ایستاسازه
En Ar

خانه - مطالب آموزشی - تعیین مدول های تغییر شکل پذیری سنگ با استفاده از آزمایش دیلاتومتری و اتساع سنج انعطاف پذیر

آزمایش دیلاتومتری یکی از آزمایش های مطرح در مهندسی ژئوتکنیک برای تعیین سختی سنگ در داخل گمانه است. در آزمایش دیلاتومتری سنگ که یک پروب منبسط شونده (دیلاتومتر) برای اعمال فشار بر روی دیوارهای گمانه استفاده شده و انبساط (اتساع) به وجود آمده در گمانه با یک جابه جایی سنج در گمانه، اندازه گیری می شود. به واسطه تغییر شکل اندازه گیری شده می توان ضریب تغییر شکل پذیری توده سنگ در محل انجام آزمایش را از روابط بین فشار و تغییر شکل محاسبه نمود. این دستورالعمل بر پایه روش پیشنهادی ISRM تهیه شده است.


اهمیت و موارد استفاده از آزمایش دیلاتومتری سنگ


نتایج آزمایش های دیلاتومتری در بررسی های ژئوتکنیکی پی ها، سدها، تونل ها، مغارها و … استفاده می شود. البته این نکته نیز باید ذکر شود که در سنگ های رسی ضعیف با درزه زیاد باید تدابیر ویژه ای برای اجرای این آزمایش لحاظ شود چرا که امکان مغزه گیری برای انجام آزمایش های آزمایشگاهی در آنها وجود ندارد. با وجود این که محدوده تنش یک دیلاتومتر معمولاً در مقایسه با محدوده تنش ایجاد شده با دیگر روش ها مانند بارگذاری صفحه (PLT) کوچکتر است ولی نتایج آن در مقایسه با نتایج یک نمونه آزمایشگاهی بدون درزه به واقعیت نزدیک تر است. با توجه به میزان درزه سنگ باید تغییر شکل های اندازه گیری شده برای قطر گمانه نیز اصلاح شود.

روش های اندازه گیری تغییر شکل گمانه در آزمایش دیلاتومتری سنگ
روش های اندازه گیری تغییر شکل گمانه

اندازه گیری تغییر شکل قطر گمانه در آزمایش دیلاتومتری سنگ به دو روش مستقیم و غیرمستقیم صورت می گیرد. در روش غیرمستقیم تغییر شکل ها بر مبنای اندازه گیری صورت گرفته از میزان تغییر حجم تعیین می شود. این روش در سنگ های ضعیف و خاک ها استفاده می شود. در روش مستقیم که کاربرد گسترده تری نسبت به روش غیرمستقیم دارد، اندازه گیری جابه جایی با استفاده از جا به جایی سنج LVDT انجام می گیرد. این روش علاوه بر تعیین مقادیر تغییر شکل امکان ارزیابی ناهمسانگردی در توده سنگ را برای مهندسین فراهم می سازد.


تجهیزات مورد نیاز آزمایش دیلاتومتری سنگ


تجهیزات مورد نیاز آزمایش دیلاتومتری سنگ به شرح زیر می باشند:


1- تجهیزات حفاری و آماده سازی گمانه:


الف) دستگاه حفاری برای حفر گمانه آزمایش با ژرفا و عمق مورد نظر

ب) ابزار جدارگذاری گمانه (کیسینگ) در صورتی که خاک موجود در گمانه ریزشی باشد.

ج) تجهیزات لازم جهت تزریق گمانه

د) قطرسنج برای کنترل تمیزی و یکنواختی قطر گمانه، به منظور قرار دادن دیلاتومتر


2- میل حسگر (پروب) اتساع سنج


به طور کلی پروب دیلاتومتر از دو بخش تشکیل شده است:


پروب با غشای انعطاف پذیر مقاوم که دارای پوسته مستحکمی بوده و روی یک هسته نصب می شود، به گونه ای که پوسته می تواند متورم شده و بر روی دیواره گمانه فشار وارد بیاورد. این پوسته به حد کافی مقاوم است و زمانی که به داخل گمانه منتقل شده و یا از آن خارج می شود آسیب نمی بیند از طرف دیگر این غشا باید انعطاف پذیر باشد تا بتواند دست کم 90 درصد فشار هیدرولیکی به کار رفته را منتقل نماید. نوعی از میل حسگر اتساع سنج دارای قطر 76 تا 116 میلی متر و طول موثر آن 5 تا 15 برابر قطر می باشد.

دیلاتومتر نوع لنک
دیلاتومتر نوع لنک

وسیله نصب: نحوه نصب پروب در گمانه یکی از موضوعاتی است که بسیار حائز اهمیت است. وسیله ای برای نصب، بالا و پایین بردن پروب در گمانه، اندازه گیری موقعیت و جهت داری آن با دقت 5± سانتی متر و 5± درجه باید صورت بگیرد. در پروژه ها برای تحقق این امر غالباً از لوله های حفاری، لوله های مخصوص و یا کابل استفاده می شود.


سامانه هیدرولیکی برای اعمال فشار به پروب


سامانه هیدرولیکی برای اعمال فشار به پروب، باید دارای ویژگی های زیر باشد:


  • یک پمپ با مشخصات لازم برای پر کردن، منبسط کردن و خالی کردن پروب تحت یک فشار ثابت و مشخص در حین انجام آزمایش
  • با توجه به این که پمپ ها معمولاً الکتریکی هستند، پمپ باید به یک سیستم برای کنترل فشار و سرعت بارگذاری مجهز باشد.
  • در صورت نیاز با توجه به قطر گمانه، ممکن است به دو پمپ نیاز شود.

سامانه های اندازه گیری در آزمایش دیلاتومتری سنگ


سامانه های اندازه گیری باید ویژگی های زیر را داشته باشند:


  • یک یا چند سامانه اندازه گیری جابه جایی که مرکب از یک واحد قرائت به همراه چند حسگر با دقت 0.002 میلی متر باشد. برای تعیین قطر چال حفاری با دقت حداقل 0.02± میلی متر اندازه گیری شود.
  • آرایش LVDT ها در اکثر موارد به نحوی است که سه LVDT  با زاویه 120 درجه نسبت به یکدیگر قرار می گیرند تا بتوان تانسور جابه جایی برای یک محدوده از سنگ را به طور کامل تعیین نمود.
  • یک سامانه اندازه گیری فشار مانند فشارسنج بوردن 1 یا یک منتقل کننده الکتریکی فشار با محدوده مورد نیاز و حساسیت سنجش بیش تر از2± درصد دامنه یا بازه فشاری که در هر آزمایش به کار می رود نیز باید تهیه شود.

مراحل انجام آزمایش دیلاتومتری سنگ


الف) انتخاب نقاط آزمایش


برای تعیین نقاط آزمایش مهندسین باید به نکات زیر توجه داشته باشند:


  1.  موقعیت گمانه ها و عمق آنها با در نظر گرفتن تغییرات پیش بینی شده کیفیت سنگ،
  2. عمق هوازدگی و نوع آن
  3. در هر گمانه، آزمایش ها ممکن است در فواصل یکسان یا در نقاط مشخصی از سازندهای زمین شناسی انجام شود به همین دلیل برای ارائه طرح مناسب معمولاً نمودار پیوسته ای از تغییر جنس باید در راستای طول گمانه آزمایش تهیه شود.
نمونه ای از پروب آزمایش دیلاتومتری سنگ
نمونه ای از پروب آزمایش دیلاتومتری سنگ

ب) حفاری و آماده سازی


در حفاری و آماده سازی گمانه های آزمایش موارد زیر باید رعایت گردند:


  • گمانه های آزمایش باید با مراقبت و بیشترین دقت حفر شوند تا افزون بر حفظ پایداری دیواره با قطر ثابت، مقدار انحراف به حداقل برسد. علاوه بر این، باید به این نکته توجه شود که در گمانه هایی که دیواره خرده سنگی است، ممکن است در اثر برخورد بخش تیز خرده سنگ به پروب باعث آسیب دیدن آن شود. این امر نه تنها ممکن است اعتبار نتایج را زیر سوال ببرد، بلکه تعویض پروب هزینه قابل توجهی را نیز به دنبال خواهد داشت.
  • قطر گمانه 0.5 تا 3 میلی متر بزرگ تر از قطر پروب در حالت منقبض می باشد این رقم بر حسب عمق گمانه تغییر می کند ولی نباید از 5 میلی متر تجاوز نماید.
  • بررسی گمانه با یک دوربین تلویزیونی برای اجتناب از آسیب دیدن پوسته انعطاف پذیر (پروب) توسط شکاف یا حفره های ایجاد شده توصیه می شود. زمانی که چال نیاز به نگهداری دارد، این کار با نصب لوله محافظ جدار از سر گمانه تا بالاترین بخش آزمایش انجام شود. این کار را می توان با پر کردن و حفاری دوباره محدوده خرد شده انجام داد،
  • مغزه های حفاری باید به طور کامل پیمایش شود و میزان بازیابی مغزه، میزان ترک خوردگی، ویژگی های سنگ نظیر هوازدگی و خصوصیات ساختاری مانند شیستوزیته، تورق، لایه بندی و درزه ها ثبت شود. در صورت عدم حضور ناظرین آزمایش در محل کار، مغزه های سنگ باید برای بررسی های بعدی در دسترس باشد.

روش انجام آزمایش دیلاتومتری


برای انجام این آزمایش باید دستورالعمل زیر رعایت شود.


  •  ابتدا با قطرسنج، قطر گمانه کنترل شده، سپس پروب در داخل گمانه قرار گرفته و تا رسیدن به عمق مورد نظر به پایین  فرستاده می شود.

** این موقعیت دیلاتومتر باید با دقت 5 ± سانتی متر اندازه گیری و ثبت شود.

  •  پروب تحت فشار کافی منبسط می شود تا از تماس دائم و بدون لغزش آن به دیواره گمانه  اطمینان حاصل شود.

** این فشار نشان دهنده کم ترین فشار در هنگام آزمایش است و عدد مهمی برای سنجش اختلاف فشار می باشد پس این عدد نیز باید با دقت ثبت شود.

  • فشار در طی 5 گام تقریباً یکسان افزایش می یابد تا به مقدار فشار حداکثر تعیین شده برسد. مقدار بیشترین فشار بر پایه هدف آزمایش تعیین می شود.

** فشار وارده نباید بیشتر از ظرفیت اسمی دستگاه باشد.

  •  در هر مرحله، فشار ثابت مانده و میزان اتساع مربوط به آن یادداشت می شود. درصورتی که پروب شامل بیش از یک جابه جایی سنج باشد، قرائت های هر جابه جایی سنج به منظور محاسبه مقادیر مدول به صورت تابعی از راستا ثبت می شود. اتساع گمانه در فشار ثابت (در صورت وجود) بر حسب زمان ثبت می شود تا شاخصی از وابستگی احتمالی رفتار سنگ به زمان را ارائه نماید. در گزینه ای دیگر، این کار را می توان با ثابت نگه داشتن قطر و ثبت افت فشار در مدت زمان آزمایش انجام داد.
  • در زمان اعمال بیشینه فشار آزمایش، فشار حداقل 10 دقیقه و یا در صورت نیاز بیش از آن ثابت نگه داشته می شود.

  •  مقادیر قرائت شده اتساع – زمان در فشار ثابت برای تعیین نرخ خزش دوباره جدول بندی می شود.

  • مقادیر جابه جایی و فشار در مرحله باربرداری نیز قرائت می شود.

  • در اکثر موارد سه سیکل بارگذاری و باربرداری مورد نیاز است.

  • در حین آزمایش، منحنی فشار – اتساع همانند شکل زیر ترسیم می شود.
سنجش گر نصب شده در یک اتساع سنج لنک
منحنی های فشار در مقابل اتساع مربوط به چهار سنجش گر نصب شده در یک اتساع سنج لنک

  • در مرحله پایانی آزمایش فشار به صورت پله ای به صفر رسانده می شود. درصورتی که پروب تنها در یک جهت جابه جایی را اندازه گیری کند، می توان آن را در همان عمق در چال چرخانده و آزمایش را برای اندازه گیری تغییر شکل در دیگر راستاها تکرار نمود.

محاسبات


ضرایب و مشخصه های مورد نظر، با استفاده از روابط زیر محاسبه می شوند:


تعیین مدول الاستیسیته: در سنگ های با درزه کم و برای هر بخش از منحنی فشار – جابه جایی، مدول دیلاتومتری وتری، به کمک رابطه زیر محاسبه می شود:

در آزمایش دیلاتومتری سنگ

در سنگ های با درزه زیاد و برای هر بخش از منحنی فشار – جابه جایی، مدول دیلاتومتری وتری، به کمک رابطه زیر محاسبه می شود:

فرمول دیلاتومتری وتری

** لازم به ذکر است که روابط فوق تنها برای سنگ در شرایط الاستیک و همسان قابل استفاده می باشد.

گزارش نتایج


گزارش آزمایش باید شامل اطلاعات زیر باشد:


  • جزئیات برنامه حفاری، شامل: اجرا، روش و تجهیزات مورد استفاده
  • نقشه ای از نقاط حفاری و تهیه جدولی از قطر و طول گمانه ها، شیب و راستا و جهت آنها
  • پیمایش ژئوتکنیکی مغزه حفاری که نشان دهنده نقاط لوله گذاری و سیمانی شده (در صورت وجود) و وضعیت تراز آب زیرزمینی، انواع و مشخصات سنگ های موجود در ناحیه حفاری شده و موقعیت مقاطع آزمایش است.
  • مشخصات کلیه ناپیوستگی ها در هر محل آزمایش و محدوده 0.5 متر متر بالا و پایین آن
  • جزئیات روش و تجهیزات برای کالیبراسیون و آزمایش آن همراه با مراجع
  • نتایج کامل کالیبراسیون
  • قرائت های آزمایش، شامل مقادیر خام و اولیه و تصحیح شده با عمق و راستای اندازه گیری ها
  • مقادیر به دست آمده از پارامترهای تغییر شکل همراه با جزئیات روش و فرضیات استفاده شده
  • پارامترهای تغییر شکل باید تنظیم شده و به صورت گرافیکی به صورت تابعی از فشار وارده، باشد،
  • نمودارهای تغییر شکل، به عنوان تابعی از عمق (یا فاصله از ستون چال برای حالتی که چاه مایل است)
  • نمودارهایی در صفحه عمود بر گمانه، که نشان دهنده ناهمسان گردی اتساع اندازه گیری شده و مقادیر تغییر شکل است

در زمینه مطالعات ژئوتکنیک بیشتر مطالعه کنید :

در زمینه بهسازی خاک بیشتر مطالعه کنید :

در زمینه طراحی و مشاوره ژئوتکنیک بیشتر مطالعه کنید : 

در زمینه تخریب و خاکبرداری بیشتر مطالعه کنید : 

در زمینه ابنیه و ساختمان بیشتر مطالعه کنید : 

سایر مقاله ها

روش های محاسبه ظرفیت باربری جانبی شمع (Lateral bearing capacity of pile)

در طی سالیان گذشته، محققان، روش های مختلفی را برای [...]


بیشتر بخوانید

شاخص های آسیب پذیری خاک در برابر روانگرایی (Soil liquefaction indicator)

تمامی خاک ها در برابر روانگرایی آسیب پذیر نیستند، بنابراین [...]


بیشتر بخوانید

انتقال حرارت در خاک های غیر اشباع (Heat Transfer in Unsaturated Soil)

انتقال و جریان حرارت در خاک ها با سه ساز و [...]


بیشتر بخوانید

پی های حلقه ای، صندوقه ای و پوسته ای (ring, shell & caisson foundation)

با توجه به اهمیت زیاد شالوده در پایداری سازه ها، [...]


بیشتر بخوانید