ایستاسازه
En Ar

خانه - آموزش - تحقیقات محلی در پروژه های ژئوتکنیک دریایی (Offshore geotechnical Site Investigation)

ژئوتکنیک دریایی یکی از مهم ترین و تخصصی ترین زیر شاخه های مهندسی عمران می باشد. ژئوتکنیک دریایی شامل طراحی، ساخت و نگهداری از سازه های ساخته شده در دریا ( سازه های دریایی) می باشد. سازه های با اهمیتی مانند سکوهای نفت و گاز، مزارع توربین های بادی، جزیره های مصنوعی و یا سازه های زیر آب مانند لوله های مدفون زیر زمین از پروژه هایی هستند که نیاز به مهندسین ژئوتکنیک دارند. سازه هایی که در دریا احداث می شوند چه به صورت موقت و چه به صورت دائم، نیاز به ساخت پی و پایدارسازی دارند و برای بررسی شرایط محیطی و ویژگی های خاک بستر پروژه نیاز به تحقیقات محلی در پروژه های ژئوتکنیک دریایی است. سازه های دور از ساحل با پروژه هایی که در خشکی اجرا می شوند در موارد زیر با یکدیگر تفاوت دارند:

  • سازه های اجرایی در دریا نسبت به سازه های خشکی عموما بلند تر هستند.
  • طول عمر طراحی برای سازه های فراساحلی در بازه ۲۵ تا ۵۰ سال قرار می گیرد.
  • اکثر سازه های فراساحلی در خشکی ساخته شده و تا محل مورد نظر حمل و در دریا مونتاژ می شوند.
  • روش های بهسازی خاک برای پروژه های دریایی امکان پذیر اما بسیار گران قیمت است.
  • خطرات بیشتری سازه های دریایی را تهدید می کنند.
  • عموما در سازه های دریایی بارهای سیکلی کنترل کننده ی طراحی هستند.
  • در صورت خرابی سازه های دریایی مشکلات زیست محیطی و هزینه های بالایی ایجاد می شود.
  • بارهای وارد بر سازه های دریایی عموما ناشی از جریان های دریایی و نیروی موج است و خاک بستر سازه های دریایی غالبا به صورت گل و لای می باشد.
کوهای نفت و گاز یکی از مهم ترین سازه های دریایی هستند
سکوهای نفت و گاز یکی از مهم ترین سازه های دریایی هستند
تامین برق با استفاده از مزارع توربین های بادی در دریا - شرکت عمرانی مهندسی ایستا سازه
تامین برق با استفاده از مزارع توربین های بادی در دریا – ژئوتکنیک دریایی

با توجه به شرایط ویژه ای که در پروژه های فراساحلی وجود دارد برای کاهش خطرات احتمالی و جلوگیری از طراحی های اشتباه لازم است بررسی و مطالعات ژئوتکنیکی قبل از انجام پروژه به خوبی انجام شود. معمولا بیشترین زمان در پروژه های فراساحلی به مطالعات محلی مربوط می شود.

اهداف و انواع تحقیقات محلی در پروژه های ژئوتکنیک دریایی

تحقیقات محلی در پروژه های ژئوتکنیک دریایی با اهداف بررسی و اندازه گیری پارامترهای مورد نیاز برای طراحی می باشد. مراحل تحقیقات محلی مربوط به کار ژئوتکنیک دریایی عبارتند از:

  • مطالعات اولیه: قبل از انجام مطالعات در محل، لازم است تا چند هفته به بررسی اطلاعات موجود و به دست آوردن اطلاعات مورد نیاز با استفاده از منابع و مراجع در دسترس پرداخت. این فاز از تحقیق قبل از تحقیقات محلی بوده و به نام مطالعات دفتری یا Desk Study معروف است.
  • مطالعات ژئوفیزیکی کم عمق: در ابتدا مطالعات ژئوفیزیکی با روش های غیر مخرب مانند استفاده از دستگاه های عمق یاب صوتی (Echo sounders) برای عمق سنجی یا استفاده از منابع صدایی برای بررسی سطح زمین زیر دریا انجام می شود. این روش ها بخشی از مطالعات خطرات احتمالی است که با انجام آن می توان به شناختی درست از شرایط موجود دست یافت و بتوان طرحی مناسب برای مراحل بعدی مطالعات ارائه کرد.

در انجام مطالعات ژئوفیزیکی به دنبال به دست آوردن: لایه بندی زمین، مکان یابی حفرات موجود، تامین اطلاعات در زمینه ی ویژگی های دینامیکی و الاستیک خاک و سنگ، ارائه ی پروفیل سرعت موج برشی جهت تقویت لرزه ای سایت هستیم.

از مزایای آزمایش های ژئوفیزیک می توان به: غیرمخرب بودن، سرعت بالا و اقتصادی بودن، قابلیت تفسیر نتایج بر پایه ی روابط تئوری و قابل اجرا در خاک و سنگ اشاره کرد.

در کنار مزایای این روش، عدم امکان نمونه گیری، استفاده از مدل در تفسیر نتایج، عدم دقت در لایه های سیمانته شده و تاثیر وجود رس و عمق آب بر روی نتایج، از معایب این روش است.

  • آزمایش های ژئوتکنیکی با عمق کم: در این مرحله آزمایش های درجا و نمونه گیری کم عمق، به عمق چند متر زیر سطح بستر دریا انجام می شود و با برداشت داده ها و نتایج آزمایشگاه، اطلاعات مربوط به خاک بستر به دست می آید.
  • آزمایش های ژئوتکنیکی با عمق زیاد: در این مرحله آزمایش های درجا و نمونه گیری تا عمق ۱۲۰ متر یا بیشتر در زیر بستر انجام می شود.  
روش های تحقیقات ژئوتکنیکی
روش های تحقیقات ژئوتکنیکی

در انجام مطالعات محلی یکی از نتایج مورد نیاز، بررسی خطرات احتمالی در محل است. در صورتی که احتمال وقوع زمین لرزه در سایت وجود داشته باشد به صورت جداگانه آزمایش های لرزه ای انجام می شود. در پروژه های فراساحلی لازم است تا اطلاعات آب و هوایی مانند مقدار و جهت باد و همچنین جهت حرکت جریان آب نیز به دست آورده شود.

مراحل انجام مطالعات ژئوتکنیک در سازه های فراساحلی
مراحل انجام مطالعات ژئوتکنیک در سازه های فراساحلی

عوامل زیر بر روی گستره ی مطالعات ژئوتکنیکی در دریا اثرگذار هستند:

  • عمق آب
  • نوع سازه
  • بارهای محیطی
  • شرایط خاک
  • تجربه محلی
  • مخاطرات زمین شناسی
  • صرفه جویی در هزینه پی (فونداسیون)

مطالعات ژئوفیزیکی

روش های ژئوفیزیکی بر مبنای اندازه گیری امواج مکانیکی و تکنیک های الکترومغناطیسی انجام می شود. برای روش های ژئوفیزیکی می توان به موارد زیر اشاره کرد:

  • انکسار لرزه ای
  • بین گمانه ای
  • درون گمانه ای
  • تحلیل طیفی امواج سطحی
  • مقاومت الکتریکی
  • ردیابی راداری

در روش انکسار لرزه ای با سرعت بالا امکان جمع آوری اطلاعات دقیقی از ساختار نهشته های خاکی بستر دریا وجود دارد. از این روش در مواقعی استفاده می شود که جزئیات مناسبی در ارتباط با ۳ متر ابتدایی و به ویژه ۱ متر فوقانی بستر دریا مورد نیاز است. روش لرزه ای مبتنی بر اختلاف سرعت امواج لرزه ای در انواع خاک ها است. در این روش با ایجاد انفجارهای کوچک، سرعت موج به دست آمده و با استفاده از آن جنس و عمق لایه ی خاک بستر مشخص می شود. از انعکاس امواج صوتی ایجاد شده توسط منبع صدا نیز می توان به وجود و عمق لایه های سنگ بستر پی برد.

روش انکسار لرزه ای برای شناسایی لایه های خاک - ژئوتکنیک دریایی
روش انکسار لرزه ای برای شناسایی لایه های خاک – ژئوتکنیک دریایی

در شناسایی الکتریکی، اساس کار بر تفاوت مقاومت یا رسانایی الکتریکی انواع خاک ها و سنگ ها است. در این روش با استفاده از یک جریان الکتریکی می توان مقدار مقاومت لایه های مختلف زمین را به دست آورد و با استفاده از آن نوع خاک و یا سنگ محل مشخص می شود.

دوربین های زیر آب

با استفاده از دوربین های زیر آب می توان اطلاعات ارزشمندی از رنگ خاک ها به دست آورد. رنگ خاک مشخص کننده ی وجود و یا عدم وجود آلودگی در خاک می باشد. اصلی ترین بخش های بررسی ژئوفیزیکی در پروژه های فراساحلی عبارت است از:

  • ژرفا سنجی
  • توپوگرافی بستر دریا
  • تهیه پروفیل های قائم

ژرفا سنجی

برای اندازه گیری عمق آب از یک ژرفاسنج صوتی استفاده می شود. در این روش، ژرفا سنج، امواج صوتی با فرکانس بالا (حدود ۴۰ هرتز) را به بستر دریا فرستاده و انعکاس این امواج را دریافت می کند با اندازه گیری مدت زمان رفت و برگشت موج، عمق آب محاسبه می شود. معمولا ژرفاسنج های صوتی بر روی یک کشتی بررسی حمل می شوند. عمق آب با استفاده از یک عمق یاب صوتی (Echo sounder) و با اندازه گیری مدت سفر پالس فرستاده شده اندازه گیری می شود.

توپوگرافی بستر دریا

نقشه های جغرافیای طبیعي توسط داده های ثبت شده از زيردريايي های کاشف تهیه مي گردند. اين زيردريايي ها پالس هايي با فرکانس بالای 50 تا 500 هرتز را به شکل نازک و پره ای فرستاده و امواجي را از کف دريا دريافت مي نمايد.

تهیه ی توپوگرافی بستر دریا - شرکت ایستا سازه
تهیه ی توپوگرافی بستر دریا

تهیه پروفیل های قائم

عواملی مانند عمق نفوذ مورد نیاز، میزان دقت مورد نظر و مبهم بودن تشکیلات سطحي بر روی تهیه ی پروفیل قائم لرزه ای اثرگذار هستند.

یکی از روش های بررسی سطح بستر دریا، استفاده از ابزارهای مخصوص ثبت تصاویر زیر آب می باشد. یکی از دستگاه های مورد استفاده، ردیاب آوایی جانبی (Side scan sonar) است. این سیستم، رکوردهای گرافیکي را فراهم مي نمايد که نقشه های دو بعدی توپوگرافي بستر دريا و احجام موجود در آن را به تصوير مي کشد. اين تصاوير را مي توان معادل با عکس های هوايي گرفته شده از زمین دانست.

استفاده از ردیاب آوایی جانبی برای بررسی بستر دریا - ژئوتکنیک دریایی- ایستاسازه
استفاده از ردیاب آوایی جانبی برای بررسی بستر دریا – ژئوتکنیک دریایی

دستگاه دیگری که برای رسیدن به مشخصات سطح بستر استفاده می شود، Sub-buttom profiler می باشد. اين سیستم ها همچنین در برخي موارد به عنوان سیستم های تک کاناله ای شناخته مي شوند که برای شناسایی لایه بندی کم عمق ترين بسترهای دريايي در صنعت به کار مي روند. اين سیستم، يک ابزار با نفوذ کم بوده و به صورت لرزه ای به بررسی لایه بندی نمودن خاک بستر دريا مي پردازد تا بدين وسیله رکوردهای دقیقي را فراهم نمايد. اين سیستم تنها در خاک های نرم و به میزان حدود 30 متر نفوذ مي نمايد.

وسیله ی Sub-buttom profiler
وسیله ی Sub-buttom profiler
نتایج به دست آمده از Sub-buttom profiler
نتایج به دست آمده از Sub-buttom profiler

از دستگاه مغناطیس سنج دریایی برای رديابي میدان های مغناطیسي غیرعادی در میدان مغناطیسي زمین استفاده می شود. اشیاء فلزی بر روی منحني، توسط نقاط پیک و يا فرورفتگي ها قابل تشخیص مي باشند.

پس از انجام آزمایش های ژئوفیزیک نوبت به آزمایش های برجا و نمونه گیری می رسد. وسایل مورد نیاز برای حفاری و نمونه گیری در دریا به سه دسته تقسیم می شوند:

  • کشتی تحقیقاتی و سیستم حفاری
  • نمونه گیری نفوذی سطحی
  • نمونه گیری عمیق

انتخاب کشتی و دکل حفاری برای تحقیقات توسط عوامل زیر کنترل می گردد:

  • شرایط دریا، از قبیل عمق آب، حالت دریا و شرایط مهاری بستر دریا
  • برنامه طرح ریزی شده تحقیقاتی
  • میزان دسترسی و هزینه

دکل حفاری که در دريا مورد استفاده قرار مي گیرد مشابه با دکل حفاری به کار گرفته شده درون خشکي بوده و تنها به منظور کارايي درون آب، اندکي اصلاحات بر روی آن انجام شده است. لازمه ی اصلي يک دکل حفاری برای استفاده در کارهای آبي اين است که دارای ظرفیت عمقي کافي باشد تا بدين منظور از عهده عمق آب و میزان حفاری بر آيد. بهترين روش در حفاری های دريايي استفاده از دکل های حفاری دوراني بر روی سکو يا شناور مي باشد.

روش های قديمي اکتشافات دريايي در دهه 40 مشابه روش های اکتشافي موجود در خشکي اجرا مي گردید. عملیات حفاری و نمونه گیری در زمان های قديم توسط يک سکوی مغزه گیری يا کشتي های بزرگ مهار شده در بستر دريا صورت مي گرفت. در اين روش نمونه ها به صورت هیدرولیکي و توسط يک تیوب جدار نازک يا نمونه گیر اسپلیت بارل اخذ مي شدند.

برای نمونه گیری از خاک بستر دریا از نمونه گیری نفوذی سطحی، نمونه گیرهای جدار نازک شلبی، اسپلیت بارل برای خاک و از مغزه گیرهای غلافی در سنگ ها، مغزه گیر ثقلی، مغزه گیر پیستونی، مغزه گیر ارتعاشی، مغزه گیر باکسی و نمونه گیرهای چنگکی استفاده می شود.

نمونه گیری نفوذی سطحی

 اين نمونه گیرها معمولا برای آزمايش های طبقه بندی خاک مناسب بوده ولي برای ارزيابي داده های کمي قابل اعتماد نمي باشند. اين نمونه ها را مي توان توسط مغزه گیرهای پیستوني يا ثقلي با غلاف باز اخذ نمود.

مغزه گیر ثقلی

 مغزه گیرهای ثقلي ابزاری سريع جهت اخذ نمونه های مغزه ای پیوسته در اعماق زياد تا چند هزار متر مي باشند. اين مغزه گیرها را مي توان توسط شناورهای متنوعي به درون آب فرستاد. استفاده از مغزه گیر ثقلي تقريبا برای تمامي تحقیقات خاکي بستر درياها انجام می شود.  طول اين مغزه گیر از 1 تا 6 متر با قطر خارجي 102 میلیمتر مي باشد. این مغزه گیر تنها برای رس های بسیار نرم يا سخت مناسب مي باشد و  نمونه های اخذ شده به طور کلي دارای کیفیت متوسطي است.

مغزه گیر ثقلی - تحقیقات محلی در پروژه های ژئوتکنیک دریایی
مغزه گیر ثقلی – تحقیقات محلی در پروژه های ژئوتکنیک دریایی

مغزه گیر پیستونی

به منظور اخذ نمونه های مغزه ای ثقلي با کیفیت بالاتر در خاک های نرم، غلاف های مغزه به يک پیستون استاتیکي مجهز مي گردند. نمونه های به دست آمده از درون مغزه گیرهای پیستوني امکان نمونه گیری دقیق تر و حجم بیشتر از خاک و تحلیل مقاومتي صحیح تر را فراهم مي نمايد. اين نحوه ی نمونه گیری در مواقعي که داده های با کیفیت بالا مورد نیاز مي باشد انجام مي گیرد. اخذ نمونه های با کیفیت در خاک های نرم در صورت طراحي و اجرای صحیح و توانايي حذف شناورهای حفاری با استفاده از مغزه گیرهای پیستوني بلند از مزایای این مغزه گیر است.

مغزه گیر ارتعاشی

از مغزه گیر ارتعاشي در مواردی استفاده مي گردد که شرايط خاک برای مغزه گیرهای ثقلي مناسب نبوده و يا نفوذ بیشتری در بستر دريا لازم باشد. از اين نوع مغزه گیرهای ارتعاشي به طور وسیعي در مطالعات ژئوتکنیکي استفاده گرديده و مي توان آن را تا اعماق 1000 متری نیز به کار گرفت. فراهم نمودن اطلاعات با ارزش برای آزمايش های آزمايشگاهي درون ساحلي، جهت طبقه بندی خاک و دقت در اندازه گیری مقاومت برشي خاک از مزایای این روش است.

مغزه گیر جعبه ای

از مغزه گیر جعبه ای در بستر دريا جهت اخذ نمونه های بلوکي نسبتا دست نخورده از رسوبات چسبنده نرم استفاده مي گردد. اين مغزه گیر دارای تجهیزات بسیار ساده ای مي باشد که بخشي از بستر دريا را احاطه کرده و کف خود را جهت مراقبت از نمونه در مقابل دستخوردگي های آتي در حین بازيابي آن مهر و موم مي نماید. قابلیت اخذ نمونه های بزرگ، نسبتا دست نخورده و با کیفیت بالا جهت مطالعه و انجام آزمايش های آزمايشگاهی قابل کاربرد از مزایای این روش می باشد.

مغزه گیر جعبه ای - تحقیقات محلی در پروژه های ژئوتکنیک دریایی
مغزه گیر جعبه ای – تحقیقات محلی در پروژه های ژئوتکنیک دریایی

نمونه گیرهای چنگکی

نمونه گیرهای چنگکي يکي از معمول ترين روش های موجود جهت بازيابي نمونه های خاک از بستر دريا مي باشند. اين نمونه گیر، دستگاهي است که به آساني نمونه ای را از بالاترين لایه های بستر دريا توسط جمع کردن دو چنگک فولادی و برش بخشي از خاک تهیه مي نمايد. توانايي در اخذ نمونه های نسبتا سالم و حجیم از خاک های تحکیم يافته و قابلیت استفاده از چنگک های کوچک در انواع شناور، از مزایای این روش است.

نمونه گیر چنگکی - تحقیقات محلی در پروژه های ژئوتکنیک دریایی
نمونه گیر چنگکی – تحقیقات محلی در پروژه های ژئوتکنیک دریایی

آزمایش های در جایی که عموما در پروژه های فراساحلی انجام می شود شامل آزمایش نفود استاندارد (SPT)، آزمایش نفوذ مخروط (CPT)،‌ آزمایش برش پره ی وین و آزمایش فشارسنجی می باشد.

آزمایش نفوذ مخروط بر روی آب ها به دو دسته ی فعالیت بر روی آب های کم عمق (کمتر از ۳۰-۴۰ متر) و آب های عمیق (عمق های بیشتر از ۳۰-۴۰ متر) تقسیم می شود. برای انجام تست های نفوذی مخروط در آب های کم عمق، تجهیزات و مراحل انجام آزمایش مشابه روش انجام در خشکی است. اغلب یک لنج یا سکو و یک پوشش دو جداره برای مهار جانبی میله ها مورد استفاده قرار می گیرد. این قایق لنگردار باید دارای سیستم تعلیق مناسب باشد.

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

آزمایش لوفران جهت تعیین نفوذپذیری خاک (Lefranc Permeability Test Method)

آزمایش لوفران یک آزمون درون چاهی می باشد که برای [...]


بیشتر بخوانید

آزمایش پرسیومتری یا فشار سنجی خاک چیست؟ (Pressuremeter Test on Soil)

از جمله قوی ترین و پرکاربرد ترین آزمایش های صحرایی [...]


بیشتر بخوانید

آزمایش نفوذ مخروط CPT و پیزوکون (Cone Penetration Test & Piezocone)

آزمایش نفوذ مخروط (Cone penetration Test) بر اساس نفوذ پيوسته [...]


بیشتر بخوانید

دیوار حائل چیست؟ (Retaining wall)

دیوار حائل، سازه‌ای می باشد که برای پایدارسازی توده ‌ای [...]


بیشتر بخوانید