انجام آزمایش نفوذ مخروط Cone penetration Test

آزمایش نفوذ مخروط (Cone penetration Test) بر اساس نفوذ پيوسته ابزار استوانه ای با نوک مخروطی شكل (نفوذسنج) به داخل زمين عمل می کند كه به اختصار آن را آزمایش CPT می نامند. نوک مخروطی نفوذ سنج داراي زاويه پخی 60 درجه و قطر 37.5 ميلي متر است و با سرعت 20 ميلي متر در ثانيه به داخل زمين نفوذ خواهد کرد. مقدار مقاومت خاک در مقابل نفوذ ابزار مذكور به صورت مقاومت نوک و مقاومت جدار توسط دستگاه اندازه گيری می شود. مقاومت نوک در اين آزمون با qc و مقاومت جدار با fs نمايش داده می شود. در شرايط كنونی با توجه به كارائی بالای آزمایش نفوذ مخروط CPT در ارائه يك پروفيل پيوسته از وضعيت ژئوتكنيكی لايه هاي زير سطحی براي رس ها و ماسه ها و همچنين سرعت مناسب و اقتصادی بودن آزمايش، اين آزمون به يك آزمايش برجاي معمول در سطح جهان تبديل گردیده است.

با اين حال در ايران به دليل محدود بودن پهنه هاي رسی و همچنين عدم اطلاع كامل مهندسين ايرانی از كارائی هاي گسترده آن، اين آزمون گسترش چندانی پیدا نکرده است. آزمون نفوذ مخروط یا CPT صرفاً براي مطالعه مقاومت رس هاي خيلی نرم تا ماسه هاي متراكم كارائی دارد و در مصالح شنی و رسوبات حاوي قطعات سنگی توصيه نمی گردد. شماره استاندارد اين آزمايش در ASTM برای سيستم هاي مكانيكی آنASTM-D 3441 و براي سيستم هاي الكتريكی و الكترونيكی آن 5778 ASTM-D می باشد. همچنين انجمن بين المللی مكانيک خاک و مهندسی پی (ISSMFE) دستورالعمل مرجعی را برای انجام آزمايش نفوذ مخروط (CPT) ارائه کرده است.

در جدول زیر به طور خلاصه معايب و مزاياي نسبی مطرح در ارتباط با آزمون CPT به صورت فهرست وار ارائه گردیده است.

معایب آزمایش CPT

مزایای آزمایش CPT

1- لازم است اپراتورهاي دستگاه آموزش داده شوند.
2- نمونه از خاک مورد آزمايش به دست نمی آيد.
3- اين آزمون در خاک های شنی و قلوه سنگ دار كارايی ندارد.
4- عمق نفوذ در خاک های سخت محدود است.
5- با توجه به مكانيزم عملكرد اين آزمون، رفتار خاک در محدوده تنش های كوچک به دست نمی آيد.

1- آزمايش سريع انجام می شود و پروفيل پيوسته ای از خاك به دست می آيد.
2- با توجه به نتايج ارزشمند حاصله،اين آزمايش اقتصادی محسوب می شود.
3- نتايج چندان وابسته به اپراتور نيست.
4- آزمايش از مبانی تئوريک قوی برخوردار است.
5- آزمايش در خاك های نرم از كارايی بالايی برخوردار است.

1. انواع دستگاه های آزمایش نفوذ مخروط CPT:

به لحاظ تاريخی دستگاه آزمایش نفوذ مخروط CPT اولين بار توسط هلندي ها در سال 1356 اختراع شد. هر چند كه قبل از آن در راه آهن هلند نوعی CPT جيبی به كار می رفت كه با آن مقاومت زمين را اندازه گیری می کردند و بر همين اساس به اين دستگاه مخروط هلندی (Dutch cone) هم می گويند. سيستم دستگاه هلندي ها براي نفوذ در خاک مكانيكی بود و در فواصل 20 سانتی متري اندازه گيري مقاومت خاک انجام می گرديد.

هم اكنون اين دستگاه ها مخروط مكانيكی (Mechanical CPT) ناميده می شوند و اندازه گيري داده ها در آنها به طور ناپيوسته انجام مي گردد. در سال 1948، مخروط هاي الكتريكی (Electrical CPT) به نحوي طراحی شدند كه از قابليت ارائه نتايج به صورت پيوسته برخوردار بودند.

در سال 1965 اندازه گيري مقاومت جدار (Sleeve friction) به دستگاه افزوده شد و با اين كار شناخت طبقه بندی خاک بر اساس آزمایش نفوذ مخروط CPT عملی شد. در سال 1974 به مخروط الكتريكی يك پيزومتر اندازه گيری فشار آب حفره ای نیز اضافه شد، اين ابزار جديد را CPTU يا پيزوكن نامیده اند. اخيرا ابزارهاي ديگري از قبيل مخروط اكوستيک (Acoustic cone)، مخروط لرزه ای (Seismic cone)، مخروط ويبره (Vibro cone) و مخروط با قابليت اندازه گيري فشار جانبی (Lateral Stress cone) ابداع شده و برخی ابزارهاي الكتريكی و الكترونيكی نيز به دستگاه اضافه گردیده.

مخروط لرزه ای كه به آن SCPTU هم می گویند از جمله ابزارهاي جدیدی هستند كه علاوه بر امكانات CPTU از اين قابليت برخوردار است كه سرعت حركت موج برشی در محيط مورد آزمايش را اندازه گيري کند. به طور كلی از لحاظ نحوه اعمال بار، دستگاه های آزمایش نفوذ مخروط CPT به سه گروه زیر تقسیم می شوند:

استاتيكی
ديناميكی
دستگاه هاي با قابليت توام اعمال بار استاتيكی و ديناميكی

در نفوذ سنج های استاتيكی، بارگذاری از طريق جک هايی هيدروليک و به آرامی صورت می پذيرد (شكل زیر)، ولی در نفوذ سنج های ديناميكی مخروط نفوذ سنج از طريق ضربات چكش و سقوط يک وزنه روي آن به درون زمين رانده شده و نفوذ سنج های ديناميكی داراي انواع وزنه سبک، متوسط و سنگين هستند و سطح مقطع مخروط و ارتفاع سقوط وزنه در آنها نيز متفاوت می باشد.

همچنين نفوذ سنج هايی ابداع شده است كه قابليت انجام هر نوع آزمايش استاتيكی و ديناميكی برای آنها وجود دارد. با اين حال، اكثر مراجع علمی اصطلاح CPT را صرفا براي نفوذ سنج های استاتيكی به كار خواهند برد و نفوذ سنج هاي ديناميكی تحت عنوان مخروط نفوذ ديناميكی (DCPT) و يا كاوشگر ديناميكی (DP) مورد اشاره واقع می گردد. از سوي ديگر نفوذ سنج های استاتيكی از لحاظ مكانيزم انجام آزمايش و اندازه گيري داده ها به گروه نفوذ سنج هاي مكانيكی و الكتريكی تقسيم می شوند.

در هر دو نوع اخير نيروي لازم براي نفوذ مخروط توسط جک های هيدروليكی ایجاد می گردد، ولی اندازه گيري نتايج در نوع مكانيكی توسط گيج هاي روغنی و در نوع الكتريكی توسط ابزارهاي الكتريكی صورت می گیرد. از سوي ديگر در انواع الكتريكی اندازه گيری مقاومت مخروط نوك (q_c) و همچنين مقاومت اصطكاكی جدار (f_sc) به صورت پيوسته در عمق زمين انجام می شود، در حالی كه در نوع مكانيكی كه از قدمت بيشتری برخوردار است پيشرفت مخروط در زمين به صورت مرحله اي صورت می گيرد و مقادير f_sc و q_c در فواصل ۲۰ سانتی متري اندازه گيري می شود.

دستگاه آزمایش نفوذ مخروط CPT با بار مکانیکی در سمت راست و دستگاه CPT با بار الکتریکی در سمت چپ

2.اجزاء دستگاه CPT:

همانطور كه در مراحل قبلی گفتیم در سال هاي اخير انواع دستگاه های آزمایش نفوذ مخروط CPT با تنوع قابل توجهی در اجزاء آن ها توليد شده و مدل هاي مختلف آن با قابليت هاي جديد هر روز توسط شركت های توليد كننده به بازار عرضه گردیده است.

در ادامه اجزای اصلی اين دستگاه ها بر اساس دستور العمل انجمن بين المللی مكانيک خاک و مهندسی پی به قرار زیر شرح داده می شود:

1. نفوذسنج (Penetrometer): بخشی از دستگاه است كه با فشار، وارد زمين می شود و شامل اجزای زير می باشد:

مخروط نوک (Cone) كه بخش انتهايی نفوذ سنج را تشكيل می دهد و شكل استوانه ای دارد.
غلاف اصطكاكی (Sleeve friction) كه بدنه نفوذ سنج را تشكيل می دهد و شكل استوانه ای دارد.
فيلترهای متخلخل كه فشار آب حفره ای را در نوک نفوذ سنج اندازه گيری می نماید.

2. ميله های رابط (Push rods) كه نفوذسنج را تا عمق مورد نظر فرو می برند و معمولا از قطعات يک متری تشكيل شده است.

3. جک هيدروليكی، كه بر روی يک دستگاه كاميون يا وانت نصب می گردد.

4. سيستم ثبت نتايج (Data acquisition system) كه سيگنال های آنالوگ ابزار دقيق دستگاه را دريافت کرده و و به سيگنال های ديجيتال تبديل می كند.

5.كاميون يا وانت حمل دستگاه كه حداقل وزن آن معادل ظرفيت دستگاه است. (حدود ۲۰ تن).

در شكل زیر، بخش نفوذ سنج دستگاه CPT الكتريكی نمایش داده شده است که مخروط نوک در واقع به وجود آورنده مقاومت انتهايی و غلاف اصطكاكی به وجود آورنده اصطكاک جانبی می باشد. ساختار بعضی از نفوذ سنج ها به نحوي می باشد كه می توانند مقاومت انتهايی و اصطكاک جانبی را به طور مستقل از هم اندازه گيري کنند. با اين حال در برخی ديگر از اين دستگاه ها مقاومت انتهايی توسط يك حسگر الكترونيكی و مجموع مقاومت هاي انتهايی و جانبی توسط حسگر ديگري اندازه گيری می شود. طول غلاف اصطكاكی حدود 134 ميلی متر و قطر آن معمولا اندازه قطر مخروط نوك (35.7 میلی متر) می باشد.

فيلترهاي متخلخل براي اندازه گيري فشار آب حفره اي مورد استفاده قرار می گيرند و در نقاط مختلفی از نفوذسنج قابل نصب هستند. انجمن بين المللی مكانيک خاک و مهندسی پی توصيه كرده است كه فيلتر هاي متخلخل بلافاصله بعد از مخروط نوک قرار گيرند. با اين حال در بسياري از دستگاه هاي CPT اين فيلتر در نوک مخروط و يا ميانه آن و حتی بالاي غلاف اصطكاكی نصب شده است. در شكل زیر دو نوع مخروط، كه يكی داراي فيلتر متخلخل و ديگری فاقد آن است، نشان داده شده است.

دو نوع مخروط CPT، یکی دارای فیلتر متخلخل و دیگری فاقد آن است.

3. روش انجام آزمایش CPT:

به طور كلی در اين آزمون، مخروطی با مشخصات مذکور در بالا و با سرعت ۲۰ ميلي متر در ثانيه به داخل زمين رانده می شود. براي اين منظور از سيستم هاي كمپرسور توليد كننده فشار استفاده می شود و با افزايش عمق نفوذ مخروط در زمين ميله هاي جديدي به آن متصل می كنند تا امكان نفوذ بيشتر را پيدا كند. اضافه كردن ميله جديد معمولا در فواصل ۱ تا ۱.۵ متري انجام می گردد.

ابزارهاي الكترونيكی نصب شده در نوك، جدار و فيلترها از طريق يك يا دو سيستم رایانه ای به سيستم ثبت نتايج متصل هستند و در فواصل 0 تا 3 دقيقه اي مقادير f_sc و q_c و u را با دقت لازم اندازه گيري می كنند. در دستگاه هاي SCPTU علاوه بر 3 مشخصه مذكور، سرعت امواج برشی توليد شده در سطح زمين نيز به وسيله يك ژئوفن كه در 0.5 متري بالاي مخروط نوك نصب شده است اندازه گيري خواهد شد.

فواصل اندازه گيري سرعت موج برشی معادل فواصل اضافه كردن ميله ها بوده و معمولا ۱ تا ۱.۵ متر است. با وجود نمايشگرهاي رایانه ای به راحتی می شود نمودار تغييرات مشخصه هاي مذكور با پيشرفت عمق نفوذ دستگاه را ترسيم کرد و به موازات حفاري در مورد وضعيت لايه هاي زير سطحی و مشخصات مكانيكی آنها به صورت صحرايی قضاوت نمود.

البته بهتر آن است که براي جلوگيري از فقدان اطلاعات ضبط شده در حافظه الكترونيكی رایانه، فايل هاي پشتيبان و يا نسخه هاي چاپی از اطلاعات مذكور تهيه گردد. همچنين در مورد فيلترهاي متخلخل كه اطلاعات فشار آب حفره اي از طريق ابزارهاي الكترونيكی جاسازي شده در آنها به دست می آيد، لازم است كه از اشباع كامل آنها و همچنين ملحقات الكترونيكی متصل به آنها اطمينان حاصل گردد.

در صورتی كه فرايند اشباع شدن به طور كامل صورت نپذيرد، وجود نواحی تراكم پذير در فيلترها موجب ثبت اطلاعات گمراه كننده می شود. از سوي ديگر قبل و بعد از اضافه كردن ميله به مجموعه ميله هاي حفاري، لازم است اطلاعات به دقت ثبت شده و اصلاحات لازم در نتايج، مطابق آنچه شركت هاي سازنده براي اين منظور به دست می دهند انجام شود. قابل ذكر است كه در حين اضافه كردن ميله، اختلالاتی در سيستم اعمال فشار به وجود خواهد آمد كه لازم است در نتايج حاصله در نظر گرفته شود.

4. اصلاح نتایج CPT برای تاثیر میزان سربار:

در بسياري از روابط تحليلی نتايج صحرايی CPT بدون هيچ اصلاحی به كار گرفته خواهد شد. با اين حال در برخی از موارد لازم می باشد كه از نتايج اصلاح شده CPT در روابط مورد نظر استفاده شود. در اين موارد می بايست نتايج اين آزمايش براي اثر سربار، اصلاح شده و ضريب اصلاح اثر سربار در CPT، نظير آنچه براي اصلاح عدد SPT وجود دارد، به صورت زير تعريف می گردد:

در روابط بالا:

q_c: مقاومت مخروط كه به طور مستقيم از آزمايش صحرايی به دست آمده است.

q_cl: مقاومت مخروط اصلاح شده براي تنش سربار.

f_sc: اصطكاك جانبی مخروط كه به طور مستقيم از آزمايش صحرايی به دست آمده است.

fscl: اصطكاك جانبی مخروط اصلاح شده براي اثر تنش سربار.

σz: تنش قائم موثر در عمق انجام آزمايش (بر حسب Kpa).

5. کاربرد نتایج آزمون CPT:

نتايج آزمون CPT براي تخمين بسياري از خصوصيات فيزيكی و مكانيكی در خاك هاي ريزدانه و ماسه ها به كار می رود. بدين منظور محققين روابط همبستگی متعددي بين خصوصيات خاك و پارامتر هاي حاصل از CPT ارائه نموده اند. اصلی ترين خصوصيات خاك كه از طريق نتايج CPT تخمين زده شده به قرار زير خواهد بود:

1. مدول الاستيسيته (E) و مدول برشی (G).

۲. زاويه اصطكاك داخلی.

۳. مقاومت برشی زهكشی نشده خاك.

۴. طبقه بندي خاك.

۵. دانسيته نسبی خاك.

۶. ضريب نفوذپذيري و تحكيم خاك.

کاربرد نتایج آزمون CPT در به دست آوردن مشخصات خاک

۱.۵. طبقه بندی خاک:

تعيين طبقه بندي خاك يكی از عمومی ترين كاربردهاي نتايج آزمون CPT است که با توجه به آنكه این آزمون نمونه اي براي دانه بندي و طبقه بندي آزمايشگاهی به دست نمی دهد، شناخت طبقه بندي خاك آزمايش شده از اهميت بالايی برخوردار می باشد. محققين مختلف همبستگی هاي تجربی متعددي بين طبقه بندي خاك و نتايج آزمون CPT ارائه نموده اند.

۲.۵. زاویه اصطکاک داخلی خاک:

همبستگی هاي متعددي بين زاويه اصطكاك داخلی خاك و مقاومت نوك در آزمون CPT ارائه شده است که یکی از مرسوم ترین این همبستگی ها منحنی های ارائه شده در شكل زیر است. اين منحنی ها بر مبناي مطالعه آزمايشگاهی بر روي ماسه هاي كوارتزي تحكيم نيافته و سيمانته نشده به دست آمده است.

همبستگی تجربی بین φ’ و مقاومت نوک در آزمون CPT برای ماسه ها

6. همبستگی بین نتایج CPT و SPT:

گرچه آزمايش های CPT و SPT از ماهيت و مبناي نظري مشابهی برخوردار نیستند و شكل نفوذ سنج نيز در آنها متفاوت می باشد، با اين حال مهندسان ژئوتكنيک از طريق بررسی تجربی نتايج اين دو آزمون در خاك هاي مشابه توانسته اند همبستگی معنی داري بين اين دو برقرار نمايند. در شكل 11 رابطه بين CPT و SPT بر حسب متوسط اندازه دانه ها (D50) نشان داده شده است. نسبت مقاومت نوك مخروط CPT به عدد N60 حاصل از آزمايش SPT و محور افقی متوسط اندازه دانه ها بر حسب ميلی متر می باشد.