آزمایش نفوذ استاندارد (SPT)

آزمایش نفوذ استاندارد (Standard Penetration Test) از جمله آزمایش های ژئوتکنیکی جهت شناسایی مشخصات مقاومتی و نشست پذیری خاک است و با توجه به هزینه کم و دایره گسترده اطلاعات حاصل از نتایج آن، کاربرد بسیاری در شناسایی های ژئوتکنیکی دارد. علیرغم پاره ای از انتقادهای مستند که به نحوه آزمایش و روش های استفاده از نتایج آن وارد می‌شود، بسیاری از روابط و روش های محاسباتی و همچنین جداول پیشنهادی و قضاوت های مهندسی وابسته به عدد SPT است و از طرف دیگر نتایج آزمایش نفوذ استاندارد (SPT) به عنوان یک معیار ساده، ارزان و ملموس در نزد مهندسین شناخته می شود. این آزمایش متداول ترین آزمایش حفاری اکتشافی زیرسطحی است که در سراسر جهان انجام می شود. آزمایش نفوذ استاندارد (Standard Penetration Test) طی شماره D۱۵۸۶-۸۴ توسط ASTM استاندارد گردیده. با ما تا انتها این مقاله از شرکت مهندسی ابرند همراه باشید تا با SPT بیشتر آشنا شوید.

دستگاه SPT

تاریخچه آزمایش نفوذ استاندارد یا SPT

آزمایش نفوذ استاندارد یا ‎SPT‏ در سال ۱۹۲۷ در آمریکا برای خاک های ماسه ای و شنی ابداع شد. در آن زمان نمونه گیری از خاک ماسه ای و شنی به راحتی نمونه گیری از خاک های رسی نبود، لذا لازم بود دستگاهی اختراع شود که بدون نیاز به نمونه گیری، خصوصیات خاک را در محل نشان دهد. امروزه کاربرد آزمایش نفوذ استاندارد ‎SPT‏ محدود به خاک های درشت دانه نبوده و برای خاک های ریزدانه هم به کار می رود. پس از زلزله ‎نیگاتای ژاپن در سال 1964‏، محققین در پی یافتن ارتباطی بین درصد تراکم و عدد ‎SPT‏ بودند. پس از آن، استفاده از SPT رواج پیدا کرد و عدد ‎SPT‏ جهت حصول پارامترهای ژئوتکنیکی دیگر نیز گسترش یافت.

 

کاربرد آزمایش نفوذ استاندارد یا SPT

با استفاده از نتایج آزمایش نفوذ استاندارد پارامتر های بسیاری را میتوان بصورت مستقیم و غیر مستقیم بدست آورد و یا ارزیابی کرد. از جمله مهمترین آنها میتوان به موارد زیر اشاره کرد:

  • تراکم نسبی خاک
  • مدول الاستیسیته
  • زاویه اصطکاک داخلی
  • ارزیابی پتانسیل روانگرایی
  • سرعت موج برشی
  • مدول عکس العمل بستر
  • تخمین مقاومت برشی زهکشی نشده
  • تعیین تیپ بندی خاک

اما بطور کلی بهتر است که از نتایج این آزمایش به عنوان یک ابزار کمکی در کنار نتایج سایر آزمایش ها استفاده شود و تصمیمات مهم یک پروژه که میتواند بار مالی زیادی داشته باشد را مثل ارزیابی پتانسیل روانگرایی جهت بهسازی و مقابله با آن، صرفاً براساس نتایج آزمایش نفوذ استاندارد اتخاذ نشود و از آزمایش هایی نظیر نفوذ مخروط (Cone Penetration Test) نیز بهره برد.

لازم به ذکر است مراجع مختلف، روابط گوناگونی جهت محاسبه پارامترهایی اعم از مدول الاستیسته خاک، زاویه اصطکاک داخلی و … بر حسب NSPT ارائه کرده اند که در جداول زیر به تعدادی از آنها اشاره شده است.

رابطه عدد SPT با مدول الاستیسته براساس پیشنهاد محققین مختلف

رابطه عدد SPT با زاویه اصکاک داخلی براساس پیشنهاد محققین مختلف

جزئیات دستگاه آزمایش SPT

 

دستورالعمل انجام آزمایش نفوذ استاندارد یا SPT

برای انجام این آزمایش ابتدا گمانه ای با قطر ۲.۵ تا ۱۸ اینچ تا عمق مورد نظر حفر می شود. سپس میله از سرمته حفاری در عمق مورد نظر جدا گردیده و نمونه گیر SPT که از یک استوانه توخالی تشکیل شده و می تواند در امتداد طول خود به دو نیم تقسیم گردد، متصل می شود. سپس چکش ۶۳.۵ کیلوگرمی از ارتفاع 76 سانتی متری با استفاده از مکانیزم اتومکانیک و یا با مکانیزم قرقره و طناب رها می کنند.

عدد تست نفوذ استاندارد SPT از جمع تعداد ضربات لازم برای نفوذ ۱۵ سانتی متر دوم و سوم به دست خواهد آمد. چرا که نتایج حاصل شده برای 15 سانتی متر اول به دلیل دستخورده شدن خاک محدوده مذکور در عملیات حفاری و یا به علت ریزش جدار گمانه، مورد اعتماد و اعتبار نمی باشد. در انتها، نمونه گیر نفوذ استاندارد (SPT) از میله حفاری جدا گردیده و خاک درون نمونه گیر به عنوان نمونه دست نخورده به آزمایشگاه ارسال می گردد. دقت شود نمونه‌ های دریافتی در ظروف هوابندی شده برای جلوگیری از تغییر رطوبت، به همراه اطلاعات نام پروژه، شماره گمانه، عمق نمونه و شمار ضربه‌ ها برای هر ۱۵ سانتی‌متر، به آزمایشگاه ارسال خواهد شد.

نمونه های دست نخورده بدست آمده از آزمایش SPT

اصلاح نتایج آزمایش نفوذ استاندارد یا SPT

آزمایش ضربه و نفوذ استاندارد به دلیل شرایط نامحصور شده (Unconfined Situation) در گمانه های دستی معمولا تعداد ضربات پایین تری نسبت به آزمایش مشابه درون گمانه های ماشینی نشان می دهد. زیرا خاک از کناره ها امکان فرار دارند و تعداد ضربات کاهش می یابد، لذا باید اعداد مربوط، اصلاح و همسان شوند تا مبنای مقایسه با تعداد ضربات درون گمانه های ماشینی قرار گیرند.

به منظور همسان نمودن شيوه هاي استفاده از نتايج آزمون SPT برخي از محققين ضرائب اصلاحی براي نتايج آزمون نفوذ استاندارد معرفي كرده اند. در واقع اين اصلاحات تا حدودي از تاثيرات برخي از نواقص عمده آزمون نفوذ استاندارد كاسته و متغيرهاي موثر در نتيجه آزمون را كمتر مي نمايد.

اسکمپتون پیشنهاد کرده که نتایج خام تست نفوذ استاندارد (SPT) با استفاده از رابطه زیر اصلاح گردد:

 

که در آن:

Em: ضریب بازدهی چکش برحسب نوع چکش بین 0.45 تا 0.85 است.

CB: ضریب اصلاح قطر گمانه بین 1 تا 1.5 که هرچه قطر گمانه بیشتر شود CB بزرگتر خواهد شد.

CS: ضریب اصلاح نمونه گیر برای نمونه گیرهای بدون آستری معادل 1.2 در نظر گرفته خواهد شد.

CR: ضریب اصلاح طول میله بطوریکه هر چه میله بلندتر، مقدار این ضریب بزرگتر خواهد بود.

N: عدد خام SPT به دست آمده در صحرا می باشد.

ضرایب مورد نیاز جهت اصلاح عدد SPT

ضریب کارایی چکش براساس نوع چکش و کشور سازنده

از طرف ديگر مقدار تنش قائم در اعماق مختلف زمين متفاوت است و لذا ميزان سربار وارده بر محيطي كه مورد ضربات SPT واقع می شود در هر نقطه تابع ارتفاع خاك روي آن مي باشد . بر همين اساس برخي از محققين معتقدند كه لازم است نتايج SPT براي عمق آزمون هم اصلاح شود . اين اصلاح تحت عنوان اصلاح سربار مطرح مي شود. همچنين آزمايش هاي انجام شده در نزديكي انتهاي لايه هاي خاك عدد SPT را بالاتر از نقاط آزمايش شده در بالاي لايه هاي مذكور نشان مي دهد. محققين توصيه كرده اند كه اصلاح سربار براي شرايطي كه فشار سربار غير از 100 کیلو پاسکال است بايد انجام شود . بر همين اساس ضريب اصلاح سربار را براي خاكهاي ماسه اي به صورت زير معرفي مي نمايند:

 

 

معمولا آزمایش نفوذ استاندارد (SPT) بسته به شرایط در فواصل 1.5 تا 5 متری در درون گمانه انجام می گیرد. عدد خام آزمایش SPT برای خاک های نرم به طور معمول کمتر از 5 و برای خاک های خیلی متراکم بالاتر از 50 میباشد.

طبقه بندی خاک ریزدانه براساس عدد اصلاح شده SPT

طبقه بندی خاک درشتدانه براساس عدد اصلاح شده SPT