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 در هلند انجام شد و پس از آن اصلاحاتی بر روی دستگاه اولیه انجام گرفت و به عنوان یکی از مهم‌ترین آزمایش‌های صحرایی مورد استفاده مهندسین ژئوتکنیک قرار گرفت. این آزمایش 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. 

فوق طبق استاندارد ASTM-D5778 بر اساس نفوذ یک مخروط فولادی متصل به یک جدار استوانه­‌ای با سرعت ثابت به درون زمین انجام می­‌گیرد. مخروط نفوذ با اتصال به رادهای حفاری و به کمک جک هیدرولیکی با سرعت ثابت 2 میلییمتر بر ثانیه به اعماق زمین نفوذ کرده و در حین نفوذ مقاومت نوک(qc) و جداره اصطکاکی(fs) با استفاده از سنسورهای تعبیه شده درون دستگاه به طور پیوسته یا متناوب ثبت می­‌گردد. در خاک­‌های نرم، نفوذ مخروط از سطح زمین تا عمق بیش از 100 متری به شرط حفظ قائم بودن نفوذ قابل انجام می­‌باشد به طور کلی این آزمایش بر روی خاک‌­های ریزدانه (خیلی نرم تا سفت) و خاک­‌های دانه‌­ای سست تا نیمه متراکم مناسب بوده و حضورلایه­‌های شنی و تخته سنگ، زون­‌های سیمانی و ماسه­‌ی متراکم می‌­تواند نفوذ مخروط را محدود کرده و موجب آسیب دیدن و انحراف مخروط و رادها گردد. اگر دستگاه فوق قابلیت قرائت و ثبت فشار آب منفذی(u) در حین نفوذ را دارا باشد به آن پیزوکن یا CPTu اطلاق می­‌گردد.

سنسور اندازه­‌گیری فشار آب منفذی می­‌تواند درون مخروط، بخش الحاقی استوانه و مخروط و یا پشت جداره اصطکاکی قرار داده شود. طبق استاندارد ASTM این سنسور عموماً در محل اتصال جداره و مخروط قرار داده می­‌شود که در شکل 2 موقعیت آن با u2 نشان داده شده است.

مخروط نفوذ عموماً دارای زاویه داخلی 60 درجه و سطح مقطع 10 سانتیمتر مربع می‌­باشد و در حالتیکه فضای بیشتری برای نصب سنسورها داخل مخروط یا سختی بیشتر برای دستگاه نیاز باشد می‌­توان از مخروط با سطح مقطع 15 سانتیمترمربع استفاده نمود. ارتفاع حدودی جداره اصطکاکی برای این دو مخروط رایج به ترتیب 134 و 145 میلیمتر می‌­باشد. شماتیک دو ابعاد رایج برای این دستگاه در شکل 2 نشان داده شده‌­است.

شکل 1- نمونه‌ای از مخروط نفوذ یا CPT.
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؛
  • صرفه‌جویی 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 محاسبه‌ی ظرفیت باربری انواع پی با استفاده مستقیم از نتایج CPTu؛
  • سرعت بالای انجام آزمایش نسبت به حفاری و نمونه­‌گیری.

 ملزومات و محدودیت­‌های آزمایش CPTu

  • نیاز به دقت بالای اپراتور برای کنترل لحظه‌­ای نتایج و توقف آزمایش در صورت برخورد به لایه‌­های سنگی یا خیلی متراکم و پیشگیری از آسیب دیدن مخروط؛
  • نیاز به تمیز کردن مخروط بعد از اتمام هر آزمایش و مراقبت و نگهداری ویژه از مخروط تا آزمایش بعدی؛
  • عدم امکان انجام آزمایش در خاک­‌های دانه‌­ای متراکم و لایه‌های سنگی و سیمانی؛
  • با وجود دست­یابی به اطلاعات ارزشمند از لایه‌­های خاک در اعماق زمین، امکان برداشت نمونه فیزیکی از لایه‌­های خاک میسر نمی­‌باشد.

دستگاه CPTu شرکت 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. در عملیات دریایی، تجهیزات CPTu و جک هیدرولیکی بر روی جک آپ بارج قرار داده می­‌شود و در نقطه مورد نظر در دریا آزمایش CPTu انجام می­‌گیرد. 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 می‌­شود. نمونه­ تجهیزات این آزمایش و قابلیت­‌های شرکت باران خاک و پی در شکل­‌های زیر نشان داده شده 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.

شکل 3- دستگاه CPTu موجود در شرکت باران خاک و پی.
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 پارمترهای مکانیکی خاک می­‌پردازند.

  • در بررسی ژئوتکنیکی لایه­‌های 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 شده‌است.
شکل 5- پروفیل مشخصات فیزیکی نتایج آزمایش CPTu.
  • همچنین 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، پرداخت و روانگرایی، ظرفیت باربری و محاسبات شمع را انجام داد. 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 آیین نامه FHWA و مقاله Youd et al. (2001) ، می­‌توان لایه‌­های مستعد روانگرایی خاک شناسایی نمود. در نتیجه این فرآیند به گرافی مشابه با شکل 7 گزارش می­‌شود که در آن ضریب اطمینان در برابر روانگرایی در طول آزمایش CPTu ارائه می­‌گردد.
شکل 7- نمونه‌ای از گراف ضریب اطمینان در برابر روانگرایی.