Guide to Cone Penetration Testing

هدف این راهنما، ارائه یک منبع دقیق برای کاربرد آزمایش نفوذ مخروط (CPT) در کارهای مهندسی ژئوتکنیک است. این کتاب راهنما مکمل و قسمت به روز رسانی شده کتاب “آزمایش نفوذ مخروط (CPT) در کارهای ژئوتکنیکی” نوشته Lunne، Robertson و Powell در سال (1997) است. کتاب راهنمای آزمایش نفوذ مخروط (CPT) در ابتدا برای داده های به دست آمده با استفاده از مخروط استاندارد الکترونیک با نوک 60 درجه و قطر 35.7 یا 43.7 میلی متر قابل کاربرد است (مساحت 10 یا 15 سانتی متر مربع).

پیشنهاداتی برای کاربرد داده های آزمایش نفوذ مخروط برای بررسی نیمرخ خاک، شناسایی مواد و ارزیابی مشخصات ژئوتکنیکی و طراحی ارائه شده است. کتاب همراه این راهنما (کتاب ذکر شده در بالا) جزئیات بیشتری بر تاریخچه آزمایش نفوذ مخروط (CPT)، تجهیزات، مشخصات و عملکرد آن ارائه شده است. این کتاب همراه، همچنین پیشینه وسیعی از تفسیر روش ها ارائه می کند. کتاب راهنمای آزمایش نفوذ مخروط (CPT)، صرفا توصیه های پایه ای برای کاربرد آزمایش نفوذ مخروط برای طراحی ژئوتکنیکی را فراهم می آورد.

فهرستی از مراجع اصلی در انتهای کتاب راهنمای آزمایش نفوذ مخروط فراهم شده است. فهرست مراجع کامل تر را در کتاب همراه این راهنما و مقالات فنی اخیر می توان یافت. دیگر مقالات فنی در مورد آزمایش نفوذ مخروط را می توان در سایت های cpt-robertson.com و usucger.org/books پیدا کرد.

جزئیات بیشتری از تفسیر آزمایش نفوذ مخروط (CPT) در یک سری وبینار رایگان قابل مشاهده در سایت های زیر قابل دسترسی است:

youtube.com/user/GreggCPTWebinars

greggdrilling.com/resources/webinars

روش تفسیر توضیح داده شده در کتاب راهنمای آزمایش نفوذ مخروط (CPT) در نرم افزار ساده بر اساس آزمایش نفوذ مخروط (CPeT-IT و CLiq) را می توان از سایت زیر دانلود کرد:

geologismiki.gr/products

بررسی مشخصات محل بر پایه ریسک

ریسک و عدم اطمینان از مشخصات زمین هستند و هیچ وقت نباید به آن بی توجهی شود. سطح مناسب پیچیدگی برای بررسی مشخصات خاک و تحلیل ها باید بر اساس معیارهای زیر باشد:

• سابقه و تجربیات محلی
• اهداف طراحی
• سطح ریسک ژئوتکنیکی
• صرفه جویی در هزینه احتمالی

ارزیابی ریسک ژئوتکنیکی بر خطرات، احتمال وقوع آن و پیامدها وابسته است. ریسک به عنوان محصول احتمال و پیامدها تعریف می شود و پروژه ها را می توان با توجه به معیارهای بالا به پروژه های با ریسک پایین، متوسط و بالا دسته بندی کرد.

نقش آزمایش نفوذ مخروط (CPT)

هدف از هر بررسی و مطالعه زیر سطحی، تعیین موارد زیر است:

• طبیعت و توالی لایه های زیرسطحی (روش زمین شناسی)
• شرایط آب زیر زمینی (روش هیدرولوژی یا آب شناسی)
• ویژگی های فیزیکی و مکانیکی لایه های زیر سطحی

برای بررسی مشخصات محل به روش ژئوتکنیک زیست محیطی که مواد آلاینده محتمل است، به اهداف بالا یک مورد نیز اضافه می شود:

• توزیع و ترکیب آلاینده ها

ملزومات بالا تابعی از پروژه ارائه شده و ریسک های مرتبط با آن است. یک برنامه تحقیقاتی ایده آل بسته به ریسک پروژه، باید شامل ترکیبی از آزمون های آزمایشگاهی و در محل باشد. آزمایش ژئوفیزیکی، معمولا مکملی ایده آل برای آزمایش نفوذ مخروط است.

آزمایش نفوذ مخروط (CPT) و نمونه های توسعه یافته آن مثل پیزوکن (CPTu) و نفوذ مخروط لرزه ای (SCPT)، کاربردهای زیادی در گستره وسیعی از خاک ها دارد. اگرچه این آزمایش در ابتدا عمدتا به خاک های نرم تر محدود می شد، با پیشرفته شدن تجهیزات فشار در خاک و قدرتمندتر شدن مخروط ها، این آزمایش در خاک های سخت تا خیلی سخت و حتی در برخی موارد در سنگ نیز اجرا شد.

مزایای آزمایش نفوذ مخروط

• بررسی نیمرخ خاک به صورت سریع و پیوسته
• داده هایی با داشتن قابلیت تکرار و قابل اطمینان
• داشتن صرفه اقتصادی و سازنده و پربار بودن
• پایه نظری قوی برای  تفسیر نتایج
• وجود تعداد قابل توجه نمونه های تاریخی

معایب آزمایش نفوذ مخروط

• نیاز به سرمایه اولیه نسبتا زیاد
• نیاز به متصدی تا حدودی با مهارت و آموزش دیده
• ارائه ندادن هیچ نمونه خاک در حین انجام آزمایش
• نفوذ می تواند در زمین های حاوی برخی شن ها یا لایه های سیمانی محدود شود

اگر چه به دست آوردن نمونه در حین آزمایش نفوذ مخروط (CPT) امکان پذیر نیست، ولی به دست آوردن نمونه خاک با استفاده از تجهیزات فشار مستقیم نفوذ مخروط ممکن است. طبیعت پیوسته بودن نتایج این آزمایش، یک نیمرخ لایه ای با جزئیات را برای راهنمای نمونه برداری مناسب منتخب برای پروژه ها فراهم می کند. روش توصیه شده در ابتدا شامل اجرای بی نقص چند آزمایش نفوذ مخروط برای تعریف نیمرخ لایه ای خاک و در ادامه ارائه تخمینی از مشخصات ژئوتکنیکی و سپس پیگیری نمونه های انتخاب شده، می شود. نوع و مقدار نمونه گیری به الزامات پروژه و ریسک های ژئوتکنیکی و همچنین نیمرخ لایه ای خاک وابسته خواهد بود. به طور معمول، همانطور که در این آزمایش توضیح داده شده است، نمونه گیری به مناطق بحرانی پروژه متمرکز خواهد شد و همچنین در کنار آن و فورا پس از آن انجام خواهد شد. انجام آزمایش و تفسیر نتایج همواره باید در قالب زمین شناسی انجام شود.

در آزمایش نفوذ مخروط (CPT)، یک مخروط در انتهای یک سری میله با سرعتی ثابت با محاسباتی تقریبا پیوسته که از مقاومت در برابر نفوذ مخروط و سطح کناری به دست می آید، به داخل خاک هل داده می شود.

نیروی کلی که بر مخروط وارد می شود، Q_c، اگر تقسیم بر مساحت تخمینی مخروط، A_c، شود مقاومت مخروط، q_s، را ارائه خواهد داد. نیروی اصطکاکی وارد شده به جداره لوله، F_s، اگر بر مساحت سطح اصطکاکی، A_s، شود مقاومت اصطکاکی جداره،f_s، را تولید خواهد کرد. در پیزوکن، فشار آب حفره ای نیز همچنین به وسیله حسگری در پشت مخروط در موقعیت u₂، محاسبه می شود. اگر فشار آب حفره ای بر روی سطح مخروط محاسبه شود، در واقع در موقعیت u₁ محاسبه شده است. برخی از مخروط ها به طور همزمان می توانند فشار آب حفره ای u₁ و u₂ را محاسبه کنند.

روش های انجام آزمایش نفوذ مخروط (CPT)

پیش از حفاری

برای نفوذ در نهشته های درشت دانه یا خاک سخت، ممکن است برای دوری از آسیب مخروط، به کارهایی پیش از حفاری نیاز باشد. کارهای پیش از حفاری، در موارد خاص، ممکن است با ایجاد حفره به وسیله پروب (کاوشگر) فولادی با قطری کمی بیشتر از مخروط، در بالای مواد مسئله ساز انجام پذیرد. همچنین رایج است که 1.5 متر اولیه حفاری برای دوری از وارد شدن آسیب به امکانات زیرسطحی، به وسیله حفار دستی انجام شود.

عمود بودن

ماشین ایجاد فشار باید به گونه ای تنظیم شود که جهت فشار را تا حد ممکن عمودی نگه دارد. انحراف از جهت فشار اولیه نباید از 2 درجه نسبت به عمود پیشی بگیرد و لوله های آن باید برای مستقیم بودن آن چک شود. در مخروط های مدرن، حسگرهای ساده شیب، برای امکان بررسی حفاری غیر عمودی تعبیه شده اند. این کار برای جلوگیری از وارد شدن آسیب به تجهیزات و شکستن لوله ها، سودمند است. برای اعماق کمتر از 15 متر، غیر عمود بودن (انحراف) قابل توجه، غیر طبیعی است، به شرطی که جهت اولیه فشار، عمودی باشد. همچنین آزمایش نفوذ مخروط غیر عمودی برای پروژه های خاص انجام می شود.

محاسبات مرجع

مخروط های مدرن امکان دقت بالا و تکرار پذیری را فراهم می کنند. آزمایش ها نشان داده اند که خروجی این حسگرها در بارگذاری صفر می تواند به تغییرات دما حساس باشد، اگرچه امروزه بیشتر مخروط ها برای جبران خطای دما، تجهیزاتی دارند. در کارهای اجرایی، ثبت داده های بارگذاری صفر برای تمام حسگرها برای بررسی این تغییرات معمول است. داده های بارگذاری صفر باید در ابتدا و انتهای هر آزمایش نفوذ مخروط (CPT) نظارت و ثبت شود. این کار در بسیاری از استانداردها لازم است.

سرعت نفوذ

سرعت نفوذ استاندارد 2cm/s است. بنابراین یک حفاری 20 متری را می توان در 30 دقیقه به پایان رساند. در خاک های درشت دانه، مثل ماسه، نفوذ استاندارد مخروط کاملا زهکشی شده است و در خاک های ریزدانه، مثل رس، نفوذ کاملا زهکشی نشده است. بنابراین، محاسبات به طور کلی به تغییرات جزئی سرعت نفوذ، چندان حساس نیست. با این حال، در برخی از خاک ها، مثل سیلت، نفوذ استاندارد ممکن است تحت شرایط تا بخشی زهکشی شده انجام گیرد.

فاصله قرائت ها

مخروط های الکتریکی داده های آنالوگ پیوسته تولید می کند. در حالی که اکثر سیستم ها، داده ها را در فواصل زمانی انتخاب شده به شکل دیجیتال تبدیل می کنند. بسیاری از استانداردها، بیشتر نبودن فاصله از 200 میلی متر را لازم می دانند. به طور کلی، بیشتر سیستم ها، داده ها را در فواصلی بین 10 تا 50 میلی متر جمع آوری می کنند. فاصله 20 میلی متر رایج ترین حالت است.

آزمایش استهلاک فشار آب

در حین ایجاد وقفه در نفوذ، فشار آب حفره ای ایجاد شده در اطراف مخروط، شروع به استهلاک خواهد کرد. سرعت استهلاک به ضریب تحکیم وابسته است که آن هم به تراکم پذیری و نفوذپذیری خاک بستگی دارد. سرعت استهلاک همچنین به قطر پروب (کاوشگر) نیز وابسته است. آزمایش استهلاک می تواند در هر عمقی که نیاز باشد با توقف نفوذ و محاسبه تغییرات فشار آب حفره ای با زمان، انجام شود. رایج است که زمان رسیدن به استهلاک 50% ثبت شود.

اگر به فشار آب تعادل (u₀) نیاز باشد، آزمایش استهلاک باید ادامه یابد تا هیچ استهلاک دیگری مشاهده نشود. این کار در ماسه به سرعت انجام می شود ولی در رس خمیری ممکن است ساعت ها طول بکشد. همچنین سرعت استهلاک با کاهش اندازه پروب افزایش می یابد.

در رس نرم با رفتار تراکمی، ثبت فشار آب حفره ای مثبت بالا در اثر نفوذ معمول است که با گذر زمان به سمت فشار آب تعادل، کاهش می یابد. در رس بسیار سخت و ماسه سیلت دار متراکم، فشار آب حفره ای ناشی از نفوذ به دلیل رفتار اتساعی، منفی است و در آزمایش استهلاک به سمت فشار آب تعادل افزایش می یابد. در عمق کم، امکان محاسبه فشار آب حفره ای ناشی از نفوذ که مقداری منفی است، وجود دارد، که در آن فشار آب ناشی از برش به دلیل اتساع از u₀ بیشتر می شود و فشار آب حفره ای منفی تا حداکثر 1- اتمسفر (یا 100 کیلو پاسکال) ثبت می شود. نزدیک شدن فشار آب حفره ای به 1- اتمسفر می تواند منجر به ایجاد پدیده کاویتاسیون در مایع حسگر (مثلا حباب های هوای کوچک) شود که در آزمایش نفوذ مخروط در مناطق ساحلی باعث غیر اشباع شدن حسگر می شود. در طول آزمایش استهلاک، هر حباب هوای کوچک ایجاد شده در اثر کاویتاسیون، می تواند حل شود تا شرایط اشباع حسگر بازیابی شود.

کالیبره کردن و نگهداری

کالیبره کردن باید در فواصلی بر اساس پایداری قرائت های بارگذاری صفر انجام شود. به طور معمول، اگر قرائت های بارگذاری صفر پایدار باقی بماند، نیازی نیست که سلول های بارگذاری دوباره کالیبره شوند. برای پروژه های بزرگ، کالیبره دوباره ممکن است قبل و بعد از انجام کار انجام شود، همچنین در حین انجام کار این چک ها انجام می شود. چک های در حین کار باید شامل ثبت و ارزیابی محاسبات بارگذاری صفر (قرائت های پایه ای) باشد.