ایستاسازه
En Ar

خانه - خدمات ایستاسازه - آزمایش تحلیل چند کاناله امواج سطحی یا MASW چیست ؟ (Multichannel Analysis of Surface Waves)

آزمایش تحلیل چند کاناله امواج سطحی یا MASW یکی از روش های اساسی در تخمین پارامترهای دینامیکی و تعیین پروفیل سرعت موج برشی است. امروزه داشتن دانش کافی در مورد خصوصیات دینامیکی لایه های زیر سطحی خاک در مکان های مختلف، در پروژه های مهندسی زلزله و مهندسی عمران بسیار ضروری می باشد. از روش های اصلی در تعیین خصوصیات دینامیکی خاک می توان استفاده از روش های مهندسی ژئوفیزیک خصوصا روش لرزه نگاری جهت به دست آوردن مدول های دینامیکی خاک اشاره کرد.

از جمله روش های کشف شده در لرزه نگاری سطحی روش MASW می باشد. که نخستین بار در سال ۱۹۹۹ توسط آقای پارک معرفی گردید. اساس روش MASW بر مبنای خاصیت پاشندگی امواج سطحی (خصوصا امواج رایلی) استوار می باشد. یک منبع لرزه ای طول موج های مختلفی از امواج آکوستیکی مانند امواج حجمی P و S منتشر می کند. امواج سطحی از برهم کنش این امواج حجمی به وجود خواهند آمد. حرکت این امواج شبیه به حرکت امواج دریا می باشد. با این تفاوت که به صورت عقب گرد در مدارهای بیضوی متمایل به منشا چشمه حرکت خواهند کرد. در یک زمین لایه ای امواج سطحی در لایه های نزدیک به سطح زمین منتشر می گردند. چون لایه های سطحی نقش عمده ای در تقویت امواج ناشی از زلزله را دارند؛ از این جهت حاوی اطلاعات بسیار مهم و ارزشمندی هستند. مهندسان ژئوفیزیک و ژئوتکنیک از این اطلاعات در جهت شناخت خصوصیات زیرسطحی ساختگاه از طریق استخراج پارامترهای اساسی از قبیل سرعت موج برشی، مدول برشی و … استفاده می کنند. این پارامترها نقش کلیدی در توصیف محل ساختگاه ایجاد می کنند. با در دست داشتن این اطلاعات، مهندسان قادر خواهند بود تا رفتار سازه های عظیم مانند سدها و نیروگاه ها را در برابر زلزله های بزرگ پیش بینی نمایند و با انجام محاسبات دقیق تدابیر ویژه ای جهت احداث این سازه ها با صرف هزینه کمتر و استحکام بیشتر اتخاذ نمایند.


آزمایش لرزه نگاری دانهول بهتر است یا MASW ؟


از روش مرسوم دانهول (DHT) در اکثر پروژه های ژئوتکنیک برای به دست آوردن پروفیل سرعت موج برشی، استفاده می گردد. اساس این آزمایش بر اساس اندازه گیری سرعت امواج حجمی پایه گذاری شده است. آزمایش دانهول، نتایج قابل قبولی را در دسترس ما قرار می دهد. با این وجود به دلیل نیاز به حفر گمانه، این روش معایبی از جمله تخریب محیط زیست، صرف زمان و هزینه زیاد را با خود به همراه خواهد داشت.

معایب آزمایش دانهول (DHT)
معایب آزمایش دانهول (DHT)

این موارد، منجر به غیر قابل اجرا بودن این روش در برخی شرایط خواهد شد. با پیشرفت فن آوری در زمینه مهندسی ژئوفیزیک، روش هایی یافت شد که نیازی به حفر گمانه نداشت. یكی از این روش ها، تحلیل چند کاناله امواج سطحی (MASW) می باشد.


مراحل کلی اجرای تحلیل چند کاناله امواج سطحی MASW


1. عملیات صحرایی برداشت داده ها.

۲. پردازش و تحلیل داده های برداشت شده.

۳. استخراج پارامترهای دینامیکی و تفسیر نتایج آن.

مراحل کلی اجرای آزمایش تحلیل چند کاناله امواج سطحی
مراحل کلی اجرای آزمایش MASW

در زیر مراحل آزمایش را مورد بررسی قرار می دهیم:


1. عملیات صحرایی برداشت داده ها:

در گام اول این آزمایش جهت برداشت داده های صحرایی، آرایه ای از ژئوفون ها بر روی سطح زمین قرار خواهند گرفت. نحوه چیدمان، تعداد و فواصل ژئوفون ها بستگی به عمق مورد بررسی و توانایی دستگاه لرزه نگار در ثبت امواج می باشد. بسته به اهداف مورد مطالعه، ژئوفون های مورد استفاده در برداشت های MASW دارای محدوده فرکانسی ۵/۴ هرتز، ۱۰ هرتز و … است.

2. پردازش و تحلیل داده های برداشت شده:

در گام دوم، لرزه نگاشت های جمع آوری شده، با استفاده از نرم افزارهای به خصوصی مورد پردازش و تحلیل قرار می گیرند. بدین ترتیب، بهترین مدل ها جهت تفسیر نهایی انتخاب خواهند شد.

۳. استخراج پارامترهای دینامیکی و تفسیر نتایج آن:

در گام سوم به منظور تفسیر دقیق نتایج، مدل های ژئوفیزیکی به دست آمده را با سایر اطلاعات ژئوتکنیکی موجود از محل ساختگاه، مورد بررسی قرار داده و در نهایت مدل سرعت نهایی و سایر پارامترهای دینامیکی مورد نیاز جهت ارزیابی های مهندسی استخراج خواهد شد. مراحل فوق به صورت خلاصه در تصویر زیر به نمایش گذاشته شده است.

مراحل کلی اجرای آزمایش MASW - شرکت ایستاسازه
مراحل کلی اجرای آزمایش MASW

کاربردها و مزایای استفاده از روش تحلیل چند کاناله امواج سطحی یا MASW


1. امکان اجرای روش تحلیل چند کاناله امواج سطحی یا MASW بدون نیاز به گمانه ماشینی و یا حفر چاه دستی.

2. امکان اجرا در زمین هایی که امکان حفاری ماشینی یا دستی (زمین های سخت) در آنها وجود ندارد. (مانند پروژه جمشیدیه شرکت ایستاسازه)

3. امکان اجرای این روش در شرایطی که از نظر زمین شناسی مختلف است از قبیل وجود داشتن دولایه متراکم (آسفالت، پیاده رو و ….).

4. تعیین پروفیل سرعت موج برشی میانگین سی متر (امکان تعیین تیپ خاک بر اساس آئین نامه استاندارد ۲۸۰۰ و سایر آیین نامه های بین المللی جهت ارائه به سازمان نظام مهندسی و سایر سازمان های مربوطه را خواهد داشت.)

5. تخمین مدول های دینامیکی خاک جهت برآوردهای مهندسی  و استخراج پارامترهای ژئوتکنیکی.

6. به نقشه در آوردن توپوگرافی سنگ بستر.

7. تخمین ضخامت خاک های روباره جهت ارزیابی میزان تراکم پذیری و ظرفیت باربری خاک در محل احداث سازه.

8. در مکان هایی که نیاز به بررسی جهت تزریق ملات و بهسازی خاک دارند از مطالعات زیرسطحی خاک استفاده می گردد.

کاربردها و مزایای استفاده از روش تحلیل چند کاناله امواج سطحی
کاربردها و مزایای استفاده از روش MASW

محدودیت ها و معایب تست MASW


علی رغم کاربردهای گسترده روش های ژئوفیزیکی در حل مسائل مهندسی، همانند سایر روش های مهندسی، دارای محدودیت هایی نیز می باشند. در صورت کاربرد صحیح و هوشمندانه از آنها، این محدودیت ها را می توان به حداقل ممکن رساند. از جمله محدودیت های استفاده از روش MASW به صورت زیر می باشد:

1. عمق بررسی در روش MASW به پارامترهای مختلفی بستگی دارد که از آن جمله می توانیم به فرکانس گیرنده، قدرت دستگاه لرزه نگار و انرژی چشمه تولید امواج اشاره نماییم. به طور معمول عمق بهینه برای کاربردهای مهندسی را تا ۵۰ متر می توانیم در نظر بگیریم و در شرایط ایده آل عمق مورد بررسی را تا ۱۰۰ متر می توانیم افزایش دهیم.

2. به دلیل ماهیت تفسیری روش MASW (مانند سایر روش های ژئوفیزیکی موجود) صحت نتایج این روش، به شدت وابسته به دانش و تجربه اپراتور و تفسیر مهندس ژئوفیزیک خواهد بود. در صورت نبود مهارت و تخصص کافی، نتایج حاصل از آن در ارزیابی های مهندسی می تواند گمراه کننده باشد.

3. در روش MASW، وجود صداهای محیط می تواند بر کیفیت داده ها و دقت نتایج، تاثیر نامطلوبی بگذارد. بنابراین تا حد امکان از ورود صداهای محیط اعم از محیطی و دستگاهی، جلوگیری به عمل می آید.

محدودیت ها و معایب تست تحلیل چند کاناله امواج سطحی
محدودیت ها و معایب تست MASW

قیمت آزمایش MASW


هزینه اجرای پروژه ها بسته به شرایط مختلف می تواند تا حدودی قابل تغییر باشد. از جمله موارد تاثیرگذاری که بر قیمت آزمایش MASW تاثیر دارد می توان به موارد زیر اشاره نمود:


1. اهداف پروژه باید مد نظر باشد.

2. مسافت.

3. راه های دسترسی به منطقه مورد مطالعه را باید بشناسیم.

4. پیچیدگی زمین شناسی منطقه مورد نظر را بررسی نماییم.

5. شرایط توپوگرافی را مورد مطالعه قرار دهیم.

6. عمق مورد بررسی را مد نظر قرار دهیم.

عوامل موثر بر قیمت آزمایش تحلیل چند کاناله امواج سطحی
عوامل موثر بر قیمت آزمایش MASW

ارزیابی تیپ خاک (I، II، III، IV) با استفاده از روش دانهول در مقایسه با روش MASW


ارزیابی تیپ خاک (I، II، III، IV) با استفاده از تست دانهول:


به منظور تعیین تیپ خاک مطابق با استاندارد 2800، آزمایشگاه های خاک و بتن ملزم به مطالعه خاک تا عمق 30 متر زیر تراز پی می باشند. برای این منظور سه معیار ارزیابی توسط استاندارد 2800 پیشنهاد گردیده است:


  1. سرعت موج برشی در خاک
  2. عدد نفوذ استاندارد
  3. مقاومت برشی متوسط زهکشی نشده.

از سه معیار بیان شده، ارزیابی سرعت موج برشی جامعیت بیشتری داشته و در منابع و پروژه های عمرانی بیشتر ملاک تعیین تیپ خاک قرار دارد. آزمایشگاه های خاک (ژئوتکنیک) به منظور تعیین تیپ خاک بر اساس معیار سرعت موج برشی، عموماً از آزمایش دانهول استفاده می کنند. با توجه به تاکید آیین نامه 2800 بر ارزیابی سرعت موج برشی تا عمق 30 متر زیر تراز پی، برای انجام این آزمایش حداقل حفاری یک گمانه 30 متری زیر تراز پی (فونداسیون) ضروری می باشد. برای انجام این آزمایش، عموماً امواج از سطح زمین ارسال و در اعماق مختلف خاک (در ترازهای مختلف از گمانه 30 متری)، دریافت می شوند و متوسط سرعت موج برشی تا هر عمق به عنوان ملاک ارزیابی تیپ خاک لحاظ خواهد شد. حفاری گمانه ای به عمق حداقل 30 متر زیر تراز پی (فونداسیون) که از الزامات انجام آزمایش دانهول توسط آزمایشگاه خاک و بتن است، این توانایی را دارد که سبب اعمال هزینه بیشتر به پروژه و همچنین افزایش محسوس در زمان انجام مطالعات ژئوتکنیکی شود.

روش MASW در ارزیابی تیپ خاک بدون حفر گمانه
روش MASW در ارزیابی تیپ خاک بدون حفر گمانه

آیا این امکان وجود دارد که از حفاری گمانه ماشینی 30 متری صرف نظر کنیم؟


عموما حفاری گمانه ماشینی با دو هدف شکل گرفته است:


1. مغزه گیری از خاک زیر فونداسیون و انتقال آن به آزمایشگاه و انجام آزمایشات خاک مربوطه. (آزمایش خاک)

2. انجام آزمایش لرزه نگاری دانهول.


برای تامین هدف اول، با توجه به ضوابط مبحث هفتم مقررات ملی ساختمان، حفر گمانه ای به اندازه عرض فونداسیون (عرض زمین)، به منظور شناسایی نوع خاک کافی خواهد بود. با این وجود برای تامین هدف دوم، حفاری گمانه ماشینی به عمق 30 متر زیر تراز فونداسیون توسط آزمایشگاه خاک و بتن ضروری می باشد.

با جایگزین کردن آزمایش MASW به جای آزمایش لرزه نگاری دانهول، این توانایی را داریم که از حفاری گمانه 30 متری صرف نظر کرده و عمق گمانه شناسایی را به اندازه عرض فونداسیون (عرض زمین) در نظر بگیریم. عموماً برای انجام مطالعات ژئوتکنیک در پروژه های کوچک که عمق نفوذ تنش کم است، انجام تست MASW بسیار اقتصادی به نظر می رسد. در ادامه به بیان جزئیات تعیین تیپ خاک با استفاده از تکنیک MASW خواهیم پرداخت.


معرفی روش  MASW به منظور تعیین تیپ خاک


همان طور که در ابتدای مقاله نیز ذکر شد، در روش MASW که مختصر شده عبارت Multichannel Analysis of Surface Waves است، سرعت امواج سطحی در زمین محدوده پروژه با بهره گیری از یک دستگاه ژئو فیزیک دوازده کاناله ارزیابی می شود. بر اساس منابع، این آزمایش به منظور شناسایی تیپ خاک در مرکز تحقیقات زمین شناسی کانزاس و توسط آقای پارک ابداع شد و مراحل انجام آن به شرح زیر می باشد:


1. برداشت داده ها و انجام عملیات صحرایی.

2. به دست آوردن منحنی پراكندگی و پردازش داده ها.

3. به دست آوردن پروفیل سرعت موج برشی و معكوس سازی منحنی پراكندگی.

4. تحلیل نتایج در چند جهت مختلف به صورت یک بعدی و نهایتاً ادغام نتایج در قالب یک تحلیل سه بعدی.

مراحل روش MASW به منظور تعیین تیپ خاک
مراحل روش MASW به منظور تعیین تیپ خاک

برای انجام تست MASW، تجهیزات زیر مورد نیاز است:


1. دستگاه‌ لرزه‌ نگار 12 کاناله.

2.  ژئوفون (به دستگاه دریافت کننده امواج لرزه ای در خشکی ژئوفون یا لرزه سنج می گویند).

3.  پتک و پلیت فلزی برای تولید امواج.

4.  رایانه (لپ تاپ).

آزمایش تحلیل چند کاناله امواج سطحی
آزمایش تحلیل چند کاناله امواج سطحی یا MASW

روش تحلیل چند کاناله امواج سطحی را می توانیم به دو گروه فعال یا غیرفعال دسته بندی کنیم، البته این امر بسته به ماهیت منبع لرزه ای دارد.

دو گروه مختلف روش تحلیل چند کاناله امواج سطحی
دو گروه مختلف روش MASW

روش غیر فعال که توسط مورتن و همکاران بررسی شد، منبع امواج کنترل نشده (نویزهای محیطی) می باشد. این روش در آزمایشگاه های خاک و بتن کمتر مورد استفاده قرار می گیرد.

روش فعال توسط میلر و همکاران آن معرفی شدند، منبع لرزه مشخص و موج کنترل شده توسط چکش ایجاد می شود.

در عمده پروژه های آزمایشگاه خاک، از روش فعال جهت تعیین تیپ خاک با استفاده از تکنیک MASW استفاده می شود. بر این اساس در عملیات صحرایی، چشمه لرزه‌ ای در دو طرف پروفیل و مرکز آن قرار دارد و گیرنده امواج (ژئوفون ها) با فواصل 1 الی 3 متری از یکدیگر تمام سطح مجاور منبع را جاروب می کنند و پس از انتشار امواج، پاسخ امواج در فواصل مختلف دریافت شده و با تحلیل های انجام شده، سرعت موج برشی تا هر عمق تعیین می شود.


در زمینه مطالعات ژئوتکنیک بیشتر مطالعه کنید :

در زمینه پایدارسازی گود بیشتر مطالعه کنید : 

در زمینه طراحی و مشاوره ژئوتکنیک بیشتر مطالعه کنید : 

در زمینه بهسازی خاک بیشتر مطالعه کنید : 

در زمینه تخریب و خاکبرداری بیشتر مطالعه کنید : 

در زمینه ابنیه و ساختمان بیشتر مطالعه کنید : 

مطالب مرتبط :

سایر مقاله ها

مدل سازی فیزیکی در مهندسی ژئوتکنیک (Physical Modeling in Geotechnical Engineering)

یکی از مسائل پیش رو در رشته مهندسی عمران، ارزیابی [...]


بیشتر بخوانید

اختلاط عمیق خاک (Deep Soil Mixing)

عملیات بهسازی خاک یکی از رایج ترین و مقرون به [...]


بیشتر بخوانید

مقایسه انکراژ تزریقی با انکر های مارپیچ (Injectable anchorage and helical anchorage)

امروزه پایدارسازی گودهای ساختمانی یکی از مهمترین مراحل اجرای یک [...]


بیشتر بخوانید

استفاده از اعضای مارپیچ در فعالیت های ژئوتکنیکی (Helical Nails & Anchors)

امروزه اهمیت فعالیت­ های ژئوتکنیکی در پروژه های عمرانی بر [...]


بیشتر بخوانید