آزمایش نفوذ استاندارد (Standard Penetration Test)

استاندارد: D1586

مقدمه

هدف از انجام آزمایش نفوذ استاندارد، تعیین معیاری از تراکم لایه های خاک و برخی پارامترهای مقاومتی خاک است. آزمایش نفوذ استاندارد یکی از متداول‌ترین روش‌های آزمون‌های صحرایی است. اساس این آزمایش بر سنجش میزان انرژی و تعداد ضربات لازم برای نفوذ عضو مخروطی شکل و یا نمونه گیر جدا شونده (SBS) به میزان مشخص در خاک استوار است. تفسیر و استفاده از نتایج آزمایش SPT برای تخمین پارامترها و خصوصیات خاک محل ساختگاه به صورت تجربی و بر اساس روابط تجربی است. با استناد به تجربه جهانی هیچ تصمیم مهمی در پروژه نباید فقط بر اساس نتایج SPT اخذ گردد.

آزمایش نفوذ استاندارد میزان مقاومت خاک در برابر ضربه و نفوذ یک نمونه‌گیر فولادی استوانه‌ای و یا یک عضو مخروطی شکل را می‌سنجد. با کمک این آزمایش می­توان مقاومت برشی و وضعیت تراکم را در خاکهای غیرچسبنده و مقاومت فشاری محصورنشده را در خاکهای چسبنده به دست آورد. این آزمایش بر اساس دو روش طبق دو آیین نامه مختلف ASTM D1586 و DIN 4094 قابل انجام است.  تفاوت و شباهت‌های این دو روش در جدول زیر ارائه شده است:

برای استفاده از روابط تجربی تخمین پارامترهای ژئوتکنیکی بر پایه‌ی عدد SPT باید از یک سری ضرایب برای اصلاح عدد خام SPT گزارش شده استفاده شود، این ضرایب اصلاحی عبارتند از:

۱.ضریب تصحیح برای انرژی چکش (C_E)

۲. ضریب تصحیح ناشی از نوع و شرایط نمونه‌گیر (C_S)

۳. ضریب تصحیح ناشی از قطر گمانه (C_B)

۴. ضریب تصحیح به دلیل افت انرژی ناشی از طول میله (C_R)

۵. با توجه به اینکه روابط تجربی مرسوم ارائه شده برای تخمین پارامترهای ژئوتکنیکی بر اساس آیین نامه ASTM می باشد در صورت استفاده از دستگاه SPT آلمانی سبک (بر اساس آیین نامه DIN) باید N_DIN به N_ASTM تبدیل شود.

وسايل مود نياز آزمایش نفوذ استاندارد

۱. تجهیزات حفاری

۲. نمونه‌گیر جداشونده

۳. چکش SPT

۴. میله حفاری

۵. طناب

روش انجام آزمایش نفوذ استاندارد

۱. حفاری گمانه به قطر 5 تا 150 میلی‌متر (گمانه ماشینی) تا عمق مورد نظر برای انجام آزمایش که عموماً در لایه‌های یکنواخت در فواصل 1.5 متری اقدام به انجام آزمایش SPT و نمونه گیری می‌شود.

۲. خارج کردن ابزار حفاری و شستشوی گمانه به طوری که کف گمانه عاری از مصالح حفاری شده و خاک دستخورده باشد.

۳. پس از خروج ابزار حفاری، نمونه‌گیر جداشونده (Split Barrel Sampler) توسط میله حفاری به آرامی وارد گمانه می‌شود.

۴. روی میله حفاری طول 45 سانتی‌متر به فواصل 15 سانتی‌متر علامت گذاری می‌شود تا امکان شمارش تعداد ضربات برای هر 15 سانتی‌متر نفوذ (سه مرحله) فراهم شود.

۵. نمونه‌گیر با ضربه‌های چکش 5 کیلوگرمی در خاک نفوذ می‌کند.

۶. تعداد ضربه‌های هر مرحله نفوذ 15 سانتی‌متری و یا کسری از آن یادداشت می‌شود.

۷. تعداد ضربه‌های 15 سانتی‌متر نفوذ مرحله‌ اول به عنوان کوبش اولیه در نظر گرفته ‌می­شود و در محاسبه N_spt لحاظ نمی‌شود.

۸. پس از نمونه‌گیری، نمونه‌گیر به سطح زمین منتقل می‌شود و درصد بازیابی نمونه ثبت می‌شود.

۹. نمونه‌های گرفته شده با شرحی شامل ترکیب خاک، رنگ، لایه‌ بندی و وضعیت آن توصیف و ثبت می‌شود.

• نمونه‌های ارسالی به آزمایشگاه در ظروف هوابندی شده برای جلوگیری از تغییر رطوبت به همراه اطلاعت نام پروژه، شماره گمانه، عمق نمونه و شمار ضربه‌ها برای هر 15 سانتی‌متر بر روی برگه‌ای نوشته و به ظروف ارسالی چسبانده می‌شود.
• در روش استفاده از دستگاه SPT آلمانی سبک، چاه توسط مقنی تا عمق مورد نظر حفاری شده و پس از انتقال دستگاه SPT و پاک ‌سازی کف چاه از خاک دستی، تعداد ضربات لازم برای هر مرحله نفوذ 10 سانتی‌متری (مجموعاً سه مرحله 10 سانتی‌متری) ثبت می شود.

محاسبات آزمایش نفوذ استاندارد

عدد SPT، برابر مجموع تعداد ضربات لازم برای 30 سانتی‌متر نفوذ مرحله دوم و سوم ثبت می‌شود:

N_spt = N₂ + N₃

N₂: تعداد ضربات لازم برای 15 سانتی‌متر نفوذ مرحله دوم

N₃: تعداد ضربات لازم برای 15 سانتی‌متر نفوذ مرحله سوم

عدد نفوذ اصلاح شده (N₆₀) از رابطه زیر به دست می آید:

N₆₀ = N_spt × C_E × C_B × C_S × C_R

C_E: ضریب اصلاح برای انرژی چکش

C_B: ضریب اصلاح برای قطر گمانه

C_S: ضریب اصلاح برای شرایط نمونه‌گیر

C_R: ضریب اصلاح برای طول میله حفاری

زاویه اصطکاک داخلی (φ) بر حسب درجه و چسبندگی خاک (C) بر حسب کیلوگرم بر سانتیمتر مربع را می توان از روابط متعددی که توسط محققان ارائه شده، به دست آورد. در ادامه چند نمونه از این روابط را مشاهده می کنید:

φ = 0.7 N₆₀ + 18

φ = 0.209 N₆₀ + 19.68

φ = 0.83 N₆₀ + 1.24

C = 0.014 N₆₀ – 0.18

C = 0.010 N₆₀ – 0.004

مطابق جدول زیر می توان وضعیت تراکم لایه های خاک و چگالی توده خاک را به صورت حدودی تعیین کرد: