آزمایش نفوذ مخروط

آزمایش نفوذ مخروط یکی از آزمایش‌های مهم در زمینه مکانیک خاک محسوب می‌شود. طی این آزمایش از نفوذ یک مخروط به درون خاک استفاده می‌شود. سپس با اندازه‌گیری مقاومت نوک و مقاومت جداره مخروط می‌توان یک سری اطلاعات مهم در مورد ویژگی‌های خاک به دست آورد.

در این مقاله به شرح آزمایش CPT و هر آنچه که لازم است در این مورد بدانید، می‌پردازیم؛ تا انتهای این مقاله در گروه صنعتی و معدنی آرمیکو، با ما همراه باشید.

سی پی تی (CPT) چیست؟

یکی از آزمایش‌های صحرایی ژئوتکنیک مهم آزمایش سی پی تی است. در طی این آزمایش یک میله استاندارد در داخل خاک نفوذ می‌کند و در زمان نفوذ کردن میله درون خاک، مقاومت نوک میله و جداره آن محاسبه می‌شود. در خاک‌های نرم مقاومت نوک میله کاهش می‌یابد و در خاک سخت مقاومت نوک میله یا مخروط بیشتر می‌شود.

چنانچه خاک چسبنده باشد، مقاومت جداره افزایش می‌یابد و اگر خاک چسبندگی کمتری داشته باشد، مقاومت جداره کمتر خواهد شد. در نهایت با توجه به اینکه مقاومت نوک میله و جداره آن چقدر است، می‌توان به مشخصات خاک پی برد. لازم به ذکر است جهت بررسی وضعیت مقاومتی خاک و سطح نشست پذیری آن، از آزمایش نفوذ استاندارد کمک گرفته می‌شود.

تاریخچه آزمایش CPT

این آزمایش برای اولین بار توسط هلندی‌ها در سال ۱۹۳۰ مورد استفاده قرار گرفت. به همین دلیل به ابزار آزمایش نفوذ مخروط، مخروط هلندی هم گفته می‌شود. در آن زمان این دستگاه برای بررسی میزان مقاومت بستر ریل های راه آهن در هلند ساخته شده بود. هر چند در آن زمان آزمایش CPT با امروزه متفاوت بود، اما ساختار اصلی به همان شکل حفظ شده است.

دستگاه سی پی تی ابتدایی در اندازه جیبی و کوچک ساخته شده بود و ویژگی‌های خاک را به شکل ناپیوسته در هر ۲۰ سانتی متر خاک ثبت می‌کرد؛ در این آزمایش نتایج باید به شکل دستی نوشته می‌شدند. تا اینکه در سال ۱۹۴۸ مخروط‌های الکتریکی ابداع شدند و این مشکل رفع شد. در دستگاه‌های جدید، نتایج به شکل پیوسته به وسیله ابزارهای الکتریکی به ثبت می‌رسیدند. همچنین به دنبال تکامل این نوع آزمایش خاک، سنجش مقاومت جداره‌ها نیز به آزمایش اضافه شد.

اجزای دستگاه CPT

دستگاه های سی پی تی دارای انواع متفاوتی هستند و نمی‌توان برای همه آن‌ها یک نسخه کلی در نظر گرفت. اجزای دستگاه سی پی تی از گذشته تا کنون دچار تغییرات بسیاری شده‌اند. اما می‌توان گفت در حالت کلی اجزای دستگاه CPT به شرح زیر است:

 نفوذ سنج

یکی از اجزای اصلی دستگاه سی پی تی نفوذ سنج است. این بخش از نوک و غلاف جداره برخوردار است و به داخل خاک نفوذ می‌کند. در انواع مدرن نفوذ سنج فیلترهای متخلخل به کار رفته است. به کمک این بخش می‌توان به محاسبه مقاومت نوک و جداره پرداخت.

میله های رابط

با استفاده از میله‌های رابط می‌توان نفوذ سنج را به داخل خاک تا عمق دلخواه فرو برد. این میله‌ها در اندازه‌های یک متری تولید می‌شوند. این میله‌ها به وسیله رزوه به یکدیگر وصل می‌شوند.

جک هیدرولیکی

نیرویی که برای فرو کردن نفوذ سنج درون زمین تا عمق مناسب مورد نیاز است، توسط جک هیدرولیکی تامین می‌شود. نصب این جک‌ها بر روی کامیون یا وانت انجام می‌شود. جک هیدرولیکی موجب می‌شود تا نیروی پیوسته و ثابتی به خاک وارد شود.

ماشین حمل دستگاه

دستگاه سی پی تی را به کمک کامیون حمل و نقل می‌کنند. برای این کار باید وزن کامیون بیشتر از ظرفیت دستگاه و به طور تقریبی ۲۰ تن باشد.

مطلب پیشنهادی: آزمایش هیدرومتری خاک

انواع دستگاه های CPT

دستگاه های CPT از نظر نوع اعمال بار شامل سه دسته کلی می‌شوند:

• دستگاه‌های استاتیکی
• دینامیکی
• آمیزه‌ای

در دستگاه‌های CPT استاتیکی نیرو توسط جک‌های هیدرولیکی به میله‌ها اعمال می‌شود. این نیرو به شکل پیوسته و آرام به میله‌ها منتقل می شود. متداول‌ترین نوع دستگاه‌های CPT نوع استاتیکی آن می‌باشد.

دسته دوم شامل دستگاه‌هایی است که نیروی آن‌ها به شکل ناپیوسته و به وسیله سقوط آزاد وزنه یا چکش اعمال می‌شود. این امر موجب شباهت زیاد آن‌ها به آزمایش SPT شده است.

بارگذاری دستگاه‌های اس پی تی دسته سوم هم به صورت دینامیکی و هم به صورت استاتیکی صورت می‌گیرد. مطابق اکثر آیین نامه ها و استانداردها، استفاده از عبارت CPT فقط برای دستگاه‌هایی با اعمال بار استاتیکی مجاز دانسته شده است و نام سایر انواع آن مانند بارگذاری‌های دینامیکی متفاوت است. به عنوان مثال به دستگاه CPT دینامیکی، کاوشگر دینامیکی یا DP گفته می‌شود.

روش انجام آزمایش CPT

نوع پيشرفته آزمایش نفوذ مخروط مطابق استاندارد ASTM-D-5778 انجام می‌شود. در طی آزمایش CPT دو مشخصه مستقل از هم شامل مقاومت نوک مخروط (qc)، اصطکاک جداره (fs) به شکل پيوسته در عمق مورد نظر از خاک قرائت و ثبت مي‌شوند. با محاسبه این مقاومت‌ها به ویژگی ها و مشخصات خاک می‌توان پی برد.

در این آزمایش به صورت استاندارد، قطر مخروط در حدود ۳.۵۷ سانتی متر که از زاویه پخی ۶۰ درجه برخوردار است با سرعتی معادل ۲ سانتی متر بر ثانیه در خاک فرو می‌رود. نفوذ و فرو بردن مخروط در این ازمایش توسط جک‌های هیدرولیکی انجام می‌شود. با هر میزانی از نفوذ مخروط باید مقاومت جداره و مقاومت نوک مخروط به شکل پیوسته ثبت شود.

هنگامی که نفوذ سنج پایین می‌رود لازم است با متصل کردن میله‌هایی به انتهای آن، آن را تا عمق دلخواه فرو ببریم. هنگامی که قصد اضافه کردن میله جدید را داریم، باید این کار به آهستگی انجام شود تا تغییر فشار خاصی در محیط ایجاد نشود.

استفاده از آزمايش نفوذ مخروط باعث می‌شود بدون حدس و گمان و نمونه ‌برداری مي‌توان بسياری از ویژگی‌های خاک را به صورت دقیق تخمين زد و از وجود طبقه‌بندی لايه‌های خاک حتی در بین لايه‌های نازک اطلاع پیدا کرد.

مزایا و معایب آزمایش نفوذ مخروط

از مزایای آزمایش CPT می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• سرعت آزمایش CPT زیاد است و موجب صرفه‌ جویی زمانی می‌شود. به طوری که می‌توان در چند نقطه ۲۰ تا ۳۰ متری در یک روز این آزمایش را انجام داد.
• این آزمایش یک پروفیل پیوسته در مورد جنس و لایه ‌بندی خاک ارائه می‌دهد.
• با آزمایش نفوذ مخروط می‌توان به ویژگی‌های خاک‌هایی که نمونه ‌گرفتن از آنها دشوار است، پی برد.
• امکان خطای اپراتور در این آزمایش کم است و می‌توان آن را به دفعات تکرار کرد.
• می‌توان نتایج آزمایش CPT را بر اساس مبانی تئوریک استوار و قوی تفسیر کرد.
• با این آزمایش می‌توان پتانسیل روانگرایی لایه‌های نرم و ریز دانه خاک را مورد بررسی قرار داد.
• با آزمایش نفوذ مخروط می‌توان ظرفیت باربری پی‌های عمیق و سطحی را اندازه گرفت.
• در این آزمایش می توان انواع سنسور‌ها را با عملکردهای مختلف نصب کرد.
• آزمایش نفوذ مخروط جزو آزمایش‌های اقتصادی در جهان محسوب می‌شود و در مقابل هزینه اندک، اطلاعات زیادی می‌توان به دست آورد.

از معایب این نوع آزمایش نیز می‌توان به موارد زیر پرداخت:

• این آزمایش برای خاک‌های درشت دانه و سخت کاربرد ندارد.
• برای انجام آزمایش CPT اپراتور باید ماهر و با تجربه باشد.
• در خاک‌های سخت عمق انجام آزمایش محدود است.
• در محدوده تنش‌های کوچک، نمی‌توان رفتار خاک را پیش بینی کرد.
• با انجام این آزمایش نمی‌توان نمونه خاک را به دست آورد.

تفسیر نتایج آزمایش CPT

برای تفسیر نتایج آزمایش CPT باید از جدول زیر استفاده کنید.

برای این کار باید مقاومت نوک مخروط و جداره آن را به دست آورید. به این ترتیب می‌توانید نوع خاک را مشخص کنید.

با کمک این جدول می توانید نتایج را با آن تطبیق داده و به درستی آزمایش خود پی ببرید. اگر عددهای به دست امده با این جدول همخوانی نداشت، آزمایش را درست انجام نداده‌اید و باید آن را مجددا انجام دهید.

نتیجه گیری

آزمایش نفوذ مخروط که به آن آزمایش CPT نیز گفته می‌شود، یکی از آزمایش‌های مهم انواع خاک است که به وسیله آن می‌توان به بسیاری ار پارامترها و ویژگی‌های خاک پی برد. در این آزمایش از یک مخروط استفاده شده و تا عمق مورد نظر آن را در خاک فرو می‌برند. با محاسبه میزان مقاومت جداره و مقاومت نوک مخروط می‌توان بسیاری از مشخصات خاک را تعیین کرد. این آزمایش برای خاک‌های نرم و ریز دانه بسیار کاربرد دارد اما برای خاک های سخت دشوار است و قابل استفاده نیست. این آزمایش با سرعت بالایی انجام می‌شود و برای انجام ان نیاز به یک اپراتور ماهر و باتجربه خواهید داشت.

سوالات متداول