آزمون های صحرایی

آزمون های صحرایی خاک یا سنگ، در حال حاضر بخش اصلی فرآیند طراحی های ژئوتکنیکی را تشکیل می دهند. آزمون های صحرایی یا برجا خاک در جهت تکمیل آزمون های آزمایشگاهی برای کسب پارامترهای اساسی خاک نظیر مقاومت، تنش های افقی برجا، مدول های تغییر شکل پذیری و نفوذپذیری، اهمیت روزافزونی یافته‌اند.

اهمیت آزمون های صحرایی

دلیل افزایش مداوم تقاضا برای آزمون های صحرایی خاک، ناکافی بودن آزمون های آزمایشگاهی جهت تشخیص دقیق ویژگی های خاک است. همچنین مهمترین مزیت آزمون‌ های درجا یا صحرایی خاک این است که پارامترهای خاک بر خلاف آزمون‌های آزمایشگاهی تحت تاثیر دست خوردگی و افت کیفیت خاک قرار نمی ‌گیرند‌.

آزمون ‌های صحرایی خاک همچنین از نظر ارزیابی سایت و سازه در مقابل زلزله از اهمیت برخوردار هستند. امروزه کارایی آزمون ‌های درجا یا صحرایی خاک به ویژه آزمون نفوذ مخروط و آزمون سرعت موج برشی به عنوان روشی موثر جهت ارزیابی ظرفیت آسیب ‌های ناشی از تکان ‌های لرزه ‌ای به اثبات رسیده است.

آزمون های صحرایی خاک به کار رفته در مهندسی ژئوتکنیک تنوع گسترده ای دارند که بنا به نوع پروژه، خواص و سایر عوامل مورد نیاز در هر پروژه یک یا چند آزمون خاص مورد توجه قرار می گیرد. 

مهمترین آزمون های صحرایی خاک

مهمترین آزمون های صحرایی خاک شامل موارد زیر هستند:

آزمون صحرایی دانهول خاک 

آزمون درون چاهی دانهول یکی از آزمون های صحرایی خاک با هدف شناسایی لایه بندی خاک و مقاومت آ‌نها است. اساس آزمون لرزه‌ نگاری درون گمانه ‌ای دانهول بر مبنای اندازه گیری سرعت انتشار امواج فشاری و برشی و استفاده از آن  برای تفکیک لایه ها و تخمین پارامترهای دینامیکی خاک است.

در این آزمون، منبع ارتعاش در سطح زمین و ژئوفون ها درون گمانه قرار می گیرند و با ایجاد ارتعاش در سطح زمین و دریافت امواج در اعماق مختلف، با توجه به زمان و فاصله طی شده توسط موج های ارتعاشی، سرعت آنها در اعماق مختلف قابل محاسبه خواهد بود. با توجه به تغییرات سرعت موج در خاک‌ هایی با جنس مختلف، امکان شناسایی لایه‌بندی، جنس خاک و نیز تخمین پارامترهای خاک وجود دارد.

آزمون لوژان 

آزمون لوژان، رایج ترین روش تعیین نفوذپذیری در محیط های سنگی درزه دار است که بوسیله لوژان در سال ۱۹۳۳ میلادی ابداع شده است. یک لوژان، آب خوری یک لیتر در دقیقه برای قطعه ای از گمانه به طول یک متر تحت فشار سیال ۱۰ بار است. 

در آزمون صحرایی خاک لوژان، بعد از حفاری گمانه، شستسوی آب و نصب پکرها، قطعه مورد نظر به مدت ۱۰ دقیقه از آب اشباع می گردد. سپس فشار موردنظر برای آزمون در ۵ یا ۷ گام به قطعه اعمال و هر ۵ دقیقه میزان خورند آب (جذب آب) ثبت می شود. اگر اختلاف بین دو قرائت از ۱۰ درصد کمتر شود، آزمون لوژان در آن قطعه (گام یا مرحله) تمام شده تلقی شده و اعمال فشار گام بعدی، شروع می شود. در نهایت با داشتن نتایج فشار و خورند، ضمن مشخص شدن رفتار محیط در مقابل فشار آب، عدد لوژان که نمایانگر نفوذپذیری توده های سنگی درزه دار است، حاصل می شود.

آزمون صحرایی لوفران خاک 

آزمون لوفران روش صحرایی تعیین نفوذپذیری توده های خاک است که به سه شکل آزمون ایستایی ثابت، سطح آب افتان و سطح آب خیزان، بر اساس شرایط محیطی انجام می‌گیرد. هر یک از این روش‌ها به دو روش نقطه ای برای تعیین نفوذپذیری قائم و قطعه ای برای تعیین نفوذ پذیری افقی تقسیم می شوند. در این روش ها بر اساس میزان نفوذ یا تراوش آب در گمانه، با روش ها و روابط مربوطه، میزان نفوذپذیری خاک در جهت افقی یا قائم اندازه گیری می شود.

آزمون صحرایی نفوذ استاندارد خاک

آزمون صحرایی نفوذ استاندارد به دلیل کاربرد مستقیم یا غیرمستقیم نتایج آن، در ارزیابی رفتار خاک ‌ها در مقابل پدیده ‌های مختلف ژئوتکنیکی، تعیین پارامترهای خاک و استفاده در تعیین ظرفیت باربری پی‌ ها با در نظر گرفتن ملاحظات نشست، یکی از متداول ‌ترین آزمون‌ های صحرایی است.

این آزمون بر سقوط یک وزنه از ارتفاع مشخص بر یک میله استوانه ‌ای شکل نمونه گیر استوار است.

آزمون پرسیومتری یا فشارسنجی

آزمون پرسیومتری  براساس قرار دادن یک غشای استوانه ‌ای شکل تحت فشار سیال درون یک گمانه استوار است.

در آزمون صحرایی خاک پرسیومتری  حین افزایش فشار سیال و در نتیجه افزایش حجم غشا و حفره، تغییرات حجم و فشار اندازه‌گیری شده و ثبت می شود. آزمون پرسیومتر به علت برخورداری از پشتوانه‌ علمی و تئوریک محکم نسبت به سایر آزمون ‌های صحرایی خاک، کارایی در اعماق زیاد و قابلیت کسب اطلاعات کمی فراوان در مورد رفتار خاک در حال حاضر به عنوان معتبرترین آزمون صحرایی مکانیک خاک محسوب می شود.

آزمون بارگذاری صفحه، روشی صحرایی برای تعیین ظرفیت باربری خاک، ارزیابی میزان تراکم پذیری و محاسبه مدول عکس العمل بستر در برابر بارهای وارده است.

در آزمون بارگذاری صفحه یک صفحه فلزی تحت بار قائم قرار گرفته و میزان نشست آن ثبت می‌گردد. شرایط این صفحه نظیر یک پی منفرد است، بنابراین می ‌توان نتایج آن را با اعمال ضرایبی برای محاسبه میزان نشست پی‌ های سطحی بکار گرفت.

آزمون برش مستقیم برجا

ابزار آزمون برش مستقیم نخستین بار توسط Prakash در سال ۱۹۷۶ میلادی ابداع شد. مبنای آزمون برش مستقیم برجا یا صحرایی خاک مشابه آزمون برش مستقیم آزمایشگاهی است که جهت نزدیکی بیشتر به شرایط واقعی به صورت برجا انجام می گردد. در آزمون برش برجا ضمن اعمال بار قائم بر صفحه واقع روی سطح خاک یا سنگ، بار افقی ایجاد برش می کند.

آزمون برش برجا یا صحرایی خاک برای اندازه گیری مقاومت برشی توده های سنگی در تونل ها، شیروانی های سنگی، پی سدها، اندازه گیری ضریب اصطکاک بین سنگ و بتن در پی سدها، اندازه گیری مقاومت برشی خاکریزها و اندازه گیری مقاومت برشی توده های طبیعی خاکی در پروژه های مختلف، انجام می گیرد.

آزمون صحرایی برش پره خاک 

در آزمون صحرایی برش پره خاک، یک تیغه برش چهار پره با هندسه ‌ای مشخص و استاندارد، در خاک مورد نظر با اعمال یک لنگر چرخشی فرو برده می ‌شود. با اندازه گیری لنگر پیچشی جهت برش، گسیختگی خاک و همچنین هندسه پره، می ‌توان مقاومت برشی خاک رس ‌را اندازه گیری کرد. آزمون برش پره به طور عمده در خاک ‌های رسی مورد استفاده می شود. البته آزمون برش پره در خاک ‌های دانه ‌ای و متراکم کاربردی ندارد.

همچنین آزمون صحرایی برش پره خاک، محدود به خاک‌ هایی می‌‌شود که چرخش آرام تیغه ‌ها (۶ درجه در دقیقه) بتواند در آنها سبب گسیختگی برش زهکشی نشده شود. از آنجا که زمان انجام آزمون برش پره سریع (حدود ۲ تا ۵ دقیقه)، است، بنابراین جهت اندازه گیری مقاومت برشی زهکشی نشده کاربرد دارد. براساس روابط تعادلی بین لنگر اعمال شده و مقاومت برشی خاک در اطراف پره پس از گسیختگی، مقاومت برشی زهکشی نشده خاک به دست می‌‌آید.

آزمون دایلاتومتری تخت

آزمون دایلاتومتری تخت یا اتساع سنجی توسط مارچتی در سال ۱۹۸۰ میلادی ابداع شده است. در آزمون دایلاتومتری تخت، نوک دستگاه با سرعت ۲۰ میلیمتر بر ثانیه به درون زمین رانده می شود و با ثبت چند نوع فشار از جمله فشار بر غشا از طرف زمین، فشار برای صفر کردن تغییر مکان غشا، فشار برای ایجاد تغییر مکان ۱.۱ میلیمتر، فشار وارد بر غشاء پس از برداشت بار و با بکارگیری روابط مربوطه متغیرهای دایلاتومتری به دست می آید.

آزمون دانسیته صحرایی خاک

آزمون دانسیته صحرایی خاک، جهت کنترل وزن مخصوص خاکریزهای کوبیده شده در سدهای خاکی، راهسازی و ... استفاده می شود. آزمون دانسیته درجا یا صحرایی خاک به همراه آزمون تراکم به عنوان مبنای پذیرش کفایت عملیات تراکم مورد استفاده قرار می گیرند.

کاربرد آزمون دانسیته صحرایی به خاک های اشباع محدود بوده و در خاک های نرم و به شدت شکننده توصیه نمی شود. همچنین هدف از آزمون دانسیته درجا به‌دست 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 قابل محاسبه می شود.

آزمون پیزوکن

آزمون نفوذ مخروط الکتریکی با قابلیت اندازه‌ گیری فشار آب حفره‌ ای که پیزوکن نامیده می ‌شود که یکی از پیشرفته ‌ترین آزمون‌ های صحرایی خاک است. از آزمون پیزوکنبرای تعیین برخی پارامترهای مهندسی خاک های چسبنده و غیرچسبنده و همچنین تشخیص ماهیت خاک استفاده می گردد.

آزمون پیزوکنبه علت تکرارپذیری، قابلیت اطمینان و پیوستگی داده ها، یک آزمون برجای ایده آل برای تعیین نوع خاک، لایه بندی زمین، تخمین پارامترهای مقاومتی، تغییر شکل پذیری لایه های ماسه ای و رسی و ارزیابی ظرفیت روان گرایی خاک های ماسه ای است. نتایج آزمون به دلیل ثبت دیجیتال، در سریع ترین زمان ممکن قابل ارائه و تجزیه و تحلیل است.

هزینه آزمون های صحرایی خاک

آزمون های صحرایی خاک از این جهت دارای اهمیت است که دست خوردگی غیرقابل اجتناب نمونه ها روی نتایج آزمون های آزمایشگاهی، اثر گذاشته و اعتبار پارامترهای اندازه گیری شده را زیر سوال می برد. بنابراین خصوصیات خاک ‌ها نماینده واقعی ‌تری بر مقاومت و سختی درجا یا صحرایی خاک بوده و در نتیجه منجر به طراحی ‌فونداسیون به شکل اقتصادی تری می‌ شود، زیرا آزمون‌ های متداول آزمایشگاهی عموما مقاومت های پایین ‌تری را نسبت به آزمون های درجا یا صحرایی خاک نشان می دهند. بنابراین بدیهی است که ظرفیت باربری بیشتر باعث صرفه جویی اقتصادی بیشتری به نفع مالک یا کارفرما می شود. از همین رو هزینه آزمون های صحرایی خاک در قبال مزایای آن بسیار اندک است.