ایستاسازه
En Ar

خانه - خدمات ایستاسازه - ابزار دقیق در مهندسی ژئوتکنیک (Instruments in geotechnical engineering)

ابزار دقیق در مهندسی ژئوتکنیک (Instruments in geotechnical engineering)


ابزار دقیق در کلیه رشته ها و صنایع کاربرد فراوانی دارد. هدف از ابزار دقیق در کلیه صنایع کنترل کردن کمیت های مورد نیاز و مهم است. ابزار دقیق در مهندسی ژئوتکنیک نیز کاربرد بسیاری دارد و در پروژه های مختلفی مانند گودبرداری و پایدارسازی دیواره های گود، تونل سازی، سد سازی و … به کار گرفته می شود. به دلیل وجود عدم قطعیت های زیاد در زمین، ساخت سازه های زیرزمینی مانند گودها، تونل ها و … به پیشروی و کنترل گام بندی شده و دقیق نیاز دارد؛ در نتیجه، لازم است تا از ابزار دقیق مهندسی ژئوتکنیک استفاده شود. به کارگیری ابزار دقیق در پروژه ها مسئله ی مهمی است و باید مهندسین متخصص و با تجربه بر آن نظارت داشته باشند تا اندازه گیری های انجام شده به درستی صورت گیرد. به طور کلی، بحث های اقتصادی و هزینه ها در انتخاب نوع ابزار دقیق مؤثر است.

فشار منفذی، فشار زمین، شیب زمین، تغییر شکل، بار و کرنش عوامل مهمی هستند که باید در پروژه های ژئوتکنیکی اندازه گیری و کنترل شوند. برای مثال، در داخل تونل ها و در تاج تونل از کرنش سنج ها استفاده می شود. هم چنین در محل هایی که ترک هایی وجود دارند و نقاط حساسی به حساب می آیند نیز از کرنش سنج ها استفاده می شود تا تغییرات بررسی و کنترل شود. در ادامه ابزار دقیق مرتبط با مهندسی ژئوتکنیک و کاربردهای آن ها بررسی می شوند.


ابزار دقیق چیست؟


مهندسی ابزار دقیق و کنترل، شاخه‌ای از مهندسی است که به مطالعه اندازه گیری، انتقال، نمایش، ثبت و کنترل مشخصات و متغیرهای مهم می پردازد. این مشخصات (پارامترها) عبارتند از فشار، دما، رطوبت، جریان، نیرو و سرعت. برخی از این ابزارها کنترل کننده و برخی منتقل کننده داده ها هستند. در عمل، ابزار دقیق زیر ساخت های بخش کنترل و اتوماسیون را می سازند که در رشته های گوناگون از جمله مهندسی ژئوتکنیک کابرد دارد.


ابزار دقیق در مهندسی ژئوتکنیک


پارامترهایی نظیر فشار آب حفره ای، تراز، کرنش ها و تغییر شکل ها، فشار و تنش در مهندسی ژئوتکنیک بسیار مهم هستند و باید با ابزار های دقیق و مختلفی که در ادامه بررسی می شوند، اندازه گیری شوند.


اندازه گیری فشار آب حفره ای


فشار آب یکی از کمیت های مهم است که عدم توجه به آن می تواند مخرب باشد. اندازه گیری فشار آب حفره ای توسط ابزار دقیق ژئوتکنیک به دو صورت کلی انجام می شود:


  • چاه های مشاهده ای برای اندازه گیری تراز آب زیرزمینی:

چاه هایی که برای اندازه گیری سطح آزاد آب زیرزمینی و تغییرات آن به کار می رود، چاه یا چاهک مشاهده ای نامیده می شود. می توان چاه هایی با اعماق مختلف حفر کرد و تراز آب را در زمان های مختلف سال به دست آورد. چاه مشاهده ای معمولاً طول زیادی از لایه اشباع را در بر می گیرد؛ در نتیجه، احتمال دارد از چندین لایه آب بگذرد و سطح آبی که در آن مشاهده گردد معادل فشار آب میانگین در لایه ها و اعماق مختلف باشد. چاه مشاهده ای یک مقطع حفر شده است که به یک لوله بالا برنده (رایزر) متصل بوده و در یک گمانه ماسه ای قرار دارد. سطح آب در این چاه ها اندازه گیری می شود.

چاه های مشاهده ای برای اندازه گیری تراز آب زیرزمینی - شرکت عمرانی و مهندسی ایستاسازه
چاه های مشاهده ای برای اندازه گیری تراز آب زیرزمینی

پیزومتر ها برای اندازه گیری فشار آب حفره ای


پیزومتر یکی از ابزارهای دقیق مهندسی ژئوتکنیک می باشد که فشار آب را اندازه گیری می کند. پیزومتر در هر جایی که قرار گیرد، تنها فشار آب در آن نقطه را مشخص می کند و به همین دلیل در یک محدوده، از تعدادی پیزومتر استفاده می شود. با پیزومترها می توان الگوی جریان آب و شاخص های مقاومتی توده خاک را به دست آورد. الگوی جریان آب برای تعیین میزان تراوش در سد خاکی و نیروی بالابرنده (آپلیفت) در زیر سدهای بتنی کاربرد دارد. به طور کلی، 5 نوع پیزومتر وجود دارد:


انواع پیزومتر جهت اندازه گیری فشار آب


  1. پیزومتر ایستاده باز (کاساگرانده)
  2. پیزومتر هیدرولیکی دو لوله ای
  3. پیزومتر پنوماتیکی
  4. پیزومتر تار مرتعش
  5. پیزومتر مقاومت الکتریکی

پیزومتر های ایستاده باز یا پیزومتر های کاساگرانده


پیزومتر ایستاده باز یا کاساگرانده معمولاً از دو بخش تشکیل شده است:


1) نوک متخلخل: در پایین ترین قسمت پیزومتر، نوک متخلخل قرار دارد.

2) لوله رایزر (لوله بالا برنده): لوله رایزر متصل به نوک که از داخل گمانه به سمت بالای گمانه ادامه می یابد.

برای اندازه گیری تراز آب در گمانه، نوک فیلتر با ماسه پر شده و ادامه گمانه نیز تا بالا پر شده است. برای جداسازی فشار آب در سایر ترازها (به جز تراز دلخواه) در یک پیزومتر ایستاده باز (کاساگرانده) عایق بنتونیتی بین ماسه و مصالح پرکننده قرار گرفته است. ممکن است بسته به جنس خاک، فیلتر نوک متفاوت طراحی شود. فشار آب در نوک فیلتر با اندازه گیری سطح آب در لوله رایزر اندازه گیری می شود. نکته مهم آن است که نباید آب باران وارد سیستم شود و بخش هواگیری نیز باید باز باشد. هم چنین، در صورتی که لازم باشد تا تراز آب در کل گمانه اندازه گیری شود (نه فقط نوک) نباید از لایه عایق بنتونیتی استفاده شود.

پیزومتر ایستاده باز (کاساگرانده)
پیزومتر ایستاده باز (کاساگرانده)
پیزومتر کاساگرانده
پیزومتر کاساگرانده

پیزومتر های هیدرولیکی دو لوله ای یا بسته


پیزومتر هیدرولیک دو لوله ای که گاهی به آن پیزومتر هیدرولیک بسته نیز می گویند، از یک نوک متخلخل متصل به دو پیزومتر ایستاده با یک گیج فشار در انتهای یک پیزومتر ایستاده تشکیل شده است. پیزومتر دوم برای شستشوی دوره ای گازی که ممکن است وارد نوک پیزومتر شود استفاده می شود. با این حال، باید مراقب ورود حباب های هوا بود. برای این کار از آبِ هوا زدایی شده استفاده می شود. این نوع پیزومتر را حتی می توان در جایی استفاده کرد که سطح پیزومتریک بالای سطح فوقانی پیزومتر ایستاده باشد.

پیزومتر هیدرولیک دو لوله ای یا پیزومتر هیدرولیک بسته - ایستاسازه
پیزومتر هیدرولیک دو لوله ای یا پیزومتر هیدرولیک بسته

پیزومتر های پنوماتیکی


یک پیزومتر پنوماتیک از یک سوپاپ حساس و یک دیافراگم تشکیل شده است که آب حفره ای را از سیستم اندازه گیری جدا می کند. در مدل دو لوله ای، گاز تحت فشار اعمال شده به لوله ورودی باعث می شود که وقتی فشار گاز اعمال شده با فشار آب منفذی برابر می شود، سوپاپ چک باز شود و از لوله خروجی خارج شود. فشار در گیج فشار روی لوله ورودی خوانده می شود. پیزومترهای مشابه (معمولاً پیزومترهای هیدرولیکی) که در آنها به جای گاز از روغن استفاده می شود، موجود است. با این حال، به نظر نمی رسد که آنها هیچ مزیتی نسبت به پیزومترهای پنیوماتیکی ارائه دهند.

پیزومتر پنوماتیک جهت اندازه گیری فشار آب حفره ای
پیزومتر پنوماتیک جهت اندازه گیری فشار آب حفره ای

پیزومترهای تار مرتعش


پیزومتر تار مرتعش دارای دیافراگمی فلزی است که آب حفره ای را از سیستم اندازه گیری جدا می کند. یک سیم پیش تنیده به نقطه میانی دیافراگم متصل می شود به طوری که انحراف دیافراگم باعث تغییر در کشش سیم می شود. در نتیجه، تغییر در فشار منفذی باعث انحراف دیافراگم و تغییر کشش در سیم می شود. کشش با استفاده از سیم پیچ الکتریکی و اندازه گیری فرکانس ارتعاش آن اندازه گیری می شود. سیم در میدان مغناطیسی یک آهنربای دائمی ارتعاش می‌کند و باعث می‌شود ولتاژ متناوب در داخل سیم پیچ القا شود. فرکانس ولتاژ خروجی با فرکانس ارتعاش سیم یکسان است و به دستگاه فرکانس شمار منتقل می شود. سپس از یک منحنی یا جدول کالیبراسیون برای محاسبه فشار منفذی بر اساس تغییر فرکانس اندازه گیری شده استفاده می شود. این پیزومتر گران قیمت است.

پیزومتر تار مرتعش
پیزومتر تار مرتعش

پیزومتر های مقاومت الکتریکی


پیزومتر مقاومت الکتریکی یکی دیگر از ابزار های دقیق ژئوتکنیک می باشد که یک مبدل فشار الکتریکی و یک دیافراگم که در تماس مستقیم با آب حفره ای است دارد. کرنش های ایجاد شده توسط فشار حفره ای در دیافراگم توسط کرنش سنج ها که به دیافراگم متصل می شوند، حس می شود. از این رو، سیگنال خروجی مبدل می تواند به عنوان یک اندازه گیری مستقیم از فشار حفره ای استفاده شود. این پیزومتر گران قیمت است.

پیزومتر مقاومت الکتریکی - شرکت عمرانی مهندسی ایستا سازه
پیزومتر مقاومت الکتریکی

اندازه گیری تغییر شکل و جابجایی


به طور کلی روش های مختلفی برای اندازه گیری تغییر شکل و جابجایی وجود دارد. جابجایی افقی، قائم و محوری و هم چنین تغییر شکل های سطحی و زیر سطحی به وسیله ابزار های مختلف انجام می شوند. برای مثال شیب سنج تغییر شکل های زیرسطحی را اندازه گیری می کند و با نقشه برداری نیز می توان جابه جایی های افقی و قائم را به دست آورد.


  1. نقشه برداری: جابه جایی های افقی در دیواره گودها می تواند بسیار خطرناک باشد. این جابه جایی ها باید به طور پیوسته با نقشه برداری پایش شوند تا در صورتی که میزان جابه جایی زیاد شد، اقدام مناسب صورت گیرد. دوربین نقشه برداری برای نظارت و کنترل تغییرشکل های افقی و قائم مورد استفاده قرار می گیرد. جابه جایی ها و نرخ جابه جایی ها با نقشه برداری سنجیده می شود. روش های مختلفی برای نقشه برداری وجود دارد و نقشه بردار باید با بررسی شرایط موجود یکی از روش های نقشه برداری را انتخاب کند. دقت پایش گود به محل گودبرداری بستگی دارد. در صورتی که گودبرداری در کنار ساختمان های مسکونی و یا سازه های مهم (آثار ملی، ساختمان های مهم اداری و سیاسی و…) اجرا شود میزان جابه جایی ها در آن اهمیت بیشتری دارد و در نتیجه پایش باید با دقت بیشتری انجام شود چرا که حساسیت به جابه جایی بیشتر بوده و علاوه بر آن در صورت اشتباه، میزان خرابی حاصل نیز بیشتر خواهد بود. نقاط قرائت از حساس ترین نکات است و نباید در محلی باشد که به راحتی از بین برود یا حرکت کند. برای مثال، نباید در جایی باشد که با حرکت آب یا افراد از بین برود. هم چنین، محل نقاط باید ثابت باشد چرا که باید هر نقطه نسبت به خود سنجیده شود. اگر نتایج پایش گود در هر مرحله ای از خاکبرداری از نتایج تغییرمکان های در نظر گرفته شده در طراحی بیشتر باشد، باید طرح اصلاح شود. در نتیجه، اجرا متوقف شده و طرح اصلاح شده و ابلاغ می گردد.
پایش گود پروژه ظفر - دلیری - شرکت عمرانی و مهندسی ایستاسازه
پایش گود پروژه ظفر – دلیری – شرکت عمرانی و مهندسی ایستاسازه
نقشه محل قرارگیری نقاط نشانه پایش گود پروژه ظفر-دلیری شرکت ایستاسازه برای کنترل میزان جابه جایی های دیواره گود
نقشه محل قرارگیری نقاط نشانه پایش گود پروژه ظفر – دلیری شرکت ایستاسازه برای کنترل میزان جابه جایی دیواره گود
  • ابزار نوری: روش دیگر پایش و ترازیابی استفاده از ابزار نوری مانند مترهای لیزری است. این روش ها سریع و در دسترس هستند. برای استفاده از ابزار نوری به میکرومتر نوری و یک جفت میله نقشه برداری نیاز است. برای استفاده از این روش باید آشفتگی های جوی در کمترین مقدار باشند چرا که تغییرات جوی و دمائی بر عملکرد آن مؤثر است. استفاده از این دستگاه هزینه بر است.
  • گیج های تراز مایع چندگانه: از این دستگاه می توان برای اندازه گیری جابه جایی قائم در راستای محور قرارگیری آن استفاده کرد. این ابزار بر نوع منفرد برتری دارد چرا که در حالت استفاده از چند گیج منفرد، در صورت خرابی یک گیج کل دستگاه خراب می شود. این دستگاه به جابه جایی قائم بسیار حساس است و نباید در محل عبور و مرور ماشین آلات سنگین قرار گیرد.
  • کرنش سنج های ثابت در گمانه: این کرنش سنج ابزاری برای اندازه گیری تغییر شکل های طولی در سنگ و خاک است و در تونل ها، سدهای خاکی، پی ها و گودها استفاده می شود و شامل مهار، میله کششی و هد است. این ابزار نصب آسانی داشته و دقیق و قابل اعتماد است. می توان این ابزار را در راستاهای گوناگون نصب کرد و برای کاربردهای مختلف استفاده کرد. جهت به کار بردن این کرنش سنج باید ابتدا یک گمانه حفر کرد، سپس ابزار را آماده کرده و به آرامی در داخل گمانه قرار داد (تا کالیبراسیون آن به هم نریزد) سپس با کمک تزریق دوغاب، کرنش سنج را کالیبره کرد. بعد از گرفتن دوغاب، کلاهک قرار می گیرد.
  • کشش سنج ها: کشش سنج گمانه برای اندازه گیری حرکات در سنگ و خاک استفاده می شود. آن ها در داخل گمانه ها نصب می شوند و تغییرات محوری گمانه را اندازه گیری می کنند.
  • شیب سنج ها: شیب سنج ها جهت اندازه گیری جابه جایی های افقی در زیر سطح زمین استفاده می شوند. به طور عمده، یک شیب سنج برای تعیین منطقه زمین لغزش، کنترل میزان و نرخ حرکت افقی در پنجه خاکریزهای روی پی های نرم، در کنار حفاری ها و… استفاده می گردد. دستگاه اندازه گیری شامل سنسورهای شیب در داخل یک لوله محکم است. سنسورهای شیب زوایایی را که لوله با خط مرجع ایجاد کرده در جهات متعامد اندازه گیری می کنند.
ابزار دقیق پایش
ابزار دقیق پایش

اندازه گیری فشار زمین


سلول های فشار برای سنجش فشار و رفتار تنشی در پروژه های ژئوتکنیکی استفاده می شوند.  این سلول ها تنش در خاک را مشخص می کنند که در دو نوع کلی وجود دارند:


  • سلول های فشاری مدفون

از این سیستم برای تعیین نحوه توزیع، اندازه و جهات تنش ها استفاده می گردد و در سدهای خاکی کاربرد دارد. هدف اصلی استفاده از سلول های فشار، کنترل فرضیاتی است که برای طراحی در نظر گرفته شده است؛ برای مثال، آیا در یک محل به همان میزان در نظر گرفته شده تنش وجود دارد یا خیر. سلول های فشاری مدفون دارای دو نوع هیدرولیکی و دیافراگمی هستند.

برای نصب سلول های فشاری مدفون باید در ابتدا یک مجموعه 5 تایی از سلول ها را در گودالی با ابعاد 4*4*2 متر و شیب جانبی 1 به 5 (عمودی به افقی) قرار داد و گودال را با مصالح بدون سنگ پر و متراکم کرد. سلول ها باید حداقل در فاصله یک متری از هم باشند تا از تنش های یکدیگر تأثیر نپذیرند.

  • سلول های فشاری تماسی

جمع بندی


در انتها لازم به ذکر است که ابزاری که اغلب در دنیای فنی نادیده گرفته می شود، چشم انسان است که به مغز انسان متصل است. این ابزار می تواند بیشتر آنچه را که باید در مورد ساخت و ساز زیرسطحی بدانیم، تشخیص دهد و در بسیاری از کارها به مهندسین کمک کند. نباید هرگز فراموش کرد که مشاهدات چشمی یک متخصص می تواند بسیار راهگشا باشد.

استفاده از ابزار دقیق نیز بسیار مهم است. ابزار دقیق در مهندسی ژئوتکنیک انواع مختلفی دارد و شامل پیزومترها، چاه های مشاهده ای، روش های نقشه برداری و … می شود. به کمک ابزارهای دقیق مهندسی می توان کمیت های مختلف مهمی مانند فشار آب حفره ای، جایه جایی و تغییر شکل، شیب زمین و … را به دست آورد.

انتخاب ابزار دقیق مهندسی ژئوتکنیک مناسب جهت اندازه گیری به ویژگی های پروژه بستگی دارد و هر کدام از این روش ها مزایا و معایب خاص خود را دارند. چاه مشاهده ای روشی ساده، ارزان و در دسترس است. روش پیزومتر هیدرولیکی دو لوله ای و پیزومتر ایستاده باز هر دو ساده و قابل اعتماد هستند؛ اما احتمال خرابی و گرفتگی فیلتر در پیزومتر هیدرولیکی دو لوله ای کمتر است. پیزومتر تار مرتعش و مقاومت الکتریکی قابلیت استفاده برای محاسبه فشار حفره ای منفی را دارند. در روش پیزومتر ایستاده باز احتمال گرفتگی فیلتر متخلخل به مرور زمان وجود دارد و اگر تراز پیزومتریک بالاتر از سطح فوقانی پیزومتر باشد قابل استفاده نیست. هم چنین این پیزومتر ممکن است دچار مشکلات یخ زدگی شود. روش پیزومتریک دو لوله ای نیز مشکلات یخ زدگی دارد. روش پنوماتیکی نیز از حالت ایستاده باز و دو لوله ای گران تر است. روش تار مرتعش و مقاومت التریکی هر دو از روش پنوماتیکی گران تر هستند و در هر دو این روش حفاظت از زیاد شدن ولتاژ و سیستم اتصال به زمین در مناطق با رعد و برق زیاد ضروری است. با در نظر گرفتن این نکات و بسیاری مسائل دیگر باید روش های مختلف از نظر فنی و اقتصادی بررسی و مقایسه شده و مناسب ترین روش انتخاب شود.


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 :

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

سایر مقاله ها

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

آزمایش تحلیل چند کاناله امواج سطحی یا MASW یکی از [...]


بیشتر بخوانید

خاک های رمبنده (Collapsible Soil)

در طبیعت خاک هایی هستند كه تحت تنش یكسان، با [...]


بیشتر بخوانید

ظرفیت باربری پی (Bearing Capacity of Foundation)

خاک باید بدون آنکه دچار گسیختگی برشی شود، توانایی تحمل [...]


بیشتر بخوانید

نشست غیر یکنواخت (Differential Settlement)

پی (شالوده یا فونداسیون) یک سازه وزن زیادی دارد و [...]


بیشتر بخوانید