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.
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.
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.
- 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.
- 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.
