| شماره استاندارد آزمایش | ASTM D1586 |
|---|---|
| هدف | تخمین برخی از خصوصیات و پارامترهای خاک در محل و به دست آوردن معیاری از تراکم لایه های خاک |
| کاربرد | در لایه های سنگی انجام نمی شود |
آزمایش نفوذ استاندارد، یکی از قدیمی‌ترین و رایج‌ترین آزمایش‌های صحرایی در زمینه مطالعات ژئوتکنیک است و به‌منظور تخمین مقاومت خاک کف گمانه مورداستفاده قرار می‌گیرد. این آزمایش که از ایتدای سال1900 به وجود آمد و در سال ۱۹۲7 به شکل آزمایش کنونی درآمد، در حال حاضر به طور گسترده در سراسر جهان مورداستفاده قرار گرفته و تا حد زیادی شناخته شده است. این کار توسط چکشی به وزن 63.5 کیلوگرم (140 پوند) انجام می‌شود که از ارتفاع 750 میلی‌متر (30 اینچ) روی میله مته می‌افتد. تعداد ضربه‌های N مورد نیاز برای ایجاد نفوذ 300 میلی متر (12 اینچ) به عنوان مقاومت نفوذ در نظر گرفته می‌شود.
آزمایش نفوذ استاندارد چیست؟
پس از زلزله نیگاتا در ژاپن، محققان به دنبال ارتباط میان درصد تراکم و عدد SPT بودند. این تحقیقات منجر به گسترش استفاده از آزمایش نفوذ استاندارد و توسعه عدد SPT به‌منظور به‌دست‌آوردن پارامترهای ژئوتکنیکی دیگر گردید.
بااین‌حال، به دلیل برخی انتقادات موجه نسبت به روش اجرای آزمایش ضربه و نفوذ استاندارد SPT و استفاده از نتایج آن، برخی از پژوهشگران به‌اندازه کافی به آن توجه نکرده و حتی اصرار بر حذف کامل این آزمایش نفوذ استاندارد از آزمایش‌های معتبر دارند.
عدم موفقیت تلاش‌هایی که برای حذف آزمایش SPT انجام شده و ادامه استفاده گسترده از این آزمایش، به این دلیل است که بسیاری از روابط، روش‌های محاسباتی، جداول پیشنهادی و قضاوت‌های مهندسی به‌عنوان یک شاخص اساسی به عدد SPT وابسته هستند. همچنین نتایج حاصل از این آزمایش به‌عنوان یک معیار ساده، ارزان و قابل قبول در نظر گرفته می‌شود و مهندسان بسیاری آن را تایید می‌کنند.
آزمایش SPT خاک در حین حفاری و در فواصل دو تا سه متری در عمق خاک اجرا می‌شود و بر اساس استاندارد ASTM D1586-67 انجام می‌پذیرد. در این آزمایش، یک وزنه با وزن ۱۴۰ پوند (معادل ۶۳٫۵ کیلوگرم) از ارتفاع ۳۰ اینچ (۷۶ سانتیمتر) سقوط می‌کند.
روی میله متصل به وزنه، سه خط پانزده سانتیمتری قرار دارد. تعداد ضربات مورد نیاز برای نفوذ سه خط پانزده سانتیمتری، اطلاعات مهمی برای مهندسان ژئوتکنیک فراهم می‌کند. مجموع ضربات لازم جهت نفوذ خط دوم و سوم به‌عنوان عدد اس‌پی‌تی یا Nspt شناخته می‌شود.
مزایای آزمایش نفوذ استاندارد
- قابلیت انجام آزمایش حین حفاری: این آزمایش به دلیل امکان اجرای آن در حین حفاری، از جمله متداول‌ترین آزمایش‌های مکانیک خاک محسوب می‌شود.
- سادگی روند انجام آزمایش: روند اجرای آزمایش به‌سادگی قابل درک است و تخصص فنی خاصی نیاز ندارد.
- مناسب انجام آزمایش در انواع خاک‌ها: قابلیت اجرای آزمایش بر روی انواع خاک سبب شده است تا این روش حد زیادی محبوبیت بسیاری پیدا کند و به صورت گسترده انجام شود.
- قابلیت انجام تست بر روی سنگ‌های ضعیف: قابلیت و کاربرد بالا این تست، انجام آن را بر روی سنگ‌های ضعیف نیز ممکن کرده است.
- دردسترس‌بودن تجهیزات این آزمایش در تمام کشور: تجهیزات موردنیاز برای اجرای این آزمایش در تمام نقاط کشور در دسترس مهندسان قرار دارد.
معایب آزمایش نفوذ استاندارد
روش SPT مانند هر روش دیگری دارای معایب خاص خود است:
- دست‌خوردگی زیاد در نمونه‌های آزمایشی: این آزمایش ممکن است دست‌خوردگی زیادی در نمونه‌های آزمایشی ایجاد کند که احتمال می‌رود این عامل بر نتایج نهایی تاثیر بگذارد.
- عدد خام حاصل از آزمایش: عدد به‌دست‌آمده از این آزمایش به‌صورت خام و بدون تحلیل‌های دقیق به دست می‌آید.
- نیاز به تحلیل‌های گوناگون برای مقاصد مختلف: برای تحلیل‌های مختلف بر روی خاک‌ها، نیاز به تحلیل‌های گوناگونی وجود دارد.
- استفاده نامناسب از آزمایش بر روی خاک‌های ریزدانه رسی: استفاده از این آزمایش بر روی خاک‌های ریزدانه رسی توصیه نمی‌شود.
- دامنه وسیع تغییرات نتایج: دامنه وسیعی از تغییرات در نتایج ممکن است قابل اعتماد نبودن نتایج حاصل را به همراه داشت باشد.
- پارامترهای تأثیرگذار بر عدد اس پی تی: عدد Nspt هیچ‌گاه ثابت نیست و از تأثیر پارامترهای مختلفی تبعیت می‌کند. با تغییر این پارامترها، عدد اس پی تی نیز دچار تغییرات می‌شود.
پارامترهای تأثیرگذار عدد SPT
این که چه پارامترهای بر عدد SPT تأثیرگذار هستند در نتیجه نهایی کار تغییراتی را ایجاد خواهند کرد:
- در خاک‌های درشت دانه و تیزگوشه، عدد اس پی تی بیشتر و در خاک‌های ریزدانه و گردگوشه، عدد SPT کمتر است.
- هرچه دانسیته طبیعی خاک بیشتر باشد و خاک متراکم‌تر باشد، مقدار عدد اس پی تی SPT بیشتر خواهد بود.
- میزان OCR نسبت تنش برشی به تنش افقی خاک مؤثر بر عدد نفوذ استاندارد SPT است. افزایش OCR منجر به افزایش مقدار Nspt می‌شود.
- نحوه انجام آزمایش SPTمی‌تواند بر میزان Nspt تأثیرگذار باشد. عواملی مانند نوع چکش، تعداد دور پیچ‌های قرقره، قطر گمانه و… می‌توانند بر عدد SPT تأثیرگذار باشند.
کاربردهای آزمایش نفوذ استاندارد (SPT)
آزمایش نفوذ استاندارد SPT ، امکان تخمین بسیاری از پارامترهای ژئوتکنیکی را فراهم می‌کند. با اجرای این تست خاک و بهره‌گیری از روابط تقریبی، مهندسان قادر هستند تا پارامترهای مختلف خاکی را محاسبه کنند. در زیر به برخی از این فرمول‌ها و پارامترهای ژئوتکنیکی اشاره شده است:
تخمین تراکم نسبی خاک SPT
رابطه تخمین تراکم نسبی خاک با عدد اس پی تی توسط اسکمپتون در سال ۱۹۸۶ مطرح شد:
در این فرمول‌بندی تنش موثر خاک در عمق مورد بررسی و σv فشار سربار موثر است. رابطه دیگری نیز توسط یوشیدا و همکارانش در سال ۱۹۸۸ برای تخمین این عدد معرفی شد:
تخمین مدول سختی E
برخی از روابط مدول الاستیسیته E بر اساس عدد SPT به شکل زیر محاسبه می‌شود. برای ماسه شن دار مهندسان از فرموا‌های زیر برای تخمین مدول سختی E استفاده می‌کنند:
برای ماسه رس دار فرمول E به شکل زیر است:
و در نهایت برای لای از فرمول‌بندی زیر استفاده می‌کنند:
برخی مهندسان ترجیح می‌دهند این اعداد را به مدول برشی یا G ارتباط دهند. واحد مدول الاستیسیتهE در فرمول‌های بالا، کیلوپاسکال است.
تخمین زاویه اصطکاک داخلی (Ø)
زاویه اصطکاک داخلی یکی از مهم‌ترین پارامترهای مقاومت برشی است که از آزمایش سه محوری به‌دست می‌آید. با استفاده از روابط ارائه شده توسط محققان مختلف نظیر میرهوف (۱۹۷۶)، پیک و هانسن (۱۹۶۷) و دمل (۱۹۷۱)، می‌توان این پارامتر را به‌صورت غیرمستقیم نیز محاسبه کرد. بعضی از روابط پیشنهادی که رابطه بین زاویه اصطکاک داخلی و عدد SPT را بیان می‌کنند، به شرح زیر است:
رابطه Ø با عدد SPT :
در این روابط، مقدار زاویه اصطکاک داخلی Phi برحسب درجه است. مرجع هر سه رابطه بالا، کتاب “تحلیل و طراحی پی” اثر باولز که بسیاری مهندسان و افراد علاقه‌مند به این شاخه آن را مطالعه می‌کنند. لازم به ذکر است که می‌توانید مقدار دقیق‌تر زاویه اصطکاک داخلی را از آزمایش برش مستقیم نیز به‌دست آورد.
تخمین مقاومت برشی زهکشی نشده:
این پارامتر از آزمایش سه محوری UU به‌صورت مستقیم به‌دست می‌آید، اما می‌توان آن را به‌صورت غیرمستقیم از عدد SPT نیز به‌دست آورد. به این منظور از روابط ارائه شده توسط باولز در سال ۱۹۹۶ استفاده می‌کنند. این دانشمند عقیده داشت که هنگام انجام آزمایش SPT، آب فرصت زهکشی نداشته و شرایط مشابه آزمایش سه محوری زهکشی نشده خواهد بود.
ارزیابی روان‌گرایی آزمایش نفوذ استاندارد
از نتایج آزمایش SPT می‌توان برای تخمین پتانسیل روان‌گرایی در خاک‌های ماسه‌ای استفاده کرد. در خاک‌های ماسه‌ای با سطح آب زیرزمینی بالا، هنگامی که مقدار Nspt در خاک بالا باشد، احتمال روان‌گرایی کم است و برعکس بیشتر می‌شود.
تعیین تیپ‌بندی خاک
انواع تیپ‌بندی خاک به‌صورت مستقیم با استفاده از سرعت موج برشی و آزمایش دانهول به دست می‌آید، اما با استفاده از مقدار آزمایش SPT به‌دست‌آمده، می‌توان تیپ خاک را تعیین کرد.
تعیین تیپ خاک با آزمایش نفوذ استاندارد ماشینی
- اگر عدد SPT بیش از ۵۰ باشد، خاک از نوع دو و یک است.
- اگر عدد SPT بین ۱۵ تا ۵۰ باشد، خاک تیپ سه است.
- در شرایطی که عدد SPT کمتر از ۱۵ باشد، خاک از نوع چهار است.
تعیین تیپ خاک با آزمایش نفوذ استاندارد دستی
در آزمایش SPT دستی یا آلمانی، اگر عدد SPT بیش از ۱۶۰ باشد، خاک از نوع دو یا یک است.
اگر عدد SPT بین ۴۸ تا ۱۶۰ باشد، خاک از نوع سه است.
درصورتی‌که عدد SPT زیر ۴۸ باشد، خاک از نوع چهار است.
تعیین سرعت موج برشی SPT
سرعت موج برشی در خاک‌ها به‌سرعت حرکت موج S یا موج برشی در پروفیل خاک گفته می‌شود. این سرعت به‌صورت مستقیم از آزمایش دان هول به دست می‌آید، با این حال در طول زمان‌های مختلف، روابط بسیار دیگری برای تخمین سرعت موج‌برشی ارائه شده‌اند.
با استفاده از جدول زیر می‌توان سرعت موج برشی را بر حسب نتایج آزمایش SPT تخمین زد. در جدول زیر، سرعت موج‌برشی بر حسب متر بر ثانیه ارائه شده است. شایان ذکر است که در روابط ارائه شده N، عدد SPT است، در واقع N، مجموع دو عدد دوم و سوم در آزمایش SPT است. Z عمق قرارگیری خاک نسبت به صفر – صفر زمین است.
| منبع | سرعت موج برشی (Vs) |
| کنایی و همکاران (1966) | |
| اوساکی و ایوازاکی (1973) | |
| ایمای و یوشیمورا (1975) | |
| جیکا (2000) |
توجه داشته باشید که مقدار Vs در هر رابطه بر حسب متغیرهای مختلف مانند N و Z به دست می‌آید.
زمان اتمام اجرای آزمایش SPT:
- برای هر فاصله 15 سانتیمتری تعداد ضربه ها به 50 برسد؛
- روی هم برای فاصله 45 سانتیمتری تعداد ضربه ها به 100 برسد؛
- بعد از 10 ضربه متوالی نفوذ نداشته باشیم؛
- نمونه گیر 45 سانتیمتر نفوذ کند.
تفسیر نتایج آزمایش نفوذ استاندارد ماشینی
- نتیجه ۰ تا ۱۵: نشان‌دهنده خاک ضعیف و شل است.
- نتیجه ۱۵ تا ۵۰: نشان‌دهنده خاک متوسط است.
- نتیجه بیش از ۵۰: نشان‌دهنده خاک قوی و محکم است.
تفسیر نتایج آزمایش نفوذ استاندارد دستی
- نتیجه ۰ تا ۴۸ : نشان‌دهنده خاک ضعیف و شل است.
- نتیجه ۴۸ تا ۱۶۰: نشان‌دهنده خاک متوسط است.
- نتیجه بیش از ۱۶۰: نشان‌دهنده خاک قوی و محکم است.
در هر دو حالت، تفسیر نتایج بر اساس مقادیر عدد SPT انجام می‌شود. ضریب ۳٫۲ نیز در تفسیر نتایج آزمایش SPT دستی مدنظر قرار گرفته شده است.
نکات مهم هنگام انجام آزمایش SPT
قبل از انجام آزمایش، اطمینان حاصل کنید که گمانه تمیز باشد و سطح مایع حفاری باید پایین‌تر از سطح آب زیرزمینی باشد. مطمئن شوید که جت آب شستشو به‌صورت افقی انجام شود و خروج آب از نمونه‌گیر در جهت قائم نباشد. راد‌ها نباید بیش از عمق اندازه‌گیری مقاومت کوبیده شوند. آزمایش‌ها حتما هر یک تا سه متر انجام شوند. در صورت انجام آزمایش در زمین‌های سنگی یا بسیار سخت، می‌توانید از مخروط توپر به‌جای نمونه‌گیر توخالی استفاده کنید تا لبه‌های نمونه‌گیر آسیب نبینند.
دپارتمان‌های تخصصی در گروه مهندسی سانا پی، آماده‌اند تا خدمات مورد نیاز و مشاوره‌های لازم را به کارفرمایان و دانش پژوهان ارائه دهند. سانا پی تمامی نیازهای شما را در زمینه ژئوتکنیک با دقت تمام بررسی کرده و یک نقشه‌ی راه کامل برای شما ارائه خواهد داد.
مطالب مرتبط:
