آزمايش نفوذ استاندارد (SPT )

– این مقاله دارای تصویر است –
با توجه به مشكلات تهيه نمونه هاي دست نخورده استفاده از ازمونهاي صحرايي نفوذ بسرعت در حال گسترش مي باشد متداولترين آزمايش هاي صحراييشامل آزمايش نفوذ استاندارد (SPT ) آزمايش مخروط نفوذ و آزمايش برش پره اي مي باشند.

آزمايش نفوذ استاندارد كه در سال ۱۹۳۷ ابداع شد . در حال حاضر مردمي ترين و اقتصادي ترين ابزار براي كسب اطلاعات زير سطحي ( هم در خشكي و هم در آب ) مي باشد برآورد مي شود كه ۸۵ تا ۹۰ درصد طراحي پي هاي متعارف در آمريكاي شمالي و جنوبي با بكارگيري آزمايش نفوذ استاندارد انجام مي شود . همچنين اين آزمايش در ديگر مناطق جغرافيايي بطور وسيعي مورد استفاده قرار ميگيرد از سال ۱۹۵۸ اين آزمايش تحت عنوان ۱۵۸۶ ASTM بصورت استاندارد درآمد و تا بحال چندين بار مورد تجديد نظر قرار گرفته است . بطور كلي پس از انجام حفاري تا عمق مورد نظر آزمايش شامل مراحل زير است :

۱- گويش نمونه گير دو كفه اي استاندارد با ابعاد نشان داده شده در شكل ۳-۴ a به داخل خاك ته گمانه تا نفوذ معين mm 460 عمل گويش با بكار بردن يك وزنه ۵/۶۳ كيلوگرمي بعنوان جرم گويش يا ارتفاع سقوط mm 760 انجام مي شود
۲-شمارش تعداد ضربات لازم براي كوبش نمونه گير براي حداقل دو عمق نفوذ ۱۵۰ ميليمتري آخر ( جمعا ۳۰ميلي متر ) براي بدست آوردن عددN.

چندين مجموعه چكش مورد استفاده در اين ازمايش در شكل ۳-۷ نشان داده شده اند . روي بخش نمايان ميله حفاري سه فاصله ۱۵۰ ميليمتري نشانه گذاري و ميله هادي در ۷۶۰ ميليمتري علامتگذاري شود ( براي چكشهاي دستي ) عرف معمول براينست كه انجام ازمايش SPT بعد از رسيدن به گمانه به عمق حدود ۱ تا ۵/۱ متر شروع شده و هر ا تا ۲ متر تكرار مي گردد بعد ازرسيدن به عمق مورد نظر وتميزكردن گمانه از مواد حفاري سست نمونه گير دوكفه اي به ميله

حفاري متصل و بر خاك ته گمانه قرار ميگيرد . سپس جهت رسيدن به خاك دست نخورده ، نمونه گير تا عمق نفوذ ۱۵۰ ميليمتر كوبيده شده و تعدا ضربات مربوه ثبت مي گردد (مگر آنكه نفوذ بصورت فروافتادن بوده و ضربات قابل شمارش نباشد ) جمع ضربات لازم براي دو نفوذ ۱۵۰ ميليمتري آخر بعنوان عدد نفوذ N مورداستفاده قرار مي گيرد مگر آنكه نتوان نفوذ مرحله سوم را كامل نمود در حالت اخير ضربات مربوط به ۳۰ ميليمتر نفوذ اول بعنوان N ثبت مي گردد .

شكل ۳-۷
در موارد زير آزمايش فاقد اعتبار بوده و انجام آن متوقف مي گردد .
۱- براي هر مرحله نفوذ ۱۵۰ميليمتري و ۵۰ ضربه مورد نياز باشد
۲- تعدا ضربات نفوذ به صد ضربه برسد ( ياصد ضربه براي نفوذ ۳۰ ميليمتر )
۳- يا ده ضربه متوالي هيچ نفوذي صورت نگيرد .

زمانيكه تعداد ضربات بالاباشد ، فرسايش اضافي در ابزار و كاهش زياد متراژ حفاري روزانه بوجود مي آيد .استاندارد كردن امتناع گمانه درصد ضربه اين امكان را فراهم مي سازد تا كليه سازمانهاي حفاري هزينه عمليات را استاندارد نمايند بطوريكه تعداد ضربات بيشتر زمينه تقاضاي هزينه بيشتر براي حفر واحد طول گمانه يا نوعي عمليات مغزه گيري را فراهم مي نمايد .
هم قبل از استاندارد كردن SPT و هم بعد از آن در مقادير N گمانه هاي مجاور يا مقادير حاصل از ابزارهاي مختلف درگمانه هاي مجاور يكسان نبودند بخاطر استفاده وسيع از SPT اين مسئله توجه بيشتري به خود جلب نمود . در بررسي هاي اوليه فشار سربار و طول ميله حفاري از دلائل عمده اين تفاوت شناخته شد . در بررسي هاي بعدي معلوم شد كه انرژي گوي واستهلاك آن در اطراف نمونه گير از عوامل اصلي تفاوتهاي زياد در مقادير N مي باشد .

تعدا ضربه مستقيما به انرژي گويشي مربوط مي شود كه بطورنظري به صورت زير محاسبه مي شود:
الف)
ب)

(ج)
كه در آن w وزن يا جرم چكش و h ارتفاع سقوط مي باشد .
آزمايش نفوذ استاندارد توسط نوعي نسبت انرژي استاندارد شود . اين نسبت مي بايست به صورت زير محاسبه شود :

كه در آن Ea انرژي واقعي انتقال يافته به نمونه گير و انرژي ورودي مي باشد .

باولز برآورد نموده است كه نسبت انرژي ابزارهاي مورد استفاده امريكاي شمالي به ۷۰ درصد نزديك مي باشد و لذا اين نسبت انرژي را بعنوان نسبت انرژي استاندارد انتخاب نموده است در پيش نويس دستورالعمل آزمايش تهيه شده درايران اين تسبت ۶۰ درصد پيشنهاد شده است .
تعداد ضربات استاندارد ( عدد نفوذ بر مبناي نسبت انرژي استاندارد ۷۰ درصد ) را مي توان ازمقدار اندازه گيري شده عدد نفوذ N به صورت زير محاسبه نمود :
(۳-۳)
كه در آن ضرايب تعديل از جدول ۳-۳ ( و محاسبه شده به صورت نشان داده شده ) مي باشند . مقدار عدد نفوذ تعديل شده كه زيرنويس آن نشانگر نسبت انرژي استاندارد و علامت پريم نشانه تعديل يافتگي آنست . ضريب تعديل براي اثر فشار روباره مي باشد كه به صورت زير محاسبه ميشود .

دراعمال زير تصحيح مي بايست نكات زير مورد توجه قرار گيرند .
۱- چنانچه با اعمال چگالي نسبت كمتر از ۵/۰ گردد . ( بخش ۳-۸) اعمال اين تصحيح لازم نيست .
۲- در هر شرايطي نبايد از ۲ بزرگتر ويا خيلي كمتر از ۱ باشد ( )
براي گمانه با قطر كوچك نمونه گير فاقد لوله آستري ،طول ميله در اين حالت بيش از ده متر حفاري با نسبت انرژي كليه ضرايب برابر با يك مي باشند . دراينحالت تنها صحيح لازم مربوط به فشار سربار با استفاده از مي باشد .

درعمل چندين :
زينه براي تصحيح به شرح زير وجود دارد :
۱- هيچگونه تصحيحي انجام نشود كه با شرايط و ابزار كنوني ممكن است تقيبا صحيح باشد . اينكار
مي تواند داراي اين مزيت باشد كه افزايش سفتي خاك( ) باعمق را ثبت نمايد و تغييرات بيشتر مي تواند نشانگر سيماني شدگي يا پيش تحكيم يافتگي باشد . ( ) .
۲- تنها صحيح فشار سربار اعمال گردد . ( ) از رابطه مربوط محاسبه شود .

.
۳- از معادله ۳-۳ استفاده شود اينگزينه احتمالا بهترين روش مي باشد اما به واسنجي (calibration ) ابزار براي هم براي دستگاه حفاري و هم خودحفار نياز دارد بعلاوه حفاري بلحاظ فرسايش و تغييرات كلي ناشي از استفاده مستمر به طور منظم نياز به واسنجي مجدد دارد . اين روال ايجاب مي كند تا در مناطق جغرافيايي كه ازابزار حفاري مختلف ( و. نسبت انرژي متفاو.ت ) استفاده ميشود اطلاعات عدد نفوذ N ارزيابي شود .

استفاده از نتايج SPT
SPT در ابتدا براي استفاده در خاكهاي ماسه اي ابداع شده ، اما در حال حاضر بطوركلي براي كليه خاكها درهر عمقي مورد استفاده قرار مي گيرد براي هر آزمايش يك نمونه به طول حدود ۴۶۰ ميليمتر شامل عمق جاگيري استحصال مي گردد كه يك نيمرخ مشاهده اي از حدود ۵۰ درصد عمق گمانه بدست مي دهد . از اينرو نمونه هاي آزمايش SPT بعنوان بخشي از نيمرخ خاك ناحيه و جهت آزمونهاي طبقه بندي خاك مورد استفاده قرار مي گيرند .

نتايج SPT ‌براي تعيين وزن واحد ، چگالي نسبت زاويه اصطكاك داخلي خاكهاي غير چسبنده و مقاومت فشاري زهكشي نشده خاكهاي چسبنده ، از طريق روابط تجربي مورد استفاده قرار گرفته است همچنين SPT براي تخمين ظرفيت باربري انواع شالوده و برآورد ضريسب تنش – كرنش بكار برده شده است .
روابط تجربي SPT براي تخمين خواص خاكهاي غير چسنبده
روابط تجربي عدد SPT با زاويه اصطكاك داخلي .
براي راهها و پلها
براي ساختمانها
در حالت كلي
براي بطور غير مستقيم توسط ميرهوف (۱۹۵۷) به صورت زير پيشنهاد شده است :

اسكمپتون (skempton 1986) با بكارگيري يك پايگاه اطلاعاتي از پنج خاك مختلف دريافت كه براي معادله فوق وابسته به محل مي باشند و پارامتر A در دامنه اي از ۱۵ تا حدود ۵۴و B از ۳۰۶/۰ تا ۲۰۴/۰ مي باشد ( با استفاده از مبناي ) اين پراكندگي بنحوي است كه بكارگيري مقادير متوسط تا حدودي غير ممكن مي باشد اما با استفاده از اين مقادير متوسط داريم :

كه در آن بر حسب KPA مي باشد براي وزن واحد متوسط ۱۶ تا و براي عمق حدود ۶ متري مي توان اين رابطه را بدست آورد. كه به عنوان يك راهنما در تعيين مقادير N براي ماسه هاي عادي تحكيم يافته در جدول مورد استفاده قرار گرفته است .

جدول ۳-۴
شرح وضعيت خيلي سست سست باتراكم متوسط متراكم خيلي متراكم
چگالي نسبي ۰ ۱۵/۰ ۳۵/۰ ۶۵/۰ ۸۵/۰
: ريز دانه
۲-۱ ۶-۳ ۱۵-۷ ۳۰-۱۶ ۲۰
متوسط ۳-۲ ۷-۴ ۲۰-۸ ۴۰-۲۱ ۴۰
درشت ۶-۳ ۹-۵ ۲۵-۱۰ ۴۵-۲۶ ۴۵
: ريز دانه
۲۸-۲۶ ۳۰-۲۸ ۳۴-۳۰ ۲۸-۳۳
متوسط ۲۸-۲۷ ۳۲-۳۰ ۳۶-۳۲ ۴۲-۳۶ ۵۰
درشت ۳۰-۲۸ ۳۴-۳۰ ۴۰-۳۳ ۵۰-۴۰

۱۶-۱۱ ۱۸-۱۴ ۲۰-۱۷ ۲۲-۱۷ ۲۳-۲۰

ما سه هاي پيش تحكيم يافته ( ) تعديل زير توسط اسكمپتون ( ۱۹۸۶) پيشنهاد گرديد:

نماد جديد به صورت زير تعريف مي شود :
(۳-۶)
براي ماسه عادي تحكيم يافته از معادله فوق ضريب بدست مي آيد .
با بكارگيري مي توان مقدار را به صورت زير برآورد نمود .

عدد نفوذ SPT و مقاومت برشي زهكشي نشده ارائه شده است .

كه در آن ضريب K برابر و همچنين رابطه مشابهي بين و بصورت زير پيشنهاد شده است .

با توجه به تغييرات در OCR كهولت ( aging ) ميزان آب نمونه ( يا موقعيت آب زيرزميني ) وجود يا نبود كل حفاري و تغييرات محلي به لحاظ تاريخي نحوه تشكيل رسوب و حضور شن وغيره اين توصيه ها بجا و صحيح مي باشد .

مقادير N براي طراحي
توصيه هاي اوليه جهت انتخاب مقدار N براي طراحي ، بكارگيري كوچكترين مقدار N در يك گمانه يا متوسط كليه مقادير براي يك لايه بخصوص بود . روش كنوني استفاده از متوسط N در ناحيه تحت تاثير عمده تنش مي باشد. براي مثال براي يك شالوده منفرد ناحيه مورد توجه از حدود (B عرض شالوده ) بالاي كف پي تا عمقي در حدود در زير آن مي باشد . استفاده ازمتوسط گيري وزني يا بكارگيري حاصلضرب افزايش جزئي عمق در N ممكن است بر متوسط گيري حسابي ارجح باشد ، يعني متوسط مورد استفاده مي باشد نه براي شالوده هاي شمعي مي توان با متوسط گيري ساده تعداد ضربات براي هر لايه را اعمال نمود مگر آنكه لايه بسيار ضخيم باشد . ضخامت در اينجا يك اصطلاح نسبي

مي باشد براي لايه ضخيم بهتراست آنرا به چندين زير لايه تقسيم نمود و متوسط عدد N در هر زير لايه رابدست آورد سپس مي توان متوسط تصحيح شده ( يا مقدار پايه ديگري) را از مقادير N اندازه گيري شده درناحيه و اطلاعات لايه بندي محاسبه نمود .
بكارگيري ضريب در معادله (۳-۳) هر مقدار N رابه مقداري متناظر با عمق معادل اصلاح نموده و عمدتا تاثير عمق را حذف مينمايد ازطرف ديگر چنانچه بخواهيم مقدار N اب راي ناحيه اي بطور مثال در زير يك شالوده منفرد بدست آوريم مي بايست ضريب را بعد از محاسبه متوسط اعمال نماييم .