آزمایش خاک و ژئوتکنیک (22)

طبق آیین نامه مبحث هفتم برای احداث هر ساختمان تا مساحت سطح اشغال فنداسیون 300 متر مربع لازم است یک گمانه حفاری شود. و در صورت مساخت بیشتر تا 1000 متر مربع 2 عدد و از ان مقدار بیشتر به ازای هر 1000 متر یک گمانه به تعداد گمانه ها اضافه میگردد. مثال : برای ساختمانی با سطح اشغال فنداسیون 2400 متر مربع تعداد 4 گمانه لازم است.

در خصوص تعیین عمق گمانه ها این مقدار عرض پی ( فنداسیون) است که عامل تعیین کننده می باشد. به عنوان مثال برای سطح اشغال تا 300 متر مربع عمق گمانه 2برابر عرض پی به اضافه ی تراز استقرار پی می باشد. و برای سطح اشغال بین 300 تا 1000 متر مربع عمق گمانه 1.5 برابر عرض پی به اضافه ی تراز پی می باشد.

آزمایش دانسیته در محل

با استفاده از این آزمایش می توان وزن مخصوص خاک را در محل تعیین نمود. این آزمایش برای خاک هایی استفاده می شود که درصد قابل توجهی سنگ و مصالح درشت دانه بزرگتر از 38 میلی متر نداشته باشند. همچنین خاک باید به اندازه کافی چسبندگی یا در هم قفل شدگی داشته باشد تا در حفر یک گودال کوچک دیواره های گودال پایدار بماند.
این آزمایش عموماً برای کنترل وزن مخصوص خاکریزهای کوبیده شده در سد های خاکی، راهسازی و ... استفاده می گردد. این آزمایش به همراه آزمایش تراکم به عنوان مبنای پذیرش کفایت عملیات تراکم مورد استفاده قرار می گیرد. کاربرد این آزمایش در خاک های اشباع محدود بوده و همچنین در خاک های نرم و شدیدا شکننده توصیه نمی شود. هدف از این آزمایش به دست آوردن وزن مرطوب نمونه ای از خاک حفاری شده از یک گودال با شکل هندسی نامنظم است که اگر حجم آن گودال مشخص باشد دانسیته ظاهری یا مرطوب خاک به سادگی محاسبه می شود.

در زمان انجام عمليات آگاهی از وزن ماسه لازم برای پرکردن قیف مخروط ماسه مفيد است. در اين آزمايش از نوع مخصوصی از ماسه به نام ماسه اتاوا استفاده می‌شود. در ابتدای كار بايد وزن مخصوص ماسه اتاوا را تعيين كرد. براي اين كار از آب استفاده می‌شود. بدين ترتيب كه در ظرف مخصوصی پر از آب می‌شود و وزن ظرف و آب را به دست می آید. وزن ظرف اندازه گیری می‌شود. تفاضل اين دو عدد برابر وزن آب داخل ظرف است و به این ترتیب حجم ظرف به دست می آید. سپس همان ظرف از ماسه اتاوا پر شده و توزين می‌شود. بدين طريق می‌توان وزن ماسه داخل ظرف را به دست آورد. از تقسيم كردن وزن به دست آمده برای ماسه به حجم ظرف وزن مخصوص ماسه اتاوا به دست می آيد.
در اين قسمت هدف به دست آوردن وزن ماسه درون مخروط مي باشد. بنابراین ابتدا دستگاه استوانه دانسيته روی سطح محكم و صافی قرار می‌گیرد. شير خروج ماسه بسته و مقداری در آن ماسه در ظرف ریخته می شود. سپس شير ظرف باز شده تا مخروط زير دستگاه از ماسه پر شود. شير را بسته و باقيمانده ماسه داخل دستگاه وزن می‌شود تا پس از كسر آن از وزن ماسه اوليه وزن ماسه زير مخروط به دست آيد. يا می‌توان ماسه را مستقيماً به دقت وزن كرد.
براي تعيين وزن مخصوص خاك در محل به طريق زير عمل مي شود :
سطح محلی كه آزمايش می‌شود بايد صاف باشد. استوانه دانسيته روی سطح صاف قرار داده می‌شود. حدود اطراف كف استوانه دانسيته روي زمين مشخص می‌شود.
چاله آزمايش در وسط محدوده‌ای كه روی زمين مشخص شده حفر می‌شود. در حين حفر چاله بايد دقت شود كه ديواره چاله خراب نشود و خاك كنده شده كاملا در ظرفی جمع آوری و هيچگونه مصالحي دور ريخته نشود.
استوانه دانسيته كه مقدار معيني ماسه در آن ريخته شده روی چاله درست در محل مورد نظر قرار داده می‌شود، بطوريكه سوراخ شير در مركز چاله قرار گيرد. شير خروج ماسه باز می شود تا تا چاله پر از ماسه شود. وقتی جريان ماسه به داخل چاله متوقف شد، شير بسته می شود.
ماسه باقيمانده در دستگاه وزن مي گردد. خاك كنده شده از چاله نيز وزن مي شود. خاك كنده شده از چاله به خوبی مخلوط شده و مقداری جهت تعيين درصد رطوبت برداشته و پس از توزين در گرمخانه قرار می‌گیرد. پس از آن كه نمونه خاك در گرم خانه خشك شد (بعد از 24 ساعت) نمونه وزن شده و از اعداد به دست آمده درصد رطوبت خاك محاسبه می‌شود. در نهایت با داشتن وزن خاک تر و بدست آمدن حجم ماسه داخل چاله با استفاده از چگالی ماسه، که برابر با حجم خاک خروجی است چگالی تر خاک بدست می آید

محاسبات:
محاسبه حجم درون گودال به روش زیر انجام می‌شود:

که در این رابطه، V برابر حجم گودال بر حسب سانتی متر مکعب، M1 برابر وزن ماسه استفاده شده برای پر کردن گودال آزمایش، قیف و صفحه بر حسب گرم، M2 برابر وزن ماسه استفاده شده برای پر کردن قیف و صفحه و ρ1 دانسیته حجمی ماسه بر حسب گرم بر سانتی متر مکعب.
محاسبه وزن خشک ماسه برداشته شده از گودال آزمایش به روش زیر انجام می شود:

که در آن w برابر محتوای آب برداشته شده از گودال آزمایش (%)، M3 وزن ماسه مرطوب برداشته شده از گودال آزمایش (گرم) و M4 وزن خشک مواد برداشته شده از گودال آزمایش (گرم).
محاسبه دانسیته خشک و مرطوب درجای خاک به روش زیر انجام می شود:

که در این رابطه ρm برابر دانسیته مرطوب مواد مورد آزمایش بر حسب گرم بر سانتی متر مکعب و ρd برابر دانسیته خشک مواد مورد آزمایش بر حسب گرم بر سانتی متر مکعب است.

موارد کاربرد آزمایش بارگذاری صفحه ای

• محاسبه میزان نشست و ظرفیت باربری بستر
• محاسبه مدول الاستیسیته (E) و ضریب عکس العمل بستر (k)
• مقاومت زهکشی نشده خاکهای چسبنده (Cu)، در صورت اجرای آزمایش به روش کنترل تغییرشکل، که صفحه بارگذاری با سرعت ثابت در زمین فرو رانده می شود.

قابل ذکر است که در میان آزمایش های صحرایی مکانیک سنگ نیز، از آزمایش بارگذاری صفحه، به عنوان روشی برای تعیین مدول تغییرشکل توده سنگ یاد شده است. آزمایش مذکور در توده های سنگی، کاملا مشابه آزمایش بارگذاری صفحه در خاک است، با این حال، تجهیزات و روش انجام آزمایش و همچنین در مواردی، محاسبات آنها با همدیگر متفاوت است. لذا، در این فصل، به مندرجات استاندارد مربوط به هر دو مورد اشاره شده است.

مقاومت مجاز(qa): میزان مقاومتی است که خاک در مقابل بارهای وارده از خود نشان می دهد، بدون آن که در آن، شکست (گسیختگی) با نشست غیرمجاز مشاهده گردد.

مقاومت نهایی(qu): میزان مقاومتی است که در آن نقطه، خاک مقاومت خود را از دست داده و گسیخته میشود.

مدول عکس العمل بسترا(ks): مدول عکس العمل، در واقع، مقدار تنشی است که اگر به صورت عمود بر صفحه پی وارد گردد، به میزان یک واحد، در پی، نشست ایجاد می کند. به عبارت دیگر مدول عکس العمل بستر، شیب منحنی تنش-نشست میباشد.

روش انجام آزمایش بارگذاری صفحه ای

روش انجام آزمایش بارگذاری صفحه ای (PLT)، مطابق استاندارد ASTM-D1194، با هدف اصلی اندازه گیری نشست خاک به ازای بارهای مختلف و تعیین ظرفیت باربری بستر ساختگاه پروژه های با اهمیت بالا، مورد استفاده قرار می گیرد. این آزمایش، به دو روش کنترل تنش و کنترل تغییرشکل، قابل اجرا است.

در روش کنترل تنش، بار نهایی، به صورت تدریجی(Incremental)، به صفحه آزمایش وارد می شود و در روش کنترل تغییرشکل، صفحه آزمایش، با سرعت ثابت در زمین فرو رانده می شود. مقادیر نشست صفحه، در هر مرحله از بارگذاری، توسط گیج های تعبیه شده در نقاط مناسب واقع بر صفحه ثبت می شوند. با استفاده از نتایج نشست و ظرفیت باربری حاصل از آزمایش بارگذاری صفحه و روابط تجربی ارائه شده، می توان به میزان نشست و ظرفیت باربری پی با ابعاد واقعی، دست یافت.

روش معمول انجام آزمایش بارگذاری صفحه ای در ایران

• انجام آزمایش در گالری حفر شده در چاه دستی؛
• انجام آزمایش در گالری حفر شده در ترانشه خاکی؛
• انجام آزمایش در سطح زمین؛ و
• انجام آزمایش در کف چاه حفر شده، تا تراز پیشنهادی پی، طبق استاندارد ASTM-D1194 در دو مورد اول، تراز قرارگیری صفحه بارگذاری، همان تراز كف گالری می باشد. ابعاد گالری، معمولا، دارای 1 متر عرض، ۲ متر طول و ۸۰ سانتیمتر ارتفاع می باشد.

مزایای آزمایش بارگذاری صفحه ای

• آزمایش PLT، تقریبا برای همه انواع خاک ها، در سطح، یا در تراز پی، قابل استفاده است؛ و
• این آزمایش، در خاک های سخت، سنگ نرم و شن های درشت، که امکان نمونه گیری و استفاده از آزمایش های SPT و CPT وجود ندارد، بسیار مفید و کارگشا است.

معایب آزمایش بارگذاری صفحه ای

• در اغلب موارد، ظرفیت سیستم بارگذاری برای رساندن خاک به حد گسیخته ظرفیت باربری، کفایت نمی کند؛
• انجام آزمایش PLT، در اعماق زیاد و زیر سطح آب، مقدور نیست؛
• هزینه اجرای آزمایش PLT، بالا بوده و از این جهت، صرفا، برای پروژه های مهم صرف اقتصادی دارد؛
• امکان نمونه گیری از خاک، در این روش وجود ندارد؛
• عمقی از بستر که تحت تأثیر بارگذاری صفحه PLT قرار می گیرد، بسیار کمتر از عمق تحت تأثیر بستر، تحت سازه واقعی است که این مساله، می تواند باعث خطا در نتایج آزمایش شود؛
• عدم امکان رعایت بندهای اجرایی آئین نامه، در صورت اجرای آزمایش در داخل چاه و گالری ها؛
• به دلیل استفاده از بار مرده و یا ماشین الات سنگین، به عنوان تأمین کننده نیروی عکس العمل، نیاز به زمین مسطح برای انجام آزمایش است؛ و
• محدودیت استفاده از آزمایش PLT، در خاک های دارای نشست تحکیمی.

شرح مختصری از روش آزمون

نحوه انجام آزمایش، به صورت زیر است:

• صفحات فولادی، معمولا دایره ای، با قطر 15 تا 100 سانتی متر و یا مربعی، به ابعاد 30 تا 60 سانتی متر. برای اطمینان از صلبیت صفحه، اغلب از سه صفحه هم مرکز، با قطرهای مختلف استفاده می شود. قطر صفحه آزمایش، نباید کمتر از شش برابر حداکثر اندازه دانه های خاک باشد. همچنین در صورت نیاز، برای افزایش سختی صفحه، از سخت کننده استفاده می شود؛
• جک هیدرولیکی، به همراه گیج اندازه گیری فشار قائم و سه عدد گیج اندازه گیری نشست؛
• برای اعمال فشار جک، لازم است که جک به یک تکیه گاه تغییرشکل ناپذیر بسته شود. می توان از تیر فولادی که وزنه های سنگین روی آن باشد، استفاده کرد. همچنین، می توان از محور ماشین آلات سنگین استفاده نمود؛
• اگر قرار باشد آزمایش در یک گالری افقی انجام شود، مانند آزمایش جکینگ توده های سنگی، از سقف گالری، به عنوان تکیه گاه جک های هیدرولیکی استفاده می شود و شایسته است، نتایج را با توجه به عمق آزمایش و سختی خاک محیط تصحيح نمود؛
• قبل از آزمایش، باید در مورد چگونگی ایجاد بار مرده موردنیاز برای آزمایش، تصمیم گیری لازم به عمل آید (تکیه گاه بار)؛
• برای انجام آزمایش، گودالی به قطر حداقل ۴ برابر قطر صفحه آزمایش و تا عمق استقرار پی (ds) حفر شده و صفحه در مرکز سوراخ قرار داده میشود؛
• گام های بارگذاری، حداکثر، مساوی یک چهارم تا یک پنجم بار نهایی تخمین زده شده، میباشند؛
• در هر گام بارگذاری، نشست شالوده، توسط گیج با دقت ۰/۲۵ میلیمتر اندازه گیری می شود؛
• بار هر گام بارگذاری، حداقل به اندازه یک ساعت حفظ می شود؛
• خاتمه ازمایش که مصادف است با لحظه گسیختگی، معادل است با وقوع نشست به میزان ۲۵ میلیمتر، یا زمانی که تنش صفحه، به ۲ یا ۳ برابر بار طراحی پیشنهادی برای پی اصلی برسد؛
• همچنین، پس از برداشتن بار، باید برجهندگی (بازگشت) الاستیک خاک را برای مدت زمانی حداقل یا طول و مو بار ثبت کرد. ثبت نشستها، برای یک ساعت اول، هر ۵ تا ۱۰ دقیقه انجام می گیرد؛ و
• نتایج اندازه گیری ها، به صورت منحنی های زمان – نشست و بار – نشست، ارائه می گردد، به نحوی که استخراج بار نهایی، به آسانی مقدور می باشد.

روش معمول انجام آزمایش بارگذاری صفحه ای در ایران

• انجام آزمایش در گالری حفر شده در چاه دستی؛
• انجام آزمایش در گالری حفر شده در ترانشه خاکی؛
• انجام آزمایش در سطح زمین؛ و
• انجام آزمایش در کف چاه حفر شده، تا تراز پیشنهادی پی، طبق استاندارد ASTM-D1194 در دو مورد اول، تراز قرارگیری صفحه بارگذاری، همان تراز كف گالری می باشد. ابعاد گالری، معمولا، دارای 1 متر عرض، ۲ متر طول و ۸۰ سانتیمتر ارتفاع می باشد.
  

  خطاهای معمول شده در انجام آزمایش

• عدم رعایت فاصله صفحه از دیواره ترانشه (در آزمایشات داخل گالری و چاه، این خطا، به طور طبیعی ایجاد
  می گردد)؛
• استفاده از محیطهای انعطاف پذیر برای تکیه گاه جک که فشار را به صفحه وارد می نماید (به ویژه، محيط انعطاف پذیر سقف گالری)؛
• اگر آزمایش در چاه یا گالری انجام شود، عمق انجام آزمایش، در نتایج حاصله تأثیر خواهد داشت (وقتی فاصله صفحه بار از جدارة ترانشه، کافی نباشد، گوه های گسیختگی تودۂ خاک زیر صفحه، از عمق انجام آزمایش تأثیر می پذیرند و این، بر خلاف استاندارد است. فلذا، مدول الاستیسیته و یا مدول عکس العمل بستر، با خطا مواجه میشود)؛
• با توجه به اینکه ابعاد صفحه آزمایش بارگذاری، اغلب، نسبت به ابعاد یی اصلی، کوچک بوده و عمق نفود تنش، نسبت به شرایط پی اصلی، کوچکتر است، در صورت وجود لایه بندی با تفاوت مشخصات ژئوتکنیکی در محدوده تأثیر پی، باید از تعمیم نتایج آزمایش برای پی خودداری شود؛ و
• بدیهی است که نتایج به دست آمده از آزمایش، در راستای بار وارده، دارای اعتبار است و به وي خاکهای ناهمگن و ناهمسان، در تعميم نتایج، باید به این نکته توجه کرد

دستگاه بارگذاری صفحه ای

محاسبات

محاسبه مدول الاستیسیته
برای محاسبه مدول الاستیسیته از روی نتایج آزمایش بارگذاری صفحه ای، استاندارد BS5930، رابطه زیر پیشنهاد شده است:

E: مدول الاستیسیته؛

u: ضریب پواسون خاک؛

B: عرض صفحه؛

Q: فشار اعمال شده بین صفحه و خاک؛ و

e: نشست صفحه.

تعیین مقاومت برشی یا ظرفیت باربری خاک های چسبنده
اگر هدف آزمایش بارگذاری صفحه ای، به دست آوردن مقادیر مقاومت برشی یا ظرفیت باربری در خاک های چسبنده باشد، بارگذاری نباید در چند مرحله انجام گیرد. صفحه، طوری به پایین فشار داده می شود که نرخ نفوذ ثابتی داشته باشد. در آن صورت، مقاومت برشی زهکشی نشده، از معادله زیر حاصل می شود:

در رابطه فوق:
Cu: مقاومت برشی زهکشی نشده؛

qult: ظرفیت باربری نهایی؛

b: وزن مخصوص متوسط تودۂ خاک بالای تراز آزمایش؛

b: عمق انجام آزمایش؛ و

Nc: فاكتور ظرفیت باربری، که برای ناحیه بارگذاری دایره ای در سطح، برابر ۶/۱۵ و برای وقتی که بار با یک صفحه در کف گمانه انجام می شود و صفحه، قطری برابر قطر گمانه دارد، معادل ۹/۲۵ باشد. وقتی ظرفیت باربری نهایی، در منحنی بار – نشست مشخص نباشد، این مقدار، باید معادل مقداری که در نشستی، برابر ۱۵ درصد قطر صفحه رخ می دهد، فرض شود.

محاسبه مدول عکس العمل بستر

مدول عکس العمل بستر، به صورت زیر تعریف می گردد:

در رابطه فوق:

k: مدول عکس العمل بستر؛

Q: تنش وارد بر پی؛ و

Δ: تغییر شکل یا نشست حاصله.

بهتر است، به جای یک عدد در گزارش مدول عکس العمل بستر، منحنی تغییرات k بر حسب سطح تنش ارائه گردد و یا این که برای هر سازه ای، این پارامتر، با توجه به سطح تنش واقعی پی، تعیین گردد.

ارتفاعات شمال گسل رورانده مشا ( مانند كوه دماوند ) را شامل مي شود كه به واسطه عمل روراندگي اين گسل، بر روي چين هاي كناري البرز و به سمت جنوب رانده شده است.