آزمایش نفوذ مخروط با قابلیت اندازه گیری فشار آب منفذی (CPTu)

آزمایش نفوذ مخروط یا CPTu یکی از مهم ترین آزمایش های صحرایی می باشد، که برای شناسایی لایه های زیرسطحی به کار می رود. نمای این دستگاه در شکل 1 نشان داده شده است، همانطور که مشخص است تجهیزات اصلی این دستگاه شامل مخروط نفوذ و یک جداره استوانه ای می باشد. این آزمایش به دلیل سرعت، دقت و تکرارپذیری بالا و همچنین پیوستگی نتایج خروجی، کمک شایانی به برآورد مشخصات لایه های زیرسطحی نموده و در سال های 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 می باشد. مخروط نفوذ به قسمت انتهایی بخش استوانه ای دستگاه متصل شده و با اتصال به رادهای حفاری و به کمک جک هیدرولیکی با سرعت ثابت (طبق استاندارد cm⁄s 2) 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 می¬گردد. نمای شماتیک این آزمایش در شکل 2 ملاحظه می گردد.

این آزمایش در خاک های نرم، تا عمق بیش از 100 متری از سطح زمین (به شرط حفظ قائم بودن نفوذ) قابل انجام بوده و حضورلایه های شنی، تخته سنگ، زون های سیمانی و ماسه ی متراکم می تواند نفوذ مخروط را محدود کرده و موجب آسیب دیدن و انحراف مخروط و رادها گردد. به طور کلی آزمایش CPTu سه کاربرد اصلی در روند ارزیابی محل پروژه دارد که عبارتند از:

آزمایش نفوذ مخروط بر اساس استاندارد ASTM-D5778 ، انجام می گردد و با استفاده از آن می توان مقاومت نوک مخروط، مقاومت اصطکاکی جدار استوانه ای و فشار آب منفذی ایجاد شده در حین نفوذ را به صورت پیوسته اندازه گیری نمود. در این دستگاه، نیروی مقاوم وارده بر نوک مخروط و نیروی اصطکاکی وارده بر جداره دستگاه، توسط دو نیروسنج که درون نفوذسنج قرار دارند اندازه گیری می شود. طبق استاندارد ASTM امکان استفاده از لودسل های مستقل یا نوع تفریقی میسر می باشد. 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 لودسل ها 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 می آید. فارغ از نوع لودسل مورد استفاده، نیروسنج مورد استفاده برای اندازه¬گیری اصطکاک جداره باید فقط به تنش¬های برشی اعمال شده به جداره حساس باشد.

نفوذسنج اصطکاکی الکتریکی (CPTu) در حالاتی که فشار آب منفذی جزئی ایجاد می شود همچون ماسه های تمیز، خاک های دانه ای و همچنین خاک های بالاتر از سطح آب زیرزمینی به کار می رود.

همانطور که پیشتر بیان شد، این دستگاه از اتصال مخروط نفوذ و جدار اصطکاکی تشکیل می شود که مخروط دستگاه از جنس فولاد با مقاومت بالا و سختی مناسب برای مقاومت در برابر سایش توسط خاک ساخته می شود. 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 می باشد و تفاوت آن ها در قطر مخروط می باشد. سطح مقطع cm210 به عنوان ابعاد استاندارد و مرجع برای آزمایش نفوذ مخروط معرفی شده است که می توان نتایج سایر نفوذسنج ها را با اعمال مقیاس، با نتایج آن مقایسه نمود. در صورتیکه برای اضافه کردن سنسورها یا افزایش سختی مخروط به فضای بیشتری نیاز باشد می توان از مخروط با قطر 7/43 میلیمتر و سطح مقطع cm2 15 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 cm2 10 باشد، مساحت سطح جداره اصطکاکی cm2 150 می باشد و اگر سطح مقطع مخروط cm2 15 باشد، سطح جدار اصطکاکی می بایست به نسبت طول به قطر مخروط با قطر cm2 10 محاسبه گردد که در همان مقیاس cm2 225 می باشد. در قسمت انتهایی استوانه دستگاه و قبل از پایه مخروط، یک ارتفاع 5 میلیمتری به منظور محافظت از لبه های بیرونی مخروط از سایش بیش از حد تعبیه شده است که در شکل 4 با نام he نشان داده شده است.

ویژگیهای آزمایش نفوذ مخروط با قابلیت اندازه گیری فشار آب منفذی (CPTu)

آزمایش نفوذ مخروط با اندازه گیری فشار آب منفذی (CPTu) یک روش درجا به منظور شناسایی و طبقه بندی خاک می باشد که به طور گسترده در تحلیل های ژئوتکنیکی و ارزیابی روانگرایی استفاده می شود. در این حالت علاوه بر مقاومت نوک و جداره، فشار آب حفره ای نیز در حین نفوذ به طور پیوسته اندازه گیری می شود. به این دستگاه، نفوذسنج پیزوکن الکترونیکی یا به اختصار CPTu نیز اطلاق می شود. CPTu شامل فیلتر متخلخل، مبدل های فشار و پورت های پر شده از مایع (که المان‌ها را برای اندازه گیری فشار آب منفذی به فشارسنج متصل می کند) تشکیل شده است. این روش چندین مزیت و برتری نسبت به روش سنتی ترکیب حفاری و نمونه گیری و آزمایش های دیگر دارد که عبارتند از:

در شکل 4، نمای کلی از طراحی های رایج پیزوکن برای دو سطح مقطع رایج CPT (سطح مقطع cm2 10 و 15) نشان داده شده است. همانطور که پیشتر بیان شد، انجام این آزمایش در لایه های شن و ماسه های متراکم به دلیل آسیب دیدن مخروط نفوذ و انحراف دستگاه، ممکن نمی باشد.

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

به منظور تصحیح مقادیر اندازه گیری شده qc به تنش کل qt، کاهش آسیب و سایش کمتر سنگ متخلل استاندارد ASTM توصیه می نماید 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 لایه های زمین بدست می دهد که در ادامه در رابطه با آن ها توضیحات بیشتری ارائه می گردد.

در وهله اول، با استفاده از نتایج آزمایش CPTu می توان مشخصات فیزیکی لایه های خاک تا عمق مورد نظر را مشخص نمود. بدین منظور روابط همبستگی توسط محقیقین متعددی ارائه شده است و با استفاده آن ها می توان طبقه بندی خاک مورد نظر را مشخص نمود. به عنوان مثال استاندارد ASTM سیستم طبقه بندی سه بعدی خود را مطابق با شکل 7 بر اساس نتایج آزمون CPTu پیشنهاد داده است. دو نمودار نشان داده شده در شکل 7، هر سه بخش مجزای داده های CPTu را در خود جای می دهد. برای داده های خام CPT، که مقاومت نوک و جدار ثبت شده است، گراف سمت چپ مورد استفاده قرار می گیرد. در این حالت خطای استفاده از داده های مقاومت جدار اصلاح نشده، عموما تنها بر روی داده های پایین نمودار که مقاومت نوک اصلاح نشده آن ها کمتر از 10 باشد تاثیر می گذارد. این بخش از نمودار مربوط به خاک های نرم و ریزدانه می باشد، که در آن ها انتظار می رود مقاومت نوک کم و فشار منفذی نفوذ (u2) بزرگ باشد.

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

در وهله آخر می توان با استفاده از نتایج این آزمایش، محاسبات ژئوتکنیکی از جمله ظرفیت باربری انواع شمع ها و محاسبات شمع و از همه مهم تر ارزیابی روانگرایی را برای خاک مورد نظر بررسی نمود.