خانه - خدمات ایستاسازه - مطالعات صحرایی و آزمایش های برجا (field studies & On-site tests)

مطالعات ژئوتکنیک شاخه ای از مهندسی عمران است که در زمینه اجرای انواع آزمایش ها، بررسی و تحلیل عملکرد مکانیکی زمین شناسی و خاک و همچنین مقاومت مصالح طبیعی بحث و گفتگو می نماید. مطالعات ژئوتکنیک در دو حوزه صحرایی و آزمایشگاهی انجام می شود. 
در این نوشتار به انواع مطالعات صحرایی و آزمایش های برجا پرداخته می شود.

آزمایش لوفران (Lefranc Permeability Test)

آزمایش لوفران یکی از روش های برجا در مطالعات ژئوتکنیک برای تعیین ضریب نفوذپزیری خاک‌ها است. آزمایش لوفران در اغلب موارد نسبت به آزمون‌های آزمایشگاهی نتایج واقع‌بینانه‌تری ارائه می‌دهد. در خاک‌های درشت‌دانه به علت عدم امکان تهیه نمونه‌های دست‌نخورده با کیفیت، آزمایش لوفران به عنوان اصلی‌ترین روش تعیین نفوذپزیری ساختگاه در مطالعات ژئوتکنیک مطرح می باشد.

معرفی آزمایش لوفران

 آزمایش لوفران به صورت برجا اجرا می شوند و به دو روش کلی نقطه‌ای (محاسبه میزان تراوش قائم) و قطعه‌ای (محاسبه‌ی میزان تراوش افقی) تقسیم‌بندی می‌شود.

• در روش نقطه‌ای، آب صرفاً از کف گمانه به صورت قائم وارد محیط می‌شود. بر همین اساس به کمک این روش ضریب نفوذپزیری قائم (K_v) به دست می‌آید.
• در روش قطعه‌ای؛ بخشی از گمانه آب‌بندی شده و تحت فشار آب قرار می‌گیرد. در این حالت آب به صورت افقی وارد لایه‌های زمین می‌شود و لذا ضریب نفوذپزیری افقی (K_h) توده به دست می‌آید. این روش در گمانه‌های ریزشی قابل استفاده نیست.
•  برای حصول اطمینان از عدم فرار آب؛ در روش نقطه‌ای تمام طول گمانه و در روش قطعه‌ای نیز به جز بخش مورد آزمایش باید کیسینگ گذاری شده باشد. در روش قطعه‌ای علاوه بر کیسینگ‌گذاری از پکرهای بنتونیتی نیز استفاده می‌شود.

آزمایش لوفران در یک طبقه‌بندی دیگر به سه روش بار آبی ثابت، بار آبی افتان و بار آبی خیزان تقسیم‌بندی می‌شود:

• در صورتی که سطح آب داخل گمانه ثابت نگه داشته شود و تغییرات دبی ورودی به زمین برای ثابت ماندن سطح آب اندازه‌گیری شود، اصطلاحاً آزمایش به روش “بار آبی ثابت” انجام شده است.
• آزمون بار آبی افتان معمولا پس از آزمایش بار آبی ثابت و در همان قطعه مورد مطالعه انجام می‌شود. به این صورت که بعد از انجام آزمایش بار آبی ثابت، جریان دبی ورودی قطع شده و اجازه داده می‌شود که سطح آب داخل گمانه افت کند.

• در روش بار آبی خیزان، آب زیرزمینی داخل گمانه، توسط پمپ از گمانه خارج شده و سطح آب داخل گمانه به میزان کافی پایین‌تر از سطح آب زیرزمینی آورده می‌شود. سپس با قطع پمپاژ آب، اجازه داده می‌شود سطح آب داخل گمانه بالا بیاید.

مزایای آزمایش لوفران

• حذف خطای مقیاس نمونه آزمایشگاهی.
• غالباً نتایج حاصل از آزمایش ها و روش‌های تعیین نفوذپذیری برجا با مقادیر واقعی سازگارتر بوده که این نشانگر تطابق با شرایط برجا است.
• امکان اندازه‌گیری ضریب نفوذپذیری افقی.
• برای خاک‌هایی که امکان نمونه‌گیری از آنها سخت و یا غیر ممکن است روش برجا اصلی‌ترین روش تعیین نفوذپذیری است.

معایب آزمایش لوفران

• به طور کلی در مطالعات صحرایی شرایط کاملا کنترل شده نیست. درجه اشباع، حدود مرزها، اثر سیال، مسیر تنش، فشار آب حفره‌ای و غیره اغلب قابل کنترل نیست.
• در اثر گرادیان‌های هیدرولیکی بالا امکان وقوع رگاب، ترک هیدرولیکی و یا بسته شدن منافذ وجود دارد

کاربرد آزمایش لوفران

• تعیین میزان نشت آب از بستر سنگی
• برآورد فرسایش‌پذیری توده سنگ
• برآورد فشار برکنش (نیروی uplift)
• برآورد تزریق پذیری توده سنگ
• تعیین میزان آب ورودی به گودبرداری‌ها
• طراحی سیستم زهکشی
• ارزیابی و کنترل کیفی ترزیق انجام شده

آزمایش لوژان (Lugeon)

معرفی آزمایش لوژان

آزمایش لوژان اولین بار در سال 1933 توسط موریس لوژان به منظور برآورد تزریق پذیری و نفوذ پذیری سنگ ها ارائه شد. یکی از آزمایش های برجا در ژئوتکنیک که جزء آزمایشات نفوذ پذیری در سنگ است، آزمایش لوژان می باشد که اغلب به صورت 5 متری انجام می شود که در بعضی مواقع به صورت 4 و 3 متری نیز انجام می گیرد. بعد از حفر چاه و رسیدن به عمق مورد نظر آزمایش، مقطع با مسدود کننده ای به نام پکر، بسته می شود. پکر دو نوع دارد:

• مکانیکی که با فشار هیدرولیک دستگاه حفاری انجام می گردد.
• پنوماتیک که با فشار آب یا انتقال هوا با شیلنگ پلاستیکی (نایلکس) بر روی پکر انجام می شود.

ابتدا باید مقطع با آب زلال شسته شود سپس پکر را به اصطلاح پک کرده و بدین گونه گمانه آماده آزمایش می گردد. سپس یک عدد کنتور که قبلاً کالیبره شده باشد بر روی مسیر آب زلال بسته می شود و با یک عدد سه راهی از جنس آهن (چدن نیز استفاده می شود ولی به خاطر تحمل فشار بالا از اتصالات آهنی استفاده می شود) که دقیقا پشت کنتور باید باشد نصب کرده و یک عدد مانومتر (گیج فشار) جهت کنترل فشار بر روی سه راهی بسته می شود.

روش انجام آزمایش لوژان

آزمایش لوژان معمولا 75 دقیقه زمان می برد که با توجه به شرایط تغییر می کند، در مقاطع خشک 5 دقیقه برای پر آب کردن مقطع بدون اعمال فشار در نظر گرفته می شود (اشباع) و در گمانه های دارای سطح آب با 5 دقیقه پله اول رادها (لوله های حفاری) وشیلنگ ها تا سر مقطع پر می گردد.

بعد از اشباع ۴ مرحله دیگر باقی می ماند، که در ۲ مرحله فشار از حداقل به حداکثر می رسد (رفت) و در۲ مرحله فشار ازحداکثر به حداقل رسانده می شود (برگشت).

شایان ذکر است که هر مرحله میزان توقف، 2 اندازه ۵ دقیقه ای می باشد (۱۰دقیقه) به شرط اینکه حداکثر تغییر قرائت کنتور در ۵ دقیقه دوم (نسبت به ۵ دقیقه اول) کمتر از ۱۰درصد باشد. اگر تغییر بیشتر از ۱۰درصد باشد باید توقف در آن مرحله ادامه پیدا کند تا تغییر به کمتر از ۱۰درصد برسد، از این رو ممکن است یک ۵ دقیقه یا بیشتر به زمان توقف در آن مرحله افزوده شود.

هنگام ارزیابی نتایج باید دقت کرد که فشار واقعی در مقطع با لحاظ کردن اختلاف ارتفاع بین مانومتر و تراز آب زیرزمینی (یا وسط مقطع مورد آزمایش در نقاطی که آب زیر زمینی وجود نداشته باشد) به دست می آید از این رو فشار در مرکز مقطع از فرمول زیر به دست می آید.

که در این رابطه:

P: فشار در مرکز مقطع مورد آزمایش می باشد (برحسب اتمسفر)

Pm: فشار قرائت شده روی مانومتر (برحسب اتمسفر)

H1: تراز مانومتر

H2: تراز آب زیر زمینی (یا وسط مقطع مورد آزمایش)

آزمایش برش مستقیم برجا (In- situ Direct Shear test for soil)

آزمایش برش مستقیم برجا یکی از قدیمی ترین آزمایش های تعیین متغیرهای مقاومت برشی خاک های تحکیم شده چسبنده است.

در آزمایش برش مستقیم برجا، تنش های وارد بر سطحی که در آن گسیختگی رخ می دهد، در سراسر آزمایش مستقیما کنترل می شود.

  هدف آزمایش برش مستقیم برجا

هدف از مطالعات صحرایی به روش آزمایش برش مستقیم برجا، تعیین پارامتر های مقاومتی (چسبندگی و زاویه اصطکاک داخلی) خاک به صورت درجا می باشد.

کاربرد آزمایش برش مستقیم برجا

تحلیل پایداری گودها و تخمین ضریب اطمینان برای ترانشه ها و برآورد صحیح ظرفیت باربری پی های خاکی با توجه به گسترش روزافزون ساخت و ساز و انجام پروژه های عمرانی مختلف، شناخت ویژگی های ژئوتکنیکی آبرفت های درشت دانه در بسیاری از مناطق، لازم می باشد. از طرفی انجام برخی از متدوال ترین آزمایش های برجا در مطالعات ژئوتکنیک نظیر SPT وCPT در این مصالح 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 های دقیقی مثل پرسیومتری و ایجاد پارگی پروب و آسیب به دستگاه برش می گردد. لذا انجام آزمایش هایی نظیر آزمایش برش مستقیم برجا برای استخراج پارامترهای مهندسی خاک (چسبندگی و زاویه اصطکاک داخلی) مورد نیاز می باشد.

آزمایش برش مستقیم برجا در خاک به منظور تعیین مقاومت برشی خاک ها در یک سطح گسیختگی از پیش تعیین شده، انجام می شود. همچنین از آزمایش برش مستقیم برجا جهت تعیین زاویه اصطکاک مقاومت برشی زهکشی نشده و خواص انقباضی و انبساطی خاک ها استفاده می شود.

آزمایش برش برجا می تواند در خاک های درشت دانه و خاک های ریزدانه مورد استفاده قرار گیرد. همچنین نتایج این تست جهت تحلیل پایداری پی ها، شیب های خاکی و دیوارهای نگهدارنده، قابل استناد است.

ابزار آزمایش برش مستقیم خاک اولین بار توسط Prakash در سال 1976 ابداع شد. مبنای این آزمایش مشابه آزمایش برش مستقیم آزمایشگاهی می باشد که به منظور نزدیکی بیشتر به شرایط واقعی به صورت برجا انجام می شود. در تست برش ضمن اعمال بار قائم بر صفحه واقع بر روی سطح خاک یا سنگ، بار افقی ایجاد برش می کند.

دستگاه برش مستقیم

دستگاه مورد استفاده در آزمایش برش مستقیم برجا از یک قوطی که در جهت افقی به دو قسمت تقسیم شده، تشکیل شده است، به طوری که قسمت پایین به طور ثابت به پایه دستگاه اتصال یافته و بدون حرکت می باشد. در حالی که قسمت بالایی قوطی دستگاه برش مستقیم، آزاد بوده و می تواند در هر دو جهت افقی و قائم حرکت کند که مقدار حرکت را می توان، اندازه گیری نمود.

بارگذاری صفحه (PLT)

آزمایش بارگذاری صفحه (PLT) روشی برای تخمین میزان نشست بستر، ناشی از ساخت سازه و یا تعیین ظرفیت باربری نهایی بستر ساختگاه است. واضح است که ایده آل ترین حالت برای تعیین نشست بستر ناشی از بار واقعی سازه حالتی است که بار معادل سازه بر سطحی به اندازه شالوده‌ واقعی اعمال شود و میزان نشست اندازه‌گیری شود؛ با توجه به هزینه و مشکلات تأمین چنین شرایطی، آزمایش بارگذاری صفحه (PLT) با اعمال بار طراحی پیشنهادی بر صفحه‌ای با ابعاد کوچک انجام می‌شود و برای دستیابی به میزان نشست و ظرفیت باربری پی با ابعاد واقعی، از ضرایب تبدیل استفاده می گردد.

آزمایش بارگذاری صفحه (PLT) با هدف اصلی اندازه‌گیری نشست خاک به ازای بارهای مختلف و تعیین ظرفیت باربری بستر ساختگاه پروژه های با اهمیت بالا مورد استفاده قرار می‌گیرد. این آزمایش به دو روش زیر قابل اجرا است:

• کنترل تنش: بار نهایی به صورت تدریجی (Incremental) به صفحه آزمایش وارد می‌شود.
• کنترل تغییر شکل: صفحه آزمایش با سرعت ثابت در زمین فرو رانده می‌شود. مقادیر نشست صفحه در هر مرحله از بارگذاری توسط وسایل اندازه گیری (گیج‌های) تعبیه شده در نقاط مناسب واقع بر صفحه ثبت می‌شود.

با استفاده از نتایج نشست و ظرفیت باربری حاصل از آزمایش بارگذاری صفحه و روابط تجربی ارائه شده می‌توان به میزان نشست و ظرفیت باربری پی با ابعاد واقعی دست یافت.

مزایای آزمایش بارگذاری صفحه

• آزمایش PLT تقریبا برای همه انواع خاک‌ها درسطح یا در تراز پی قابل استفاده است.
• در خاک‌های سخت، سنگ نرم و شن‌های درشت که امکان نمونه‌گیری و استفاده از آزمایش‌های SPT، CPT، VST وجود ندارد بسیار مفید و کارگشا است.

معایب آزمایش بارگذاری صفحه

• در اغلب موارد ظرفیت سیستم بارگذاری برای رساندن خاک به حد گسیختگی و تعیین ظرفیت باربری کفایت نمی‌کند.
• انجام آزمایش PLT در اعماق زیاد و زیر سطح آب مقدور نیست.
• هزینه اجرای آزمایش PLT بالا بوده و از این جهت صرفا برای پروژه‌های مهم، صرفه اقتصادی دارد.
• امکان نمونه‌گیری از خاک در این روش وجود ندارد.
• عمقی از بستر که تحت تاثیر بارگذاری صفحه PLT قرار می‌گیرد بسیار کمتر از عمق تحت تاثیر بستر تحت سازه واقعی است که این مساله می‌تواند باعث خطا در نتایج آزمایش شود.
• عدم امکان رعایت بندهای اجرایی آیین‌نامه در صورت اجرای آزمایش در داخل چاه و گالری‌ها.
• به دلیل استفاده از بار مرده و یا ماشین‌آلات سنگین به عنوان تامین کننده نیروی عکس ‌العمل نیاز به زمین مسطح برای انجام آزمایش است.
• استفاده از آزمایش PLT در خاک‌های دارای نشست تحکیمی، محدودیت دارد.

کاربرد های آزمایش بارگذاری صفحه

• محاسبه میزان نشست و ظرفیت باربری بستر
• محاسبه مدول الاستیسیته (E) و ضریب عکس‌العمل بستر (Ks)
• مقاومت زهکشی نشده خاک‌های چسبنده (Cu)؛ در صورت اجرای آزمایش به روش کنترل تغییر شکل که صفحه بارگذاری با سرعت ثابت در زمین فرو رانده می‌شود.

شرح مختصری از روش آزمایش بارگذاری صفحه

• صفحات فولادی، معمولا دایره ای، با قطر 15 تا 100 سانتی متر و یا مربعی، به ابعاد 30 تا 60 سانتی متر. برای اطمینان از صلبیت صفحه، اغلب از سه صفحه هم مرکز، با قطرهای مختلف استفاده می شود. قطر صفحه آزمایش، نباید کمتر از شش برابر حداکثر اندازه دانه های خاک باشد. همچنین در صورت نیاز، برای افزایش سختی صفحه، از سخت کننده استفاده می شود؛
• جک هیدرولیکی، به همراه گیج اندازه گیری فشار قائم و سه عدد گیج اندازه گیری نشست؛
• برای اعمال فشار جک، لازم است که جک به یک تکیه گاه تغییرشکل ناپذیر بسته شود. می توان از تیر فولادی که وزنه های سنگین روی آن باشد، استفاده کرد. همچنین می توان از محور ماشین آلات سنگین استفاده نمود؛
• اگر قرار باشد آزمایش در یک گالری افقی انجام شود، مانند آزمایش جکینگ توده های سنگی، از سقف گالری، به عنوان تکیه گاه جک های هیدرولیکی استفاده می شود و شایسته است، نتایج را با توجه به عمق آزمایش و سختی خاک محیط تصحیح نمود؛
• قبل از آزمایش، باید در مورد چگونگی ایجاد بار مرده مورد نیاز برای آزمایش، تصمیم گیری لازم به عمل آید (تکیه گاه بار)؛
• برای انجام آزمایش، گودالی به قطر حداقل ۴ برابر قطر صفحه آزمایش و تا عمق استقرار پی (D_s) حفر شده و صفحه در مرکز سوراخ قرار داده می شود؛
• گام های بارگذاری، حداکثر مساوی یک چهارم تا یک پنجم بار نهایی تخمین زده شده، می باشند؛
• در هر گام بارگذاری، نشست شالوده، توسط گیج با دقت ۰/۲۵ میلیمتر اندازه گیری می شود؛
• بار هر گام بارگذاری، حداقل به اندازه یک ساعت حفظ می شود؛
• خاتمه آزمایش که مصادف است با لحظه گسیختگی، معادل است با وقوع نشست به میزان ۲۵ میلیمتر، یا زمانی که تنش صفحه، به ۲ یا ۳ برابر بار طراحی پیشنهادی برای پی اصلی برسد؛
• همچنین، پس از برداشتن بار، باید برجهندگی (بازگشت) الاستیک خاک را برای مدت زمانی حداقل معادل با طول زمان یک نمو بار ثبت کرد. ثبت نشستها، برای یک ساعت اول، هر ۵ تا ۱۰ دقیقه انجام می گیرد؛
• نتایج اندازه گیری ها، به صورت منحنی های زمان – نشست و بار – نشست، ارائه می گردد به نحوی که استخراج بار نهایی به آسانی مقدور باشد.

روش معمول انجام آزمایش بارگذاری صفحه ای در ایران

بر اساس بررسي هاي صورت گرفته، آزمايش بارگذاري صفحه در ايران به يكی از سه روش زير انجام مي گيرد:

1- انجام آزمایش در گالری حفر شده در چاه دستی؛

2- انجام آزمایش در گالری حفر شده در ترانشه خاکی؛

3- انجام آزمایش در کف چاه حفر شده تا تراز پیشنهادی پی طبق استاندارد ASTM-D1194.

در دو مورد اول، تراز قرارگیری صفحه بارگذاری، همان تراز کف گالری می باشد. ابعاد گالری، معمولا، دارای 1 متر عرض، ۲ متر طول و ۸۰ سانتیمتر ارتفاع می باشد.

خطاهای معمول شده در انجام آزمایش

• عدم رعایت فاصله صفحه از دیواره ترانشه (در آزمایشات داخل گالری و چاه، این خطا، به طور طبیعی ایجاد می گردد)

• استفاده از محیط های انعطاف پذیر برای تکیه گاه جک که فشار را به صفحه وارد می نماید (به ویژه، محیط انعطاف پذیر سقف گالری)؛
• اگر آزمایش در چاه یا گالری انجام شود، عمق انجام آزمایش، در نتایج حاصله تأثیر خواهد داشت (وقتی فاصله صفحه بار از جداره ترانشه، کافی نباشد، گوه های گسیختگی توده خاک زیر صفحه، از عمق انجام آزمایش تأثیر می پذیرند و این بر خلاف استاندارد است. فلذا، مدول الاستیسیته و یا مدول عکس العمل بستر، با خطا مواجه می شود)؛
• با توجه به اینکه ابعاد صفحه آزمایش بارگذاری، اغلب، نسبت به ابعاد پی اصلی کوچک بوده و عمق نفود تنش، نسبت به شرایط پی اصلی، کوچکتر است، در صورت وجود لایه بندی با تفاوت مشخصات ژئوتکنیکی در محدوده تأثیر پی، باید از تعمیم نتایج آزمایش برای پی خودداری شود؛

آزمایش پرسیومتری (PMT)

آزمایش پرسیومتری (Pressuremeter Test) که توسط برخی از پژوهشگران ایرانی به فشارسنجی ترجمه شده است، در ابتدا توسط لوئیس منارد در سال 1954 در فرانسه ابداع شد. پرسیومتری یکی آزمایش های صحرایی برجا در حوزه ژئوتکنیک است که برای شناسایی و ارزیابی خواص فیزیکی و مکانیکی خاک کاربرد دارد. از معمول ترین ویژگی هایی که بر اساس این آزمایش ارزیابی می گردد مدول تغییر شکل خاک، مقاومت زهکشی نشده خاک های رسی اشباع و فشار جانبی است. این آزمایش همچنین برای تخمین میزان تراکم نسبی و زاویه اصطکاک داخلی خاک کاربرد دارد.

انواع پرسیومتر و تجهیزات وابسته

پرسیومترها انواع گوناگونی دارند که بنا به نوع کاربرد و نیاز از آنها استفاده می شود.

به طور کلی پرسیومترها را می توان به شرح زیر تقسیم نمود:

• پرسیومترهای پیش حفار
• پرسیومترهای خود حفار
• پرسیومترهای تغییر مکانی

پرسیومتر پیش حفار (Pre-Bored Pressuremeter)

پرسیومتر پیش حفار به پرسیومتری گفته می شود که درون گمانه ای که از قبل آماده شده، قرار می گیرد و آزمایش انجام می گردد.

اولین پرسیومتری که ساخته شده است، از اینگونه است. امروزه مدل های مختلفی از این نوع ساخته شده است و بیشترین استفاده را در بین گونه های دیگر پرسیومتر دارد. این نوع پرسیومترها در کلیه خاک ها و سنگ های ضعیف که امکان ایجاد گمانه در آنها باشد قابل استفاده می باشند.

دو نوع پرسیومتر پیش حفار به شرح زیر وجود دارد:

پرسیومتر پیش حفار تغییر حجمی

پرسیومتر پیش حفار تغییر شعاعی

پرسيومترهای خود حفار (SBP: Self –Boring Pressuremeter)

اين نوع پرسيومتر هم در فرانسه و هم در انگليس مورداستفاده قرار گرفته است. اقبال به سوی اين روش در واقع تلاشي براي جلوگيري از دست خوردگي اجتناب ناپذير حفر گمانه بود. يكي از عواملي كه اهميت قابل توجهي دارد آن است كه با حفاري گمانه، خاك با انبساط به درون فضاي خالي تمايل پيدا مي كند، به طوري كه در اين آزمايش تأثيرات دست خوردگي قابل توجه خواهد شد.

اين سيستم در خاك هاي فاقد شن و قلوه سنگ و در سنگ ضعيف قابل استفاده است. پرسيومتر خودحفار داراي يك مكانسيم حفاري از داخل، در انتهاي خود است. به طوري كه پراب پرسيومتر از بالا با فشار هيدروليكي به درون خاك هدايت مي شود و در هنگام نفوذ عمل حفاري انجام مي گيرد و مواد حاصل از حفاري كه در اصطلاح كاتينگ ناميده مي شود از طريق سيال حفاري به بالاي گمانه برگشت مي كند. به طور كلي 2 نوع پرسيومتر خودحفار موجود مي باشد:

پرسيومتر خودحفار انگليسي يا كمبريج

پرسيومتر خودحفار فرانسوی

پرسیومترهای تغییر مکانی (Displacement Pressuremeter)

برای پرسیومترهای تغییر مکانی دو نوع زیر را می توان نام برد:

• پرسیومتر رانشی PIP
• پرسیومتر مخروطی

پرسیومتر رانشی توسط هندرسون در سال 1979 در مرکز تحقیقات مسکن انگلستان طراحی و ساخته شده است. این نوع پرسیومتر در ابتدا برای تحقیقات و کاوش های برجا در سواحل به کار رفت.

مزایای آزمایش پرسیومتری

• آزمایش پرسیومتری نسبت به سایر آزمایش های برجا پارامترهای بیشتری از خاک را به دست می آورد.
• بنیان نظری محکم تری دارد و بر همین اساس نتایج آزمایش از تکرار پذیری مناسبی برخوردار است.
• نسبت به سایر آزمایش های برجا و همچنین آزمایش های آزمایشگاهی حجم بیشتری از خاک را تحت آزمایش قرار می دهد و بر همین اساس به لحاظ حجم نمونه انطباق بیشتری با شرایط واقعی دارد.
• آزمایش در محدوده کرنش های بزرگ و نزدیک به واقعی انجام می شود و لذا مدول برشی خاک را به طور مناسب تری به دست می دهد.
• منحنی کامل از رفتار تنش – کرنش خاک به دست می دهد و پارامترهای رفتاری نظیر مدول شکل پذیری که در تحلیل نشست اهمیت ویژه ای دارند، به طور مستقیم از آزمایش به دست می آیند.
• دست خوردگی محیط، به ویژه در پرسیومترهای خود حفار، چندان زیاد نیست.
• برای تخمین فشار افقی خاک و همچنین موارد ویژه دیگری نظیر طراحی شمع های تحت بار جانبی از کاربردهای منحصر به فردی برخوردار است.
• در پرسیومترهایی که دارای سیستم کنترل اتوماتیک هستند و به ویژه در پرسیومترهای خود حفار، نتایج تا حد زیادی تحت تاثیر اپراتور نمی باشند.

معایب آزمایش پرسیومتری

• اجرای آزمایش با توجه به تجهیزات خاص آن نیازمند افراد متخصص و با تجربه است و نتایج حاصل از این آزمایش اگر به وسیله افراد کم تجربه انجام شده باشد ممکن است گمراه کننده باشد.
• آزمایش پرسیومتری در زمره آزمایش های صحرایی پرهزینه است.
• اعمال بار به محیط در آزمایش پرسیومتری به صورت افقی است، در حالی که بار وارده به پی سازه های غالبا در جهت قائم وارد می شود.
• این ازمایش تجهیزات ظریف و حساسی دارد و باید برای جلوگیری از آسیب دیدن دستگاه تحت حفاظت قرار گیرد.
• دستگاه باید به طور مرتب کالیبره شود.
• در اکثر دستگاه های پرسیومتری انجام آزمایش همراه با اخذ نمونه نیست.      

آزمایش برش پره (VST:vane shear test)

آزمایش برش پره یکی از آزمایش‌های صحرایی است که در آن عضوی چهارپره با اعمال فشار و نیروی دورانی در زمین نفوذ کرده و با اندازه‌گیری نیروی لازم برای چرخش پره‌ها در خاک، مقاوت برشی زهکشی نشده‌ (Cu) رس‌های نرم تا نسبتا سخت اندازه گیری می‌شود. استفاده از آزمایش برش پره (VST) در ماسه‌ها و حتی خاک‌های رسی حاوی ماسه به دلیل خطای زیاد توصیه نمی‌شود.

انواع روش‌ها و تجهیزات آزمایش برش پره:

Borehole Vane Test؛ در این روش برای انجام آزمایش نیاز به حفاری گمانه است.

Penetration Vane Test؛ در این روش برای انجام آزمایش نیاز به حفاری گمانه نیست و با اعمال فشار و چرخش پره‌ها به عمق مورد نظر برای آزمایش می‌رسند. این روش برای مطالعات سطحی ساختگاه کاربرد دارد.

تجهیزات آزمایشگاهی آزمایش برش پره (VST)

در آزمایش برش پره (VST)، مقاومت برشی زهکشی نشده‌ خاک بر اساس میزان لنگر پیچشی مورد نیاز برای گسیختگی خاک محاسبه می‌شود. همچنین پس از فرصت بازیابی مقاوت خاک و تکرار مجدد آزمایش امکان محاسبه مقاومت پسماند خاک، مقدور است. به دلیل تاثیر پارامتر (PI) بر ایجاد خطا و کاهش دقت مقاوت برشی محاسبه شده بر اساس نتایج آزمایش و روابط تجربی پیشنهادی، نیاز به استفاده از ضریب اصلاحی وابسته به مقدار (PI) وجود دارد.

پره‌های مورد استفاده در این آزمایش دارای ابعاد و شکل‌های گوناگونی هستند، دو نوع متداول و استاندارد آن عبارتند از:

• پره مستطیلی
• پره با لبه‌ی زاویه‌دار

انتخاب ابعاد و ضخامت پره به مقاومت خاک محل وابسته بوده و هر چه خاک محکمتر باشد از پره‌های کوچکتر استفاده می‌شود.

مزایای آزمایش برش پره (VST)

در صورتی که خاک رس محل ساختگاه بسیار حساس و نرم باشد به گونه‌ای که امکان جابه‌جا کردن خاک حمل به آزمایشگاه برای سنجش مقاومت برشی زهکشی نشده وجود نداشته باشد به کمک آزمایش برش پره (VST) می‌توان به اهداف مطالعاتی دست یافت.

مراحل اجرا آزمایش برش پره (VST)

• حفاری و یا نفوذ به عمق مورد نظر برای آزمایش
• نصب پره و اعمال لنگر و چرخش پره‌ها با سرعت 6 درجه در دقیقه؛ با این سرعت، خاک طی مدت 2 تا 5 دقیقه به حد گسیختگی می‌رسد و به این ترتیب می‌توان مطمئن بود که شرایط گسیختگی خاک زهکشی نشده بوده است. زمان مورد نیاز برای گسیختگی در خاک‌های نرم بیشتر بوده و ممکن است به 10 تا 15 دقیقه نیز برسد
• ثبت نمودار گشتاور – زمان

کاربرد آزمایش برش پره (VST)

محاسبه‌ مقاومت برشی زهکشی نشده خاک رس اشباع (Cu)

محاسبه مقاومت برشی زهکشی نشده خاک رس اشباع دست خورده (CU,residual)، پس از گسیختگی اولیه وفرصت بازیابی مقاومت

تعیین درجه حساسیت خاک رس (St)

تعیین تنش پیش تحکیمی خاک رسی (Pc)

آزمایش نفوذ مخروط (CPT)

آزمایش نفوذ مخروط (CPT) بر اساس نفوذ پیوسته (با سرعت ثابت) ابزار استوانه‌ای با نوک مخروطی شکل (نوع متداول آن به قطر 35.7 میلیمتر و زاویه نوک 60 درجه) به داخل زمین و ثبت پیوسته‌ مقاومت خاک در برابر نفوذ نوک مخروط (q_c) و جدار استوانه (q_s) عمل می‌کند. 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.

اولین نمونه از دستگاه CPT در کشور هلند ساخته شد که ساختاری کاملا مکانیکی داشت. به همین دلیل به دستگاه CPT از نوع مکانیکی “ Dutch cone” نیز گفته می‌شود. کلیات این آزمایش شامل نفوذ عضو مخروطی شکل مجهز به حسگرهایی درون خاک است. آزمایش 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. انواع دستگاه‌های CPT با توجه به قابلیت‌ها و نحوه اعمال بار عبارتند از:

• CPT مکانیکی (Dutch Cone – Mechanical CPT)، ثبت اطلاعات به صورت ناپیوسته در فواصل معین
• CPT الکتریکی، ثبت qs و qc به صورت پیوسته
• CPTU، ثبت qs  و qc و فشارآب حفره‌ای (U) به صورت پیوسته
• SCPTU، علاوه بر قابلیت‌های CPTU قابلیت ارسال و آنالیز موج برشی به داخل زمین را دارد

مزایا آزمایش CPT

• سرعت بالای آزمایش CPT در انواع الکتریکی
• ثبت پیوسته اطلاعات لایه‌های خاک و عدم ایجاد دستخوردگی خاک
• با توجه به نتایج ارزشمند CPT، این آزمایش روشی اقتصادی برای مطالعه ساختگاه محسوب می‌شود
• کیفیت نتایج به دست آمده در انواع الکتریکی وابسته به دقت اپراتور دستگاه نیست
• آزمایش CPT از مبانی تئوریک قوی پیروی می‌کند
• دقت بیشتر نتایج CPT نسبت به SPT
• کارایی بالا در خاک‌های نرم

معایب آزمایش CPT

• CPT هیچگونه کاربردی در خاک‌های شنی، ماسه‌های درشت و رس‌های سفت ندارد
• محدودیت عمق نفوذ به ویژه در خاک‌های سخت
• نیاز به اپراتور ماهر و آموزش دیده
• امکان اخذ نمونه‌های آزمایشگاهی در این روش وجود ندارد
• برای انجام این آزمایش ماشین‌آلات سنگین مانند کامیون دارای حداقل وزن معادل ظرفیت دستگاه (حدود 20 تن) برای تامین نیروی عکس‌العمل جک هیدرولیکی و سیستم‌های کامپیوتری ثبت اطلاعات مورد نیاز است

مراحل اجرای آزمایش CPT

• مجموعه‌ی مخروط، غلاف اصطکاکی و میله‌های رانش توسط جک هیدرولیکی با سرعت ثابت (10~20) متر بر ثانیه به داخل زمین رانده می‌شوند.
• ثبت پیوسته نتایج توسط سیستم‌های کامپیوتری متصل به ابزاردقیق‌های الکترونیکی نصب شده در نوک، جدار و فیلترها انجام می‌شود.
• در طی انجام آزمایش برای پیشروی و افزایش عمق نفوذ، میله‌های رانش به یکدیگر متصل می‌شوند.
• با توجه به ثبت اطلاعات به صورت پیوسته، در اجرای آزمایش CPT نباید وقفه‌ای رخ دهد. حداکثر زمان وقفه درانجام آزمایش ناشی از عواملی مانند برخورد به موانع و یا افزایش طول میله‌های رانش 10 دقیقه است.
• آزمایش CPT تا حد امکان باید در راستای قائم انجام شود. بر همین اساس در طول انجام آزمایش باید میزان انحراف محور میله‌های رانش از راستای قائم توسط شیب سنج (Inclinometer) دستگاه کنترل شود. حداکثر میزان مجاز انحراف میله‌های رانش نسبت به راستای قائم 2 درصد است.
• نفوذ مخروط باید بدون ارتعاش، پیچش و یا دوران صورت گیرد.

کاربرد آزمایش CPT

• طبقه‌بندی نسبی و تقریبی خاک
• تعیین عمق سنگ یا لایه مقاوم بستر ساختگاه با سرعت و دقت بالا
• بررسی زیر سطحی خاک‌های رسی و ماسه‌ای ریز در مناطق ساحلی، سیلابی و دلتاها
• تخمین و محاسبه مدول الاستیسیته (E) و مدول برشی (G) خاک
• تخمین و محاسبه زاویه اصطکاک خاک (ɸ)
• تعیین مقاومت برشی زهکشی نشده خاک‌های چسبنده
• تعیین و تخمین دانسیته نسبی ماسه (Dr)
• ارزیابی پتانسیل روانگرایی
• تعیین ظرفیت باربری و طراحی پی‌های عمیق

آزمایش نفوذ استاندارد (SPT)

آزمایش نفوذ استاندارد یکی از متداول‌ترین روش‌ های مطالعات صحرایی و آزمایش های برجا است. اساس این آزمایش بر سنجش میزان انرژی و تعداد ضربات لازم برای نفوذ عضو مخروطی شکل و یا نمونه گیر جدا شونده (SBS) به میزان مشخص در خاک استوار است. تفسیر و استفاده از نتایج آزمایش SPT برای تخمین پارامترها و خصوصیات خاک محل ساختگاه به صورت تجربی و بر اساس روابط تجربی است. با استناد به تجربه جهانی هیچ تصمیم مهمی در پروژه نباید فقط بر اساس نتایج SPT اخذ گردد.

آزمایش نفوذ استاندارد میزان مقاومت خاک در برابر ضربه و نفوذ یک نمونه‌گیر فولادی استوانه‌ای و یا یک عضو مخروطی شکل را می‌سنجد. این آزمایش بر اساس دو آیین نامه مختلف ASTM D1586 و DIN 4094 قابل انجام است.  تفاوت و شباهت‌های این دو روش در جدول زیر قابل مشاهده است.

برای استفاده از روابط تجربی تخمین پارامترهای ژئوتکنیکی بر پایه عدد SPT باید از یک سری ضرایب برای اصلاح عدد خام SPT گزاش شده استفاده شود، این ضرایب اصلاحی عبارتند از:

• ضریب تصحیح ناشی از میزان بازده دستگاه (E)
• ضریب تعدیل ناشی از سربار(CN)
• ضریب تصحیح به دلیل افت انرژی ناشی از طول میله
• ضریب تصحیح ناشی از نوع و شرایط نمونه‌گیر
• ضریب تصحیح ناشی از قطر گمانه

با توجه به اینکه روابط تجربی مرسوم ارائه شده برای تخمین پارامترهای ژئوتکنیکی بر اساس آیین نامه ASTM می باشد در صورت استفاده از دستگاه SPT آلمانی سبک (بر اساس آیین نامه DIN) باید NDIN به NASTM تبدیل شود.

مزایای آزمایش نفوذ استاندارد (SPT)

• سهولت اجرا
• هزینه کم
• بی‌نیازی به دستگاه‌های پیچیده
• وجود روابط تجربی گسترده بین پارامترهای ژئوتکنیکی با تعداد ضربات (N)
• آشنایی و رواج بین پیمانکاران
• در صورت استفاده از روش ASTM D1586 امکان نمونه‌گیری از خاک به صورت دستخورده است. بسیاری از آزمون‌های نفوذسنج دارای نوک مخروطی بوده و امکان نمونه گیری ندارند.

معایب آزمایش نفوذ استاندارد (SPT)

• درصد خطای بالا (بیش از 10 درصد) بین نتایج حاصل از گمانه‌های مجاور به دلیل وجود دستگاه‌ها و روش‌های مختلف اجرا توسط پیمانکاران
• پارامترهای مقاومتی حاصل از آزمایش SPT تقریبی بوده و ارزیابی کمی پارامترهای ژئوتکنیکی بر اساس آن به صورت یک تخمین کلی امکان پذیر است
• افزایش درصد خطای آزمایش در خاک‌های حاوی قلوه ‌سنگ و دانه‌های شنی (وجود قلوه سنگ و دانه‌های شنی باعث افزایش کاذب عدد SPT می‌شود)
• محدودیت استفاده در خاک‌های چسبنده و شنی
• دقت آزمایش در اعماق بیش از 35 متر کاهش می‌یابد (به دلیل مشکلات اجرایی، سختی حفاری و احتمال دستخوردگی خاک کف چاه)
• وابستگی زیاد دقت آزمایش به اپراتور، مخصوصا در صورت استفاده از نوع سبک در چاه دستی

مراحل اجرای آزمایش نفوذ استاندارد (SPT)

• حفاری گمانه به قطر 5 تا 150 میلی‌متر (گمانه ماشینی) تا عمق مورد نظر برای انجام آزمایش – عموما در لایه‌های یکنواخت در فواصل 1.5 متری اقدام به انجام آزمایش SPT و نمونه گیری می‌شود.
• خروج ابزار حفاری و شستشوی گمانه به طوری که کف گمانه عاری از مصالح حفاری شده و خاک دستخورده باشد.
• پس از خروج ابزار حفاری، نمونه‌گیر جدا شونده (Split Barrel Sampler) توسط میله حفاری به آرامی وارد گمانه می‌شود.
• روی میله حفاری طول 45 سانتی‌متر به فواصل 15 سانتی‌متر علامت گذاری می‌شود تا امکان شمارش تعداد ضربات برای هر 15 سانتی‌متر نفوذ (سه مرحله) فراهم شود.
• نمونه‌گیر با ضربه‌های چکش 5 کیلوگرمی در خاک نفوذ می‌کند.
• تعداد ضربه‌های هر مرحله نفوذ 15 سانتی‌متری و یا کسری از آن یادداشت می‌شود.
• تعداد ضربه‌های 15 سانتی‌متر نفوذ مرحله اول به عنوان کوبش اولیه در نظر گرفته ‌شوده و در محاسبه Nspt لحاظ نمی‌شود.
• عدد SPT، برابرمجموع تعداد ضربات لازم برای 30 سانتی‌متر نفوذ مرحله دوم و سوم (Nspt = N2 + N3) ثبت می‌شود.
• پس از نمونه‌گیری نمونه‌گیر به سطح زمین منتقل می‌شود و درصد بازیابی نمونه ثبت می‌شود.
• نمونه‌های گرفته شده با شرحی شامل ترکیب خاک، رنگ، لایه‌ بندی و وضعیت آن توصیف و ثبت می‌شود.
• نمونه‌های ارسالی به آزمایشگاه در ظروف هوابندی شده برای جلوگیری از تغییر رطوبت به همراه اطلاعت نام پروژه، شماره گمانه، عمق نمونه و شمار ضربه‌ها برای هر 15 سانتی‌متر بر روی برگه‌ای نوشته و به ظروف ارسالی چسبانده می‌شود.
• در روش استفاده از دستگاه SPT آلمانی سبک، چاه توسط مقنی تا عمق مورد نظر حفاری شده و پس از انتقال دستگاه SPT و پاک ‌سازی کف چاه از خاک دستی، تعداد ضربات لازم برای هر مرحله نفوذ 10 سانتی‌متری (مجموعا سه مرحله 10  سانتی‌متری) ثبت شده و(N2+N3) به عنوان (Nspt) گزارش می‌شود.

کاربرد آزمایش نفوذ استاندارد (SPT)

• SPT برای خاک‌های ماسه‌ای مناسب‌تر است (به دلیل ماهیت دینامیکی این آزمایش)
• تخمین تراکم نسبی ماسه و شن
• تخمین پارامترهای مقاومتی خاک
• تخمین ظرفیت باربری مجاز پی‌های سطحی و عمیق در ماسه
• تخمین مقدار نشست پی در ماسه
• ارزیابی پتانسیل روانگرایی خاک‌های غیرچسبنده اشباع در شرایط زهکشی نشده
• توصیف کیفی و مقاومت تک محوری خاک‌های چسبنده

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)
• 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)
• روش انجماد خاک چیست؟(Ground Freezing)

در زمینه طراحی و مشاوره ژئوتکنیک بیشتر مطالعه کنید : 

• روش اجزای محدود چیست؟ (Finite Element Method) (FEM)
• اندرکنش خاک و سازه چیست؟ (Soil Structure Interaction) (SSI)
• 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 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 مطالعات ژئوتکنیک بیشتر مطالعه کنید :

• مطالعات خاک یا مطالعات ژئوتکنیک چیست؟ (Site Investigation)
• مطالعات صحرایی و آزمایش های برجا (field studies & On-site tests)
• مطالعات لرزه خیزی چیست؟ (Seismicity studies)
• ژئوفیزیک (Geophysics)
• زمین شناسی (Geology)

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)
• مدل کسب و کار (B2B) یا بی تو بی (Business-to-Business)
• انواع سیستم های سازه ای (Structural System)
• مدیریت پروژه های عمرانی (Project Management)
• آیین نامه ی ۲۸۰۰ ، طراحی ساختمان ها در برابر زلزله
• سازه فلزی و سازه بتنی (Steel and concrete structures)
• طراحی سازه بر اساس عملکرد (Performance Based Seismic Design, PBSD)
• تغییرمکان جانبی نسبی طبقات چیست؟ (Drift)
• طیف پاسخ و طیف طرح چیست؟ (Spectrum Response)

مطالب مرتبط :

• مقررات ملی ساختمان
• استاندارد ۲۸۰۰
• مبحث هفتم مقررات ملی ساختمان (ژئوتکنیک و مهندسی پی)