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प्रयोगशाला परीक्षणों का उपयोग करके आंतरिक मिट्टी प्रतिरोध, सामंजस्य और आंतरिक घर्षण के कोण के तत्वों को निर्धारित करने के कई तरीके हैं, जिनमें से प्रत्यक्ष कतरनी परीक्षण और त्रिअक्षीय संपीड़न परीक्षण सबसे प्रसिद्ध हैं।
प्रत्यक्ष कतरनी अनुभव
परीक्षण A प्रकार के आयताकार खंड वाले एक उपकरण पर किया जाता है। Casagrandea या Hvorsleva प्रकार के गोलाकार उपकरण पर। हम आयताकार खंड के उपकरण के साथ प्रयोग का वर्णन करेंगे, जो सबसे अधिक उपयोग किया जाता है। दोनों मामलों में, परीक्षण एक अबाधित नमूने के साथ, या उपज बिंदु पर एक परेशान नमूने के साथ किया जाता है, जिस स्थिति में परीक्षण का तुलनात्मक मूल्य होता है।
एक आयताकार खंड की सीधी कतरनी के लिए उपकरण (चित्र। 1)
चित्र। 1_कैसाग्रांडे के प्रत्यक्ष कतरनी उपकरण का क्रॉस सेक्शन_
डिवाइस में दो भाग होते हैं, ऊपरी और निचला फ्रेम, जहां निचला हिस्सा स्थिर होता है, जबकि ऊपरी हिस्सा गतिशील होता है और क्षैतिज बल Z के प्रभाव में निचले हिस्से पर ले जाया जा सकता है, जो ऊपरी और निचले फ्रेम के संपर्क के तल पर कार्य करता है।
मिट्टी का नमूना एक स्टील आयताकार रिंग में रखा जाता है, आमतौर पर आकार 100 × 100 × 30 mm, या उन आयामों का जब सटीक रूप से स्क्रैप किया जाता है। फ़िल्टर पत्थरों को नमूने के ऊपर और नीचे रखा जाता है, और फिर सब कुछ उपकरण की रिंग में रखा जाता है, जिसे बाद में पानी से भर दिया जाता है। ऊर्ध्वाधर लोडिंग के लिए एक उपकरण नमूने पर रखा गया है। ऊपरी फिल्टर पत्थर नमूने की ऊर्ध्वाधर लोडिंग की प्रणाली से जुड़ा है, जबकि निचला पानी के चैनलों से जुड़ा है, जिसके माध्यम से स्पष्ट सामंजस्य को बाहर करने के लिए नमूने को परीक्षण के दौरान संतृप्त अवस्था में रखा जा सकता है।
ऊपरी और निचले फ्रेम के बीच संपर्क सतहों पर घर्षण को खत्म करने के लिए, ऊपरी फ्रेम को पेंच करने वाले उपकरण होते हैं, जिसके माध्यम से ऊपरी फ्रेम क्षैतिज कतरनी बल के प्रभाव में चलता है। इसके अलावा, ऊपरी और निचले फ्रेम की संपर्क सतहों को पेट्रोलियम जेली से लेपित किया जाता है। डिवाइस में और भी बहुत कुछ शामिल है2ऊर्ध्वाधर और क्षैतिज विकृतियों को दर्ज करने के लिए तुलनित्र।
प्रत्यक्ष कतरनी परीक्षण आयोजित करना
अधिकतर हैं2प्रत्यक्ष कतरनी परीक्षण के प्रकार: तेज और धीमा परीक्षण। त्वरित परीक्षण में नमूने को एक निश्चित ऊर्ध्वाधर दबाव के साथ लोड करना शामिल है, जो आमतौर पर होता है0,50;1,0;2,0;3,0और4,0केपी/सेमी2, समेकन की प्रतीक्षा करें, जो माना जाता है कि यदि समय के दौरान घटाव प्राप्त हुआ है24घंटे Δh ≤0,02 mm, और फिर परिमाण का एक क्षैतिज कतरनी बल Z लगाया जाता है1/20या1/40ऊर्ध्वाधर बल P का भाग, जो जमीन टूटने तक हर मिनट उसी मान से बढ़ता है। क्षैतिज कतरनी बल के अनुप्रयोग के दौरान, तुलनित्र पर पढ़कर ऊपरी फ्रेम की गति की लगातार निगरानी की जाती है और प्रत्येक नए लोड से ठीक पहले क्षैतिज विकृतियों को लॉग में दर्ज किया जाता है। वह क्षण, जिसमें तुलनित्र अचानक गति दिखाता है, उसे ग्राउंड ब्रेकिंग के रूप में अपनाया जाता है।
तीव्र परीक्षण चिकनी मिट्टी पर लागू किया जाता है, जिसका नए भार के तहत प्राकृतिक समेकन धीमा होता है और परीक्षण करने की इस पद्धति से मेल खाता है।
धीमा परीक्षण पहले की तरह ही किया जाता है, एकमात्र अंतर यह है कि क्षैतिज कतरनी बल लंबे समय अंतराल में बढ़ता है, जो 2, 5 और 15 mमिनट या समेकन तक हो सकता है, यानी जब तक क्षैतिज विरूपण पूरी तरह से महत्वहीन नहीं हो जाता। क्षैतिज बल के प्रभाव के तहत समेकन के पाठ्यक्रम की निगरानी तुलनित्र 9 (चित्र 1) पर की जाती है।
धीमा परीक्षण रेतीली या धूल भरी मिट्टी पर लागू किया जाता है, जहां थोड़े समय के अंतराल में क्षैतिज कतरनी बल में वृद्धि के मामले में, छिद्रों में तनावग्रस्त पानी के प्रभाव के कारण उपकरण में नमूने की कतरन तेज हो जाएगी, जो प्राकृतिक प्रक्रिया के अनुरूप नहीं होगी। इसलिए, अनबाउंड मिट्टी के कणों की सुंदरता के साथ समय अंतराल बढ़ता है, ताकि बाहरी पानी के दबाव के साथ मिट्टी के छिद्रों में पानी के दबाव को बराबर किया जा सके। क्षैतिज भार के प्रत्येक स्तर के प्रभाव में पर्याप्त समय छोड़कर यह समानता प्राप्त की जाती है, ताकि छिद्रों में अतिरिक्त पानी फिल्टर स्टोन के माध्यम से बाहर निकल जाए।
उल्लेखित परीक्षणों के अलावा, कुछ मामलों में ऊर्ध्वाधर भार के तहत समेकन के बिना एक त्वरित परीक्षण किया जाता है, यानी उपकरण में नमूना पेश करने और ऊर्ध्वाधर भार के साथ लोड करने के तुरंत बाद क्षैतिज कतरनी बल लागू किया जाता है। हालाँकि, इस निष्पादन विधि को विशेष परिस्थितियों में लागू किया जाता है, जैसे कि चिकनी मिट्टी से बने ताजा स्थापित तटबंध का मामला, जिसे पूर्व संघनन के बिना तटबंध के तुरंत बाद लोड किया जाता है।
आंतरिक घर्षण और सामंजस्य के कोण का निर्धारण
परीक्षण के परिणामों के आधार पर, कतरनी तनाव
τ=Z/A kp/cm² में,
जो विफलता के क्षण में kp में कतरनी बल Z और सेमी² में नमूने के क्रॉस-अनुभागीय क्षेत्र A से प्राप्त होता है। परीक्षण 3 से 4 उपकरण के साथ किया जाता है, जो kp/cm² में विभिन्न सामान्य दबाव σ=P/A से भरा होता है, जहां P kp में नमूने का ऊर्ध्वाधर भार होता है। सामान्य दबाव के निम्नलिखित मान आमतौर पर लिए जाते हैं: 1,0; 2,0; 3,0 और 4,0 kp/cm².
चित्र। 2. क्षैतिज विकृतियों का आरेख
आंतरिक घर्षण तत्वों के आरेख के आधार पर, दो प्रकार के आरेख 1 और क्षैतिज विकृतियों का एक आरेख (चित्र। 2) प्राप्त होते हैं।
क्षैतिज विकृतियों का आरेख डिवाइस के ऊपरी फ्रेम के मिमी में क्षैतिज विस्थापन ΔL को एब्सिस्सा अक्ष पर निचले हिस्से में लागू करके प्राप्त किया जाता है, जो तुलनित्र 9 को पढ़कर प्राप्त किया जाता है, और कोर्डिनेट अक्ष पर संबंधित कतरनी तनाव τ kp/cm² में (चित्र)। 2).
मिट्टी के संघनन के आधार पर, संघनन के लिए आरेख 1 और ढीली सामग्री के लिए आरेख 2 प्राप्त होता है।
एक संकुचित सामग्री के लिए, कतरनी तनाव τ शुरू में क्षैतिज विस्थापन ΔL के संबंध में आनुपातिकता पी की सीमा तक तेजी से बढ़ता है, फिर धीरे-धीरे, जिससे आरेख 1 का वक्र बढ़ता है और अधिकतम ऊंचाई बी तक पहुंच जाता है, जिसके बाद आरेख एक निश्चित लंबाई से कम हो जाता है, अंततः क्षैतिज प्रवाह तक पहुंच जाता है। क्षैतिज विरूपण आरेख की सीधी-रेखा चढ़ाई का क्षेत्र, जिसमें कतरनी तनाव में वृद्धि विरूपण में वृद्धि के समानुपाती होती है, को लोचदार विरूपण का क्षेत्र माना जाता है। सीमा P से परे, आरेख के उच्चतम बिंदु B तक विकृति ΔL में वृद्धि के अनुसार कतरनी तनाव में वृद्धि कम हो जाती है। इस क्षेत्र में सामग्री “प्रवाह” करने लगती है और इसे प्लास्टिक विरूपण के क्षेत्र के रूप में अपनाया जाता है। 1 आरेख का उच्चतम बिंदु B अधिकतम कतरनी तनाव अधिकतम τ को दर्शाता है, और यह माना जाता है कि इस बिंदु पर मिट्टी का फ्रैक्चर होता है, अर्थात बिंदु B ब्रेकिंग पॉइंट है। बिंदु बी से परे, सामग्री तरल अवस्था में है, कतरनी ताकत कम हो जाती है, और यह माना जाता है कि इस क्षेत्र में, जहां कणों के बीच संबंध टूट गया है, केवल स्लाइडिंग प्रतिरोध है जो क्षैतिज कतरनी बल का विरोध करता है। बिंदु G जहां आरेख 1 क्षैतिज दिशा में मुड़ता है उसे स्लाइडिंग सीमा के रूप में अपनाया जाता है।
विफलता सीमा B पर कतरनी तनाव को कतरनी ताकत या शुद्ध कतरनी ताकत τf कहा जाता है, जबकि उपज सीमा G पर कतरनी तनाव को स्लिप ताकत τg कहा जाता है।
एक ढीली सामग्री के लिए, क्षैतिज विस्थापन आरेख में आनुपातिकता सीमा P के साथ एक लोचदार क्षेत्र भी होता है, लेकिन डाउनस्ट्रीम स्लिप सीमा G तक एक प्लास्टिक क्षेत्र होता है, यानी अधिकतम कतरनी तनाव सीमा शक्ति, स्लाइडिंग (τ=τg) के बराबर होता है, जिसके आगे सामग्री की तरल अवस्था होती है।
चित्र। 3. कतरनी आरेख, a) सुसंगत मिट्टी के लिए, b) असंगत मिट्टी के लिए
कतरनी आरेख तब प्राप्त होता है जब सामान्य दबाव σ kp/cm2 को एब्सिस्सा अक्ष पर लागू किया जाता है, और संबंधित कतरनी ताकत τf kp/cm2 को कोर्डिनेट अक्ष पर लागू किया जाता है, जिससे ये दोनों मान एक ही पैमाने पर लागू होते हैं (चित्र 3)। चूंकि मिट्टी की कतरनी ताकत τf सामान्य दबाव σ के साथ बढ़ती है, विभिन्न दबावों के लिए σ1 बिंदु A, B, C, और D प्राप्त होंगे, जो संबंधित कतरनी ताकत का प्रतिनिधित्व करते हैं।
सुसंगत मिट्टी के लिए आरेख 3 पर कुछ बिंदु A, B, C और D प्राप्त करने के लिए (चित्र 3a), स्लाइडिंग ताकत _τ_g को अपनाया जाता है। हालाँकि, चिकनी मिट्टी के मामले में, सामग्री फिसलन सीमा G तक पहुँचने से बहुत पहले प्रवाहित होने लगती है, और मिट्टी के सामंजस्य c और आंतरिक घर्षण के कोण को निर्धारित करने के लिए आनुपातिकता P की सीमा पर कतरनी ताकत को अपनाने की प्रवृत्ति होती है, लेकिन चूंकि यह अपेक्षाकृत छोटा है, कतरनी ताकत को अक्सर अपनाया जाता है जिसके लिए 2 आरेख पर विरूपण ΔL उपकरण में लोडिंग के पिछले स्तर पर विरूपण से दोगुना है। यह ताकत पी और बी की सीमा के बीच कहीं है, यानी जी (अंजीर। 2)।
आरेख पर बिंदु A, B, C और D को जोड़कर76और एक कतरनी आरेख प्राप्त होता है, जो सफल परीक्षणों में एक सीधी रेखा होती है। σ = के लिए, कोटि अक्ष के साथ प्रतिच्छेदन तक आरेख को विस्तारित करके0, यह कूलम्ब पैटर्न τf = c+σ tgϕ के आधार पर प्राप्त किया जाता है कि τf = c = मिट्टी का सामंजस्य, जबकि आरेख का क्षैतिज ढलान आंतरिक घर्षण का कोण देता है। ऑर्डिनेट अक्ष के दूसरी ओर कतरनी आरेख को विस्तारित करके, सामंजस्य pk के कारण तनाव भुज अक्ष पर प्राप्त होता है, जब सामंजस्य c का परिमाण घर्षण प्रतिरोध के बराबर के रूप में व्यक्त किया जाता है:
c = pk tgϕ, जहां से pk = c/tgϕ
रेत जैसी असंगत मिट्टी के लिए, चित्र में चित्र।3बी, जो निर्देशांक मूल से होकर गुजरता है, क्योंकि σ = के लिए0_τ_ = मिलता है0. हालाँकि, यदि रेत महीन दाने वाली और गीली है, तो चित्र में दिखाए गए चित्र के समान है।3ए, एक छोटे सामंजस्य के साथ सी, जो स्पष्ट सामंजस्य का प्रतिनिधित्व करता है। उस स्थिति में, समन्वय मूल के दूसरी ओर विस्तारित एब्सिस्सा अक्ष पर तनाव pk केशिका तनाव का प्रतिनिधित्व करता है।
यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि प्रत्यक्ष कतरनी परीक्षण द्वारा मिट्टी के सामंजस्य और घर्षण के निर्धारण के कई नुकसान हैं, जिनमें से सबसे महत्वपूर्ण यह है कि मिट्टी की विफलता एक पूर्व निर्धारित कतरनी सतह पर होती है, न कि कम से कम कतरनी प्रतिरोध की सतह पर, कि उपकरण में नमूने की कतरनी के दौरान, निचले फ्रेम पर ऊपरी फ्रेम की गति के कारण कतरनी सतह कम हो जाती है, फिर कतरनी के दौरान नमूने की विकृति की निगरानी केवल एक छोटी लंबाई पर की जा सकती है, ताकि फ्रैक्चर सीमा के पीछे फिसलने वाला प्रतिरोध हो पर्याप्त सीमा तक नियंत्रित नहीं किया जा सकता है, विशेष रूप से नरम मिट्टी के मामले में जब कतरनी विकृतियाँ बड़ी होती हैं, आदि।
त्रिअक्षीय संपीड़न परीक्षण
परीक्षण एक त्रिअक्षीय उपकरण पर किया जाता है, जिसकी संरचना अलग-अलग होती है, लेकिन वे सभी एक ही सिद्धांत पर आधारित होते हैं, जो इस प्रकार है। रोलर के रूप में अबाधित नमूने को स्टैंड पर लंबवत रखा जाता है और सभी तरफ से तरल द्रव्यमान के पार्श्व दबाव और फिर ऊर्ध्वाधर दबाव के संपर्क में लाया जाता है, जो धीरे-धीरे बढ़ता है, जब तक कि नमूना कम से कम कतरनी प्रतिरोध की सतह पर टूट न जाए। टूटने पर कतरनी ताकत के आधार पर, मिट्टी के सामंजस्य और आंतरिक घर्षण के कोण की गणना की जाती है।
त्रिअक्षीय उपकरण का विवरण
चित्र। 4. त्रिअक्षीय उपकरण
त्रिअक्षीय उपकरण (चित्र। 4) में चैम्बर की बेस प्लेट का निचला भाग होता है, जिस पर नमूना स्टैंड टिका होता है, और नमूना के ऊर्ध्वाधर लोडिंग के लिए पिस्टन के ऊपरी हिस्से में और ऊपरी प्लेट होती है जो चैम्बर को बंद कर देती है। सबसे आम नमूना आयाम व्यास ϕ=36 mm, ऊंचाई h=2,2-2,5_ϕ_ हैं। कक्ष का व्यास D=135mm, ऊंचाई H = 180 mm है। A narrow tube K1 for draining the sample from the bottom starts from the center of the sample stand, which receives water from the sample through a porous plate and drains it outside the chamber into a vertical glass tube C1. यदि परीक्षण नमूने को निकाले बिना किया जाता है, तो यह चैनल छिद्रों में पानी के दबाव को मापने का काम करता है। कक्ष के कांस्य आधार में कक्ष को भरने और नमूने पर कक्ष में पार्श्व दबाव प्राप्त करने के लिए तरल द्रव्यमान की आपूर्ति के लिए एक चैनल K2 है।
चेंबर की ऊपरी प्लेट के माध्यम से नमूना लोड करने के लिए पिस्टन हैंडल गुजरता है। चैम्बर में नमूना एक रबर झिल्ली से घिरा होता है, जो दोनों सिरों पर फैला होता है और रबर के छल्ले के माध्यम से पिस्टन और बेस से जुड़ा होता है। पिस्टन के बीच में ऊपरी तरफ से नमूना निकालने के लिए एक चैनल K3 है।
किनारों से, चैम्बर को एक प्लेक्सीग्लास सिलेंडर के साथ भली भांति बंद करके बंद किया जाता है जो रबर के छल्ले के माध्यम से चैम्बर की ऊपरी और निचली प्लेटों पर तय किया जाता है।
चैम्बर को एक ठोस आधार पर रखा गया है। नमूने की सामान्य लोडिंग वजन वाले लीवर के माध्यम से की जाती है, जिसका अनुपात सबसे आम है1:10. कक्ष में नमूने पर पार्श्व दबाव प्राप्त करने की प्रणाली में तरल द्रव्यमान बी के साथ एक बोतल होती है, जिसे एक ट्यूब के माध्यम से कक्ष में लाया जाता है, हवा के दबाव को मापने के लिए एक मैनोमीटर और संपीड़ित हवा के साथ एक बोतल होती है। लोड के तहत नमूने के निपटान को मापने के लिए नमूना लोड करने के लिए पिस्टन के ऊपर एक तुलनित्र रखा जाता है।
कक्ष में तरल द्रव्यमान के पार्श्व दबाव को वाल्व वी के माध्यम से बोतल बी में हवा के दबाव के माध्यम से इच्छानुसार समायोजित किया जा सकता है।1और वी2. यह दबाव σ नमूने में क्षैतिज तनाव उत्पन्न करता है2 और σ3, जो नमूने के गोलाकार खंड के कारण σ बराबर हो जाता है2 = σ3.
तरल द्रव्यमान आसुत जल या तेल हो सकता है, जिसे बेहतर सीलिंग के लिए प्राथमिकता दी जाती है, क्योंकि पानी स्क्रू से गुजर सकता है। बोतल बी में हवा के दबाव के प्रभाव में, तरल द्रव्यमान कक्ष को वाल्व V6 तक भर देता है, जो फिर बंद हो जाता है। नमूने का ऊर्ध्वाधर भार P, जिसे पिस्टन हैंडल के माध्यम से नमूने में लगभग घर्षण रहित रूप से स्थानांतरित किया जाता है, नमूने के क्रॉस-अनुभागीय क्षेत्र A से विभाजित ऊर्ध्वाधर तनाव σ देता है1= पी/ए
त्रिअक्षीय संपीड़न परीक्षण करना
परीक्षण नमूने के लिए, इसे एक अलग उपकरण में संसाधित किया जाता है, ताकि 36 mm के व्यास, 78 mm या 90 mm की ऊंचाई वाला एक रोलर प्राप्त हो, जिस पर ऊपर और नीचे से फिल्टर पत्थर रखे जाते हैं और एक रबर झिल्ली लगाई जाती है। फिर फिल्टर पत्थरों के साथ नमूना को चैम्बर में स्टैंड पर रखा जाता है, सिरों, रबर झिल्ली को स्टैंड और लोडिंग पिस्टन पर खींचा जाता है और रबर के छल्ले से सुरक्षित किया जाता है। कुछ प्रयोगशालाओं के अभ्यास के अनुसार, जैसे कि लंदन में प्रोफेसर स्केम्प्टन, परीक्षण के दौरान कक्ष में नमूने के निकास को फिल्टर पेपर के साथ नमूने के किनारों को अस्तर करके तेज किया जाता है, जिसे रबर झिल्ली को खींचने से पहले रखा जाता है। जब नमूना उपकरण में डाला जाता है और प्लेक्सीग्लस सिलेंडर को ऊपरी और निचली प्लेटों में तय किया जाता है, तो परीक्षण करना संभव होता है, जिसे कई तरीकों से किया जा सकता है, जैसे कि निम्नलिखित:
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अनियंत्रित परीक्षण। इन परीक्षणों में, पार्श्व और ऊर्ध्वाधर परीक्षण के आवेदन के दौरान नमूने की निकासी की अनुमति नहीं है, जबकि वाल्व V4 और V5 बंद हैं।
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समेकन के साथ अप्रशिक्षित परीक्षण। पार्श्व दबाव के अनुप्रयोग के दौरान, नमूना सूखा जाता है (वाल्व V4 और V5 खुले होते हैं), जबकि ऊर्ध्वाधर दबाव के अनुप्रयोग के दौरान, जल निकासी की अनुमति नहीं होती है (V4 और V5 बंद होते हैं)।
3_) सूखा हुआ नमूना_। परीक्षण की पूरी अवधि के दौरान नमूने को सूखा दिया जाता है (वाल्व V4 और V5 खुले होते हैं), ताकि पूर्ण समेकन हो सके और ऊर्ध्वाधर दबाव σ1 के अनुप्रयोग के दौरान छिद्रों में कोई तनावग्रस्त पानी न बने। इस परीक्षण में लंबा समय लगता है, विशेष रूप से खराब पारगम्य मिट्टी के साथ, क्योंकि ऊर्ध्वाधर लोडिंग σ1 को बड़ी संख्या में छोटे चरणों में किया जाना चाहिए और प्रत्येक चरण में समेकन की प्रतीक्षा करनी होगी। इसके अलावा, उल्लिखित परीक्षण संतृप्त और आंशिक रूप से संतृप्त नमूनों_ के साथ किए जा सकते हैं।_
उपरोक्त संभावनाओं को ध्यान में रखते हुए, त्रिअक्षीय संपीड़न परीक्षण विभिन्न प्रकारों में किया जा सकता है और लोड स्थितियों के तहत मिट्टी के प्रकार के अनुसार समायोजित किया जा सकता है।
वर्णित उपकरण, प्रक्रियाएं, इकाइयां, मूल्य और पैटर्न एक ऐतिहासिक स्रोत से स्थानांतरित किए गए हैं। पाठ कोई भू-तकनीकी अध्ययन, प्रयोगशाला प्रोटोकॉल, नींव परियोजना, ढलान स्थिरता का प्रमाण या उत्खनन योजना नहीं है। उपयुक्त प्रयोगशाला और अधिकृत भू-तकनीकी विशेषज्ञ के साथ, वर्तमान नियमों के अनुसार, विशिष्ट मिट्टी और भवन के लिए नमूना और परीक्षण विधि का चयन, जल निकासी और समेकन की स्थिति, भूजल, भार व्यवस्था, भूकंपीय प्रभाव और उत्खनन सुरक्षा का निर्धारण किया जाना चाहिए।