مطالعات خاک یا مطالعات ژئوتکنیک چیست؟ (Site Investigation)

مطالعات خاک یا مطالعات ژئوتکنیک شاخه ای تخصصی از مهندسی عمران می باشد که با هدف تعیین خواص مهندسی خاک و سنگ و نحوه اندرکنش آنها با توسعه عمرانی آینده بحث و گفتگو می نماید.

هدف از این مطالعات که مطالعات ساختگاه نیز نامیده می شود، تعیین متغیرهای مورد نظر به منظور:

۱) طراحی:

شالوده
زیرساخت ها
سازه های زیرزمینی

۲) تخمین ریسک های:

ژئوتکنیکی
زیست محیطی
هیدروژئولوژیکی
ژئولوژیکی

برای انسان و محیط می باشد.

با انجام این مطالعات در پروژه های ساختمانی به ایمنی بالاتر و عملکرد بهینه می توان رسید.

هدف از انجام مطالعات ساختگاه

مطالعات ساختگاه برای مقاصد مختلفی می تواند انجام گردد:

تعیین محل پروژه
پایدارسازی گود
طراحی شالوده
بهسازی خاک
اثرات پروژه بر روی محیط
بررسی شرایط ایمنی و پایداری سازه موجود
مقاوم سازی سازه

اهداف مختلف انجام مطالعات خاک

روش انجام مطالعات خاک (مطالعات ژئوتکنیک)

مطالعات خاک در ۲ قسمت انجام می گردد:

دو حوزه مختلف مطالعات ساختگاه

مطالعات صحرایی (میدانی): بررسی دقیق محل احداث پروژه و جمع آوری اطلاعات و داده های مورد نیاز و همچنین حفر گمانه های شناسایی، انجام آزمایش های برجا مانند آزمایش نفوذ استاندارد(SPT) ، آزمایش نفوذ مخلوط(CPT) ، آزمایش برش پره(Vane) ، پرسیومتر، بارگذاری صفحه و برش برجا، اندازه گیری نفوذپذیری (لوژان و لوفران).

آزمایش های برجا در ساختگاه های مختلف

مطالعات آزمایشگاهی: انجام آزمایش های مورد نیاز شامل: آزمایش های فیزیکی، شیمیایی و مکانیکی بسته به نوع و جنس خاک، نظیر:

آزمایش دانه بندی (Particle Size Analysis):

آزمایش دانه بندی (Particle Size Analysis)

با توجه به اهمیت پی بردن به توزیع و اندازه دانه های خاک، آزمایش دانه بندی در اکثر آزمایشگاه ها انجام می شود.
دانه بندی به دو روش عمده انجام می شود:

الک: در روش دانه بندی با الک، درصد وزنی دانه های مختلف خاک را با استفاده از مجموعه ای از الک ها و لرزاندن آنها، به دست می آورند. این آزمایش غالبا برای جدا کردن ذرات بزرگتر از الک ۲۰۰ استفاده می شود و درصد حضور شن و ماسه در خاک مورد نظر مشخص می شود.

تجهیزات آزمایش دانه بندی (Particle Size Analysis)

تجهیزات آزمایش دانه بندی , مطالعات خاک (Particle Size Analysis)

هیدرومتری: همچنین در خاک ریز دانه برای ارزیابی توزیع ذرات در خاک و مشخص نمودن درصد لای و رس از آزمایش هیدرومتری استفاده می شود.

تجهیزات آزمایش هیدرومتری (Hydrometer Analysis)

تجهیزات آزمایش هیدرومتری , مطالعات خاک (Hydrometer Analysis)

آزمایش حدود اتربرگ (Atterberg limits test):

آزمایش حدود اتربرگ (Atterberg limits test)

خاک های ریزدانه با افزایش مقدار آب جذب شده حالات مختلفی به خود می گیرند. افزایش آب باعث پوشیده شدن دانه ها با یک لایه آب جذب شده سطحی می شود. با افزودن آب بیشتر، ضخامت لایه آب دور دانه ها اضافه شده، لغزش دانه ها روی یکدیگر راحت تر می شود. بنابراین رفتار خاک عملا به میزان آب داخل مجموعه بستگی دارد.

خاک ریزدانه بر حسب درصد رطوبتی که دارد می تواند در یکی از حالت های جامد، نیمه جامد، خمیری و مایع دسته بندی شود. حد فاصل بین این حالات به صورت نمودار زیر نشان داده می شود:

حالات مختلف خاک ریزدانه بر حسب رطوبت

حد روانی (LL): (مرز بین حالت خمیری و حالت روانی خاک): درصد رطوبتی است که در این رطوبت و رطوبت های بالاتر از آن، خاک به صورت سیال لزج عمل می کند.

حد خمیری (PL): (مرز بین حالت خمیری و نیمه جامد): درصد رطوبتی است که خاک در این رطوبت تا قبل از حد روانی، به صورت خمیری رفتار می کند.

حد انقباض (SL): (مرز بین حالت نیمه جامد و جامد): درصد رطوبتی است که اگر رطوبت خاک از آن کمتر شود، تغییری در حجم خاک به وجود نمی آید.

شاخص خمیری (PI): (اختلاف حد روانی و خمیری خاک): درصدرطوبتی که باید به خاک اضافه شود تا از حد خمیری به حد روانی برسد.

شاخص روانی (LI): برابر نسبت اختلاف بین درصد رطوبت خاک در محل با حد خمیری، تقسیم بر شاخص خمیری است.

تجهیزات آزمایش حدود اتربرگ (Atterberg limits test)

تجهیزات آزمایش حدود اتربرگ , مطالعات خاک (Atterberg limits test)

آزمایش نفوذ پذیری (Permeability Test):

آزمایش نفوذ پذیری (Permeability Test)

با توجه به وجود فضاهای خالی در داخل خاک امکان جریان یافتن آب از نقاط با انرژی بالا به نقاط با انرژی پایین فراهم است. بنابراین به طور کلی، خاک را می توان نفوذپذیر دانست. بدین جهت تخمین مقدار تراوش زیرزمینی در شرایط هیدرولیکی مختلف، جهت بررسی مسائل مربوط به پمپاژ آب در عملیات ساختمانی زیرزمینی و برای تحلیل پایداری سدهای خاکی و سازه‌های نگهدارنده خاک تحت نیروهای تراوش ضرورت دارد. نفوذپذیری زیاد بیانگر این است که آب با سرعت از درون حفرات خاک جریان می یابد. ضریب نفوذپذیری در آزمایشگاه به ۲ صورت انجام می گردد:

آزمایش با بار ثابت(Constant head)
آزمایش با بار افتان (Falling head)

تجهیزات آزمایش نفوذ پذیری (Permeability Test) (شکل سمت راست: بار ثابت و شکل سمت چپ: بار افتان)

آزمایش‌های سه محوری (Triaxial Test):

آزمایش‌های سه محوری (Triaxial Test)

نمونه خاک درون محفظه ای قرار گرفته و سپس فشار همه جانبه به آن وارد می شود. که در این حالت اگر شیرهای خروج آب باز گذاشته شود و سرعت انجام آزمایش به قدر کافی کم باشد، نمونه تحکیم می یابد و فشار منفذی به صفر می‌رسد. پس از این مرحله با اعمال تنش انحرافی نمونه گسیخته می شود در صورتی که در این مرحله شیرهای خروج آب باز نگه داشته شود و سرعت انجام آزمایش به قدر کافی کم باشد، نمونه زهکشی می شود. این آزمایش تحت فشارهای جانبی مختلف تکرار می شود سپس دوایر موهر و پوش آن‌ها رسم می گردد، شیب خط پوش گسیختگی، زاویه اصطکاک داخلی خاک و عرض از مبدأ آن چسبندگی خاک را به دست می دهد. این آزمایش به سه شکل انجام می گیرد:

۱) تحکیم یافته زهکشی شده (CD)
مرحله ۱: ابتدا فشار همه جانبه اعمال می شود. سپس اجازه زهکشی کامل به نمونه داده می شود تا فشار آب حفره ای به صفر برسد.
مرحله ۲: تنش انحرافی به آرامی (با سرعت کم) اعمال می شود و اجازه زهکشی داده می شود تا فشار آب حفره ای به صفر برسد. در لحظه گسیختگی نیز فشار آب حفره ای صفر خواهد بود.
لذا برای آزمایش تحکیم یافته زهکشی شده در لحظه گسیختگی، داریم:

آزمایش تحکیم یافته زهکشی شده در لحظه گسیختگی

۲) تحکیم یافته زهکشی نشده (CU)
مرحله ۱: ابتدا فشار همه جانبه اعمال می‌شود و سپس اجازه زهکشی کامل به نمونه داده می شود تا فشار آب حفره ای به صفر برسد.
مرحله ۲: تنش انحرافی به آرامی (با سرعت کم) اعمال می شود و اجازه زهکشی داده نمی شود لذا در این مرحله مقدار فشار آب حفره ای برابر صفر نخواهد بود.
لذا برای آزمایش تحکیم یافته زهکشی نشده در لحظه گسیختگی، داریم:

آزمایش تحکیم یافته زهکشی نشده در لحظه گسیختگی

۳) تحکیم نیافته زهکشی نشده (UU)
مرحله ۱: ابتدا فشار همه جانبه اعمال می شود اما اجازه زهکشی به نمونه داده نمی شود. لذا در این مرحله مقدار فشار آب حفره ای برابر صفر نخواهد بود.
مرحله ۲: تنش انحرافی به آرامی (با سرعت کم) اعمال می شود و اجازه زهکشی داده نمی شود.
لذا برای آزمایش تحکیم نیافته زهکشی نشده در لحظه گسیختگی، داریم:

آزمایش تحکیم نیافته زهکشی نشده در لحظه گسیختگی

تجهیزات آزمایش‌های سه محوری (Triaxial Test)

تجهیزات آزمایش‌های سه محوری , مطالعات خاک (Triaxial Test)

آزمایش برش مسقیم (Direct Shear Test):

آزمایش برش مسقیم (Direct Shear Test)

در این آزمایش نمونه خاک درون دستگاه که از دو قسمت جدا از هم تشکیل شده قرار می گیرد. قسمت پایین دستگاه ثابت بوده و امکان جابجایی ندارد اما قسمت بالایی دستگاه می تواند بر روی قسمت پایین جا به جا شود و میزان جا به جایی آن در طول آزمایش اندازه‌گیری می گردد. در آزمایش برش مستقیم، ابتدا بار قائم به نمونه اعمال می گردد. سپس بار برشی به نیمه بالایی دستگاه تا گسیخته شدن نمونه، اعمال می گردد. تنش برشی و قائم در لحظه گسیختگی برابر است با:

تنش برشی و قائم در لحظه گسیختگی

که A سطح مقطع گسیختگی می باشد. تعدادی آزمایش با تنش‌های قائم متفاوت، تکرار می‌گردد. زاویه اصطکاک داخلی نمونه مورد آزمایش برابر شیب خط به دست آمده خواهد بود:

نمودارها و تجهیزات آزمایش برش مسقیم (Direct Shear Test)

نمودارها و تجهیزات آزمایش برش مسقیم , مطالعات خاک (Direct Shear Test)

آزمایش تحکیم (Consolidation Test):

آزمایش تحکیم (Consolidation Test)

آزمایش تحکیم یک بعدی معمولاً بر روی خاک‌های ریزدانه انجام می گردد. در این آزمایش نمونه خاک داخل یک محفظه فلزی مهار شده و بین دو سنگ متخلخل و درون یک ظرف استوانه ای پر از آب قرار می گیرد. یک صفحه بارگذاری فولادی که روی سنگ متخلخل قرار می گیرد، بار قائم وارده را به نمونه وارد می کند. این بار باعث نشست خاک می گردد. بار به صورت تدریجی افزایش داده می شود و توالی های بارگذاری و باربرداری به نمونه اعمال شده و نشست های نمونه تحت هر مرحله بارگذاری در زمان های مشخصی برداشت می گردد. در هر مرحله، بارگذاری تا زمانی ادامه می یابد که نشست نمونه قابل چشم پوشی بوده و اضافه فشار به وجود آمده تحت آن بار حذف شود.

تجهیزات آزمایش تحکیم خاک (Consolidation Test)

تجهیزات آزمایش تحکیم خاک , مطالعات ژئوتکنیک (Consolidation Test)

آزمایش تک محوری (Unconfined Compression Test):

آزمایش تک محوری (Unconfined Compression Test)

آزمایش تک محوری (مقاومت فشاری ساده یا مقاومت فشاری محدود نشده) حالت خاصی از آزمایش سه محوری تحکیم نیافته زهکشی نشده می باشد که در آن تنش همه جانبه برابر صفر می باشد. در این آزمایش، تنش انحرافی اعمالی به نمونه باعث گسیختگی آن می گردد.

تجهیزات آزمایش تک محوری خاک , مطالعات ژئوتکنیک (Unconfined Compression Test)

آزمایش های شیمیایی
آزمایش باربری کالیفرنیا (California Bearing Ratio, CBR):

آزمایش باربری کالیفرنیا (California Bearing Ratio, CBR)

این آزمایش در سال ۱۹۲۹ میلادی و قبل از جنگ جهانی دوم، در اداره راهسازی ایالت کالیفرنیای آمریکا مورد استفاده قرار گرفت. به کمک این آزمایش مقاومت برشی خاک در یک رطوبت و وزن مخصوص معین، مشخص می شود.

این متغیر در:

پی سازی برای بیان کیفیت نسبی خاک زیر پی
در راهسازی برای به دست آوردن مقاومت برشی خاک در برابر بارهای ترافیکی

از اهمیت زیادی برخوردار است.

بنا به تعریف: آزمایش CBR عبارت است از بار لازم برای نفوذ پیستون استاندارد با شکل، سرعت و عمق معین در یک نمونه مورد آزمایش به نیروی لازم برای فروبردن پیستونی با همین ویژگی ها در مصالح استاندارد.

هرچه سطح خاک از مقاومت بیشتری برخوردار باشد، مقدار نرخ CBR بیشتر خواهد بود. مواد استاندارد برای این آزمایش، سنگ آهکی خرد شده کالیفرنیا است که مقدار CBR آن برابر ۱۰۰ است، این مقدار نشان می دهد که مشاهده مقادیر بیش از ۱۰۰ در خاک های متراکم دور از انتظار نیست. رابطه زیر روش به دست آوردن این مقدار را نشان می دهد که در آن p فشار اندازه گیری شده در سایت و ps فشار لازم برای رسیدن به نفوذ برابر در خاک استاندارد است.

تجهیزات آزمایش باربری کالیفرنیا (California Bearing Ratio, CBR)

تجهیزات آزمایش باربری کالیفرنیا , مطالعات ژئوتکنیک (California Bearing Ratio, CBR)

تجهیزات آزمایش باربری کالیفرنیا (CBR)

آزمایش تراکم (Compaction Test):

آزمایش تراکم (Compaction Test)

در بسیاری از سازه های خاکی، مثل سدها، دیوارهای حائل، بزرگراه ها و فرودگاه ها متراکم کردن خاک امری ضروری می باشد.

متراکم کردن خاک عبارت است از کم کردن حجم خاک در اثر خارج ساختن هوا با استفاده از اعمال نیرو. در این حالت اصطکاک بین ذره ها بیشتر شده و وزن واحد آن زیاد می شود. این وزن، معیار تراکم خاک است.

تراکم به منظور افزایش مقاومت برشی و کاهش نفوذپذیری انجام می شود. عوامل مؤثر در تراکم خاک عبارتند از:

نوع خاک
انرژی
رطوبت

پروکتور در سال ۱۹۳۳ روشی ابداع کرد که به وسیله آن حداکثر وزن مخصوص خشک خاک تعیین می گردد. این آزمایش به نام آزمایش تراکم پروکتور مشهور می باشد.

آزمایش پروکتور به دو روش انجام می پذیرد:

۱) روش استاندارد (تراکم دستی): در این روش از چکشی به وزن ۵/۵ پوند و ارتفاع سقوط ۱۳ اینچ (یک فوت) وتعداد ۵۶ ضربه در سه لایه تراکم و قطر قالب ۶ اینچ استفاده می گردد.

۲) روش اصلاح شده (تراکم پیشرفته): در این روش از چکشی به وزن ۱۰ پوند و ارتفاع سقوط ۱۸ اینچ (یک و نیم فوت) و تعداد ۲۵ ضربه در پنج لایه تراکم و قطر قالب ۴ اینچ استفاده می گردد.

تجهیزات آزمایش تراکم خاک (Compaction Test)

تجهیزات آزمایش تراکم خاک , مطالعات ژئوتکنیک (Compaction Test)

آزمایش مقاومت فشاری بتن (Compressive strength of concrete):

آزمایش مقاومت فشاری بتن (Compressive strength of concrete)

مقاومت فشاری به صورت مقاومت در برابر خرابی تحت بار فشاری تعریف می گردد. مقاومت فشاری بتن یکی از مشخصه های مهم بتن می باشد. در پروژه های مختلف از قسمت های بتنی، حداقل ۳ نمونه تهیه می گردد. نمونه های بتن ساخته شده تحت نیروی فشاری برای به دست آوردن مقاومت فشاری، مورد آزمایش قرار می گیرند. مقاومت فشاری با تقسیم بار شکست به سطح مقطع نمونه، معمولاً پس از ۲۸ روز از نگه داری و عمل آوری بتن محاسبه می شود. هرچه نسبت آب به سیمان کمتر باشد مقاومت فشاری بالاتر خواهد بود.

تجهیزات آزمایش مقاومت فشاری بتن (Compressive strength of concrete) (نمونه استوانه ای و مکعبی)

آزمایش های آزمایشگاهی مطالعات ساختگاه (مطالعات ژئوتکنیک)

در نهایت و پس از جمع آوری نتایج آزمایش های صحرایی و آزمایشگاهی، با بررسی نتایج فوق و حذف نتایج نامعتبر، شرایط موجود تفسیر گردیده و بر اساس آن در قالب گزارش مطالعات ژئوتکنیک، توصیه های فنی و اجرایی مربوط به پروژه بر اساس استانداردهای معتبر داخلی و خارجی ارائه می گردد که در صورت لزوم مورد تأیید سازمان نظام مهندسی استان تهران نیز قرار خواهد گرفت.

کاربردهای مطالعات خاک (مطالعات ژئوتکنیک)

علاوه بر اهمیت مطالعات ژئوتکنیک در ساخت و سازهای شهری، مسکونی و تجاری می توان کاربردهای زیر را نیز برشمرد: