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:
1) طراحی:
- شالوده
- زیرساخت ها
- سازه های زیرزمینی
2) 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.
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
روش انجام مطالعات خاک (مطالعات ژئوتکنیک)
مطالعات خاک در 2 قسمت انجام می گردد:
- 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).
- 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):
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 200 استفاده می شود و درصد حضور شن و ماسه در خاک مورد نظر مشخص می شود.
- 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.
- 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:
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.
- 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 2 صورت انجام می گردد:
- آزمایش با بار ثابت(Constant head)
- آزمایش با بار افتان (Falling head)
- 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:
1) تحکیم یافته زهکشی شده (CD)
مرحله 1: 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 2: 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:
2) تحکیم یافته زهکشی نشده (CU)
مرحله 1: 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 2: 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:
3) تحکیم نیافته زهکشی نشده (UU)
مرحله 1: 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 2: 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 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:
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:
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.
- 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.
- آزمایش های شیمیایی
- آزمایش باربری کالیفرنیا (California Bearing Ratio, CBR):
اين آزمايش در سال ۱۹۲۹ ميلادی و قبل از جنگ جهانی دوم، در اداره راهسازی ايالت كاليفرنيای آمريكا مورد استفاده قرار گرفت. به كمك اين آزمايش مقاومت برشی خاك در يك رطوبت و وزن مخصوص معين، مشخص مي شود.
این متغیر در:
- پي سازی برای بيان كيفيت نسبی خاك زير پی
- در راهسازی برای به دست آوردن مقاومت برشی خاك در برابر بارهای ترافيكی
از اهميت زیادی برخوردار است.
بنا به تعريف: آزمایش CBR عبارت است از بار لازم براي نفوذ پیستون استاندارد با شکل، سرعت و عمق معين در يك نمونه مورد آزمايش 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 100 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.
- 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 خاك در اثر خارج ساختن هوا با استفاده از اعمال نیرو. در این حالت اصطكاك بین ذره ها بیشتر شده و وزن واحد آن زیاد می شود. این وزن، معیار تراكم خاك است.
تراكم به منظور افزایش مقاومت برشی و كاهش نفوذپذیری انجام می شود. عوامل مؤثر در تراكم خاك عبارتند از:
- نوع خاك
- انرژی
- رطوبت
پروكتور در سال 1933 روشی ابداع كرد که به وسیله آن حداكثر وزن مخصوص خشك خاك تعیین می گردد. این آزمایش به نام آزمایش تراكم پروكتور مشهور می باشد.
آزمایش پروکتور به دو روش انجام می پذیرد:
1) روش استاندارد (تراکم دستی): در این روش از چکشی به وزن 5/5 پوند و ارتفاع سقوط 13 اینچ (یک فوت) وتعداد 56 ضربه در سه لایه تراکم و قطر قالب 6 اینچ استفاده می گردد.
2) روش اصلاح شده (تراکم پیشرفته): در این روش از چکشی به وزن 10 پوند و ارتفاع سقوط 18 اینچ (یک و نیم فوت) و تعداد 25 ضربه در پنج لایه تراکم و قطر قالب 4 اینچ استفاده می گردد.
- 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 3 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 28 روز از نگه داری و عمل آوری بتن محاسبه می شود. هرچه نسبت آب به سیمان کمتر باشد مقاومت فشاری بالاتر خواهد بود.
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:
- پروژه های نفت و گاز و ساخت سازه های تخصصی
- پروژه های مربوط به احداث خطوط انتقال نیرو
- احداث سد و نیروگاه های آبی
- مشاوره پروژه و طرح های آبرسانی و سیستم های فاضلاب صنعتی و شهری
- پروژه های ساخت و ساز شهری، مسکونی و تجاری
- اکتشاف و حفر معدن
اهداف انجام مطالعات خاک (مطالعات ژئوتکنیک)
مهمترین اهداف و نتایجی که از مطالعات ژئوتکنیک و بررسی های ژئوتکنیکی می توان به دست آورد:
- شناسایی کامل لایه های زیرزمینی
- تعیین مشخصات فیزیکی و مکانیکی لایه ها
- مشخص نمودن نوع پی ساختمان و نحوه استقرار آن
- عمق مناسب برای پی
- برآورد ظرفیت باربری شالوده و تعیین ضریب مربوطه
- وزن مخصوص خاک
- زاویه اصطکاک داخلی موثر
- ضریب چسبندگی
- مدول الاستیسیته
- دسته بندی نوع زمین براساس آیین نامه 2800 ایران (تیپ 1، 2، 3 یا 4)
- مناسب ترین نوع سیمان
- تست بتن
- بررسی آب های زیرزمینی منطقه
- مشخص شدن وضعیت لرزه خیزی منطقه
- استخراج اطلاعات دقیق از سنگ بستر
- مطالعات زمین شناسی و لرزه خیزی
- موقعیت مکانی لرزه های پیشین احتمالی
- تعیین فاصله گسل های نزدیک به پروژه
- هیدرومتری
- آزمایش دانه بندی خاک
- حدود اتربرگ
- تعیین دانسیته
- رطوبت خاک
- تعیین جنس و نوع خاک منطقه
- مشاوره در زمینه انتخاب و طراحی بهترین نوع پی
- آزمایشات میزان پایداری خاک در برابر حوادث طبیعی مثل زلزله
- برآورد صحیح ظرفیت باربری پی سازه
- محاسبه تنش و فشار جانبی خاک
- مشاوره در زمینه گودبرداری
- ارائه راهکاری بهینه سازی شالوده سازه
- تعیین نتایج مربوط به تست های مکانیک خاک و سنگ
- آزمایش های کنترل کیفی خاک و بتن
- مطالعات و اجرای عملیات مقاوم سازی
- کنترل جوش
در زمینه مطالعات ژئوتکنیک بیشتر مطالعه کنید :
- مطالعات خاک یا مطالعات ژئوتکنیک چیست؟ (Site Investigation)
- مطالعات لرزه خیزی چیست؟ (Seismicity studies)
- ژئوفیزیک (Geophysics)
- زمین شناسی (Geology)
در زمینه پایدارسازی گود بیشتر مطالعه کنید :
- ساخت از بالا به پایین یا تاپ دان چیست؟ (Top-Down Construction)
- نیلینگ یا میخ کوبی دیواره چیست؟ (Soil Nailing)
- انکراژ یا مهارگذاری خاک چیست؟ (Soil Anchorage)
- مهارمتقابل یا استرات چیست؟ (Braced Excavations – Struts)
- سازه نگهبان خرپایی چیست؟ (Truss Retaining Structure)
- خاک مسلح یا ژئوسنتتیک چیست؟ (Geosynthetict)
- سپرکوبی چیست؟ (Sheet Pile)
- دیوار دیافراگمی یا دیوار دوغابی چیست؟ (Diaphragm walls – Slurry walls)
- دیوار برلنی یا دیوار سولجر پایل چیست؟ (Berlin wall – Soldier Pile and Lagging System)
- زهکشی و آب بندی در گودبرداری چیست؟ (Drainage- Dewatering & Waterproofing )
- نقشه برداری یا مهندسی نقشه برداری چیست؟ (Surveying)
- پایش گود یا مانیتورینگ چیست؟ (Monitoring)
- دستورالعمل بهداشت، ایمنی و محیط زیست چیست؟ (HSE)
- آموزش گام به گام نقشه خوانی انواع روش های پایدارسازی و گودبرداری
در زمینه طراحی و مشاوره ژئوتکنیک بیشتر مطالعه کنید :
- معرفی نرم افزار Plaxis
- معرفی نرم افزار GEOSLOPE
- معرفی نرم افزار AutoCAD
- معرفی نرم افزار ETABS
- معرفی نرم افزار SAP2000
- معرفی نرم افزار SAFE
- معرفی نرم افزار ABAQUS
- معرفی نرم افزار FLAC
- معرفی نرم افزار MIDAS
در زمینه بهسازی خاک بیشتر مطالعه کنید :
- تزریق پر فشار یا جت گروتینگ چیست؟ (Jet Grouting)
- ریزشمع یا میکروپایل چیست؟ (Micropile & Underpinning)
- پیش بارگذاری چیست؟ (fill surcharge preloading method)
- مطالعات خاک یا مطالعات ژئوتکنیک چیست؟ (Site Investigation)
- اختلاط عمیق خاک یا DSM چیست؟ (Deep Soil Mixing)
- تراکم دینامیکی یا DC چیست؟ (Dynamic Compaction)
- ستون شنی ارتعاشی یا تراکم ارتعاشی چیست؟ (Vibro Stone Column)
- شمع ساختمان ، طراحی و اجرای شمع بتنی و شمع فلزی (Concrete Pile , Steel Pile)
در زمینه تخریب و خاکبرداری بیشتر مطالعه کنید :
- مهندسی تخریب ساختمان (Destruction Engineering)
- خاکبرداری چیست؟ (Excavation)
- رمپ و جمع آوری رمپ در گودبرداری (Ramp removal excavation)
- گودبرداری و خاکبرداری دو عملیات متمایز از یکدیگر
- گودبرداری غیر اصولی (Unprincipled Building Excavation)
- گودبرداری چیست؟ و اصول اجرای گودبرداری های ساختمانی (Excavation)
در زمینه ابنیه و ساختمان بیشتر مطالعه کنید :
- ساخت و ساز ابنیه و ساختمان (Building & Structure)
- قرارداد مشارکت در ساخت (Construction participation contract)
- نظارت بر اجرای پروژه های عمرانی (Construction Supervision)
- مشاوره ساختمانی (Construction consulting)
- مدیریت پیمان (Management Contracting)
- مدیریت طرح (Construction Management)
- انواع سیستم های سازه ای (Structural System)
- مدیریت پروژه های عمرانی (Project Management)
- آیین نامه ی 2800 ، طراحی ساختمان ها در برابر زلزله
مطالب مرتبط :
