وقوع چسبیدن خاک به سطح فلز، طراحی و ساخته شده است . در این راستا ضمن بیان بخشهای مختلف دستگاه و نحوه عملکرد آن، بهمنظور بررسی صحت و دقت دستگاه مذکور، چندین آزمایش بر روی یک نمونه رس با شرایط فیزیکی متفاوت انجام گردیده و نتایج بدست آمده، تجزیه و تحلیل شدهاند.
2. طراحی و ساخت دستگاه جدایش مخروط
الگوی اولیه طراحی دستگاه جدایش پیستون از طرح آقای فرناندز و همکارانش - Fernández-Steeger et al., 2010 - گرفته شده است که با اعمال یکسری تغییرات، دستگاه مذکور طراحی و ساخته شد. دستگاه جدایش مخروط از سه بخش اعمال نیرو، اندازه گیری نیرو و ثبت و نمایش نیرو تشکیل شده است که در شکل 1 نشان داده شده است.
شکل -1 اجزای مختلف دستگاه جدایش مخروط طراحی و ساخته شده در تحقیق حاضر:
الف - بخش ثبت و نمایش نیرو، ب - بخش اعمال نیرو، ج - بخش اندازه گیری نیرو
بخش اعمال نیرو از یک چهارچوب دربردارنده موتور و گیربکس که نیروی لازم برای حرکت جک را فراهم میسازد و یک مخروط فلزی تشکیل شده است. یک اینورتر - Inverter - نیز جهت تغییر سرعت اعمال نیرو با طیف 0/01 تا 50 میلیمتر بر دقیقه در دستگاه تعبیه شده است. بخش اندازه گیری شامل یک لودسل - Loadcell - با ظرفیت اندازهگیری نیرویی معادل 100 کیلوگرم است که نیروی فشار یا کشش حاصل از نفوذ یا خروج مخروط در خاک را اندازهگیری مینماید. بخش ثبت و نمایش نیرو نیز شامل یک دیتالاگر - Datalogger - است که نیروی اندازهگیری شده توسط لودسل را ثبت میکند.
3. عملکرد دستگاه و بررسی تکرارپذیری نتایج
در تمام آزمایشها از یک خاک رس با حد خمیری 35 و حدروانی 75 استفاده شده است. قبل از انجام آزمایش، خاک رس به رطوبت مدنظر - رطوبت 42 و 51 درصد - رسانده شده و سپس خاک بتدریج در قالبی به قطر 15 سانتیمتر جایگذاری شده است و درنهایت پس از پر شدن قالب، سطح آن مسطح شده است. قالب بر روی جک قرار گرفته و جک با سرعت مدنظر شروع به بالا رفتن میکند.
سرعت اولیه پیشنهادی برای ورود مخروط به خاک، 20 میلیمتر بر دقیقه در نظر گرفته شده است؛ با نزدیک شدن سطح خاک به نوک مخروط، مخروط بتدریج وارد خاک شده تا زمانی که کل مخروط وارد خاک شود و دیتالاگر نیروی حاصل از ورود مخروط به درون خاک را به صورت پیوسته نمایش میدهد؛ بیشترین نیروی نمایش داده شده توسط دیتالاگر، به عنوان حداکثر فشار لازم برای نفوذ مخروط در خاک در نظر گرفته شده است. بعد از گذشت مدت زمان مشخص - زمان نگهداشت - ، مخروط بتدریج با سرعت معین از خاک خارج گردیده است. بیشترین نیرویی که توسط دیتالاگر هنگام خروج مخروط ثبت میشود، به عنوان حداکثر کشش لازم برای جدایش مخروط از خاک در نظر گرفته شده است. مراحل انجام آزمایش در شکل 2 نشان داده شده است.
شکل -2 مراحل مختلف آزمایش: الف - نفوذ مخروط، ب - خروج مخروط، ج - حفره حاصل از نفوذ مخروط در خاک، د - خاک چسبیده شده به مخروط
به منظور بررسی تکرارپذیری نتایج بدست آمده از آزمایشهای انجام شده با دستگاه مذکور، 92 آزمایش انجام شده است.
در این آزمایشها، رطوبت، زمان نگهداشت و سرعت جدایش متغیر در نظر گرفته شده و بر این اساس، مقادیر تنش کششی حاصل از آزمایش ها و پارامترهای آماری محاسبه شده، که نتایج در جدول 1 نشان داده شده است.
جدول – 1 الف - مقادیر تنش کششی و پارامترهای آماری محاسبه شده به ازای مقادیر مختلف زمان نگهداشت، ب - مقادیر تنش کششی و پارامترهای آماری محاسبه شده به ازای مقادیر مختلف سرعت خروج
S انحراف معیار، Cv ضریب تغییرات، t ضریب اطمینان، N تعداد آزمایش، P شاخص دقت، W درصد رطوبت
بهمنظور بررسی تکرارپذیر بودن نتایج حاصل از دستگاه، از دو روش آماری استفاده شده است.
در روش اول، ضریب تغییرات - Coefficient of variation - از طریق رابطه 1 محاسبه شده است.
