دقت در کار،کیفیت در خدمات

آزمایش نفوذ استاندارد (SPT) چیست؟

آزمایش نفوذ استاندارد یا  (Standard Penetration Test)  در سال ۱۹۲۷ در آمریکا برای خاک های ماسه ای و شنی ابداع شد.
در آن زمان نمونه گیری از خاک ماسه ای و شنی به راحتی نمونه گیری از خاک های رسی نبود.
لذا لازم بود دستگاهی اختراع شود که بدون نیاز به نمونه گیری، خصوصیات خاک را در محل نشان دهد.
اما امروزه کاربرد آزمایش نفوذ استاندارد (SPT) محدود به خاک های درشت دانه نبوده و برای خاک های ریزدانه هم به کار می رود.
پس از زلزله نیگاتای ژاپن، محققین در پی یافت ارتباطی بین درصد تراکم و عدد (SPT) بودند.
پس از آن، استفاده از این آزمایش گسترش یافت و عدد (SPT) جهت حصول پارامترهای ژئوتکنیکی دیگر نیز گسترش یافت .این آزمایش در حین حفاری و در فواصل دو تا سه متری در عمق خاک انجام می شود.
استاندارد انجام این آزمایش  ASTM D1586-67 است.

در این آزمایش تعداد ضربات حاصل از سقوط وزنه ای  ۶۴کیلوگرمی از ارتفاع  ۷۶سانتی متری که باعث نفوذ ۳۰ سانتی متر از لوله ای به طول ۴۵ ، به قطر خارجی ۵ و قطر داخلی ۸/۳ سانتی متر می گردد ثبت می شود که نشانه میزان تراکم خاکهای درشت دانه یا یکنواختی خاک های ریز دانه و چسبنده است.

روی میله متصل به وزنه، سه خط پانزده سانتی متری وجود دارد.
تعداد ضربات لازم جهت نفوذ سه خط پانزده سانتی متری اطلاعات مفیدی به مهندسان ژئوتکنیک می دهد که موضوع این مقاله ماست.
مجموع ضربات لازم جهت نفوذ خط دوم و سوم، به عدد اس پی تی یا  معروف است.

آزمایش ضربه و نفوذ استاندارد  (SPT)به دلیل شرایط نامحصور شده  (Unconfined Situation)در گمانه های دستی معمولاً تعداد ضربات پایین تری نسبت به آزمایش مشابه درون گمانه های ماشینی نشان می دهد. زیرا خاک از کناره ها امکان فرار دارند و تعداد ضربات کاهش می یابد ، لذا باید اعداد مربوط اصلاح شوند تا مبنای مقایسه با تعداد ضربات  (SPT)درون گمانه های ماشینی قرار گیرند. از طرفی کلیه روابط بین (SPT) و خصوصیات خاک بر اساس تعریف (SPT) درون گمانه های ماشینی استوار است. مشکل دیگر (SPT) در خاک درشت دانه ، مستقل از گمانه های دستی و ماشینی وجود قلوه سنگ ، درون خاک درشت دانه می باشد که باعث بالا رفتن ظاهری تعداد ضربات (SPT) می گردد.

پارامترهای موثر بر عدد SPT
·  نوع خاک

  در خاک های درشت دانه و تیزگوشه عدد (SPT) بیشتر و در خاک های ریزدانه و گرد گوشه عدد SPT کمتر است.

·  دانسیته نسبی

   هرچه دانسیته طبیعی خاک بیشتر باشد و خاک متراکم تر باشد مقدار عدد اس پی تی SPT بیشتر خواهد شد.

· تاریخچه تنش

  هرچه میزان OCR خاک بالاتر باشد میزان عدد نفوذ استاندارد  SPT بالاتر خواهد بود.

· تکنیک استفاده شده

  نحوه انجام آزمایش  SPT می تواند در میزان N_{SPT} تاثیر گذار باشد.
  به عنوان مثال نوع چکش استفاده شده ، تعداد دورپیچ های قرقره ، قطر گمانه و… می تواند در عدد SPT تاثیر گذار باشد.

 

کاربردهای آزمایش نفوذ استاندارد SPT

 

۱– تخمین تراکم نسبی خاک (Dr)

محققین مختلفی عدد (SPT) را به درصد تراکم خاک مرتبط کرده اند. معروفترین آنها عبارتند از:

  • Skempton (۱۹۸۶)
  • Gibbs and Holts (1957)
  • peak and Bazara (1969)
   N_{SPT} ۰-۴ ۵-۹ ۱۰-۱۹ ۲۰-۲۹ ۳۰-۳۹ ۴۰-۴۹ بیش از ۵۰
میزان تراکم فوق العاده سست بسیار سست سست متوسط متراکم خیلی متراکم کاملا متراکم

در جدول زیر رابطه بین عدد SPT و میزان تراکم در خاک های درشت دانه ارایه گردیده است.

 

جدول زیر رابطه بین SPT و میزان تراکم در خاک های ریزدانه ارایه شده است.

    N_{SPT} ۰-۲ ۲-۵ ۵-۹ ۱۰-۲۰ ۲۱-۳۰ بیش از ۳۰
میزان تراکم بسیار سست نرم متوسط سفت خیلی سفت سخت

 

۲– تخمین مدول سختی ( E )

از دیگر پارامترهایی که می توان از عددهای  (SPT)بدست آورد، مدول الاستیسیته یا مدول سختی خاک است.
دانشمندان زیر در این زمینه فعالیت داشته اند:

  • Parry (1987)
  • Clayton (1995)

برخی محققین نیز ارتباط دادن عدد SPT را به مدول الاستیسیته صحیح نمی دانند و این عدد را به مدول برشی یا G ارتباط می دهند.

بعضی از روابط مدول الاستیسیته در جدول زیر خلاصه شده است.

نام مرجع رابطه با عدد  (SPT) مدول الاستیسیته
Das N_{SPT}\times 7/66 E
Bowels 12\times (N_{SPT}+6) E

 

 

۳– تخمین زاویه اصطکاک داخلی (Ø)

زاویه اصطکاک داخلی ازجمله پارامترهای مقاومت برشی است که از آزمایش سه محوری و یا آزمایش برش مستقیم به دست می آید.

می توان با روابط ارائه شده توسط محققین زیر، این پارامتر را به صورت غیرمستقیم نیز به دست آورد:

 

  • Meyerhof  (۱۹۷۶)
  • Peak and Hansen (1967)
  • Demell (1971)

 

برخی از روابط پیشنهادی که رابطه بین زاویه اصطکاک داخلی و عدد اس پی تی را بیان می کنند در جدول زیر آورده شده است.

 

۴– تخمین مقاومت برشی زهکشی نشده (Cu)

این پارامتر از آزمایش سه محوری UU به صورت مستقیم به دست می آید.
اما می توان آن را به صورت غیر مستقیم از عدد SPT نیز به دست آورد.
برای رسیدن به این هدف باید از روابط ارائه شده توسط Bowels (1996) استفاده کرد.

این دانشمند عقیده داشت که هنگام انجام آزمایش SPT آب فرصت زهکشی نداشته و شرایط مشابه آزمایش سه محوری زهکشی نشده است.

 

۵ – ارزیابی روانگرایی

از نتایج آزمایش SPT می توان جهت تخمین پتانسیل روانگرایی در خاک های ماسه ای استفاده کرد.
بدین ترتیب که در خاک های ماسه ای با سطح آب زیرزمینی بالا، هنگامی که N_{SPT} در خاک بالا باشد احتمال روانگرایی کم است و بالعکس.

 

۶ – تعیین تیپ بندی خاک

انواع تیپ بندی خاک  به صورت مستقیم با استفاده از سرعت موج برشی و از آزمایش دانهول به دست می آید.
اما با استفاده از عدد اس پی تی بدست آمده می توان تیپ خاک را تعیین کرد.
در آزمایش SPT ماشینی اگر عدد اس پی تی بیش از ۵۰ باشد خاک از نوع دو و یک است.
اگر عدد اس پی تی بین ۱۵ تا ۵۰ باشد، خاک تیپ سه است.
اگر عدد اس پی تی کمتر از ۱۵ باشد، خاک تیپ چهار است.

 

۷ – تعیین سرعت موج برشی (Vs)

سرعت موج برشی در خاک ها ، به سرعت حرکت موج S یا موج برشی در پروفیل خاک گفته می شود.
سرعت این موج به صورت مستقیم از آزمایش دانهول به دست می آید.
اما در طول زمان های مختلف روابط زیادی برای تخمین سرعت موج برشی ارایه شده است.
با استفاده از جدول زیر می توانید سرعت موج برشی را بر حسب نتایج آزمایش SPT تخمین بزنید.
در جدول زیر سرعت موج برشی بر حسب متر بر ثانیه ارائه شده است.
در روابط ارائه شده N عدد اس پی تی است که در واقع مجموع دو عدد دوم و سوم در آزمایش SPT می باشد.

 Z عمق قرار گیری خاک نسبت به صفر-صفر زمین است.

منبع نوع خاک سرعت موج برشی (Vs)
Imai and Tonouchi (1990) تمامی خاک ها ۹۷×(N^0.314)
Yokota et al. (1991) تمامی خاک ها ۱۲۱×(N^0.27)
Ohta and Tosiuna (1970) آبرفت ۸۵×(N^0.31)
Jopan (1980) رس ۱۰۰×(N^0.33)
Lee (1992) رس ۸۴٫۵ × ((z+1)^0.246) × N^0.118
Ohsaki and Iwasaki (1973) خاک فاقد چسبندگی ۵۹×(N^0.47)
Sykora and Stokee (1983) شن ۱۰۰×(N^0.29)
Gatmiri (2000) شن و ماسه ۱۱۶×(N^0.277)
Okamota et al. (1989) ماسه ۱۲۵×N.3
Lee (1990) ماسه ۵۷×N.49
Lee (1992) سیلت ۸۲٫۸×(z+1).223N.134
Jafari et al.(2000) خاک فاقد چسبندگی ۲۲×(N^0.85)
Yoshida et al. (1988) تمامی خاک ها ۸۳×(z^0.14)×(N^0.25)

 

۸ – تخمین مدول عکس العمل بستر (Ks)

مدول عکس العمل بستر (Ks) مقدار تنشی است که اگر به صورت قائم بر روی بستری وارد شود، موجب نشست به اندازه یک واحد خواهد کرد.
مقدار دقیق این پارامتر، از آزمایش بارگذاری صفحه بدست می آید.
اما می توان این مقدار را با استفاده از جدول زیر نیز تخمین زد.
در جدول زیر مقاومت محدود نشده بر حسب کیلوگرم بر سانتی متر مربع و مدول عکس العمل بستر بر حسب کیلوگرم بر سانتی متر مکعب بیان شده است.

 

برای تخمین مدول عکس العمل بستر در خاک های چسبنده از جدول زیر استفاده کنید.

 

خاک چسبنده
مدول عکس العمل بستر مقاومت محدود نشده میزان تراکم
۲/۷ ۱-۲ سفت
۲/۷ – ۵/۴ ۲-۴ خیلی سفت
۵/۴ – ۱۰/۸ بیش از ۴ سخت

 

برای تخمین مدول عکس العمل بستر در خاک های دانه ای از جدول زیر استفاده کنید.

خاک دانه ای
مدول عکس العمل بستر SPT عدد میزان تراکم
۰/۹ – ۱/۵ کمتر از ۱۰ شل
۰/۹ – ۴/۷ ۱۰-۳۰ متوسط
۲/۹ – ۱۸ بیش از ۳۰ متراکم

 

انواع آزمایش نفوذ استاندارد SPT

·          SPT ماشینی

آزمایش اس پی تی ماشینی یا آزمایش اس پی تی استاندارد، آزمایشی است که توسط دستگاه حفاری صورت می گیرد.
نوک چکش سه خط پانزده سانتی متری دارد و وزنه ۶۳٫۵ کیلوگرمی تا ارتفاع ۷۶ سانتی متری بالا آمده و از بالا رها می شود.

·         SPT دستی

آزمایش اس پی تی ماشینی در هر موقعیتی قابل انجام نیست.
لذا نوع کوچک شده ای از آزمایش اس پی تی استاندارد، SPT دستی یا اس پی تی آلمانی اختراع شد تا بتواند خصوصیات خاک را در همه جا به ما نشان دهد.
این آزمایش بر اساس استاندارد DIN آلمان انجام می شود.
از این رو به اس پی تی آلمانی نیز معروف است.
برای تبدیل نتایج آزمایش اس پی تی دستی به ماشینی از ضریب ۳/۲ استفاده می شود.

           SPT آلمانی

در گمانه های دستی معمولا این آزمایش با استفاده از دستگاه (SPT) آلمانی سبک صورت می پذیرد. در این آزمایش ضربه و نفوذ استاندارد تعداد ضربات حاصل ازسقوط وزنه ای ۱۰کیلوگرمی از ارتفاع ۵۰ سانتی متری که باعث نفوذ ۲۰ سانتی متر از میله ای به طول۳۰ ، به قطر نوک ۶/۳۵ و قطر میله ۲/۲ سانتی متر می گردد ثبت شده است. کلیتون و همکاران  با در نظر گرفتن کار انجام شده در واحد حجم نفوذ ، رابطه زیر را برای تبدیل ضربات سیستم های مختلف تست های نفوذ استاندارد بر اساس مشخصات وزن ، ارتفاع سقوط ، سطح مقطع سیستم نفوذ کننده و میزان نفوذ ارائه نموده اند:

                                                                                                                                                                 H_{e}=\frac{Mgh}{La}

  H_{e}: انرژی وزنه بر واحد حجم نفوذ ضربه                           

 M: جرم انرژی که از ارتفاع استاندارد سقوط می کند

 g: شتاب ثقل زمین

 h: ارتفاع سقوط وزنه

 L: طول نفوذ استاندارد برای ثبت تعداد ضربات (برای دستگاه نفوذ دستی استفاده شده ۱۰۰میلیمتر می باشد.)

 a: سطح مقطع نوک نفوذ کننده

 

Hammer Energy    (J/mm^{3}*10^{-4} ) DriveLength (mm) Cone Area( cm^{3}) Cone Diameter (mm) Drop Height (mm) Hammer

Mass (Kg)

  

Reference
۴٫۹ ۱۰۰ ۱۰ ۳۵٫۶ ۵۰۰ ۱۰ DIN 4094
۱۵٫۵ ۱۵۰ ۲۰ ۵۱ ۷۵۰ ۶۳٫۵ ASTM D 1586

مقادیر انرژی ضربه برای دستگاه نفوذ استاندارد دستی و دستگاه نفوذ استانداردSPT

 

با مقایسه انرژی دستگاه نفوذ استاندارد دستی با انرژی دستگاه نفوذ استاندارد SPT می توان ضریب تبدیل تعداد ضربات دستگاه نفوذ استاندارد دستی  ( N_{SPTe} )را به تعداد ضربات معادل نفوذ استاندارد بر اساس رابطه ذیل محاسبه نمود:

\frac{N_{SPT}(ASTM)}{N_{SPT}(DIN)}=\frac{15.5}{4.9}=3.16\cong 3.2

 

که تعداد ضربات  SPTآلمانی با استفاده از رابطه زیر قابل تبدیل به تعداد ضربات لازم جهت نفوذ  ۳۰ سانتی متر با SPT آمریکایی می باشد.

N_{(DIN)}=3.2 N_{(ASTM)}

 

به عنوان مثال اگر عدد SPT در آزمایش دستی ، ۳۲ شد ، به این معناست که اگر آزمایش را با چکش استاندارد ماشینی انجام می دادیم ، نتیجه معادل ۱۰ می شد.