Cone Penetration Testing in Geotechnical Practice

طراحی و ساخت پی ها و سازه های خاکی نیازمند دانش مناسب از رفتار مکانیکی خاک و تغییرات فضایی آن است. این اطلاعات از انجام درست برنامه ریزی شده هر دو نوع آزمون آزمایشگاهی و در محل، به بهترین حالت به دست می آید.
به جای این که بین این دو روش آزمون، رقابتی در کار باشد، بیشتر مکمل یکدیگر هستند. با این حال، آزمون های در محل معمولا به آزمون های آزمایشگاهی ترجیح داده می شوند. چرا که مزیت های مهمی مثل صرفه هزینه – زمان،  توانایی ارزیابی خاک در محیط طبیعی آن و امکان تخمین تغییرات فضایی نهشته را دارد.
اخیرا در میان دستگاه های زیاد موجود برای انجام تحقیقات محلی، نفوذ مخروط استاتیکی (CPT) و پیزوکن (CPTu) از جهت چند کاره بودن، بهترین ابزار موجود برای انجام تحقیقات صحرایی است. آزمایش های نفوذ مخروط (CPT) و پیزوکن (CPTu) امکان حفاری پیوسته تکرار پذیری را فراهم می کنند. همچنین آن ها را می توان با صرفه اجرا کرد. با این حال، تا به الان، نیاز بوده است که دانش گسترده ای که در جامعه ژئوتکنیکی اندوخته شده است به همکاری گرفته شود.

در نزدیک به 30 سال از انتشار کتاب سنگلرات (Sanglerat) در مورد نفوذ مخروط، علاقه به استفاده از این دستگاه با توجه کاربرد آن، هم در خشکی و هم در مسائل فرا ساحلی، در تمام جهان گسترده شده است. این پیشرفت در رشد قابل توجه دانش نظری و آزمایشگاهی در نفوذ مخروط (CPT) و پیزوکن (CPTu) منعکس شده است و همینطور در چند کاربرد این آزمون ها در برخی محاسبات به خصوص مثل موارد لرزه ای، زیست محیطی و مقاومت الکتریکی مشهود است.

کتاب آزمایش نفوذ مخروط در ژئوتکنیک توسط سه محقق پیشرو در این زمینه نوشته شده است. زادگاه و کشور این نویسندگان تلاش های قابل توجهی را برای توسعه داده های نتایج آزمایشگاهی و ایجاد قالبی برای تفسیر منطقی این داده ها و نتایج اختصاص داده است. بسیاری از فصل ها و مثال ها، دانش و تجربه هایی را ارائه می دهند که نفوذ مخروط (CPT) و پیزوکن (CPTu) و کاربرد نتایج آن ها در طراحی سازه های مربوط به مهندسی ژئوتکنیک حاصل شده است.

دو روش طراحی، اولی یک روش مستقیم که در آن پاسخ یک سیستم پی مشخص، به طور مستقیم به نتایج آزمایش مرتبط می شود و دومی یک روش غیر مستقیم که در آن نتایج آزمایش برای به دست آوردن ویژگی های مکانیکی خاک بررسی و تفسیر می شوند، به دقت مرور شده اند. منابع خطاها، رفتار غیر معمول و به خصوص نحوه به دست آوردن مشخصات خاک مربوطه در حالت بهینه نیز در نظر گرفته می شوند.

به طور معمول در مهندسی ژئوتکنیک، قضاوت مهندسی در کنار تجربه، موارد کلیدی در طراحی با اطمینان و اقتصادی هستند. بنابراین، دانستن مزیت ها و محدودیت های روش های اندازه گیری مهم است.

کتاب آزمایش نفوذ مخروط در ژئوتکنیک به ما می گوید که چه میزان به مشخصات ژئوتکنیکی به دست آمده می توان اعتماد کرد. به ویژه، فصلی که در مورد تفسیر داده های نفوذ مخروط به عنوان تابعی از نوع خاک را ارائه می دهد، از جمله عوامل تاثیرگذار بر نتایج آزمایش ها و خاک های مسئله دار، قابل توجه است.

این کتاب تلقی مستقلی از تفسیر برای تمام جنبه های مهم آزمایش نفوذ مخروط (CPT) و پیزوکن (CPTu) را ارائه می دهد، از جمله: تجهیزات و روش های آزمایش، مشخصات آزمایش، ارزیابی داده ها، روش های تفسیر و مثال ها، روش های طراحی تجربی و کاربردهای جدیدتر. خواننده مشتاق، در کتاب آزمایش نفوذ مخروط در ژئوتکنیک بررسی کامل تمام این مسائل، هر کدام با مراجع فراوانی از کارهای قبلی را خواهد یافت.

نویسندگان کتاب با به اشتراک گذاشتن دانش و تجربه گسترده شان که در طول سالیان با تلاش بسیار اندوخته اند، خدمت ارزنده ای را ارائه داده اند. استفاده از این کتاب به دانشجویان، اساتید، مهندسین اجرایی و محققان توصیه می شود.

هدف و محدوده کتاب

هدف این کتاب ارائه راهنمایی است برای مشخصات، اجرا، استفاده و تفسیر آزمایش نفوذ مخروط الکتریکی (CPT)، و به ویژه آزمایش نفوذ مخروط با محاسبه فشار آب حفره ای (CPTU) که به طور معمول به آزمایش پیزوکن (CPTu) معروف است. نویسندگان، دستورالعمل های توصیه شده خودشان را برای تفسیر گستره وسیعی از مشخصات ژئوتکنیکی از داده های آزمایش نفوذ مخروط ارائه می کنند. استفاده از این داده ها در طراحی ژئوتکنیکی، پیچیده و معمولا مختص هر پروژه است. با این حال، برخی دستورالعمل های طراحی برای کمک در استفاده از آن ها (در فصل 6) ارائه شده است. برخی مثال های مربوطه و نمونه های تاریخی در خلال متن کتاب قرار داده شده است.

این کتاب، در درجه اول برای مخروط های الکترونیکی استاندارد با نوک 60 درجه و قطر 35.7 میلی متر (سطح مقطع 10 سانتی متر مربع). قابل کاربرد است. جزئیات در فصل 2 ارائه شده است. همچنین جزئیات فشار دادن مخروط در خاک نیز در فصل 2 ارائه شده است، در حالی که جزئیات مشخصات و عملکرد در فصل 3 و 4 بررسی شده است.

پیشنهادات و توصیه ها در مورد لایه بندی، شناسایی مصالح و ارزیابی مشخصات ژئوتکنیکی در فصل 5 و ارائه اطلاعات در مورد کاربرد مستقیم برای طراحی ژئوتکنیکی نیز در فصل 6 بررسی شده است.

به اطلاعات در مورد حسگرهای اضافی که به سیستم دستگاه نفوذ مخروط اضافه شده اند در فصل 7 پرداخته شده است و کاربردهای زیست محیطی تکنولوژی نفوذ مخروط به طور خلاصه در فصل 8 توضیح داده شده اند.

خلاصه هایی در انتهای برخی از بخش ها در فصل 5 در مورد تفسیر داده ها، فراهم شده است. این خلاصه ها با قصد راهنمایی مخاطب ارائه شده است و باید همراه با متن اصلی استفاده شود.

برای توجه مخاطبان آگاه، کتاب آزمایش نفوذ مخروط استاتیکی (CPT) و پیزوکن (CPTu) در ژئوتکنیک در برخی از قسمت ها مطالب تکراری خواهد داشت. این کار از عمد انجام شده است تا مخاطبانی که فقط قسمت های مشخصی از کتاب را مطالعه می کنند از بهره مندی آن ها از نکات مهم اطمینان حاصل شود.

توضیحات کلی از آزمایش نفوذ مخروط استاتیکی (CPT) و پیزوکن (CPTu)

در آزمایش نفوذ مخروط، مخروطی در انتهای یک سری میله، با سرعتی ثابت و به طور پیوسته یا نوبتی به داخل خاک فشار داده می شوند و اندازه گیری ها از مقاومت در برابر نفوذ مخروط به دست می آیند. محاسبات همچنین یا از ترکیب مقاومت در برابر نفوذ مخروط و اصطکاک ایجاد شده با سطح جداره آن یا مقاومت به دست آمده از اصطکاک سطح بیرونی به دست می آید. شکل زیر، اصطلاحات اصلی مربوط به نفوذ مخروط را نشان می دهد.

کل نیروی وارد شده بر مخروط، Q_c، با تقسیم بر سطح مقطع مخروط، A_c، مقاومت مخروط را به دست می دهد، q_c. با تقسیم کل نیروی وارد شده ناشی از اصطکاک جداره، F_s، بر سطح جداره، A_s، اصطکاک جداره، f_s، را به ما می دهد. در نفوذ کننده پیزوکن، به طور معمول فشار آب حفره ای در یک، دو یا سه نقطه محاسبه می شود. این فشارهای آب حفره ای به فشار آب حفره ای روی مخروط (u₁)، پشت مخروط (u₂) و پشت جداره اصطکاکی (u₃) معروف هستند.

کاوش به وسیله میله در عمق خاک نرم و سست برای تعیین محل استقرار لایه سخت تر تقریبا از سال 1917، انجام شده است. تقریبا در سال 1932 در هلند، آزمایش نفوذ مخروط به آن شکلی که امروزه شناخته می شود، ارائه شد. این روش در ابتدا به آزمایش نفوذ استاتیکی، آزمایش نفوذ شبه استاتیکی و آزمایش حفاری هلندی معروف بود.

سیستم های CPT موجود را می توان به سه گروه اصلی تقسیم کرد: مخروط نفوذ کننده مکانیکی، نفوذ کننده الکتریکی و پیزوکن. مخروط نفوذ کننده با سطح پایه 10 سانتی متر مربع با زاویه نوک 60 درجه، به عنوان مرجع پذیرفته شده است. ضمناً در مرجع جهانی روش آزمایش ها مشخص شده است.

نقش آزمایش نفوذ مخروط در مطالعات صحرایی

هدف از هر برنامه کاوش زیرسطحی، تعیین موارد زیر است:

• طبیعت و توالی لایه های زیرسطحی خاک (بررسی زمین شناسی)
• شرایط آب زیرسطحی (بررسی هیدرولوژیکی)
• ویژگی های فیزیکی و مکانیکی لایه های زیرسطحی

برای مطالعات صحرایی با تاکید بر ژئوتکنیک زیست محیطی که وجود آلاینده ها محتمل است، علاوه بر موارد فوق به مورد زیر نیز باید دقت شود:

• توزیع و ترکیب آلاینده ها

الزامات فوق، تابعی از پروژه ارائه شده و ریسک های مربوط به آن است. تنوع شرایط زمین شناسی و محدوده الزامات پروژه، موضوع را پیچیده می کند. روش های زیادی برای پاسخ گفتن به اهداف مطالعات صحرایی در دسترس هستند و این تکنیک ها شامل آزمون های در محل و آزمایشگاهی می شوند. آزمون های آزمایشگاهی شامل آزمایش هایی هستند که با گرفتن نمونه خاک انجام می شوند، مثل آزمایش سه محوری و آزمایش هایی که مدل واقعی را بررسی می کنند مثل آزمایش سانتریفیوژ. آزمون های در محل شامل حفاری، نمونه برداری، آزمایش در محل، آزمون های با مقیاس واقعی و آزمون های ژئوفیزیکی می شوند. یک برنامه مطالعات صحرایی ایده آل باید شامل ترکیبی از آزمایش های در محل و آزمون های آزمایشگاهی باشد.

آزمایش نفوذ مخروط، در فرآیند تحقیقات صحرایی سه کاربرد اصلی دارد:

1. تعیین لایه بندی زیرسطحی خاک و شناسایی مصالح موجود
2. تخمین مشخصات ژئوتکنیکی
3. ارائه نتایج برای طراحی مستقیم ژئوتکنیکی

برای انجام کاربردهای بالا، ممکن است آزمایش نفوذ مخروط با حفاری گمانه یا آزمایش های دیگر، یا در محل یا آزمایشگاهی، تکمیل شود. آزمایش CPT می تواند راهنمایی را برای طبیعت این آزمایش های اضافی فراهم کند و برای تعیین نواحی یا لایه های بحرانی که آزمون های در محل یا آزمایشگاهی باید روی آن ها انجام پذیرد، کمک کند.

در جایی که زمین شناسی پروژه یکنواخت بود و به خوبی شناخته شد و جایی که پیش بینی ها بر پایه نتایج CPT به طور محلی صحت سنجی شد و با عملکرد سازه مرتبط شد، از آزمایش نفوذ مخروط می توان به تنهایی برای طراحی استفاده کرد. اگرچه حتی در این شرایط این آزمایش باید با حفر گمانه، نمونه گیری و آزمایش، به علت یک یا چند دلیل زیر، همراه باشد:

• برای شناسایی نوع خاک.
• برای صحت سنجی روابط همبستگی محلی.
• برای ارائه اطلاعات تکمیلی در جایی که تفسیر داده های CPT به دلیل شرایط زهکشی جزئی یا خاک های مسئله دار، دشوار است.
• برای ارزیابی اثرات تغییرات (آتی) در بارگذاری روی خاک که توسط CPT ثبت نشده است.