ارزیابی نتایج آزمایش CPTu در تشخیص پروفیل خاک ( مطالعه موردی)

دسته زمین شناسی مهندسی
گروه سازمان زمین شناسی و اکتشافات معدنی کشور
مکان برگزاری بیست و چهارمین گردهمایی علوم زمین
نویسنده مرتضی جعفرخالو، -اکبر چشمی، سید مهدی کاظمی‌نژاد،
تاريخ برگزاری ۱۴ اسفند ۱۳۸۴

چکیده

شناسایى‌هاى محلى یکى از بخشهاى اصلى در مطالعات ژئوتکنیک مى‌باشد و آزمایش‌هاى برجا به عنوان یکى از ابزارهاى قوى در شناسایى‌هاى محلى است. یکى از این آزمایشهاى برجا، آزمایش نفوذ مخروط (CPT) مى‌باشد. این آزمایش با استفاده از مخروطهاى مکانىکى و الکتریکى در محیطهاى با مصالح ماسه‌اى و ریزدانه قابل انجام است. از این آزمایش براى تشخیص نوع خاک، تعیین پروفیل زیرسطحى مصالح و برخى پارامترهاى مهندسى خاکهاى چسبنده و غیرچسبنده استفاده مى‌شود. در این مقاله سعى شده است ضمن بیان تجربیات قبلى مؤلفین در خصوص استفاده از نتایج مخروط‌هاى مکانیکى در تشخیص پروفیل خاک، نتایج تعدادى آزمایش انجام شده به وسیله مخروط نفوذ الکتریکى (CPTu) که در بندر شهید رجایى انجام شده است، با برخى نمودارهاى ارائه شده توسط محققین دیگر مقایسه و کاربرى آنها در مصالح مختلف، مورد ارزیابى قرارگیرد.  بررسى‌هاى انجام شده در این تحقیق نشان داد استفاده از منحنى‌هاى ارائه شده توسط رابرتسون و کامپانلا (۱۹۸۳) و السن (۱۹۸۴) براى خاکهاى ماسه‌اى و سیلتى داراى دقت بالایى است؛ اما در هنگام استفاده از این منحنى‌ها در تشخیص خاک‌هاى رسى باید دقت بیشترى لحاظ شود

- مقدمه

آزمایش نفوذ مخروط الکتریکی با قابلیت اندازه‌گیری فشار آب حفره‌ای که پیزوکن یا به اختصار(CPTu) نامیده می‌شود، یکی از پیشرفته‌ترین آزمایش‌های برجا می‌باشد. از این آزمایش برای تعیین برخی پارامترهای مهندسی خاکهای چسبنده و غیرچسبنده و همچنین تشخیص ماهیت خاک استفاده می‌شود. در مورد ساخت و راه‌اندازی سیستم مکانیکی این آزمایش و بکارگیری آن در پروژه‌های مختلف داخل ایران تحقیقات زیادی انجام شده است]1[. با توجه به دقت و سرعت بالای این آزمایش، محققین مختلف نمودارهایی ارائه نموده اند که بر اساس آنها تعیین پروفیل و طبقه‌بندی خاک امکان‌پذیر می‌باشد]3[. در این تحقیق نتایج تعدادی آزمایش CPTu که در مطالعات ژئوتکنیک طرح توسعه بندر شهید رجایی بندرعباس انجام شده است، با نمودارهای تهیه شده توسط کامپانلا، رابرتسون و السن برای طبقه‌بندی نوع خاک مورد ارزیابی قرار گرفته است. به این منظور ضمن انجام آزمایش CPTu در محل مورد مطالعه، اقدام به حفر گمانه اکتشافی و تهیه نمونه از اعماق مختلف برای انجام آزمایش دانه‌بندی و تعیین نوع خاک به روش آزمایشگاهی شده است. 

 

2- داده‌های خروجی از دستگاه

پارامترهای قابل اندازه‌گیری در آزمایش CPTu، شامل مقاومت نوک(qc)، اصطکاک جانبی(

q)، میزان انحراف در هنگام نفوذ، فشار آب منفذی، سرعت نفوذ مخروط و نسبت اصطکاک( R) می‌باشد]2و7[. نسبت اصطکاک عبارت است از نسبت اصطکاک جانبی به مقاومت نوک مخروط که به صورت یک نمودار همزمان با اندازه گیری دو پارامتر مقاومتی در کنار خروجی دستگاه ثبت می‌شود[6]. شکل‌های (1) و (2) تصویر و مشخصات نوک یک مخروط نفوذ و شکل‌ (3) نمونه ای از نمودار ترسیم شده توسط دستگاه را نشان می‌دهند.

در این نمودار خطوط آبی، قرمز، سبز، بنفش، زرد و سیاه رنگ به ترتیب نشان دهنده تغییرات اصطکاک جانبی، مقاومت نوک، میزان انحراف،  فشار آب منفذی، سرعت نفوذ مخروط و نسبت اصطکاک می‌باشند.

 

3- طبقه بندی نوع خاک

دانشمندان مختلفی تاکنون به منظور تفسیر و  تشخیص پروفیل خاک تلاشهای بسیاری نموده اند؛ اما نتیجه مطالعات رابرتسون،  کامپانلا و السن بیش از سایرین مورد تأیید و استفاده قرار گرفته است. ایشان با استفاده از سه پارامتر (, qc Q و R) منحنیهایی جهت تعیین نوع خاک ارائه نموده اند[5].   

Qt مقدار مقاومت نوک اصلاح شده می‌باشد که از رابطه زیر بدست می‌آید[4و7]:

                                                                                          Qt = qc + u2(1-a)

a = An/Ac ( با توجه به شکل 2)

u2 : فشار آب حفره‌ای قرائت شده در پشت مخروط

مقادیر a در بیشتر مخروط‌ها بین 0.55 تا 0.9 می‌باشد(a =1.0 ایده‌آل است)[4].

اما ذکر دو نکته در مورد استفاده کاربردی از این منحنیها حایز اهمیت است[6]:

      1) منحنی‌های مربوط به تعیین طبقه‌بندی خاک از روی نتایج CPTu، طبقه‌بندی خاک را بر اساس رفتار خاکها نشان می‌دهد، نه بر اساس اندازه دانه‌ها.

     2) با افزایش عمق، مقدار پارامترهای u، R و Q(به دلیل افزایش تنش قائم) افزایش می‌یابد، لذا استفاده از منحنی‌هایی که بر مبنای Qو R تهیه شده اند، تنها تا عمق حدود m30 پیشنهاد می‌شود[6].

در ایران به طور رایج از روش کامپانلا و روبرتسون(1988) برای شناسایی‌های ژئوتکنیکی استفاده می‌شود. البته پیش از این چشمی و پهلوان(1378) اقدام به ارزیابی نمودار ارائه شده توسط سیرل (1979) با توجه به نتایج آزمایش‌های انجام شده در محیط‌های خشکی و دریایی نموده‌اند که نتیجه تلاش‌های آنها نشان داد در این نمودار تطابق خوبی برای شناسایی مصالح ماسه‌ای و سیلتی وجود دارد، در حالیکه در مصالح رسی این انطباق کمتر است، دلیل این عدم انطباق را ایجاد فشار آب حفره‌ای و عدم استهلاک سریع آن در مصالح رسی معرفی کردند[1]. 

 

 

4- بحث وبررسی

 پس از انجام آزمایش های مختلف CPTu در بندر شهید رجایی بندرعباس، پارامترهای مورد نیاز برای طبقه‌بندی خاک از نمودار‌های خروجی آزمایش استخراج شدند. پارامترهای حاصل در داخل نمودارهای ارایه شده توسط رابرتسون، کامپانلا و السن قرار گرفتند و نوع خاک در اعماق مختلف مشخص شد. سپس با انجام آزمایش دانه بندی بر روی نمونه‌های اخذ شده از گمانه‌ی‌ مجاور هر آزمایش، هر نوع خاک با علامت مشخصی در داخل چارت‌ها به سه دسته اصلی رس، سیلت یا ماسه تفکیک شد(شکل4).

      این بررسی‌ها نشان داد که در تشخیص نوع رفتار خاک در بندر شهید رجایی بندرعباس، استفاده از چارت‌های تهیه شده توسط رابرتسون و کامپانلا(1983) و السن(1984) برای خاکهای ماسه ای و سیلتی پاسخ مناسبی حاصل می‌شود(شکل هایa -4 و b-4) و هیچ یک از چارت‌های بررسی شده، نمی‌توانند در تشخیص خاکهای ریزدانه پاسخ مناسبی ارائه دهند.

 

5- نتیجه‌گیری

     1- به منظور تدقیق نتایج به دست آمده از آزمایش CPTu، حفر تعداد محدودی گمانه اکتشافی برای تهیه نمونه از اعماق مختلف و انجام آزمایش دانه‌بندی در آزمایشگاه، توصیه می‌شود.

     2- بررسی های انجام شده در این تحقیق نشان داد که در تشخیص نوع رفتار خاک در بندر شهید رجایی بندرعباس، استفاده از منحنی‌های تهیه شده توسط رابرتسون و کامپانلا(1983) و السن(1984) برای خاکهای ماسه‌ای و سیلتی پاسخ مناسبی حاصل می‌شود. ولی در استفاده از نتایج در خاک‌های رسی باید دقت بیشتری لحاظ شود.

 

منابع

     1- چشمی، ا و پهلوان، ب(1378)، "کاربرد آزمایش نفوذ مخروط هلندی(CPT) در محیطهای خشکی و دریایی"، اولین کنفرانس زمین‌شناسی مهندسی و محیط زیست ایران، تهران

     2- مدیریت پروژه‌های ژئوتکنیک و مطالعات میدانی(1384)، دستورالعمل راه‌اندازی و تحلیل نتایج آزمایش SCPTu، گزارش نهایی، مهندسین مشاور ساحل.

     3- Robertson, P.K.(1990),Soil classification using the CPT. Canadian Geotechnical Journal.27: pp.151-158

     4- ASTM(1995), “Standard Test Method for performing electronic friction cone and piezocone penetration testing of soils”, ASTM: DS 778-95, pp.570-587.

     5- ISSMGE(1999), “International reference test procedure for the cone penetration test (CPT) and the cone penetration test with pore pressure (CPTu)”. Report of the ISSMGE Technical Committee 16 on Ground Property Characterization from In-situ Testing, pp.250-260

     6- Lunne T., Robertson P.K., Powell J.J.M.(2002), “Cone Penetration Testing in Geotechnical Practice”, Spon Press.

    7- Sahel Consultant Engineers(2004), “Shahid Rajaee Port Complex Development Ground Investigation”, Final Factual Report(Rev.1), Vol.1-3.

کلید واژه ها: سایر موارد