آزمایش SPT

آزمایش SPT

آزمایش SPT

یا نفوذ استاندارد رایج ترین آزمایش صحرایی است.

ویژگی‌های خیلی زیاد و آسان بودنش باعث شده تا هر آزمایشگاه مکانیک خاک، نگاه ویژه‌ای به یادگیری این آزمایش داشته باشد.

 

SPT چیست؟

آزمایش نفوذ استاندارد یا اس پی تی SPT در سال ۱۹۲۷ در آمریکا برای خاک‌های ماسه‌ای و شنی اختراع شده.

آن زمان نمونه گیری از خاک ماسه‌ای و شنی به راحتی نمونه گیری از خاک‌های رسی نبود. چون لازم بود دستگاهی ابداع شود که بدون نیاز به نمونه گیری، خصوصیات خاک را در محل نشان بدهد. ولی امروزه کاربرد آزمایش نفوذ استاندارد SPT محدود به خاک‌های درشت دانه نبوده و برای خاک‌های ریزدانه هم استفاده می‌شود. بعد از زلزله نیگاتای ژاپن، دانشمندان در جستجوی ارتباطی بین درصد تراکم و عدد SPT بودند. بعد از آن، استفاده از اس پی تی گسترش پیدا کرد و عدد SPT برای حصول پارمترهای ژئوتکنیکی دیگر گسترش پیدا کرد.

این آزمایش موقع حفاری و در فواصل دو تا سه متری در عمق خاک انجام می‌شود.

استاندارد انجام این آزمایش ۶۷-۱۵۸۶ASTM D است. فرم کلی این آزمایش به این نحو است که یک وزنه با وزن ۱۴۰ پوند معادل ۵/۶۳ کیلوگرم از ارتفاع ۳۰ اینچی که در واقع ۷۶ سانتی متر است سقوط می‌کند. روی میله متصل به وزنه سه خط پانزده سانتی متری وجو دارد. تعداد ضربات لازم برای نفوذ سه خط پانزده سانتی متری اطلاعات مفیدی به مهندسان ژئوتکنیک می‌دهد. مجموع ضربات لازم برای نفوذ خط دوم و سوم، به عدد اس پی تی یا Nspt معروف است.

 

مزایا و معایب تست SPT

علت اینکه آزمایش نفوذ استاندارد یکی از رایج ترین آزمایش‌های مکانیک خاک است، که الان با یکسری مزایای آن آشنا میشویم:

·         قابلیت انجام آزمایش حین حفاری

·         ساده بودن روند انجام آزمایش

·         مناسب انجام آزمایش در انواع خاک‌ها

·         قابلیت انجام تست بر روی سنگ‌های ضعیف

·         در دسترس بودن تجهیزات این آزمایش، در تمام کشور

بخاطر بعضی از معایبی که در ادامه با آنها آشنا میشویم، باعث شده استفاده از این آزمایش محدود شود:

·         دست خوردگی زیادی در نمونه‌های آزمایشی ایجاد می‌کند.

·         عدد به دست آمده از این آزمایش خام است. (برایمقاصد مختلف نیاز به تحلیل‌های گوناگونی روی خاک‌ها می‌باشد.)

·         استفاده از این آزمایش بر روی خاک‌های ریزدانه رسی توصیه نمیشود.

·         دامنه وسیعی از تغییرات نتایج وجود دارد. (این دامنه وسیع باعث عدم اطمینان به نتایج شده است.)

 

پارمترهای موثر بر عدد اس پی تی

مقدار Nspt‌ همواره ثابت نیست و پارامترهای مختلفی در آن موثر هستند. با تغییر کردن این پارامترها، عدد اس پی تی هم تغییر میکند. که شامل یه سری عوامل میباشد:

نوع خاک

درخاک‌های درشت دانه و تیز گوشه عدد اس پی تی بیشتر و در خاک‌های 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 اس پی تی می‌تواند در میزان Nspt تاثیر گذار باشد. مثلاً نوع چکش استفاده شده، تعداد دورپیچ‌های قرقره، قطر گمانه و .... میتواند در عدد SPT تاثیر گذار باشد.

 

کاربردهای آزمایش نفوذ استاندارد SPT

از طریق آزمایش اس پی تی میتوان خیلی از پارامترهای ژئوتکنیکی را تخمین زد. فقط باید این آزمایش را انجام دهید و با استفاده از روابط تقریبی، پارامتر دلخواه خود را به دست آورید. در ادامه به بعضی از این فرمول‌ها و پارمترهای ژئوتکنیکی اشاره شده.

۱- تخمین تراکم نسبی خاک (DR)

تراکم نسبی خاک‌ها ازحاصل تقسیم چگالی به دست آمده از آزمایش دانسیته در محل به حداکثر چگالی آزمایشگاهی به دست می‌آيد. اما بیشتر مواقع امکان به دست آوردن مستقیم تراکم نسبی وجود ندارد. دانشمندان مختلفی عدد اس پی تی را به درصد تراکم خاک ربط داده‌اند. اولین رابطه فرمولی است که اسکمپتون در سال ۱۹۸۶ ارائه کرده:

در فرمول بالا، ۰P تنش موثر خاک در عمق مورد بررسی است. واحد آن کیلو پاکسال می‌باشد. رابطه دیگری که برای تخمین درصد تراکم به کار می‌رود، رابطه‌ای است که توسط یوشیدا و همکارانش در سال ۱۹۸۸ معرفی شد. فرمول ارائه شده به این شکل است:

در رابطه بالا، فشار سربار موثر یا ۰P را باید بر حسب کیلوپاکسال وارد کنید.

Dr بدست آمده از فرمول بالا، برحسب درصد خواهد بود.

۲- تخمین مدول سختی (E)

یکی دیگر از پارمترهایی که می‌توان از عددهای اس پی تی بدست آورید، مدول الاستیسیته یا مدول سختی خاک است. که این دانشمندان در این زمینه فعالیت داشته‌اند:

·         (۱۹۷۸) parry

·         (۱۹۹۵) clayton

بعضی از دانشمندان ارتباط دادن عدد SPT، به مدول الاستیسیته را درست نمیدانند و این عدد را به مدول برشی یا G ربط میدهند. بعضی از روابط مدول الستیسیته در جدول زیر خلاصه شده است:

 

مرجع روابط بالا کتاب تحلیل و طراحی پی نوشته باولز است. واحد مدول الاستیسیته در فرمول‌های بالا، کیلوپاکسال است.

۳- تخمین زاویه اصطکاک داخلی (Ø)

زاویه اصطکاک داخلی از جمله پارامترهای مقاومت برشی است که از آزمایش سه محوری به دست می‌آید:

·         (۱۹۷۶) Meyerhof

·         (۱۹۶۷) Peak and Hansen

·         (۱۹۷۱) Demell

بعضی از روابط پیشنهادی که رابطه بین زاویه اصطکاک داخلی و عدد اس پی تی  را بیان میکنند در جدول زیر آورده شده:

 

در روابط بالا مقدار Ø برحسب درجه به دست می‌آید. مرجع هر سه رابطه بالا، کتاب تحلیل و طراحی پی باولز است. لازم به ذکر است که مقدرا دقیق‌تر زاویه اصطکاک داخلی را میتوانید از آزمایش برش مستقیم به دست می‌آورید.

۴- تخمین مقاومت برشی زهکشی نشده (Cu)

این پارامتر از آزمایش سه محوری UU به صورت مستقیم بدست می‌آید. برای رسیدن به این هدف باید از روابط ارائه شده توسط (۱۹۹۶) Bowels استفاده کرد. این دانشمند عقیده داشت که موقع انجام آزمایش  SPT آب فرصت زهکشی نداشته باشد و شرایط مشابه آزمایش سه محوری زهکشی نشده است.

۵- ارزیابی روانگریی

از نتایج آزمایش SPT میتوان جهت تخمین پتانسیل روانگرایی در خاک‌های ماسه‌ای استفاده کرد. به همین خاطر در خاک‌های ماسه‌ای با سطح آب زیرزمینی بالا، زمانی که Nspt در خاک بالا باشد احتمال روانگرایی کم است و بالعکس.

 

برای کسب اطلاعات بیشتر میتوانید مقاله (۱۹۸۶) Seed et al و یا مقالات روانگرایی ایشیهارا را مطالعه کنید.

 

۶- تعیین تیپ بندی خاک

انواع تیپ بندی خاک به صورت مستقیم با استفاده از سرعت موج برشی و از آزمایش دانهول بدست می‌آید.

·         تعیین تیپ خاک با SPT ماشینی

در آزمایش SPT ماشینی اگر عدد اس پی تی، بیشتر از ۵۰ باشد خاک از نوع دو و یک است. اگر عدد اس پی تی بین ۱۵ تا ۵۰ باشد، خاک تیئ سه است. در شرایطی که عدد اس پی تی کم‌تر از ۱۵ باشد، خاک تیپ چهار است.

·         تعیین تیپ خاک با SPT دستی

در آزمایش SPT دستی یا آلمانی، اگر عدد اس پی تی بیشتر از ۱۶۰ باشد، خاک از نوع دو یا یک است. اگر عدد اس پی تی بین ۴۸ تا ۱۶۰ باشد، خاک از نوع سه است. در صورتیکه عدد SPT زیر ۴۸ باشد، خاک از نوع چهار است.

۷- تعیین سرعت موج برشی (Vs)

سرعت موج برشی در خاک‌ها، به سرعت حرکت موج S یا موج برشی در پروفیل خاک گفته میشود. سرعت این موج به صورت مستقیم از آزمایش دانهول بدست می‌آید. ولی در طول زمان‌های مختلف روابط زیادی برای تخمین سرعت موج برشی ارائه شده است. با استفاده از جدول زیر میتوانید سرعت موج برشی را برحسب نتایج آزمایش SPT تخمین بزنید. در جدول زیر سرعت موح برشی بر حسب متر بر ثانیه ارائه شده. همچنین در روابط ارائه شده N، عدد اس پی تی است. در واقع N، مجموع دو عدد دوم و سوم در آزمایش SPT میباشد. Z عمق قرارگیری خاک نسبت به صفر – صفر زمین است.

 

۸- تخمین مدول عکس‌العمل بستر (Ks)

مدول عکس‌العمل بستر (Ks) مقدار تنشی است که اگر به صورت قائم روی بستر وارد شود، باعث نشست به اندازه یک واحد خواهد شد. مقدار دقیق این پارامتر، آزمایش بارگذاری صفحه بدست می‌آید. ولی میتوان این مقدار را با استفاده از جدول زیر تخمین زد. لازم به ذکر است در جدول پایین مقاومت محدود نشده بر حسب کیلوگرم بر سانتی متر مربع ومدول عکس‌العمل بستر بر حسب کیلوگرم بر سانتی متر مکعب بیان شده است.

برای تخمین مدول عکس‌العمل بستر در خاک‌های چسبیده از جدول زیر استفاده کنید.

 

برای تخمین مدول عکس‌العمل بستر د رخاک‌های دانه‌ای از جدول زیر استفاده کنید.

 

۹- تخمین ظرفیت باربری خاک

با استفاده از نتایج حاصل از آزمایش SPT میتوان ظرفیت باربری خاک را مطابق فرمول زیر محاسبه کرد:

در رابطه بالا عدد اس پی تی، مربوط به عددی است که ا زعمق تقریبی B ۷۵/۰ بدست آمده باشد. B عرض پی است. در رابطه بالا، ضریب اطمینان ۸ لحاظ شده. ظرفیت باربری که از فرمول بالا بدست بیاید، واحدش کیلوپاسکال است.

مرجع فرمول فوق کتاب تحلیل و طراحی پی باولز است.

 

انواع آزمایش نفوذ استاندارد SPT

چکش‌های آزمایش اس پی تی به دو دسته تقسیم میشود. در این بخش این دو نوع چکش معرفی شده و بایکدیگر مقایسه میشوند:

SPT ماشینی

آزمایش اس پی تی ماشینی یا آزمایش اس پی تی استاندارد، آزمایشی است که توسط دستگاه حفاری صورت میگیرد. نوک چکش سه خط پانزده سانتی متری دارد و وزنه ۵/۶۳ کیلوگرمی تا ارتفاع ۷۶ سانتی متری بالا آمده و از بالا رها میشود. نمایی از انجام این آزمایش در تصویر زیر دیده میشود. در این آزمایش اگر عدد اس پی تی بالاتراز ۵۰ باشد خاک از نوع دو است.

SPT دستی

آزمایش اس پی تی ماشینی در هر موقعیتی قابل انجام نیست. پس نوع کوچک شده‌ای 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 براساس استاندارد DIN آلمان انجام می‌شود. از این رو به اس پی تی آلمانی معروف است. در این آزمایش مرز بین خاک تیپ دو و تیپ سه ، عدد ۱۶۰ است. برای تبدیل نتایج آزمایش اس پی تی دستی به ماشینی از ضریب ۲/۳ استفاده میشود. برای مثال اگر عدد SPT در آزمایش دستی ۳۲ شد، به این معنی است که اگر آزمایش را با چکش استاندارد ماشینی انجام میدادیم، نتیجه معادل ۱۰ میشد.

 

تفسیر نتایج آزمایش SPT

حالا که با انواع محتلف آزمایش‌های اس پی تی آشنا شدید، زمان آن رسیده است که تفسیر نتایج بدست آمده از آنرا هم یاد بگیرید. همانطور که گفته شد این آزمایش به دو دسته تقسیم بندی میشود ماشینی و دستی. حالال تفسیر نتایج را برای هر دو بیان میکنیم:

۱- تفسیر نتایج تست SPT ماشینی

همانطور که گفته شد نتایج حاصل از آزمایش اس پی تی ماشینی بین ۰ تا ۵۰ میباشد. اگر عدد اس پی تی بین ۰ تا ۱۵ بود یعنی خاک ضعیف و شل است. در صورتیکه این عدد بین ۱۵ تا ۵۰ بود یعنی خاک متوسط است. و همچنین اگر SPT بیشتر از ۵۰ بود خاک قوی و محکم است.

۲- تفسیر نتایج آزمایش اس پی تی دستی

تست SPT دستی شرایط مشابهی مانند آزمایش ماشینی دارد. با این تفاوت که ضریب ۲/۳ به آن اعمال میشود. اگر عدد اس پی تی بین ۰ تا ۴۸ بود خاک ضعیف و شل است. در شرایطی که عدد SPT بین ۴۸ تا ۱۶۰ شد خاک متوسط است. و همچنین در صورتیکه این عدد بیشتر از ۱۶۰ باشد نشان میدهد که خاک قوی و محکم است.

 

تفاوت آزمایش SPT و CPT

خیلی مواقع آزمایشگاه‌عای مکانیک خاک این دو واژه را با هم دیگر استباه میگیرند. هرچند شباهت‌های زیادی بین این دو آزمایش وجود دارد، ولی ماهیت آزمایش CPT با آزمایش نفوذ استاندارد فرق میکند. در آزمایش اس پی تی، نوک مخروط به خاک ضربه میزند، درصورتیکه در تست سی پی تی اصلا ضربه در کار نیست. نوک مخروط آزمایش سی پی تی به جای ضربه زدن داخل خاک فرو میرود. از مقاومت نوک و مقاومت جدار مخروط میتوان پارمترهای ژئوتکنیکی خاک‌ها را تخمین زد.

 

نکات مهم هنگام انجام تست اس پی تی

موقع انجام آزمایش نفوذ استاندارد لازم است نکات زیر را به دقت انجام دهید:

۱- قبل از انجام آزمایش گمانه باید تمیز باشد. (سطح مایع حفاری پایین‌تر از سطح آب زیر زمینی باشد.)

۲- جهت جت آب شستشو افقی باشد. (خروج آب از نمونه گیر نباید در جهت قائم انجام شود.)

۳- رادها نباید بیشتر از عمق اندازه گیری مقاومت کوبیده شوند.

۴- باید حتما آزمایش هر یک تا سه متر انجام شود.

۵- اگر میله و تجهیزات آزمایش تحت وزن خودشان به داخل زمین فرو رود، ۰=Nspt لحاظ میشود.

۶- اگر آزمایش در زمین‌های سنگی یا بسیار سخت انجام شود، بهتر است مخروط توپر به جای نمونه گیر توخالی استفاده شود. (اینکار باعث میشود لبه‌های نمونه گیر آسیب نبیند.

 

چه زمانی آزمایش SPT متوقف میشود؟

زمانی که یکی از شرایط زیر اتفاق بیفتد باید آزمایش متوقف شود:

·         اگر ضربات اس پی تی در کل برای ۳۰ سانتی متر بیش از ۱۰۰ شود.

·         اگر عدد اس پی تی برای یکی از ۱۵ سانتی متر اول، دوم یا سوم بیشتر از ۵۰ شود.

·         حین ده ضربه اول هیچگونه تغییری در نفوذ ایجاد نشود.

اگر توقف بخاطر برخورد با سنگ باشد، حتما باید ضوابط آزمایش خاک هنگام برخورد با زمین سنگی به طور کامل انجام شود.

 

SPT مخفف چیست؟

این کلمه مخفف Standard Penetration Test است. معنی آن «آزمایش نفوذ استاندارد» میباشد.