اهمیت آزمایش نفوذ استاندارد یا آزمایش SPT در مهندسی عمران

در این مقاله قصد داریم شما را با یکی دیگر از آزمایش‌های مهم و ضروری بررسی خاک در پروژه‌های عمرانی آشنا کنیم، آزمایش نفوذ استاندارد یا آزمایش SPT (Standard Penetration Test). آزمایش نفوذ استاندارد برای خاک‌های صحرایی کاربرد دارد و یکی از قدیمی‌ترین و رایج آزمایش‌هایی است که در حوزه آزمایش‌های مطالعات ژئوتکنیک انجام می‌شود. هدف از انجام آزمایش نفوذ استاندارد، تعیین و تخمین مقاومت خاک کف گمانه است. برای آشنایی بیشتر آزمایش نفوذ استاندارد، هدف این آزمایش، کاربردها، روش انجام و نتایج نهایی تا انتهای این مطلب ما را همراهی کنید.

پیشینه آزمایش نفوذ استاندارد (آزمایش SPT)

پیشینه آزمایش نفوذ استاندارد به نزدیک ۱ قرن پیش باز می‌گردد. این آزمایش برای اولین بار در سال ۱۹۲۰ طراحی و انجام شد و از آن تاریخ تاکنون، در سرتاسر جهان مورد استفاده قررا می‌گیرد. البته لازم به ذکر است که با توجه به روش آزمایش و تجهیزاتی که برای انجام این آزمایش مورد استفاده قرار می‌گیرند، انجام این آزمایش رفته‌رفته در حال کم شدن و منسوخ شدن است. با وجود اصرار برخی از کارشناسان و محققین مبنی بر حذف لزوم انجام این آزمایش و خارج کردن آن از لیست آزمایش‌های استاندارد و لازم‌الاجرا، این آزمایش هنوز هم در سطح وسیعی در حال انجام است.

آزمایش نفوذ استاندارد یکی از آزمایش‌های مادر در حوزه شناخت رفتار خاک و ژئوتکنیک خاک محسوب می‌شود. به‌طوری که بسیاری از جداول، نمودارها، تفسیرها و روابطی که برای به دست آوردن پارامترها و مشخصه‌های مهم خاک تدوین‌شده و مورد استفاده قرار می‌گیرند، کاملاً تحت تأثیر اعداد آزمایش نفوذ استاندارد (SPT) هستند و به آن‌ها وابسته‌اند. به همین دلیل، عملاً کنار گذاشتن این آزمایش از لیست آزمایش‌های استاندارد و لازم‌الاجرا حداقل در آینده نزدیک، غیرممکن به نظر می‌رسد.

بیشتر بخوانید: میکروپایل یا ریزشمع به عنوان یکی از روش های بهسازی خاک

کنار گذاشتن این آزمایش نیازمند تدوین روابط و نمودارها و جدول‌های جدیدی است که به‌صورت مستقل و بدون وابستگی به نتایج آزمایش نفوذ استاندارد، مشخصه‌ها و پارامترهای مهم خاک را در اختیار مهندسین و پیمانکاران قرار دهد. از طرف دیگر، انجام آزمایش نفوذ استاندارد خاک بسیار ساده است و با صرف زمان و هزینه‌ای اندک، نتایج دقیق و قابل استنادی از رفتار خاک را در اختیار مهندسان قرار می‌دهد.

کاربردهای آزمایش نفوذ استاندارد (SPT)

کاربردهای آزمایش نفوذ استاندارد گسترده است. روابط و جداولی که برای تعیین مشخصه‌های مهم دیگر خاک از جمله تراکم، زاویه اصطکاک داخلی، چسبندگی، نسبت پیش تحکیمی، مدول الاستیسیته، فشار سربار، انرژی و موارد دیگر مورد استفاده مهندسان و پیمانکاران قرار می‌گیرند، همگی برحسب اعداد به‌دست‌آمده از آزمایش نفوذ استاندارد خاک به دست آمده‌اند.

برای انجام آزمایش نفوذ استاندارد نیاز به حفر گمانه داریم. در واقع آزمایش نفوذ استاندارد یکی از آزمایش‌های درون‌چاهی است که برای انجام آن، به حفر گمانه‌ای به قطر ۲.۵ الی ۱۸ اینچ (معادل ۶.۳۵ سانتی‌متر الی ۴۵.۷۲) نیاز پیدا خواهیم کرد.

بیشتر بخوانید: پایدارسازی گود در چه مواردی به کار می رود؟

مراحل انجام آزمایش به چه صورت است؟

پس از حفر گمانه و شستشو دادن آن، نمونه‌گیر آزمایش نفوذ استاندارد که یک استوانه توخالی است، وارد گمانه می‌شود. در مرحله بعدی آزمایش نفوذ استاندارد یا همان آزمایش spt، یک چکش استاندارد ۶۳.۵ کیلوگرمی که برای همین منظور ساخته شده است، با استفاده از سیستم طناب و قرقره، از ارتفاع حدود ۷۵ سانتی‌متری به‌صورت عمود بر روی گمانه رها می‌شود.

در مرحله بعدی آزمایش نفوذ استاندارد، با استفاده از این چکش و سیستم طناب و قرقره، ضرباتی عمودی به سطح خاک وارد می‌شود. عددی که به‌عنوان عدد آزمایش نفوذ استاندارد (NSPT) به دست می‌آید، در واقع تابعی از تعداد ضرباتی است که برای نفوذ به عمق ۱۵ سانتی‌متری دوم و سوم خاک (۳۰ الی ۴۵ سانتی‌متری از سطح اولیه خاک) به خاک وارد می‌شود.

تعداد ضربات لازم برای نفوذ به عمق ۱۵ سانتی‌متری اولیه خاک در نتایج آزمایش نفوذ استاندارد دخالت داده نمی‌شوند، چرا که ۱۵ سانتی‌متر اولیه به‌عنوان لایه اولیه و دست‌خورده خاک محسوب می‌شود که تحت تأثیر نفوذ گمانه یا ریزش جدار گمانه قرار می‌گیرند. بنابراین، این اعداد چندان قابل اعتماد نیستند و در نتیجه نهایی دخالت داده نمی‌شوند.

پس از نفوذ به ۱۵ سانتی‌متر دوم یا سوم خاک، نمونه‌گیر نفوذ استاندارد از گمانه خارج‌شده و خاک نمونه‌برداری شده برای انجام آزمایش به آزمایشگاه ارسال می‌شود. این نمونه خاک‌‌ها برای جلوگیری از تغییر رطوبت، آب، دما و موارد محیطی دیگر، درون بسته‌بندی‌های خاصی قرار می‌گیرند تا در زمان آزمایش، نتایج به دقیق‌ترین شکل ممکن ظاهر شوند.

نتایج خام به‌دست‌آمده 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 CBبزرگ‌تر 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 به‌دست‌آمده به‌عنوان عدد آزمایش نفوذ استاندارد از خاک نمونه صحرا

آزمایش نفوذ استاندارد خاک غالباً در عمق‌های ۱۵۰ الی ۵۰۰ سانتی‌متری از سطح زمین انجام می‌شود تا نتایج به‌دست‌آمده دقیق‌تر و قابل استنادتر باشند. بر حسب تجربه، عدد به‌دست‌آمده از آزمایش نفوذ استاندارد برای خاک‌های نرم کمتر از ۵ و برای خاک‌هایی با تراکم بالا، بیشتر از ۵۰ خواهد بود. محدوده مقادیر برای نتایج آزمایش نفوذ استاندارد برای تراکم‌های مختلف خاک دارای یک جدول استاندارد است. مقادیر و تفسیر این نتایج در قالب این جدول در اختیار تیم مهندسی یا پیمانکاری قرار می‌گیرد.

بیشتر بخوانید: نیلینگ یا میخکوبی چیست؟

عواملی که منجر به بروز خطا در نتایج آزمایش نفوذ استاندارد خاک می‌شوند

عوامل مختلفی وجود دارند که می‌توانند نتایج حاصل از انجام آزمایش نفوذ استاندارد را تحت تأثیر خود قرار دهند. اگر قصد انجام آزمایش نفوذ استاندارد خاک را داشته باشید، باید با این مجموعه عوامل آشنایی داشته باشید. بروز خطا در اندازه‌گیری نفوذ استاندارد خاک می‌تواند محدوده عدد به‌دست‌آمده و تفسیر آن را تغییر دهد. بنابراین می‌تواند پروژه را با آسیب‌های بزرگ و جبران‌ناپذیری روبرو سازد.

به‌عنوان عواملی که منجر به بروز خطا در نتایج آزمایش نفوذ استاندارد خاک می‌شوند، می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• استفاده از دستگاه‌‌های قدیمی که از درجه حساسیت پایین یا غیرکالیبره‌ای برخوردار هستند.
• عدم توجه کافی به ارتفاع عمودی چکش تا سطح خاک؛ مقدار بیشینه این ارتفاع نباید از ۷۵ یا ۷۶ سانتی‌متر تجاوز کند.
• عدم توجه کافی به وزن چکش معلق که برای زدن ضربه استفاده می‌شود؛ این وزن باید در حدود ۶۳.۵ کیلوگرم باشد.
• خطاهای انسانی و شخص آزمایش‌کننده.
• وجود مانع سخت مانند تکه سنگ یا فلز در مسر میله استوانه‌‌ای نمونه‌گیر SPT.
• خارج شدن ته استوانه نمونه‌گیر SPT از حالت استاندارد.
• وجود مصالح ریز در کف گمانه.
• عدم استفاده از ظروف استاندارد باری نگهداری و انتقال خاک نمونه به آزمایشگاه

سخن پایانی

آزمایش نفوذ استاندارد یکی از مهم‌ترین و مرسوم‌ترین آزمایش‌های ژئوتکنیک خاک است. آزمایش spt در دسته آزمایش‌های مادر دسته‌بندی می‌شود، چرا که اساس بسیاری از آزمایش‌های دیگر را تشکیل می‌دهد. روابط به‌دست‌آمده از این آزمایش تأثیر مستقیمی بر مشخصه‌های دیگر خاک از جمله تراکم، زاویه اصطکاک داخلی، چسبندگی، نسبت پیش تحکیمی، مدول الاستیسیته، فشار سربار، انرژی و موارد دیگر دارد.