آزمایش نفوذ استاندارد (spt) – تست خاک

برای بررسی وضعیت مقاومتی خاک و همینطور سطح نشست پذیری آن از آزمایش نفوذ استاندارد  SPTکمک گرفته می شود. spt یک معیار قابل قبول برای مهندسان خاک و ساخت و ساز در راستای حفاری زیرسطحی محسوب می شود. برای انجام این آزمایش نیاز به نمونه خاک خواهد بود. از سوی دیگر دستگاه کرگیری نیز به منظور نمونه برداری از لایه های زیر سطحی استفاده می شود.

حال قصدمان این است ارتباط اصلی بین آزمایش نفوذ استاندارد و دستگاه کرگیری را بررسی کنیم، پارامترهای موثر بر روی نتایج آزمایش را مورد ارزیابی قرار دهیم و همینطور کاربرد مهم این دستگاه در پروسه حفاری خاک را نیز مشخص نماییم.

آزمایش نفوذ استاندارد SPT در لیست آزمایش های ژئوتکنیکی قرار گرفته است. قیمت این آزمایش مناسب بوده و توانسته پایگاه داده بسیار گسترده ای را پوشش دهد. امروزه این آزمایش هم برای خاک های درشت دانه و هم برای مدل های ریزدانه نتایج خوبی به همراه دارد. معمولاً آزمایش نفوذ استاندارد در حین حفاری انجام می شود. بنابراین بسیار مهم است که دستگاه حفاری کرگیری با دقت بالا برای این کار مورد استفاده قرار بگیرد.

این نوع آزمایش خاک در فواصل دو الی سه متری در عمق خاک صورت می گیرد. البته یک سری استانداردهای لازم نیز برای آن ارزیابی شده است. در یک نگاه کلی برای انجام اس پی تی نیاز به یک وزنه مخصوص با وزن حدوداً 64 کیلوگرم است. این وزنه می بایست از ارتفاع 76 سانتی متر سقوط نماید. وزنه مورد نظر دارای میله ای سه خط با سطح 15 سانتی متری است. برای نفوذ سه خط یاد شده نیاز به تعداد ضرباتی است که در نهایت مجموع آنها همان رقم spt خواهد بود. (معیار زمان نفوذ خطوط دوم و سوم خواهد بود).

به واسطه آزمایش نفوذ استاندارد می توان بار مالی یک پروژه ساخت و ساز و حفاری را کنترل کرد. مثلاً این رقم کمک می کند تا سطح پتانسیل روانگرایی مشخص شود و بهسازی به بهترین شکل صورت بگیرد. برای انجام آزمایش نیاز به نمونه برداری است و دستگاه کرگیری نمونه ها را به دو صورت پودری و میله ای دسته بندی می کند. البته نمونه گیری میله ای خود شامل شیوه های متریک و وایرلاین خواهد بود.

سوالی که معمولاً از سوی مهندسان خاک پرسیده می شود تعیین تیپ خاک به واسطه اس پی تی ماشینی و دستی و تفاوت هر یک است. وقتی صحبت از اس پی تی ماشینی باشد رقم 50 به عنوان معیار شناخته می شود. در صورتی که اس پی تی بین 15 الی 50 باشد خاک تیپ سه و در صورتی که کمتر از 15 باشد خاک از تیپ 4 خواهد بود.
اس پی تی بیش از 50 مربوط به خاک تیپ یک و دو هستند. حال اگر تیپ خاک با اس پی تی دستی مشخص شود معیار رقم 160 است. یعنی اگر عدد اس پی تی بین 48 الی 160 بود، خاک از نوع تیپ سه است. در صورتی که عدد اس پی تی کمتر از 48 باشد نیز تیپ خاک، از نوع 4 اعلام می شود. برای تیپ یک و دو معمولاً spt بالای 160 اعلام شده است.

یکی از کاربردهای مهم آزمایش نفوذ استاندارد که به واسطه دستگاه کرگیری مجموعه آرمیکو صورت می گیرد، افزایش چگالی و بهسازی خاک است. در واقع پارامتر “تراکم خاک” مدنظر قرار می گیرد. این موضوع با هدف بهبود استحکام و ارزیابی مقاومت خاک در برابر هر نوع تغییر شکل ارزیابی می شود.

در اجرای عملیات خاکی نیاز به متراکم سازی زمین است. روش های تراکم خاک متفاوت هستند مثلاً روش های استاتیکی، ضربه ای و کوبشی مورد تایید قرار گرفته اند. برای هر روش نیز ماشین آلات مخصوصی در نظر گرفته شده است. این ماشین آلات در نهایت سبب افزایش چگالی خاک تا عمق متفاوت خواهد شد.

وقتی صحبت از آزمایش نفوذ استاندارد  SPTاست در واقع روش تراکم مکانیکی مدنظر خواهد بود. با توجه به اینکه در روش تراکم مکانیکی می توان، مقدار بیشتری از خاک را پوشش داد، این روش به عنوان یک روش تراکمی عمیق نیز شناخته می شود. وزنه ای که طبق ارتفاع مشخص بر روی سطح مورد نظر رها می شود، مشخص کننده سطح تراکم خاک است. در واقع فشار ناشی از برخورد وزنه به زمین در هر پاس محاسبه می شود.

نهایی سازی فرآیند نیز طی دو الی سه پاس صورت می گیرد. پارامترهای موثر در این روش آزمایشی، فاصله نقاط برخورد، وزن و همینطور سطح ارتفاع رهاسازی وزنه خواهد بود. برای شناسایی دقیقتر لایه های زمین معمولاً نمونه هایی که به واسطه دستگاه کرگیری به دست آمده است، مورد تحلیل قرار میگیرند.

یکی از دلایلی که سبب می شود تا دستگاه کرگیری به صورت یکپارچه طراحی شود و همه ماژول ها به صورت هیدرولیک عمل نمایند، بررسی پارامتر مدول الاستیسیته در آزمایش نفوذ استاندارد SPT است. در خاک های دانه ای، نوع نشست به صورت آنی صورت می گیرد که به آن مدول الاستیسیته نیز گفته می شود.

آزمایش نفوذ استاندارد SPT نوعی آزمایش یک بعدی محسوب می شود تا مقدار نشست الاستیک خاک مشخص شود. نتایج به دست آمده از این آزمایش نشان می دهد که مدول الاستیسیته تابع فشار اعمالی است و به نوعی تابع غیر خطی محسوب می شود. یعنی هرچه میزان فشار بیشتر باشد، مدول الاستیسیته نیز افزایش خواهد داشت.

این پارامتر به منظور پیش بینی دقیق نشست خاک و همینطور تغییر شکل الاستیک صورت می گیرد و معمولاً تابع خصوصیات آزمایشگاهی است. دستگاه کرگیری شامل یک سری مکانیزم های چرخشی مخصوص بوده که کمک می کند تا آزمایش نفوذ استاندارد SPT به بهترین شکل اجرا شده و در نهایت سطح نمونه گیری با بیشترین دقت دنبال شود.

در این دستگاه از سیستم وینچ استفاده شده است و همینطور به شما اجازه می دهد تا زاویه حفاری را تنظیم نمایید. نکته مثبتی که برای دستگاه کرگیری دیده می شود طراحی یکپارچه بوده که متفاوت از ساختار دستگاه های موجود در بازار دارد.

روانگرایی خاک از فاکتورهای بسیار مهم در مهندسی زلزله محسوب می شود. اگر بخواهیم به زبان ساده در این مورد صحبت کنیم باید گفت که در پدیده روانگرایی، خاک از وضعیت جامد خارج شده و به مایع تبدیل می شود. حال فرض کنید سازه ای بر روی این خاک ساخته شود و پدیده روانگرایی رخ دهد در نهایت شاهد بهم ریختن تعادل استاتیکی سازه خواهیم بود. ممکن است نشست به صورت یکنواخت باشد که البته این موضوع در بهترین حالت بوده و معمولاً شرایط غیریکنواختی رخ می دهد.

آزمایش نفوذ استاندارد SPT به منظور تضمین ایمنی سازه در مقابل پدیده روانگرایی در نظر گرفته شده است. یکی از پارامترهایی که در لیست عوامل کنترل کننده روانگرایی خاک شناخته می شود مشخصات خاک است که مربوط به زمین شناسی، لایه بندی، عمق سنگ بستر و همینطور سطح آب زیرزمینی خواهد بود. خواص لایه های خاک نیز می تواند به واسطه دستگاه کرگیری مشخص شود. به این ترتیب بررسی چگالی نسبی، ضریب بیش تحکیمی و همینطور مشخصات دانه بندی دقیق ارزیابی می شود.

آزمایش نفوذ استاندارد SPT کمک می کند تا خاک های روانگرا شناخته شوند و به نوعی در لیست محیط های غیر پایدار و نامناسب برای ساخت سازه قرار بگیرند. این اقدام یک روش پیشگیرانه محسوب می شود. در بررسی آزمایش نفوذ استاندارد نیاز به مشخص شدن نوع و ترکیب خاک، ابعاد و توزیع دانه بندی، خواص لرزه ای و همینطور مشخص شدن محل زهکشی و ابعاد توده خاک خواهد بود. مجموعه دکل حفاری به منظور شناسایی دقیق تر لایه های زمین در آزمایش نفوذ استاندارد SPT مورد استفاده قرار می گیرد. شرکت آرمیکو شرایط فروش این دستگاه را به صورت کاملاً منصفانه در اختیار خریداران قرار داده است.

به منظور اجرای صحیح آزمایش نفوذ استاندارد SPT نیاز است انواع تیپ خاک را شناسایی کنیم. دقت کنید که در ایران بر اساس استاندارد 2800 زلزله، انواع خاک در 4 تیپ طبقه بندی می‌شود. تقسیم بندی که برای هر نوع تیپ خاک در نظر گرفته می شود بر پایه سرعت موج برشی خواهد بود. برای تعیین تیپ خاک معمولاً 4 آزمایش مهم اعم از آزمایش دانهول، آزمایش نفوذ استاندارد SPT، آزمایش سه محوری و همینطور آزمایش تک محوری استفاده می شود. در این مقاله تمرکز اصلی ما بر روی آزمایش نفوذ استاندارد SPT خواهد بود.

تیپ خاک یک

وقتی صحبت از مستحکم ترین خاک های سطحی در مجموعه دستگاه کرگیری می شود، یعنی تیپ خاک یک مدنظر است. به زبانی ساده تر، سنگ ها و یا شبه سنگ هایی که سرعت موج برشی آنها بیش از 750 متر بر ثانیه اعلام شده است در لیست تیپ خاک شماره یک قرار می گیرند. این تیپ خاک در آزمایش نفوذ استاندارد SPT بهترین گزینه برای ساخت و ساز بهینه و مستحکم محسوب می شود. سنگ های رسوبی، آذرین و دگرگونی در این گزینه قرار گرفته اند و شاخص های مخصوصی را در پی می گیرند. چگالی نسبی برای این خاک ها بالای 80 درصد خواهد بود.

تیپ خاک دو

در جدول ارزیابی آزمایش نفوذ استاندارد SPT، پس از تیپ یک، بهترین انتخاب برای ساخت و ساز، خاک های متراکم هستند که به عنوان تیپ دوم شناخته می شوند. سرعت موج در این خاک ها بین 375 الی 750 متر بر ثانیه بر اساس دستگاه مغزه گیری در نظر گرفته شده است. شن و ماسه متراکم و رس های بسیار سخت می توانند در این گروه قرار بگیرند. البته سطح ضخامت این خاک ها نیز بیش از 30 متر اعلام شده است. سنگ های هوازده و متورق و نوعی از سنگ های رسوبی سست نیز در همین لیست قرار گرفته اند.

تیپ خاک سه یا تراکم متوسط

معمولاً در عملیات حفاری زمین، پروژه های عمرانی و ساخت و ساز بیشترین تمرکز بر روی خاک تیپ سه است. این خاک ها که با عنوان خاک هایی با سطح تراکم متوسط نیز شناخته می شوند و سرعت برشی استاندارد بین 175 الی 375 متر بر ثانیه در آزمایش نفوذ استاندارد SPT را به خود اختصاص می دهند. سنگ های متلاشی شده در این لیست قرار می گیرند. این سنگ ها به واسطه پدیده هوازدگی متلاشی شده اند. دستگاه های کرگیری برای نمونه برداری از خاک های تیپ سه، شن و ماسه و همینطور رس ها استفاده می شوند و بهترین نتایج را به همراه دارند.

خاک تیپ چهار و یا خاک نرم

خاک های تیپ چهار بسیار نرم و سست هستند. این خاک ها از دید آزمایش نفوذ استاندارد SPT، ضعیف ترین نوع خاک محسوب می شوند و معمولاً روانگرایی آنها بالا بوده و گزینه مجاز برای ساخت و ساز نخواهند بود. دستگاه مغزه گیری برای بررسی این نمونه خاک بیشترین استفاده را دارد، چون مهمترین هدف در ساخت و ساز مشخص کردن استحکام خاک در برابر سازه ها است. رطوبت بالایی که به واسطه آب های زیرزمینی مدنظر قرار می گیرد در نهایت سبب تشکیل خاک های نرم خواهد شد و مشخص است که سرعت موج برشی در این سبک خاک ها از 175 متر بر ثانیه نیز کمتر است.

حال که انواع تیپ خاک شناسایی شده و سرعت برش موج برای هر تیپ نیز مشخص شد نوبت به آزمایش نفوذ استاندارد SPT می رسد. در ابتدا می بایست بررسی شود که آیا محاسبه مستقیم برای سرعت موج برشی امکانپذیر است یا خیر. در صورتی که امکانپذیر نباشد می بایست از روابط تقریبی استفاده شود.

در این شرایط از آزمایش نفوذ استاندارد کمک گرفته می شود. در صورتی که عدد اس پی تی استاندارد خاک بیش تر از 50 بود یعنی خاک متراکم و از نوع تیپ دو است. خاک های تیپ 3 و 4 معمولاً اس پی تی کمتر از 50 دارند. معمولاً رقم spt 50 استاندارد لازم برای تایید خاک نوع تیپ یک است. برای اینکه بتوان آزمایش اس پی تی استاندارد را به درستی پشت سر گذاشت می بایست از دستگاهی استفاده کرد که بتواند کنترل پنل قدرتمندی داشته باشد. دستگاه های مغزه گیری که در گذشته طراحی شده اند از نظر کنترل پنل عملکرد ضعیفی داشتند. خوشبختانه امروزه این مشکل برطرف شده است.

بر اساس ارزیابی های صورت گرفته توسط آزمایش نفوذ استاندارد SPT به واسطه دستگاه کرگیری مشخص شده است که در زمان زلزله، برش پایه در زوایای مختلف ساختمان صورت می گیرد. به طور کلی دو جهت عمودی و افقی برای برش پایه شناخته می شود. حقیقت این است که نیروی عمودی یا قائم زلزله کوچکتر از نیروی افقی آن است و وزن ساختمان می تواند این نیرو را تا حدود زیادی خنثی نماید.

این موضوع سبب می شود تا از نیروی عمودی ساختمان صرف نظر شود. اما در مورد نیروی افقی شرایط متفاوت خواهد بود. آزمایش نفوذ استاندارد  اس پی تی دقت بالایی بر روی این فاکتور دارد. بر اساس استاندارد 2800 زلزله مشخص شده است که نیروی افقی وارد به ساختمان توسط زلزله یکسان نیست. این موضوع وابسته به تیپ خاک بررسی می شود و ضریب بازتاب به دست آمده توسط دستگاه کرگیری این تحلیل را تکمیل خواهد کرد.

ضریب بازتاب همان پارامتری است که نوع پاسخ ساختمان به حرکت زمین را مشخص می کند. این ضریب بر اساس نوع و گونه زمین مشخص می شود. موضوع را ساده سازی می کنیم. در صورتی که خاک از نوع تیپ یک باشد ضریب بازتاب کمتری خواهد داشت. این موضوع یعنی در زمان زلزله، ساختمان کمتر دچار لرزش شده و فشار کمتری را متحمل می شود.

با همین بررسی مشخص می شود که خاک تیپ 4 ضعیف ترین نوع خاک بوده و در نهایت از سوی آزمایش نفوذ استاندارد SPT قابل تایید نخواهد بود. از نظر هزینه ساخت و ساز ساختمان بر روی خاک تیپ دو و سه، مشخص شده است که میزان مصالح مصرفی در خاک تیپ سه بیشتر است بنابراین ساخت و ساز بر روی خاک تیپ دو هزینه های کمتری در پی دارد.

طراحی جدید دستگاه کرگیری با هدف بررسی مدول عکس العمل بستر بود. حقیقت این است آزمایش نفوذ استاندارد SPT به واسطه مدول عکس العمل بستر توانسته در طراحی انواع شالوده بهترین ایده ها را اجرا نماید. مدول عکس العمل بستر ارتباط بین فشاری که به خاک وارد می شود و همینطور میزان تغییرات ناشی از آن را مشخص می کند.

البته پارامتر مدول الاستیسیته یا سختی خاک برای تعیین مدول عکس العمل بستر بسیار مهم است. برای محاسبه این پارامتر به واسطه آزمایش نفوذ استاندارد SPT، نیاز به مشخص کردن عرض منطقه بارگذاری شده بوده و همینطور شکل سطح نیز باید تعیین شود. در برخی مواقع که نیاز به تعیین عمق سطح است از دستگاه کرگیری استفاده می شود.

در این دستگاه از مجموعه روتیشن یا دوران استفاده شده است تا لایه برداری بدون کم و کاستی صورت بگیرد. از سوی دیگر بسیار مهم است تا مکانیزم چرخش نیز شرایط ایده آلی داشته باشد.

برای تخمین دقیق تر آزمایش نفوذ استاندارد SPT در ارزیابی مدول عکس العمل بستر، دو نوع خاک چسبنده و دانه ای که توسط دستگاه کرگیری تعیین وضعیت شده اند، را مورد بررسی قرار داده ایم.

در خاک چسبنده در صورتی که میزان تراکم سفت باشد، مقاومت محدود نشده بین 1 الی 2 بوده و مدول عکس العمل بستر رقم 2.7 خواهد بود. در صورتی که میزان تراکم خاک خیلی سفت باشد مقاومت محدود نشده بین 2 الی 4 و مدول عکس العمل بستر نیز بین 2.7 الی 5.4 است. برای خاک های سخت نیز شاهد مقاومت محدود نشده بالای 4 و همینطور رقم 10.8 برای مدول هستیم.

در صورتی که خاک دانه ای باشد سه تراکم شل، متوسط و متراکم مدنظر است. به ترتیب خاک هایی که در لیست تراکم شل قرار دارند عدد spt کمتر از 10 و مدول عکس العمل 0.9 الی 1.5 دارند. در صورتی که سطح تراکم متوسط باشد عدد اس پی تی بین 10 الی 30 و مدول عکس العمل بستر نیز بین 0.9 الی 4.7 ارزیابی می شود. برای خاک های متراکم (بهترین نوع خاک) رقم اس پی تی بیش از 30 و مدول عکس العمل نیز بین 2.9 الی 18 گزارش شده است. 

کاربرد آزمایش نفوذ استاندارد SPT مشخص شد و همینطور ثابت شد که دستگاه کرگیری یکی از انتخاب های هوشمندانه به منظور اجرای دقیق اس پی تی است. اما یک سری پارامترهای مهم وجود دارد که بر روی عدد اس پی تی تاثیر می گذارند.

• نوع خاک: در صورتی که دستگاه کرگیری تشخیص دهد که خاک از نوع دانه درشت یا تیز گوشه است معمولاً عدد اس پی تی بیشتر خواهد بود. خاک هایی که گرد گوشه هستند و با عنوان ریزدانه شناخته می شوند، اس پی تی کمتری دارند.
• دانسیته نسبی: عدد اس پی تی و دانسیته طبیعی خاک رابطه مستقیم دارد. هرچه دانسیته طبیعی خاک بیشتر باشد در نهایت خاک تراکم بیشتری دارد. در نهایت عدد اس پی تی نیز بیشتر خواهد بود.
• تاریخچه تنش: تاریخچه تنش همان نسبت حداکثر تنش وارده به خاک در طول تاریخچه زمین شناسی است. هرچه این مقدار بیشتر باشد در نهایت سطح نفوذ استاندارد اس پی تی نیز بالاتر خواهد بود.
• تفکیک های مورد استفاده: در آزمایش نفوذ استاندارد SPT به کمک دستگاه کرگیری، تعداد دورپیچ های قرقره بسیار مهم است. همینطور قطر گمانه و یا چکشی که مورد استفاده قرار می گیرد نیز باید بررسی شود. موارد یاد شده بر روی رقم اس پی تی تاثیرگذار خواهند بود و بهترین عملکرد را دارند.

حال که توضیحات لازم در مورد آزمایش نفوذ استاندارد SPT صورت گرفت، وقتش رسیده در مورد روش انجام این آزمایش صحبت کنیم. این کار تخصصی است و نیاز به دقت مهندسی دارد و البته که انتخاب دستگاه کرگیری مناسب، سبب می شود تا میزان اشتباه به حداقل برسد.

برای انجام آزمایش نفوذ استاندارد SPT در ابتدا نیاز به گمانه یا وزنه مخصوص این کار است. قطر این وزنه بین 2.5 الی 18 اینچ در نظر گرفته شده است. این گمانه با عمق مورد نظر را پوشش می دهد. از میله ای استفاده می شود که دارای سر مته مخصوص حفاری است تا عمق مورد نظر محقق گردد. از سوی دیگر نوعی نمونه گیر spt وجود دارد که شامل استوانه ای توخالی است.

در امتداد طول این استوانه دو تقسیم بندی جداگانه دیده می شود. برای انجام آزمایش نفوذ استاندارد SPT نیاز به چکشی با وزن 63.5 کیلوگرم است. مکانیزمی که برای انجام این ازمایش مدنظر است یا به صورت اتومکانیک بوده و یا با مکانیزم قرقره و طناب اجرا می شود. ارتفاع مد نظر نیز 76 سانتی متر است. گمانه از این ارتفاع بر روی خاک رها می شود.

سه خط بر روی گمانه وجود دارد. برای اینکه خطوط دوم و سوم 15 سانتی متر در خاک نفوذ نمایند نیاز به تعداد ضربات مشخص خواهد بود. به این ترتیب جمع ضربات لازم رقم spt را مشخص می کند. دقت نمایید که نتایج به دست آمده برای 15 سانتی متر خط اول به خاطر وضعیت خاک گزینه معتبری نخواهد بود و خطوط دوم و سوم مدنظر هستند.

در نهایت کار می بایست نمونه گیر از میله حفاری جدا شود و خاکی که داخل نمونه گیر قرار گرفته است به آزمایشگاه فرستاده شود. نمونه ها می بایست در ظروف مخصوص هواگیری شوند. همینطور اطلاعات نام پروژه و شماره گمانه و میزان عمق و شمار ضربه ها نیز می بایست مشخص باشند.

نتیجه گیری

برای انجام آزمایش نفوذ استاندارد SPT نیاز به دستگاه کرگیری خواهد بود. بنابراین چه خوب است قطر حفاری، قطر راد، طول راد و همینطور حداکثر عمق حفاری و ابزارهای مورد نظر سنجیده شوند. هرچه قدرت موتور دستگاه قوی تر باشد در نهایت آزمایش نفوذ استاندارد SPT دقت بیشتری دارد. البته محیط پروژه نیز بر روی نتیجه نهایی تاثیرگذار خواهد بود. مثلاً دستگاه کرگیری با کرل 25 شرایط موتوری متفاوتی نسبت به کرل 100 دارد.

در آزمایش نفوذ استاندارد SPT فاصله کف شاسی دستگاه کرگیری تا زمین نیز از موارد مهم محسوب می شود. دستگاه حفاری کرگیری که توسط شرکت آرمیکو عرضه می شود توانسته علاوه بر آزمایش نفوذ استاندارد SPT برای سایر آزمایش های خاک نیز یک انتخاب درجه یک محسوب شود به طوری که دقت آزمایش 65 درصد بیشتر شده است.