تعیین مدول تغییر شکل مارنهای شرق تبریز با آزمایشات درجا
| دسته | زمین شناسی مهندسی |
|---|---|
| گروه | سازمان زمین شناسی و اکتشافات معدنی کشور |
| مکان برگزاری | بیست و پنجمین گردهمائی علوم زمین |
| نویسنده | علی هوشمند |
| تاريخ برگزاری | ۰۲ اسفند ۱۳۸۵ |
چکیده:
در پروژه های بزرگ همواره مطالعات ژئوتکنیک و زمین شناسی مهندسی از اهمیت فوق العاده ای برخوردار می باشند. در چنین پروژه‌هایی انجام آزمایشات درجا اهمیت زیادى دارد تا مستقیما رفتار واقعى لایه‌هاى زمین در برابر بارگذارى بررسی شود. مارنهاى شرق تبریز بخش وسیعى از شهر را در برگرفته است. مهمترین مشخصه این مارنها در تعیین ظرفیت باربرى، مدول تغییر شکل (نشست پذیرى) است. مدول تغییر شکل (Es) مارنهای مذکور با چند آزمایش درجا یعنى آزمایشات پرسیومتری، بارگذاری صفحه، SPT و آزمایشات لرزه‌اى تعیین شده و با یکدیگر مقایسه گردیده است. نتایج نشان می‌دهد که مقادیر مدول تغییرشکل بدست آمده از آزمایش پرسیومتری با مقادیر حاصل از آزمایش بارگذاری صفحه همخوانی دارد. مدول تغییرشکل حاصل از آزمایشات لرزه‌اى که در واقع مدول تغییر شکل دینامیکى است، حدود۵۰ برابرمدول تغییرشکل پرسیومترى و بارگذارى صفحه است.
Abstract :
Geotechnical investigation is considered an important part of civil engineering projects. Site characterization requires field tests in addition to laboratory studies. Among the in situ tests, pressuremeter is employing a well developed equipment for soil characterization. This test has been carried out on eastern Tabriz marls for the first time. In this paper we try to determine the modulus of deformation of marls of eastern part of Tabriz by pressuremeter and the resulted values are compared with the values obtained from plate load and SPT tests. The results show that amount of deformation modulus determined by pressuremeter is in good agreement with those obtained from plate load test and SPT. This implies that pressuremeter is a suitable in site test for characterization of deformation modulus of marly formations. Deformation modulus obtained from seismic data is about fifty times the static deformation modulus.
تعیین مدول تغییر شکل مارنهای شرق تبریز با آزمایشات درجا
◊◊◊◊◊◊◊
علی هوشمند ، دانشجوی کارشناسی ارشد زمین شناسی مهندسی دانشگاه تهران
بهمن بهلولی، دکتری زمین شناسی مهندسی، عضو هیات علمی دانشگاه تهران
ابراهیم اصغری، دکتری زمین شناسی مهندسی، عضو هیات علمی دانشگاه تبریز
◊◊◊◊◊◊◊
چکیده:
در پروژه های بزرگ همواره مطالعات ژئوتکنیک و زمین شناسی مهندسی از اهمیت فوق العاده ای برخوردار می باشند. در چنین پروژه‌هایی انجام آزمایشات درجا اهمیت زیادی دارد تا مستقیما رفتار واقعی لایههای زمین در برابر بارگذاری بررسی شود. مارنهای شرق تبریز بخش وسیعی از شهر را در برگرفته است. مهمترین مشخصه این مارنها در تعیین ظرفیت باربری، مدول تغییر شکل (نشست پذیری) است. مدول تغییر شکل (Es) مارنهای مذکور با چند آزمایش درجا یعنی آزمایشات پرسیومتری، بارگذاری صفحه، SPT و آزمایشات لرزه‌ای تعیین شده و با یکدیگر مقایسه گردیده است. نتایج نشان می‌دهد که مقادیر مدول تغییرشکل بدست آمده از آزمایش پرسیومتری با مقادیر حاصل از آزمایش بارگذاری صفحه همخوانی دارد. مدول تغییرشکل حاصل از آزمایشات لرزه‌ای که در واقع مدول تغییر شکل دینامیکی است، حدود50 برابرمدول تغییرشکل پرسیومتری و بارگذاری صفحه است.
Abstract :
Geotechnical investigation is considered an important part of civil engineering projects. Site characterization requires field tests in addition to laboratory studies. Among the in situ tests, pressuremeter is employing a well developed equipment for soil characterization. This test has been carried out on eastern Tabriz marls for the first time. In this paper we try to determine the modulus of deformation of marls of eastern part of Tabriz by pressuremeter and the resulted values are compared with the values obtained from plate load and SPT tests. The results show that amount of deformation modulus determined by pressuremeter is in good agreement with those obtained from plate load test and SPT. This implies that pressuremeter is a suitable in site test for characterization of deformation modulus of marly formations. Deformation modulus obtained from seismic data is about fifty times the static deformation modulus.
◊◊◊◊◊◊◊
مقدمه :
هدف ژئوتکنیک ایجاد زمینه‌ای مناسب برای بررسی تحلیلی و عددی مصالح زمین شناسی یعنی سنگ و خاک و ارائه روشهایی برای اندازه گیری آنهاست. در عصر شکوفایی دانش و تکنولوژی هر روز که می‌گذرد ساختمانی مرتفعتر، سدی عظیم‌تر یا تونلی در اعماق بیشتر احداث می‌گردد. تنها عامل بازدارنده در اغلب موارد فقدان زمین مناسب است که بتواند به طور طبیعی بارهای ناشی از سازه طراحی شده را تحمل نماید. به این ترتیب آگاهی از وضعیت زمین به اولین و مهمترین خواسته مهندسان طراح تبدیل شده است. یکی از مصالحی که برخی مناطق ایران مشکل آفرین هستند، مارنها هستند. در مطالعه این چنین زمینهایی مخصوصا״در پروژه‌های بزرگ نیاز هست که برخی از پارامترهای خاک توسط چند آزمایش مختلف اندازه گیری شده و مناسبترین مقدار آن از دید مهندسی انتخاب شود]1[. یکی از این پارامترها، مدول تغییر شکل خاک یا Es است. این پارامتر جزو مهمترین ویژگیهای خاک است که مقدار نشست زمین در اثر بارگذاری را تعیین می‌کند. تعیین دقیق آن گاهی مشکل است. هر چه قدر میزان این پارامتر دقیقتر باشد محاسبات ما از جمله تعیین ظرفیت باربری و کنترل نشست با دقت بالایی اندازه گیری شده و ضریب ایمنی سازه مورد نظر بالا خواهد رفت. در بسیاری از پروژه‌های بزرگ چند روش اکتشافی مختلف با هم بکار می روند. یکی از این روشها آزمونهای برجا (In-situ tests) یا صحرایی است. از جمله این آزمایشها، آزمایش پرسیومتری (فشار سنجی)، بار گذاری صفحه و SPT است. هدف ما در این مطالعه تعیین مدول تغییر شکل مارنهای شرق تبریز با روشهای، پرسیومتری، بارگذاری صفحه، SPT و آزمایشات لرزه‌ای (Downhole) و بررسی ویژگی هر کدام از آنها و مقایسه آنها با یکدیگر است.
◊◊◊◊◊◊◊
بحث :
1- زمین شناسی مارنهای مورد مطالعه
مارنهای تبریز در نواحی شرقی (مناطق ولی عصر، باغمیشه و بارنج) تبریز برونزد داشته و در بیشتر نواحی مرکزی و جنوبی شهر نیز تشکیل دهنده سنگ کف بوده و به عبارت دیگر در زیر رسوبات آبرفتی قرار دارند. این مارنها به رنگهای مختلفی از جمله زرد، سبز، خاکستری و سیاه دیده میشود. معمولاً لایههای زرد و سبز در قسمتهای سطحی و مارنها خاکستری تا سیاه در اعماق قرار دارند. از نظر زمین شناسی مارنهای تبریز به سازندی به نام سازند باغمیشه تعلق دارند.
سازند مارنی- شیلی باغمیشه از ضخامت زیادی برخوردار بوده و حفاریهای صورت گرفته عمق آن را بیش از 100 متر نشان داده است. در بین لایههای مارنی گاه لایههای 20-10 سانتی‌متری از شیلها و گلسنگهای لیگنیت‌‌دار دیده میشود. زمان تشکیل این مارنها را به میوسن نسبت داده میشود ]2[. بر روی این سازند رسوبات ماهی‌دار (با فسیل ماهی) به صورت هم‌شیب قرار گرفته و بر روی آنها نیز آبرفتهای دوران چهارم که شامل رسوبات شن و ماسه‌ای سست تا مستحکم است، قرار گرفته است.
این مارنها در صورت قرار گیری در معرض هوا به سرعت هوازده شده و مقاومت خود را از دست می‌دهند. نمونه‌هایی از زمین لغزشهای رخ داده در منطقه ولی‌عصر (حتی بر روی شیبهای کم) گواه این امر است.
در پروژه‌ای در منطقه بارنج تبریز که قرار است دو برج مسکونی 42 طبقه ساخته شود، تعداد 8 گمانه 40 تا 80 متری حفر شده و ضمن نمونه‌برداری در آنها آزمایشات SPT، پرسیومتری و لرزه‌ای صورت گرفته است. آزمایشات پرسیومتری در 2 گمانه تا عمق 45 متری به فواصل 5 متری انجام شده است. در این محل در زیر رسوبات آبرفتی سطحی که حدود 12 متر است ابتدا مارنهای زرد و سبز رنگ حداکثر به ضخامت 6 متر و سپس مارنهای خاکستری تا سیاه قرار دارند. بر اساس طرح موجود بخش اعظم رسوبات آبرفتی بایستی برداشته شده و پی بر روی لایههای مارنی قرار می‌گیرد. سطح آب زیرزمینی در داخل لایههای مارنی مشاهده نگردیده ولی درصد اشباع نمونه‌های مارنی بین 75 تا 95 درصد تعیین شده است ]3[. مقطع زمین شناسی منطقه مورد مطالعه در شکل (1) نشان داده شده است.
با توجه به وجود ترک و خاصیت تورق، اخذ نمونه دست نخورده واقعی و انجام آزمایشات مقاومتی مناسب مثل سه محوری دشوار است. به همین منظور آزمایشات درجا برای تعیین خصوصیات ژئوتکنیکی آنها مناسب‌تر است.
شکل(1) مقطع زمین شناسی محدوده مورد مطالعه
2- آزمایش پرسیومتری
آزمایش پرسیومتری یا فشارسنجی یکی از مهمترین آزمایشهای درجا است که برای تعیین رفتار تنش-تغییر شکل خاک یا سنگ هوازده مورد استفاده قرار می‌گیرد. آزمایش در محل بر روی دیواره‌های گمانه با استفاده از استوانه بلند غشائی که می‌تواند به صورت شعاعی تغییر شکل دهد انجام میشود ]4[. با استفاده از نتایج این آزمایش می‌توان پارامترهای زیر را بدست آورد:
- مدول تغییر شکل
- مقاومت شامل مقاومت برشی زهکشی نشده (Cu) برای رسها و سنگهای ضعیف، زاویه مقاومت برشی موثر در ماسه و رس، زاویه انبساط در ماسههاψ
- تنش کل افقی درجا σh0
- ضریب تحکیم افقی Ch
اختلاف اساسی بین انواع پرسیومترها، نحوه قرار گیری آنها در داخل گمانه میباشد. پرسیومترهای متداول سه گونه هستند: در داخل گمانههای آماده مستقر میشوند (P.D.P)٬ خود حفار هستند (S.B.P)٬ یا با فشار داخل زمین قرار میگیرند (P.I.P). دستگاه مورد استفاده در این پروژه از نوع (P.D.P) میباشد]5[.
مراحل تحلیل نتایج پرسیومتری
1- تعیین اختلاف فشار بین سلول محافظ و هسته اندازهگیر برحسب کیلوپاسکال (Pc)
2- تعیین فشار هیدروستاتیک بین محفظه و واحد کنترل بر حسب کیلو پاسکال (Pd)
(1)
H= عمق قرارگیری محفظه نسبت به واحد کنترل برحسب متر
g= وزن واحد حجم سیال اندازهگیری دستگاه برحسب کیلونیوتن بر متر مکعب
3- تعیین اصلاح تبدیل فشار آب به فشار گاز جداره (از جداول مخصوص)
4- اصلاح دادههای آزمایش پرسیومتری بر اساس اصلاحات محاسبه شده از بندهای 1 تا 3
(2)
5- رسم منحنی فشار- تغییرحجم شکل (2)
شکل (2) نمودار فشار– تغییر حجم ]5[
6- تعیین مقادیرDP ، DV و Vmاز روی نمودار شکل (2)
DP : اختلاف فشار اصلاحی در قسمت خطی نمودار
DV : اختلاف حجم اصلاحی در قسمت خطی نمودار
Vm : حجم اصلاحی در وسط محدوده افزایش حجمDV
7- با توجه به مقادیر بدست آمده از بند 6 و مقدار V0 (حجم اولیه قسمت اندازهگیر محفظه که قبل از آزمایش در سطح زمین اندازهگیری میشود)، مقدار Ep را از رابطه زیر بدست میآوریم]8[:
(3)
که Ep عبارتست از ضریب پرسیومتری (مدول منارد) بر حسب کیلو پاسکال.
مقدار مدول تغییر شکل بدست آمده از آزمایش پرسیومتری، مدول محدود شده بوده و با استفاده از رابطه زیر تبدیل به مدول الاستیسیته خاک میشود.
(4)
که در آن مدول تغییر شکل، مدول محدود شده و نسبت پواسون خاک میباشد]9[.
نتایج آزمایشهای پرسیومتری
بر اساس روابط ارائه شده، در شکل (3) منحنی تغییرات ضریب پرسیومتری با عمق نشان داده شده است. همان طوری که مشاهده میشود سه مقدار متفاوت برای سه محدوده عمق مختلف بدست می‌آید ]3[. مقدار مدول تغییر شکل لایههای خاک با توجه به ضرایب موجود برای خاکهای مختلف و معادله (4) محاسبه شده و در جدول (1) نشان داده شده است.
|
جدول (1) تغییرات مدول تغییر شکل با عمق
|
|
|
مدول تغییر شکل (kg/cm2)
|
عمق (m)
|
|
450
|
17-0
|
|
600
|
32-17
|
|
720
|
45-32
|
|
|
|
شکل (3) منحنی تغییرات مدول منارد (ضریب پرسیومتری) با عمق
3- آزمایش بارگذاری صفحه
آزمایشات بارگذاری صفحه در داخل چاههای حفر شده بر روی لایههای مارنی انجام شده است. نمودارهای فشار- نشست این آزمایشات در شکل (4) نشان داده شده است. یکی از پارامترهایی که براساس نتایج آزمایش بارگذاری صفحه و بر پایه تئوری الاستیسیته می‌توان بدست آورد، مدول تغییر شکل خاک(Es) است. این مدول به صورت زیر قابل محاسبه است:
(5)
در اینجا DP تغییراتفشار، D ابعاد صفحه بارگذاری، n نسبت پواسون، I ضریب تاثیر که تابعی از صلبیت و شکل صفحه بارگذاری بوده و Ds میزان نشست الاستیک میباشد. برای صفحه مربعی و صلب در بارگذاری صفحه روی یک فضای نیمه بی‌نهایت الاستیک و همگن مقدار I برابر 95/0 است ]6[.
بر اساس رابطه مذکور و با فرض نسبت پواسون 33/0 مقدار مدول تغییر شکل لایههای خاک بین 400 تا 700 کیلوگرم بر سانتی متر مربع بدست آمده است.
شکل (4) نمودارهای فشار – نشست آزمایشات بارگذاری صفحه
4- نتایج آزمایشات ضربه و نفوذ استاندارد (SPT )
این آزمایش جزو رایج‌ترین آزمایشات درجا جهت تعیین خصوصیات فیزیکی و مکانیکی لایههای زمین است. مقادیر عدد SPT برای لایههای مارنی زرد رنگ بین 10 تا 30 و برای لایه های مارنی خاکستری رنگ بیش از 50 بدست آمده است. بر اساس تقسیم بندی ترزاقی (جدول 2)، لایههای مارنی در وضعیت خیلی سفت تا سخت قرار دارند. مدول تغییر شکل را می‌توان بر اساس روابط تجربی نظیر رابطه تجربی زیر که به وسیله باولز ]6[ ارائه شده از عدد SPT یعنی Nرا بدست آورد:
Es=7.65(N+15) kg/cm2 برحسب (6)
جدول (2)تقسیم بندی مقاومت خاکهای ریز دانه بر اساس عدد SPT]7[.
|
مقاومت تک محوری خاک(kg/cm2)
|
وضعیت خاک
|
|
عددSPT
|
|
0.25<
|
Very soft
|
|
2>
|
|
0.25-0.5
|
Soft
|
|
2-4
|
|
0.5-1
|
Medium Stiff
|
|
4-8
|
|
1-2
|
Stiff
|
|
8-15
|
|
2-4
|
Very Stiff
|
|
15-30
|
|
>4
|
Hard
|
|
>30
|
5- آزمایشات لرزه‌ای درون گمانه‌ای
به منظور تعیین مشخصات دینامیکی لایههای مارنی آزمایشات لرزه‌ای درون گمانه‌ای به روش Downhole در 2 گمانه انجام یافته است. نمودار تغییرات سرعت سیر امواج در شکل (5) نشان داده شده است. مشاهده میشود که سرعت موج برشی (Vs) لایههای مارنی بین 600 تا 900 متر بر ثانیه و سرعت موج طولی (Vp) آنها بین 1400 تا 1800 متر بر ثانیه تغییر می‌کند.
شکل (5) نمودار تغییرات سرعت سیر امواج برحسب عمق در گمانه‌ها
مدول تغییر شکل دینامیکی (Es) و مدول برشی (Gs) خاک از روی سرعت سیر امواج و دانسیته خاک (r) با استفاده از روابط زیر قابل محاسبه است:
(7)
همچنین نسبت پواسون (n) بر اساس سرعت سیر امواج از رابطه زیر قابل محاسبه است]10[:
(8)
مدول تغییر شکل دینامیکی لایه های مارنی بین 20000 تا 38000 کیلوگرم بر سانتی متر مربع و مدول برشی آنها بین 8000 تا 14000 کیلوگرم بر سانتی متر مربع و نسبت پواسون حدود 33/0 بدست آمده است.