آزمایش نفوذ مخروط (CPTu)

  آزمایش نفوذ مخروط (CPT) و پیزوکن (CPTu) :

   آزمایش نفوذ مخروط یا Cone Penetration Test یکی از مهم­ترین و پرکاربردترین آزمایش‌های صحرایی برای شناسایی لایه‌های زیرسطحی می‌باشد که نخستین بار در سال 1930 میلادی در هلند انجام شد و پس از آن تغییراتی بر روی دستگاه اولیه انجام و به عنوان یکی از مهم­ترین ابزار آزمایش‌های صحرایی مورد استفاده مهندسین ژئوتکنیک قرار گرفت. این آزمایش به دلیل سرعت، دقت و تکرارپذیری بالا و همچنین پیوستگی نتایج خروجی، کمک شایانی به برآورد مشخصات لایه­‌های زیرسطحی نموده و در سال­‌های اخیر استفاده از این آزمایش در پیشبرد مطالعات ژئوتکنیک در سراسر دنیا رواج یافته است.

   این آزمایش طبق استاندارد ASTM-D5778 و بر اساس نفوذ دستگاه با سرعت ثابت به درون زمین انجام می­‌گیرد. دستگاه این آزمایش از دو بخش اصلی تشکیل می‌شود، مخروط نفوذ و جدار استوانه‌ای که به آن متصل می‌گردد و نمای آن در شکل 1 نشان داده شده است. مخروط نفوذ با اتصال به رادهای حفاری و به کمک جک هیدرولیکی با سرعت ثابت 2 سانتیمتر بر ثانیه به اعماق زمین نفوذ کرده و در حین نفوذ مقاومت نوک (q_c) و اصطکاک جداره (f_s) با استفاده از سنسورهای تعبیه شده درون دستگاه به طور پیوسته یا متناوب ثبت می‌گردد. اگر دستگاه فوق قابلیت قرائت و ثبت فشار آب منفذی (u) در حین نفوذ را دارا باشد به آن پیزوکن یا CPTu اطلاق می‌گردد.

   به طور کلی این آزمایش بر روی خاک­‌های ریزدانه (خیلی نرم تا سفت) و خاک‌های دانه­‌ای سست تا نیمه متراکم مناسب بوده و حضور لایه‌های شنی و تخته سنگ، زون­‌های سیمانی و ماسه­ متراکم می‌تواند نفوذ مخروط را محدود کرده و موجب آسیب دیدن و انحراف مخروط و رادها گردد؛ ولی در خاک‌های نرم، نفوذ مخروط از سطح زمین تا عمق بیش از 100 متری به شرط حفظ قائم بودن نفوذ قابل انجام می‌باشد. 

شکل 1- نمونه ای از دستگاه نفوذ مخروط (CPT).

    سنسور اندازه‌­گیری فشار آب‌منفذی می ­تواند درون مخروط، بخش الحاقی استوانه و مخروط و یا پشت جداره اصطکاکی قرار داده شود. طبق استاندارد ASTM این سنسور عموما در محل اتصال جداره اصطکاکی و مخروط قرار داده می‌شود (بخش U₂ در شکل 2). مخروط نفوذ عموما دارای زاویه داخلی 60 درجه و سطح مقطع 10 سانتیمتر مربع می ­باشد و در حالتیکه فضای بیشتری برای نصب سنسورها داخل مخروط یا سختی بیشتر برای دستگاه نیاز باشد می‌­توان از مخروط با سطح مقطع 15 سانتیمتر مربع استفاده نمود. ارتفاع حدودی جداره اصطکاکی برای این دو سطح مقطع رایج به ترتیب 134 و 145 میلیمتر بوده و شماتیک آن در شکل 2 نشان داده شده ­است.

شکل 2- شماتیک طراحی نفوذسنج CPTu.

  مزایا آزمایش CPTu :

    این آزمایش نسبت به روش‌های رایج حفاری و نمونه­‌گیری و آزمایش‌های دیگر مزایای زیادی دارد، که عبارتند از:

 - ثبت اطلاعات پیوسته از لایه‌های خاک و درک دقیق‌­تری از شرایط زیر سطحی؛

 - قابلیت تکرار آزمایش در همان محدوده؛

 - صرفه جویی در هزینه نسبت به حفاری؛

 - اندازه‌گیری فشار آب منفذی و امکان بررسی سطح آب؛

 - داده‌های ارزشمند به دلیل عدم دستخوردگی نمونه (در رس نرم یا حساس و ماسه‌­های سست)؛

 - قابلیت ارزیابی پتانسیل روانگرایی به طور مستقیم از نتایج آزمایش CPTu؛

 - امکان محاسبه ظرفیت باربری انواع پی با استفاده مستقیم از نتایج CPTu؛

 - سرعت بالای انجام آزمایش نسبت به حفاری و نمونه‌گیری.

 

  دستگاه CPTu شرکت مهندسین مشاور باران خاک و پی :

   شرکت مهندسین مشاور باران خاک و پی با بهره­‌گیری از بروزترین تجهیزات شرکت هلندی A.P. van den berg، قابلیت انجام آزمایش CPTu در دریا و خشکی را دارا بوده و تاکنون پروژه­‌های متعددی با استفاده از این دستگاه برای تعیین مشخصات فیزیکی و مکانیکی لایه­‌های زیرسطحی انجام داده است. این شرکت مفتخر است که با تکیه بر توان بالای فنی و اجرایی خود، راهکارهای نوین جهت پیشبرد پروژه‌­­های فنی ویژه را در اختیار کارفرمایان محترم قرار می­‌دهد. نمای تجهیزات این دستگاه در شکل 3 نشان داده شده است. 

شکل 3- دستگاه CPTu موجود در شرکت مهندسین مشاور باران خاک و پی.   

در عملیات دریایی، تجهیزات CPTu و جک هیدرولیکی بر روی جک آپ بارج قرار داده می شوند و در محل مورد نظر در دریا آزمایش CPTu انجام می گردد.

برای انجام این آزمایش در خشکی، به منظور تامین سربار مورد نیاز و سهولت در جابجایی، تجهیزات فوق بر روی سیستم چرخ لاستیکی و یا چرخ زنجیری نصب شده و به موقعیت مورد نظر منتقل می گردند. نمونه این تجهیزات در شکل 4 نشان داده شده است.

 شکل 4- انجام آزمایش CPTu در خشکی. 

تحلیل نتایج حاصل از CPTu توسط مهندسین مشاور باران خاک و پی :

همانطور که پیشتر بیان شد، در این آزمایش مقاومت نوک مخروط، مقاومت جداره استوانه‌ای و فشار آب منفذی در حین انجام آزمایش و نفوذ مخروط به اعماق زمین، به طور پیوسته ثبت می‌گردد و توسط دیتالاگر روی سیستم نمایش داده می‌شود که توسط اپراتور مستقر در محل آزمایش رویت می‌شود. پس از رسیدن به عمق هدف و اتمام آزمایش، مهندسین این شرکت مشاور با استفاده از روابط همبستگی و به کمک نرم افزارهای مربوطه به بررسی لایه‌بندی خاک و محاسبه پارامترهای مکانیکی خاک می‌پردازند.

 ♦ در بررسی ژئوتکنیکی لایه های زیر سطحی مشخصات فیزیکی لایه‌های خاک همچون دانه‌بندی و طبقه‌بندی و دانسیته نسبی خاک محل مورد بررسی قرار می‌گیرد. نمونه‌ای از پروفیل دانه‌بندی خاک در شکل 5 نشان داده شده است.

 
شکل 5- پروفیل مشخصات فیزیکی نتایج آزمایش CPTu. 

  ♦ مشخصات مکانیکی خاک، همچون زاویه اصطکاک داخلی، ضریب چسبندگی، مقاومت برشی زهکشی نشده خاک، ضریب نفوذپذیری و تحکیم خاک، مدول الاستیسیته (E) و مدول برشی (G) و N₆₀ بر اساس روابط موجود محاسبه و ارائه می‌گردد. در نهایت با استفاده از روابط بیان شده توسط محققین، مشخصات مکانیکی خاک در عمق انجام CPTu به صورت گراف‌های نشان داده شده در شکل 6 ارائه می‌گردد.

شکل 6- پروفیل مکانیکی نتایج آزمایش CPTu. 

 ♦ در ادامه تحلیل نتایج آزمایش CPTu، می‌توان به محاسبات ژئوتکنیکی با استفاده از نتایج CPTu همچون بررسی روانگرایی، ظرفیت باربری و محاسبات شمع پرداخت. که در این بین انجام محاسبات روانگرایی با استفاده از نتایج CPTu یکی از مزایای اصلی استفاده از آزمایش نفوذ مخروط می‌باشد. که بدین منظور با استفاده از آیین‌نامه FHWA و مقاله Youd et al. (2001)، می‌توان لایه‌های مستعد روانگرایی خاک شناسایی نمود. در نتیجه این فرآیند گرافی مشابه با شکل 7 گزارش می‌شود که در آن ضریب اطمینان در برابر روانگرایی در عمق انجام CPTu ارائه می‌گردد.

شکل 7- ضریب اطمینان در برابر روانگرایی بر مبنای نتایج آزمایش CPTu.