آزمایش نفوذ مخروط (CPT)

   آزمایش نفوذ مخروط یا CPT یکی از مهم­ترین آزمایش‌های صحرایی می­‌باشد، که برای شناسایی لایه­‌های زیرسطحی به کار می‌­رود. نمای این دستگاه در شکل 1 نشان داده شده است، همانطور که مشخص است تجهیزات اصلی این دستگاه شامل مخروط نفوذ و یک جداره استوانه­‌ای می‌باشد. 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 ژئوتکنیکی در سراسر دنیا رواج یافته است. مبنای این آزمایش بر اساس نفوذ مخروط با سرعت ثابت به درون زمین می­‌باشد. مخروط نفوذ به قسمت انتهایی بخش استوانه‌ای دستگاه متصل شده و با اتصال به رادهای حفاری و به کمک جک هیدرولیکی با سرعت ثابت (طبق استاندارد 2 سانتی متر بر ثانیه) به اعماق زمین نفوذ کرده و در حین نفوذ مقاومت نوک و جداره مخروط با استفاده از سنسورهای تعبیه شده به طور پیوسته یا متناوب قرائت می­‌گردد. نمای شماتیک این آزمایش در شکل 2 ملاحظه می­‌گردد.

   این آزمایش در خاک­‌های نرم، تا عمق بیش از 100 متری از سطح زمین (به شرط حفظ قائم بودن نفوذ) قابل انجام بوده و حضورلایه‌های شنی، تخته سنگ، زون­‌های سیمانی و ماسه­‌ی متراکم می­‌تواند نفوذ مخروط را محدود کرده و موجب آسیب دیدن و انحراف مخروط و رادها گردد. به طور کلی آزمایش CPT سه کاربرد اصلی در روند ارزیابی محل پروژه دارد که عبارتند از:

  - تعیین لایه‌­بندی و تشخیص مصالح زیرسطحی؛

  - تعیین پارامترهای ژئوتکنیکی خاک محل؛

  - ارائه نتایج به منظور طراحی مستقیم ژئوتکنیکی.

 
شکل 1- نمونه­‌ای از مخروط نفوذ یا CPT.

شکل 2- نمای کلی آزمایش نفوذ مخروط بر اساس استاندارد ASTM D-5778.

 

   آزمایش نفوذ مخروط بر اساس استاندارد ASTM-D5778[1]، انجام می‌گردد و با استفاده از آن می‌توان مقاومت نوک مخروط، مقاومت اصطکاکی جدار استوانه‌ای و فشار آب منفذی ایجاد شده در حین نفوذ را به صورت پیوسته اندازه­‌گیری نمود. در این دستگاه، نیروی مقاوم وارده بر نوک مخروط و نیروی اصطکاکی وارده بر جداره دستگاه، توسط دو نیروسنج (لودسل) که درون نفوذسنج قرار دارند اندازه‌گیری می‌­شود. طبق استاندارد ASTM امکان استفاده از لودسل‌های مستقل یا نوع تفریقی میسر می‌باشد. شماتیک این دو نوع لودسل در شکل 3 نشان داده شده است. همانطور که در شکل سمت راست مشخص است، برای قرائت نیروی فشاری نوک و اصطکاک جداره دو لودسل مجزا و غیر وابسته درون دستگاه قرار دارد و ذر شکل سمت چپ، یکی از لودسل­‌ها نیروی فشاری نوک مخروط و لودسل دیگر مجموع نیروی فشاری وارده بر نوک مخروط و نیروی اصطکاک جداره را قرائت نموده و از تفریق این دو مقدار، نیروی اصطکاک جدار بدست ­می­‌آید. فارغ از نوع لودسل مورد استفاده، نیروسنج مورد استفاده برای اندازه‌گیری اصطکاک جداره باید فقط به تنش‌های برشی اعمال شده به جداره حساس باشد.

   نفوذسنج اصطکاکی الکتریکی (CPT) در حالاتی که فشار آب منفذی جزئی ایجاد می‌شود همچون ماسه­‌های تمیز، خاک­‌های دانه­‌ای و همچنین خاک‌های بالاتر از سطح آب زیرزمینی به کار می­‌رود. 

شکل 3- شماتیک رایج دستگاه نفوذ مخروطی-اصطکاکی الکترونیکی؛ الف) اندازه‌­گیری مجزا؛ ب) اندازه‌گیری نسبی.

 

   همانطور که پیشتر بیان شد، این دستگاه از اتصال مخروط نفوذ و جدار اصطکاکی تشکیل می‌شود که مخروط دستگاه از جنس فولاد با مقاومت بالا و سختی مناسب برای مقاومت در برابر سایش توسط خاک ساخته می­‌شود. دو طرح رایج برای ساخت مخروط نفوذ طبق استاندارد ASTM در شکل 4 نشان داده شده­ است. همانطور که در این شکل مشخص است، زاویه داخلی هر دو مخروط 60 درجه می‌­باشد و تفاوت آن‌­ها در قطر مخروط می­‌باشد. سطح مقطع 10 سانتیمترمربع به عنوان ابعاد استاندارد و مرجع برای آزمایش نفوذ مخروط معرفی شده است که می‌­توان نتایج سایر نفوذسنج‌­ها را با اعمال مقیاس، با نتایج آن مقایسه نمود. در صورتیکه برای اضافه کردن سنسورها یا افزایش سختی مخروط به فضای بیشتری نیاز باشد می­‌توان از مخروط با قطر 43/7 میلیمتر و سطح مقطع 15 سانتیمترمربع استفاده نمود.

   جدار اصطکاکی این دستگاه نیز، از فولاد با استحکام و سختی بالا ساخته شده تا در برابر فرسایش ناشی از خاک مقاومت کند. اگر سطح مقطع مخروط 10 سانتیمترمربع باشد، مساحت سطح جداره اصطکاکی 150 سانتیمترمربع می‌باشد و اگر سطح مقطع مخروط 15 سانتیمترمربع باشد، سطح جدار اصطکاکی می‌­بایست به نسبت طول به قطر مخروط با قطر 10 سانتیمترمربع  محاسبه گردد که در همان مقیاس 225 سانتیمترمربع می­‌باشد. در قسمت انتهایی استوانه دستگاه و قبل از پایه مخروط، یک ارتفاع 5 میلیمتری به منظور محافظت از لبه‌های بیرونی مخروط از سایش بیش از حد تعبیه شده است که در شکل 4 با نام h_e نشان داده شده است.

 

شکل 4- بازه ابعاد مخروط نفوذسنج.

    آزمایش نفوذ مخروط با قابلیت اندازه‌گیری فشار آب منفذی (CPTu)

   آزمایش نفوذ مخروط با اندازه­‌گیری فشار آب منفذی (CPTu) یک روش درجا به منظور شناسایی و طبقه­ بندی خاک می‌باشد که به طور گسترده در تحلیل­‌های ژئوتکنیکی و ارزیابی روانگرایی استفاده می‌شود. در این حالت علاوه بر مقاومت نوک و جداره، فشار آب حفره‌­ای نیز در حین نفوذ به طور پیوسته اندازه‌گیری می‌شود. به این دستگاه، نفوذسنج پیزوکن الکترونیکی یا به اختصار CPTu نیز اطلاق می­‌شود. CPTu شامل فیلتر متخلخل، مبدل­‌های فشار و پورت­‌های پر شده از مایع (که المان‌ها را برای اندازه‌گیری فشار آب منفذی به فشارسنج متصل می­‌کند) تشکیل شده است. این روش چندین مزیت و برتری نسبت به روش سنتی ترکیب حفاری و نمونه‌گیری و آزمایش‌­های دیگر دارد که عبارتند از:

• - داده‌های پیوسته برای درک دقیق‌­تری از شرایط زیر سطحی؛

• - داده‌های قابل اعتماد و قابل تکرار از نفوذ ؛

• - صرفه‌جویی در هزینه؛

• - جلوگیری از دست خوردگی خاک در هنگام نمونه‌گیری از رس نرم یا حساس و ماسه‌های سست؛

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

• - سرعت بیشتر اجرا نسبت به حفاری و نمونه‌گیری.

   در شکل 4، نمای کلی از طراحی­­‌های رایج پیزوکن برای دو سطح مقطع رایج CPT (سطح مقطع 10 و 15 سانتیمترمربع) نشان داده شده است. همانطور که پیشتر بیان شد، انجام این آزمایش در لایه‌­های شن و ماسه‌های متراکم به دلیل آسیب دیدن مخروط نفوذ و انحراف دستگاه، ممکن نمی‌باشد.

شکل 5- شماتیک طراحی نفوذسنج CPTu.

   فشار آب منفذی در آزمایش CPTu، با قرار دادن فیلتر متخلخل که درون آن ابزارهای الکترونیکی برای اندازه‌­گیری و ثبت فشار آب منفذی قرار داده شده است، قرائت می­‌شود. این فیلتر متخلخل در سه تراز مختلف درون پیزوکن می‌تواند قرار داده شود. این سه بخش که در شکل 5 نشان داده شده‌اند عبارتند از:

• - درون مخروط نفوذ (u₁ در شکل 5)

• - بخش الحاقی جداره استوانه‌­ای و مخروط نفوذ (u₂ در شکل 5)

• - در قسمت بالایی جداره استوانه­‌ای جداره اصطکاکی (u₃ در شکل 5).

شکل 6- موقعیت­های رایج برای اندازه‌­گیری فشار آب حفره­‌ای (u₁، u₂ و u₃).

شکل 7- جزئیات مخروط نفوذ در آزمایش CPT و CPTu.

 

 به منظور تصحیح مقادیر اندازه­‌گیری شده q_c به تنش کل q_t، کاهش آسیب و سایش کمتر سنگ متخلل استاندارد ASTM توصیه می­‌نماید که سنسور فشار آب منفذی در موقعیت u₂ نصب گردد.

   نتایج آزمایش CPTu

   همانطور که پیشتر بیان شد این آزمایش اطلاعات مفیدی از خاک در لایه‌­های زمین بدست می­‌دهد که در ادامه در رابطه با آن­‌ها توضیحات بیشتری ارائه می­‌گردد.

- در وهله اول، با استفاده از نتایج آزمایش CPTu می‌­توان مشخصات فیزیکی لایه­‌های خاک تا عمق مورد نظر را مشخص نمود. بدین منظور روابط همبستگی توسط محقیقین متعددی ارائه شده است و با استفاده آن­‌ها می­‌توان طبقه‌بندی خاک مورد نظر را مشخص نمود. به عنوان مثال استاندارد ASTM سیستم طبقه‌­بندی سه بعدی خود را مطابق با شکل 8 بر اساس نتایج آزمون CPTu پیشنهاد داده‌­است. دو نمودار نشان داده شده در شکل 8، هر سه بخش مجزای داده‌­های CPTu را در خود جای می‌­دهد. برای داده­‌های خام CPT، که مقاومت نوک و جدار ثبت شده است، گراف سمت چپ مورد استفاده قرار می­‌گیرد. در این حالت خطای استفاده از داده‌های مقاومت جدار اصلاح نشده، عموما تنها بر روی داده­‌های پایین نمودار که مقاومت نوک اصلاح نشده آن­‌ها کمتر از 10 باشد تاثیر می­‌گذارد. این بخش از نمودار مربوط به خاک­‌های نرم و ریزدانه می­‌باشد، که در آن­‌ها انتظار می‌­رود مقاومت نوک کم و فشار منفذی نفوذ (u₂) بزرگ باشد.

شکل 8- نمودار طبقه بندی نوع رفتار خاک بر اساس CPTu نرمال شده.

 

   - در وهله دوم، با استفاده از نتایج آزمایش CPTu می­‌توان مشخصات مکانیکی خاک را محاسبه نمود. بدین منظور با استفاده از روابط همبستگی می‌­توان زاویه اصطکاک داخلی، مدول الاستیسیته، چسبندگی و سایر پارامترهای مورد نیاز را بدست آورد.

   - در وهله آخر می­‌توان با استفاده از نتایج این آزمایش، محاسبات ژئوتکنیکی از جمله ظرفیت باربری انواع شمع‌­ها و محاسبات شمع و از همه مهم­تر ارزیابی روانگرایی را برای خاک مورد نظر بررسی نمود.

 خدمات این مهندسین مشاور با استفاده به تفضیل در CPTu آزمایش مطرح شده است.

[1] Standard Test Method for Electronic Friction Cone and Piezocone Penetration Testing of Soils.

•