آزمایش ضربه و نفوذ استاندارد SPT

آزمایش ضربه و نفوذ استاندارد SPT + استانداردها و محاسبات

آزمایش ضربه و نفوذ استاندارد SPT ، عمدتا برای تعیین خصوصیات مقاومتی و نشست پذیری خاک های غیر چسبنده به کار می رود. در خاک های درشت دانه، که درصد دانه های شنی و قلوه سنگ در آنها زیاد است، از نتایج آزمایش باید با احتیاط استفاده نمود.

تعاریف

 شمارش N: شمارش ضربه های لازم برای نفوذ نمونه گیر، در فاصله ۱۵ تا ۴۵ سانتیمتر از کف گمانه.

نسبت انرژی واقعی (ER₁): نسبت انرژی واقعی رسیده به میله های حفاری زیر کلاهک، به انرژی تئوریک سقوط آزاد چکش، برحسب درصد ( Energy Ratio)

شمارش N₆₀: آن مقدار از N، که نسبت به انرژی مرجع(ER₁)، معادل ۶۰٪ انرژی به انرژی تئوریک سقوط آزاد، اصلاح شده است.

شمارش N₁)₆₀): آن مقدار از N، که نسبت به انرژی مرجع (ER₁) و فشار روباره برابر ۱۰۰ کیلوپاسکال، اصلاح شده است.

شرح مختصری از آزمایش ضربه و نفوذ استاندارد SPT

روش حفاری و تجهیزات

• در حفاری Wash Boring، باید از مته با تخلیۀ جانبی استفاده شود. بکارگیری مته از نوع تخلیه تحتانی، مجاز نیست؛
• روش استفاده از جریان آب از داخل لوله نمونه گیر، برای حفاری، تا رسیدن به عمق آزمایش و سپس انجام آزمایش در آن عمق، اجازه داده نمی شود؛
• در حفاری Percussion با Shell و Auger، که همراه با نصب لوله جدار (Casing) باشد، قطر ابزار حفاری نیز، نباید از ۹۰ درصد قطر داخلی لوله جدار بیشتر باشد؛
• در خاک هایی که دیواره گمانه در آنها پایدار نیست، استفاده از لوله جدار و یا گل حفاری (بنتونیت) اجباری است؛
• قطر گمانه آزمایش، باید بین ۶۳/۵ تا ۱۵۰ میلیمتر باشد؛
• استفاده از نتایج آزمایش SPT در گمانه های دستی، برای برآوردهای کمی مجاز نیست؛ و
• در خاک های شنی درشت دانه، مخروط توپر ۶۰ درجه، جایگزین کفشک می شود.

خرید چکش SPT

روش آزمایش

• دستور کار اعماق آزمایش را معمولا کارشناس ژئوتکنیک تعیین می کند. عموما در لایه های یکنواخت، فواصل آزمایش و نمونه برداری، ۱/۵ متر و یا در محل هر تغییر لایه، انتخاب می شود؛
• هنگامی که در حفاری از لوله جدار استفاده می شود، راندن لوله جدار، جلوتر از محل آزمایش، مجاز نیست؛ و
• شمارش ضربه های وارده برای هر ۱۵ سانتیمتر نفوذ، تا رسیدن به یکی از شرایط زیر ادامه می یابد .

1. روی هم، ۵۰ ضربه، برای هر یک از ۳ فاصله ۱۵ سانتیمتر نفوذ نمونه گیر زده شود؛
2. روی هم، ۱۰۰ ضربه چکش زده شود؛
3. بعد از ۱۰ ضربه پیاپی چکش بر نمونه گیر، هیچ گونه نفوذی مشاهده نشود؛
4. نمونه گیر، ۴۵ سانتیمتر نفوذ نماید.

نکته اگر نمونه گیر با وزن میله های حفاری و یا میله ها به اضافه وزن چکش، به صورت آزاد در کف گمانه فرو رود، عدد N، معادل صفر در نظر گرفته می شود.

 گزارش

• اطلاعات زیر، باید ثبت و گزارش شوند:
• روش حفاری و تمیز نمودن گمانه؛
• روش نگهداری جدار گمانه؛
• عمق سطح گمانه و عمق حفاری، که در آن عمق، فرار مایع حفاری رخ داده است، همراه با زمان و تاریخ قرائت یا مشاهده آن؛
• محل تغییر لایه؛
• اندازه لوله جدار، عمق لوله گذاری شده گمانه؛
• تجهیزات و روش فرو راندن نمونه گیر(نوع چکش، مکانیزم سقوط، وزن کلاهک، نسبت انرژی مرجع و …)؛
• نوع نمونه گیر، طول و قطر لوله داخلی نمونه گیر(در صورت استفاده از لوله داخلی)؛ و
• اندازه، نوع و طول میله های نمونه گیری.

اطلاعات زیر، برای نمونه های حقاری شده، باید ثبت و گزارش شوند:

• عمق و شماره نمونه؛
• تشریح نظری خاک، طبق استاندارد ASTM-D2488، شامل ترکیب خاک، رنگ، لایه بندی و وضعیت تراکمی؛
• تغییر لایه ها در نمونه؛
• طول نفوذ و طول نمونه های بازیافتی؛ و
• شمارش ضربه ها در هر ۱۵ سانتیمتر، یا کسری از آن.

محاسبات

ضرایب اصلاح بر روی نتایج خام SPT

در رابطه فوق:

E_m: ضریب بازدهی چکش (بر حسب نوع چکش، بین ۰/۴۳ و ۰/۸۵ متغیر است)؛

جدول ضریب بازدهی چکش های معمول در آزمون ضربه و نفوذ استاندارد

C_b: ضریب اصلاح قطر گمانه (بین ۰/۱ تا ۱/۱۵). هرچقدر قطر گمانه بزرگتر باشد، C_b بزرگتر انتخاب می شود؛

C_s: ضریب اصلاح نمونه گیر (برای نمونه گیرهای بدون استری، معادل ۱/۲ در نظر گرفته می شود)؛

C_r: ضریب اصلاح طول میله (هرچقدر طول میله بلندتر باشد، C_r ما بزرگتر می شود. البته، این افزایش، محدود به عمق ۱۰ متر است)؛ و

N: عدد خام آزمون SPT در محل.

جدول ضرایب اصلاح برای نتایج آزمون ضربه و نفوذ استاندارد

اصلاح سربار ارتفاع خاک، برای شرایطی که فشار سربار، غیر از σ_z = 100 KPa است، باید انجام شود:

برای خاکهای ماسه ای داریم:

 

در رابطه فوق

₆₀(N₁): عدد SPT اصلاح شده برای تنشهای سربار صحرایی؛

N₆₀: عدد SPT اصلاح شده، حاصل از رابطه ارائه شده در قسمت قبل؛ و

σ^‘_z: تنش مؤثر قائم در تراز انجام آزمون.

تکرارپذیری آزمون SPT

 SPT، آزمایشی است که از تکرارپذیری پایینی برخوردار است، به دلایل زیر:

• روش های مختلف حفاری؛
• وجود گل حفاری در داخل گمانه؛
• قطر گمانه، می تواند بین ۲/۵ تا ۸ اینچ باشد. نتایج SPT، متأثر از قطر گمانه است؛
• میزان بهم ریختگی خاک انتهای گمانه، در نتایج مؤثر است؛
• تغییر موقعیت چکش در طول میله های حفاری، نتایج آزمایش را تغییر می دهد؛
• نوع چکش و دستی یا اتوماتیک بودن نحوه عملکرد آن، نتایج آزمون را تحت تأثر قرار می دهد؛
• تعداد حلقه های طناب که به دور طبلک می چرخد، در نتایج تأثیر دارد؛
• در سیستم چکش دستی، ارتفاع واقعی سقوط، ممکن است تا ۲۵ درصد خطا داشته باشد،
• وزن سندان که چکش روی آن ضربه می زند، در نتایج مؤثر است؛
• میزان اصطکاک بین قرقره و طنابها، در نتیجه آزمون مؤثر است؛
• در صورتی که کفشک نمونه گیر، پوشش داشته باشد، بر روی نتایج تأثیر می گذارد؛
• میزان مستقیم بودن میله های حفاری، در نتایج آزمون مؤثر است؛
• سرعت سقوط وزنه، در میزان نفوذ نمونه گیر در خاک مؤثر است؛ و
• لبه نمونه گیرهای مستعمل، ساییده شده و نسبت به نمونه گیرهای جدید، سخت تر در خاک نفوذ می کند.

توصیه های Seed برای افزایش قابلیت SPT و بالا بردن میزان تکرارپذیری آزمایش

• برای حفاری، از سیستم حفاری دورانی استفاده شود و قطر گمانه، بین ۲۰ تا ۲۵ سانتیمتر باشد؛
• برای حفاری در اعماق کمتر از ۱۵ متر، از میله های حفاری، با اندازه A یا AW و برای حفاری در اعماقبیشتر، از میله های با اندازة N یا NW استفاده شود؛
• برای ضربه زدن، از چکشی استفاده شود که دارای بازدهی ۶۰ درصد باشد؛ و
• ضربات چکش، با سرعت ۳۰ تا ۴۰ ضربه در دقیقه، به نمونه گیر اعمال شود.

بهره برداری های مستقیم از نتایج آزمایش ضربه و نفوذ استاندارد SPT در ژئوتکنیک

• محاسبه نشست پیهای منفرد واقع بر ماسه؛
• محاسبه ظرفیت باربری پیهای واقع بر ماسه؛
• ارزیابی پتانسیل روانگرایی ماسه ها؛
• تعیین مقاومت جداره و نوک شمعها؛
• ارزیابی قابلیت سپر کوبی زمین؛ و
• تعیین تیپ مقاومتی زمین، طبق استاندارد ۲۸۰۰.

استانداردها

• ASTM-D1586
• ASTM-D2488

منابع

راهنمای جامع آزمایشگاه مکانیک خاک ، مهندسی خاک و ژئوتکنیک نوشته مهندس داریوش مرادی