آزمایش‌های صحرایی خاک
فهرست مطالب
مقدمه آزمایش آزمایشگاهی خاك
آزمایش های صحرایی خاک یا درجا آزمایش هایی هستند که در محل پروژه و بر روی سطح خاک یا در عمق خاک انجام می شوند. مهمترین آزمایش های صحرایی خاک عبارتند از آزمون نفوذ استاندارد (SPT)، آزمایش برش پره صحرایی، تست نفوذ مخروط (CPT)، تست سنجش فشار و تست دیلاتومتر (DMT). آزمون برش پره (VST) در خاک های ریزدانه اشباع برای بدست آوردن مقاومت برشی زهکشی نشده استفاده می شود. آزمایش برش گمانه (BST) شامل حفاری گمانه و قرار دادن دستگاه سنجش برش داخل گمانه تا عمق موردنظر آزمایش است. آزمایش بارگذاری صفحه ای (PLT) یکی از ساده ترین و قدیمی ترین آزمایش های درجا است. آزمایش نسبت باربری کالیفرنیا (CBR) نوعی آزمایش صفحه ای است که در محل یا در آزمایشگاه انجام می شود. آزمایش های درجا که بیشتر در داخل آب مورد استفاده قرار می گیرند، تست نفوذ مخروط و آزمون برش پره هستند.
برای یک مدت طولانی آزمایش های صحرایی خاک توسط دانشگاهیان و مراجع علمی نادیده گرفته می شدند. کسانی که همیشه تست های آزمایشگاهی را ترجیح می دادند چون در آن مشخصات آزمایش به خوبی شناخته شده بود و شرایط آزمایش کاملاً تحت کنترل قرار داشت. این دید ممکن است منجر به یک اطمینان گمراه کننده نسبت به نتایج آزمایش های آزمایشگاهی شود به طوریکه فراموش می کنیم قبل از رسیدن به آزمایشگاه، خاک تاریخچه خاص خود را داشته است و تحت شرایط نمونه برداری، حمل و نقل و حفاظت خاک تا رسیدن به آزمایشگاه، شرایط خاک آنقدر دگرگون می شود که مشخصات آن کم و بیش تغییر می کنند. آزمایش های صحرایی خاک نه تنها به ما اجازه می دهند تا همه مقادیر مشخصات مکانیکی خاک که در آزمایشگاه اندازه گیری می شود را با دقت بیشتری تعیین کنیم، بلکه به ما این امکان را می دهند که فراتر برویم و داده هایی را پیدا کنیم که دسترسی به آنها در تست های آزمایشگاهی غیرممکن است.
در بسیاری موارد مناسب ترين روش براي تعيين مشخصات خاک استفاده از نمونه دست نخورده خاك و انجام آزمايش هاي آزمايشگاهي بر روي آن است. اما به دليل اينكه امكان اعمال تنش هایي دقیقاً مشابه تنش برجای موجود در محل، در شرایط آزمايشگاه به سادگي امكان پذير نيست و همچنین نمونه هاي گرفته شده با دستخوردگي زيادي همراه می شوند، در این موارد انجام آزمايشهاي آزمايشگاهي براي تعيين مشخصات خاک، مشكلات و هزينه هاي فراواني را به دنبال دارد. براي جلوگیری از اين مشكلات، از آزمايشهاي صحرايي نظير CPT و DMT و CBR و PLT و BST و VST و SPT و آزمایش نفوذ بِکِر (BPT) استفاده می شود.
خلاصه آزمایش آزمایشگاهی خاك
1. آزمایش بارگذاری صفحه‌ای (Cone Penetration Test)
آزمایش بارگذاری صفحه ای یکی از آزمایش‌های کاربردی در انجام مطالعات خاک است. کاربرد نتایج این آزمایش با توجه به ماهیت آن، در طراحی فونداسیون ها و تخمین نشست پس از احداث سازه بسیار اهمیت دارد. در این آزمایش تلاش می‌شود تا مقاومت و سختی زمین با توجه به جنس ساختگاه پروژه تعیین شود. البته ساخت پی با اندازه واقعی و بارگذاری آن، بدون شک بهترین روش در راستای تعیین مقاومت زمین است اما به دلیل هزینه بالای اجرا، انجام این کار منطقی نیست. در این شرایط، با انجام آزمایش بر روی یک صفحه کوچک و تعمیم نتایج می‌توان ویژگی ها و مشخصات مورد نظر را به دست آورد.
۲. آزمایش نفوذپذیری لوفران (Lefranc Test)
یکی از پارامترهای مهم مصالح نا پیوسته، ضریب تراوایی این مصالح در حالت برجا است که در طراحی سازه ها به ویژه سازه های آبی جزء پارامترهای اصلی به حساب می آید و در محاسبات نشت آب از پی ها و دیواره های آب بند به کار گرفته می شود. برای تعیین ضریب تراوایی، از آزمایش لوفران یا آزمایش پمپاژ داخل گمانه استفاده می شود. حفاری در فواصل 2 متری یا 3 متری، یا هر جایی که جنس مواد از نفوذ ناپذیر به نفوذپذیر تبدیل می شود باید انجام شود. اگر سطح آب زیرزمینی بالاتر از قسمت مورد آزمایش باشد از قطعات بنتونیت استفاده شده و با وسائل مناسب متراکم می گردد. روش لوفران در مورد مواد مختلف غیرچسبنده و در شرایط مختلف مورد استفاده قرار می گیرد. این روش در خاکهای چسبنده نیز بکار می رود ولی نتایج آن کمتر مورد اعتماد خواهند بود.
۳. آزمایش لوژان (Lugeon Test)
یکی از روش های اندازه گیری نفوذپذیری توده های سنگی درزه دار در محل، روش لوژان است. در این روش ابتدا میزان آب خوری توده تحت یک فشار ثابت اندازه گیری می شود و سپس با تغییر فشار آب منحنی تغییرات خورند آب در برابر فشار آب ترسیم می شود. از تفسیر این نمودار عدد لوژان به دست می آید.
عدد لوژان در واقع نماد غیرمستقیم نفوذپذیری توده های سنگ است و طبق تعریف یک واحد لوژان برابر نفوذپذیری توده سنگی است که از یک متر طول گمانه حفاری شده در آن، تحت فشار ۱۰ بار، یک لیتر در دقیقه آب عبور کند. تجهیزات مورد نیاز در این آزمایش پمپ آب (تأمین فشار آب)، مسدود کننده یا پکر (برای آب بند کردن دو سر قطعه مورد آزمایش)، کنتور آب (اندازه گیری دبی آب)، فشارسنج (اندازه گیری فشار آب)، منبع آب (برای تامین آب مورد نیاز در طول آزمایش) و سیستم تولید و انتقال فشار گاز برای باد کردن پکرها.
۴. آزمایش نفوذ مخروط (Cone Penetration Test)
در آزمایش نفوذ مخروط (CPT) ابزار استوانه‌ای با نوک مخروطی شکل با سرعت ثابت به داخل زمین نفوذ می کند و مقاومت خاک در برابر نفوذ نوک مخروط و جدار استوانه پیوسته ثبت می شود. تفسیر و استفاده از نتایج آزمایش CPT برای تخمین پارامترها و خصوصیات خاک محل ساختگاه به صورت تجربی و بر اساس روابط تجربی صورت می‌گیرد.رآزمایش CPT به دلیل عدم ایجاد دستخوردگی شدید در خاک و ارائه نتایج پیوسته از اهمیت بالایی برای مطالعه پارامترهای خاکهای رسی نرم و ماسه‌ای ریز در مناطق ساحلی و سیلابی برخوردار است.
نتایجی که از این آزمایش به دست می آید شامل طبقه‌بندی نسبی خاک، تعیین عمق لایه سنگ بستر، بررسی زیر سطحی خاکهای رسی و ماسه‌ای ریز در مناطق سیلابی و دلتاها، محاسبه مدول الاستیسیته و مدول برشی خاک، محاسبه‌ی زاویه اصطکاک خاک، تعیین مقاومت برشی زهکشی نشده خاک های چسبنده، تعیین دانسیته نسبی ماسه، ارزیابی پتانسیل روانگرایی و تعیین ظرفیت باربری پی‌های عمیق می شود.
۵. آزمایش پیزوکن (Piezocone Penetration Test)
آزمایش نفوذ مخروط الکتریکی با توانایی تعیین فشار آب حفره ای، پیزوکن یا CPTU نامیده می شود. این آزمایش یکی از پیشرفته ترین آزمایش های صحرایی خاک است. از آزمایش پیزوکن جهت تعیین مشخصات خاک های چسبنده یا غیرچسبنده و تشخیص ماهیت خاک استفاده می شود. این آزمایش به دلیل تکرار پذیری، اطمینان به نتایج و پیوستگی داده ها تبدیل به یک آزمایش برجای ایده آل برای تعیین نوع خاک، لایه بندی زمین، تغییرشکل پذیری لایه های ماسه ای و رسی و ارزیابی پتانسیل روان گرایی خاک های ماسه ای و محاسبه مدول الاستیسیته و مدول برشی خاک شده است.
۶. آزمایش صحرایی دانهول خاک (Downhole Seismic Test)
آزمایش لرزه نگاری درون گمانه ای دانهول (DHT) یکی از آزمایش های صحرایی خاک است که برای شناسایی لایه بندی خاک و بررسی مشخصات لایه ها استفاده می شود. این آزمایش بر اساس اندازه گیری سرعت انتشار امواج فشاری و برشی و استفاده از آن جهت تفکیک لایه ها و تخمین پارامترهای دینامیکی خاک عمل می کند. در آزمایش صحرایی دانهول منبع ارتعاش در سطح زمین و ژئوفون ها درون گمانه، قرار می گیرند و با ایجاد ارتعاش در سطح زمین و دریافت امواج در اعماق مختلف، با توجه به زمان و فاصله طی شده توسط موج های ارتعاشی، سرعت آن ها در اعماق مختلف قابل محاسبه خواهد بود. تغییرات سرعت موج در خاک هایی با جنس های مختلف، امکان شناسایی لایه‌بندی، جنس خاک و نیز تخمین پارامترهای خاک را به ما می دهد.
۷. آزمایش برش پره (Vane Shear Test)
آزمایش برش پره برای اندازه گیری مشخصات خاکهای ریزدانه اشباع استفاده می شود. بعضی از خصوصیات خاکهای ریزدانه مثل مقاومت برشی زهکشی نشده خاک، مقاومت برشی زهکشی نشده خاک در حالت بازسازی شده و درجه حساسیت خاک، به طور مستقیم توسط آزمایش برش پره قابل محاسبه هستند. سایر مشخصات از طریق روابط همبستگی موجود بین مشخصات خاک و نتایج آزمایش برش پره به دست می‌آیند.
۸. آزمایش دایلاتومتری تخت (Flat Dilatometer Test)
در آزمایش دایلاتومتری تخت، نوک دستگاه با سرعت ۲۰ میلیمتر بر ثانیه به درون زمین رانده می شود و با ثبت چند نوع فشار از جمله فشار بر غشا از طرف زمین، فشار برای صفر کردن تغییر مکان غشا، فشار برای ایجاد تغییر مکان ۱.۱ میلیمتر، فشار وارد بر غشاء پس از برداشت بار و متغیرهای دایلاتومتری با استفاده از روابط به دست می آیند.
۹. آزمایش نفوذ استاندارد (Standard Penetration Test)
آزمایش ضربه و نفوذ استاندارد متداول ترین آزمایش صحرایی در بین آزمایش های خاک است که جهت اندازه گیری تراکم نسبی در خاک های دانه ای و ارزیابی قـوام در خاک های ریزدانه چسبنده استفاده می شود و درنهایت به عنوان نشانه ای از مقاومت خاک مورد بررسی قرار می گیرد. آزمایش نفوذ استاندارد براساس استاندارد ASTM-D1586 انجام می شود.
۱۰. آزمایش پرسیومتری (Pressuremeter Testing)
آزمایش پرسیومتری یک آزمایش درجا است که مبتنی بر اندازه گیری افزایش حجم و یا شعاع حفره آزمایش درون گمانه و ترسیم خروجی آزمایش به صورت نمودار فشار-تغییرحجم و یا فشار-تغییر شعاع بالن یا تنش-کرنش است. این آزمایش به دو روش کنترل تنش و کنترل کرنش قابل اجرا است. پرسیومترهای پیش حفار متداول ترین نوع پرسیومترها هستند و به حفاری و ایجاد گمانه برای قرارگیری محفظه پرسیومتر نیاز دارند. انواع مختلف پرسیومترهای منارد از این نوع هستند.
پرسیومترهای خودحفار دارای یک مکانیسم حفاری از داخل، در انتهای خود هستند این سیستم در خاک های فاقد شن و قلوه سنگ و در سنگ های ضعیف قابل استفاده است. پرسیومترهای رانشی دارای محفظه استوانه ای هستند که با اعمال فشار به داخل زمین رانده می شوند و در زمین های نرم و سست استفاده می شوند.
۱۱. آزمایش باربری کالیفرنیا (In-situ California Bearing Ratio)
از این آزمایش در تعیین ضخامت لایه ها در راهسازی استفاده می‌شود و هدف آن تعیین ظرفیت باربری مقطع است. نسبت مقدار بار به بار استاندارد برای مقدار نفوذ سنبه در نمونه استاندارد شده به نام نسبت باربری کالیفرنیا یا عدد CBR نامیده می شود.
معمولاً مقدار بار برای نفوذ ۲٫۵ میلیمتر قرائت می شود تا به عنوان معیار سنجش قرار گیرد ولی اگر در فاصله نفوذ ۲٫۵ میلیمتر تا ۵ میلیمتر مقادیر بزرگتری از آنچه که برای نفوذ ۲٫۵ میلیمتر بدست آمد نتیجه شود، بزرگترین مقدار بدست آمده به عنوان عدد CBR در نظر گرفته می شود. تراکم نمونه در ۵ لایه و با چکش ۴٫۵ کیلوگرم و با ۵۶ ضربه انجام می شود.
۱۲. آزمایش برش برجا (Direct Shear Tests In Situ)
برای شناخت ویژگی‌های خاک آبرفت‌های درشت دانه در بسیاری از مناطق، انجام برخی آزمایش های برجای متداول نظیر SPT و CPT کاربرد ندارد. همچنین وجود قطعات درشت در جداره گمانه های حفر شده باعث تفاوت بین رفتار واقعی توده خاک و مقادیر اندازه گیری شده در آزمایش هایی مثل پرسیومتری شده و باعث ایجاد پارگی پروب و آسیب دیدن دستگاه می شود. انجام آزمایش هایی نظیر برش مستقیم برجا برای استخراج پارامتر های مکانیک خاک از این مشکلات جلوگیری می کند.
۱۳. تعیین دانسیته در محل (Unit Weight of Soil in Place)
این آزمایش وزن مخصوص خاک را در محل تعیین می کند. برای خاک هایی که درصد قابل توجهی سنگ و مصالح درشت دانه بزرگ تر از ۳۸ میلیمتر نداشته باشند آزمایش تعیین دانسیته در محل استفاده می شود. البته خاک باید به اندازه کافی چسبندگی یا درهم قفل شدگی داشته باشد تا در حفر یک گودال کوچک دیواره های گودال پایدار بماند.
این آزمایش برای تعیین وزن مخصوص خاکریزهای کوبیده شده در سدهای خاکی، راه سازی و … استفاده می شود و به همراه آزمایش تراکم به عنوان مبنای پذیرش کفایت عملیات تراکم درنظر گرفته می شود. کاربرد این آزمایش در خاک های اشباع محدود بوده و همچنین در خاک های نرم و شکننده توصیه نمی شود. هدف از این آزمایش به دست آوردن وزن مرطوب نمونه ای از خاک حفاری شده از یک گودال با شکل هندسی نامنظم است که اگر حجم آن گودال مشخص باشد دانسیته ظاهری یا مرطوب خاک به سادگی محاسبه می شود.
۱۴. آزمایش بارگذاری شمع (Pile Load Test)
یک یا چند شمع در ابعاد واقعی تحت بار قرار می گیرد و ظرفیت باربری شمع به صورت صحرایی اندازه گیری می شود. آزمایش بارگذاری شمع یک آزمایش پرهزینه است و اجرای آن دشوار است. این آزمایش نیاز به اقدامات احتیاطی و ایمنی دارد، خطوط پایه باید ثابت باشند و بارمحوری به طور صحیح اعمال شود. همچنین آزمایش نیاز به شمع های استاندارد دارد چون نیروهای واکنشی شمع بر اندازه گیری ها تأثیر می گذارند.
۱۵. آزمایش نفوذ مخروط دینامیکی (Dynamic Cone Penetration Test)
نوعی کاوشگر دینامیکی است که ساختاری شبیه CPT دارد ولی در این آزمایش، بارگذاری به صورت ضربه ای اعمال می شود.
۱۶. آزمایش مکینتاش (Mackintosh Probe)
كاوشگر مكينتاش پروب يك نفوذسنج دﻳﻨﺎﻣﻴﻜﻲ سبك و قابل حمل مي باشد. اين ابزار به طور قابل ملاحظه اي سريعتر و ارزان تر از تجهيزات حفاري مي باشد. مخصوصا وقتي كه عمق كاوش در حد متوسط و خاك مورد تحقيق سست و نرم باشد. مطالعات نشان مي دهد كه كاربرد كاوشگر مكينتاش براي شناسايي هاي ساختگاهي در خاك هاي نرم مناسب و موثر مي باشد. از اين ابزار همچنين مي توان براي كاوش زمين هاي تورپي و باتلاقي بهره برد. ابزار مكينتاش پروب توانايي كاوش تا عمق 10 متر را دارا مي باشد. اين ابزار شامل مخروطي به قطر حدوداً 3 سانتیمتر است و وزن چكش آن معادل 4.5 کیلوگرم است. مكينتاش پروب وسيله اي سبك، دستي و قابل حمل است و به عنوان يك ابزار آزمايش ساده صحرايي شناخته می شود.
۱۷. آزمایش نفوذ بکر (Becker Penetration Test)
در آزمايش های نفوذسنجي با استفاده از كاوشگر ديناميكي (DCP) جسمي شبيه مخروط يا شكلي ديگر در اثر فشار يا ضربه، در داخل خاك نفوذ مي كند و مقاومت آن در مقابل نفوذ به مشخصات خاك ارتباط داده مي شود. به طور كلي خانواده نفوذسنج ها يا كاوشگرهاي ديناميكي از سه قسمت اصلي شامل چكش، مخروط نفوذ و ميله هاي رابط تشكيل شده اند و بر خلاف آزمايش نفوذ استاندارد (SPT) معمولاً نياز به حفر گمانه نمي باشد. نتيجه هر آزمايش به صورت عددي بدون بعد ارائه مي شود كه عبارت از تعداد ضربه لازم براي مقدار نفوذ مشخصي مي باشد. نتايج حاصل از انجام آزمايش با در نظر گرفتن تاثير نيروي اصطكاك بين ميله هاي رابط و خاك و همچنين تاثير تنش موثر سربار، اصلاح مي شوند. در كاوشگر ديناميكي از شاخص نفوذ با واحد ميليمتر بر ضربه استفاده مي شود و تغييرات اين شاخص در مقابل عمق رسم مي شود. از آزمایش بکر در خاک های درشت دانه شنی استفاده می شود. این آزمایش قابلیت نمونه گیری ندارد و در خاک های روانگرا شده به ندرت استفاده می شود. همچنین از نظر كنترل كيفيت و تكرار پذيري نسبت به سایر آزمايش های نفوذسنجي با استفاده از كاوشگر ديناميكي ضعیف تر است.
۱۸. آزمایش بررسی لایه های زیرسطحی خاک بستر با استفاده از دستگاه GPR
هدف این آزمایش بررسی لایه های زیر سطح زمین است که ناهنجاری ها را تا عمق 15 متر تعیین می کند. دستگاه رادار نافذ زمین GPR بر روی سطح زمین امواج را منتشر می کند. انرژی امواج GPR در محیط های گوناگون می تواند به صورت های مختلفی منتشر شود. سرعت امواج وابسته به محیط انتشار است و فرستنده در آن تأثیر ندارد. بیشترین سرعت این امواج در هوا 300 mm/ns و کمترین سرعت آنها در آب 33 mm/ns است.ا
ز دیگر کاربردهای GPR تفكيك لايه های مختلف آسفالت جاده ها شامل زيرسازی تا روسازی مي باشد. بدست آوردن ضخامت لایه های زیر سطح زمین مستلزم بدست آوردن توزیع سرعت زیر سطحی است. معمولاً سرعت این امواج در آسفالت mm/ns 175-130 است. البته سرعت حرکت امواج GPR در آسفالت جاده همیشه ثابت نیست، چون آسفالت مخلوطی است که سرعت آن می تواند از ترکیبات، خصوصیات شیمیایی، درصد هوا و آب موجود در آسفالت، سن و هوازدگی آسفالت تأثیر پذیرد.
۱۹. لرزه نگاری انعکاسی کم عمق (Seismic Reflection surveys)
این آزمایش برای شناسایی و تعیین لایه های زیر سطحی خاک است. روش انعکاس لرزه ای با امواج صوتی شناور کار می کند. این امواج در مرز بین انواع مختلف سنگها تولید می شود. انعکاس های ثبت شده به صورت خطوط سیاه رنگ در مقطع لرزه ای به نمایش در می آیند. مقطع لرزه ای مشابه مقاطع زمین شناسی رسم می شود، اما نیازمند تفسیر می باشد.
یک تفاوت عمده میان مقاطع زمین شناسی و مقاطع لرزه ای وجود دارد و آن این است که در محور عمودی به جای زمان از عمق استفاده می شود. در پوسته زمین، امواج لرزه ای به طور متوسط با سرعت ۶۰۰۰ متر در ثانیه حرکت می کنند بنابراین در عمق سه کیلومتری برای اینکه امواج بتوانند حرکت کنند، یک ثانیه طول میکشد.
در آزمایش های انعکاسی، آنالیزها بر اساس میزان انرژی دریافتی پس از تولید حرکت زمین استوار است. به خصوص، آنالیزهایی حرکت زمین که از سطوح مشترک زیر سطح زمین تولید شده اند. در واقع، لرزه شناسی انعکاسی نوع پیشرفته سیستم های صوتی است که در محیط های دریایی، کشتی ها و سیستمهای رادار مورد استفاده قرار می گیرد.
۲۰. آزمایش لرزه نگاری انکساری (Seismic Refraction Surveys)
هدف آزمایش اکتشافات انکسار لرزه اي معمولاً تعيين ضخامت مواد سستي که در بالاي سنگ بستر (ضخامت لايه رويي) قرار دارند و تعيين عمق سطح ايستابي است. انکسار لرزه اي براي تعيين خصوصيات چهارچوبهاي زمين شناسي، مطالعات آلودگي آبهاي زيرزميني و ارزيابي خطرات زمين شناسي و مطالعات باستان شناسي مورد استفاده قرار مي گيرد.
آزمايشهاي انکساري بر اساس زمان دريافتي حرکت زمين که توسط منبع ثبت شده توليد گشته در فواصل مختلف استوار شده است. اطلاعات بدست آمده از آزمايشهاي انکساري شامل سريهاي زمان در برابر مسافت است. اين اطلاعات به صورت عمق سطح مشترک زير سطح و سرعتي که در آن موج درون هر يک از لايه هاي زير سطحي حرکت مي کند. اين سرعتها توسط ثابتهاي فيزيکي که پارامترهاي الاستيکي ناميده مي شوند، کنترل مي گردند.
21. آزمایش نفوذسنج جیبی یا پنترومتر (Soil Pocket Penetrometer)
این آزمایش یک آزمایش برش مستقیم است که بر اساس یک اصل متفاوت با آزمایش پره در یک گمانه انجام می شود. پردازشگر دستگاه که استوانه ای شکل است و روی آن شیارهایی قرار دارد به داخل گمانه وارد می شود. اعمال فشار سیال (با استفاده از آب) به پوسته باعث می شود تا پوسته ها به دیواره گمانه فشار وارد کنند و شیارها وارد خاک شوند. در این حالت تنش شعاعی کنترل می شود، این همان تنش قائم وارد بر استوانه خاک برش خورده خواهد بود.