مطالعات صحرایی و آزمایش‌های برجا

در این مقاله قصد داریم در مورد مطالعات صحرایی و آزمایش‌های برجا صحبت کنیم و از نزدیک با مزایا، معایب و کاربردهای چند نمونه از آزمایش‌های رایج و مرسوم این حوزه آشنا شویم. مطالعات صحرایی و آزمایش‌ برجا خواص و رفتارهای خاک‌ها و سنگ‌های محل پروژه را بررسی می‌کند و با تعیین پارامترهای مهم و مورد نیاز برای مهندسین در جهت اجرایی کردن پروژه، نقش مهمی در ایمنی و استحکام سازه‌های ایفا می‌کند. مطالعات ژئوتکنیک در دو حوزه صحرایی و آزمایشگاهی انجام می‌شود که یکی از انواع آزمایش بررسی خاک می‌باشد.

بیشتر بخوانید: مطالعات ژئوتکنیک چیست؟

1. آزمایش لوفران (Lefranc Permeability Test)

آزمایش لوفران یکی از مطالعات صحرایی و آزمایش‌های برجا برای تعیین میزان نفوذپذیری افقی و عمودی خاک است. این آزمایش به دو روش نقطه‌ای و قطعه‌ای یا سه روش بار آبی ثابت، بار آبی افتان و بار آبی خیزان انجام می‌شود. در روش نقطه‌ای آب از کف گمانه وارد خاک شده و نفوذپذیری قائم خاک به‌دست می‌آید. این در حالی است که در روش قطعه‌ای؛ بالا و پایین گمانه توسط پکرها آب‌بندی‌شده و تحت فشار آب قرار می‌گیرد. سپس آب به‌صورت افقی وارد لایه‌های زمین شده و نفوذپذیری افقی آب به دست می‌آید.

اگر سطح آب داخل گمانه ثابت نگه داشته‌شده و تغییرات دبی ورودی به زمین اندازه گرفته شود، آزمایش لوفران به روش بار آبی ثابت انجام شده است؛ اما اگر دبی آب ورودی به گمانه قطع‌شده و تغییرات سطح آب اندازه گرفته شود، آزمایش به روش بار آبی افتان یا خیزان انجام شده است.

مزایای آزمایش لوفران

حذف خطای مقیاس نمونه آزمایشگاهی
امکان اندازه‌گیری ضریب نفوذپذیری افقی و عمودی به‌صورت هم‌زمان

معایب آزمایش لوفران

درجه اشباع، حدود مرزها، اثر سیال، مسیر تنش، فشار آب حفره‌ای و غیره در آزمایش‌های صحرایی قابل کنترل نیستند.
امکان وقوع رگاب، ترک هیدرولیکی یا بسته شدن منافذ در اثر گرادیان‌های هیدرولیکی بالا وجود دارد

کاربردهای آزمایش لوفران

تعیین میزان نشت آب از بستر سنگی
برآورد فرسایش‌پذیری توده سنگ
برآورد فشار برکنش
برآورد تزریق پذیری توده سنگ
تعیین میزان آب ورودی به گودبرداری‌ها
طراحی سیستم زهکشی
ارزیابی و کنترل کیفی تزریق انجام شده

2. آزمایش لوژان (Lugeon)

آزمایش لوژان یکی دیگر از مطالعات صحرایی و آزمایش‌های برجا است که هدف آن، تعیین تزریق پذیری و نفوذ پذیری سنگ‌ها است. این آزمایش در عمق ۵ متری یا در برخی مواقع در عمق ۴ و ۳ متری انجام می‌شود و حدود ۷۵ دقیقه به طول می‌انجامد.

در این آزمایش پس از حفر گمانه به عمق موردنیاز و شستشو دادن آن، مقطع آزمایش با پکر مسدود می‌شود. سپس یک عدد کنتور بر روی مسیر آب ورودی به گمانه کار گذاشته می‌شود و با یک عدد مانومتر (گیج فشار) جهت کنترل فشار، سری می‌شود. مراحل ۵گانه این آزمایش شامل مرحله اشباع، رساندن فشار از حداقل به حداکثر (شامل دو مرحله) و رساندن فشار از حداکثر به حداقل (شامل دو مرحله) است.

فشار در مرکز مقطع از فرمول زیر به دست می‌آید:

P: فشار در مرکز مقطع مورد آزمایش برحسب اتمسفر
Pm: فشار قرائت‌شده روی مانومتر برحسب اتمسفر
H1: تراز مانومتر
H2: تراز آب زیرزمینی یا وسط مقطع مورد آزمایش

۳. آزمایش برش مستقیم برجا (In- situ Direct Shear test for soil)

آزمایش برش مستقیم یکی دیگر از سری مطالعات صحرایی و آزمایش‌های برجا است که از قدمت بسیار بالایی برخوردار است. هدف از انجام این آزمایش، به دست آوردن متغیرهای مقاومت برشی خاک‌های تحکیم‌شده چسبنده (چسبندگی و زاویه اصطکاک داخلی) است. در این آزمایش، تنش‌های کنترل‌شده‌ای به خاک وارد می‌شود و فشارهایی که در آن، گسیختگی خاک رخ می‌دهد، یادداشت می‌شود.

کاربردهای آزمایش برش مستقیم برجا:

تحلیل پایداری گودها
تخمین ضریب اطمینان برای ترانشه‌ها
برآورد صحیح ظرفیت باربری پی‌های خاکی
استخراج پارامترهای مهندسی خاک؛ چسبندگی و زاویه اصطکاک داخلی
تحلیل شیب‌های خاکی و دیوارهای نگهدارنده

بیشتر بخوانید: نیلینگ یا میخکوبی چیست؟

۴. بارگذاری صفحه (PLT)

یکی دیگر از مطالعات صحرایی و آزمایش‌ها برجا، آزمایش بارگذاری صفحه (PLT) است که هدف از انجام آن، تخمین میزان نشست بستر ناشی از ساخت سازه و تعیین ظرفیت باربری نهایی بستر سازه است. به‌منظور پایین آوردن هزینه‌های انجام این آزمایش، بارگذاری صفحه در ابعاد و مقیاس کوچکی انجام می‌شود و سپس برای رسیدن به مقادیر واقعی و عملی، ظرفیت باربری پی با استفاده از ضرایب تبدیل به دست می‌آیند.

این آزمایش به دو روش قابل اجرا است: روش کنترل تنش و روش کنترل تغییر شکل. در روش کنترل تنش، بار نهایی به‌صورت تدریجی بر صفحه آزمایش اعمال می‌شود. در روش کنترل تغییر شکل اما، صفحه آزمایش با سرعت ثابت به زمین فشرده می‌شود تا در زمین فرو رود. مقادیر نشست صفحه توسط گیج‌های مخصوص اندازه گرفته می‌شوند.

مزایای آزمایش بارگذاری صفحه:

بر روی انواع مختلف خاک قابل استفاده است.

معایب آزمایش بارگذاری صفحه:

عدم توانایی ظرفیت سیستم در رساندن خاک به حد گسیختگی و تعیین ظرفیت باربری
عدم قابلیت استفاده در اعماق زیاد و زیر سطح آب
هزینه بالای اجرای آزمایش
عدم امکان نمونه‌گیری از خاک
وجود خطا در نتایج به دلیل استفاده از ضرایب تبدیل
داشتن محدودیت استفاده در خاک‌های دارای نشست تحکیمی

کاربردهای آزمایش بارگذاری صفحه:

محاسبه میزان نشست و ظرفیت باربری بستر
محاسبه مدول الاستیسیته (E) و ضریب عکس‌العمل بستر (Ks)
مقاومت زهکشی نشده خاک‌های چسبنده (Cu)

۵. آزمایش نفوذ استاندارد SPT (Standard Penetration Test)

آزمایش نفوذ استاندارد یکی دیگر از مطالعات صحرایی و آزمایش‌های برجا است که به‌وفور در پروژه‌های عمرانی و ژئوتکنیک مورد استفاده قرار می‌گیرد. هدف از انجام آزمایش نفوذ استاندارد، تعیین و تخمین مقاومت خاک کف گمانه است.

این آزمایش جزو آزمایش‌های مادر و پایه محسوب می‌شود، چرا که بسیاری از جداول، نمودارها، تفسیرها و روابطی که به محاسبه پارامترها و مشخصه‌های مهم خاک می‌پردازند، تحت تأثیر اعداد آزمایش نفوذ استاندارد (SPT) هستند.

پس از حفر گمانه و شستشو دادن آن، نمونه‌گیر وارد گمانه شده و سپس به‌کمک یک چکش استاندارد ۶۳.۵ کیلوگرمی و سیستم طناب و قرقره، ضرباتی به نمونه‌گیر از ارتفاع حدود ۷۵ سانتی‌متری به‌صورت عمود بر وارد می‌شود.

عدد آزمایش نفوذ استاندارد (NSPT) تابعی از تعداد ضرباتی است که برای نفوذ به عمق ۱۵ سانتی‌متری دوم یا سوم به خاک وارد می‌شود. نتایج خام به دست آمده از آزمایش نفوذ استاندارد خاک با استفاده از رابطه زیر اصلاح می‌شوند:

EM: ضریب بازدهی چکش بر حسب نوع چکش بین ۰.۴۵ تا ۰.۸۵
CB: ضریب اصلاح قطر گمانه بین ۱ تا ۱.۵ (هرچه قطر گمانه بیشتر شود CB بزرگ‌تر خواهد شد.)
CS: ضریب اصلاح نمونه‌گیر برای نمونه‌گیرهای بدون آستری معادل ۱.۲
CR: ضریب اصلاح طول میله (هر چه طول میله بلندتر باشد، مقدار این ضریب بزرگ‌تر در نظر گرفته خواهد شد.)
N: عدد خام به دست آمده به‌عنوان عدد آزمایش نفوذ استاندارد از خاک نمونه صحرا

مزایای آزمایش نفوذ استاندارد (SPT)

سهولت اجرا
هزینه کم
عدم نیاز به دستگاه‌های پیچیده
وجود روابط تجربی گسترده بین پارامترهای ژئوتکنیکی با تعداد ضربات (N)
آشنایی و رواج بین پیمانکاران

معایب آزمایش نفوذ استاندارد (SPT)

بر روی انواع مختلف خاک قابل استفاده است
درصد خطا بالا
افزایش درصد خطای آزمایش در خاک‌های حاوی قلوه ‌سنگ و دانه‌های شنی
محدودیت استفاده در خاک‌های چسبنده و شنی
کاهش دقت آزمایش در اعماق بیش از ۳۵ متر
وابستگی زیاد نتایج به‌دقت اپراتور

سخن پایانی

در این مقاله با برخی از مهم‌ترین و رایج‌ترین مطالعات صحرایی و آزمایش‌های برجا آشنا شدیم. آزمایش لوفران (Lefranc Permeability Test)، آزمایش لوژان (Lugeon)، آزمایش برش مستقیم برجا (In- situ Direct Shear test for soil)، بارگذاری صفحه (PLT) و آزمایش نفوذ استاندارد SPT (Standard Penetration Test) از جمله مهم‌ترین و رایج‌ترین مطالعات صحرایی و آزمایش‌های برجا هستند.