مته حفاری حفر گمانه های شناسائی
مته حفاری و حفر گمانه های شناسائی
کلیات
درمورد اکثر سازهها از قبیل پل، سد، نیروگاه مرکزی، اسکلت فلزی و مجتمع مسکونی چندطبقه، قبل از شروع ساختمان، باید لایههای خاک زیرپی تا اعماق زیاد شناسائی شود. بدینمنظور ابتدا باید گمانه یا گمانههای شناسائی حفر و خاک را بررسی کرد. مته حفاری حفر گمانه های شناسائی
درموارد مهم و حساس، این کار باید با همکاری یک زمینشناس متخصص انجام گیرد؛ کسی که بتواند بهطور مشخص، همگونی یا ناهمگونی خاک زیر پی را تشخیص دهد؛ به عبارت دیگر، ضعفها و اشکالات نامحسوسی را که در خاک زیر پی مشاهده میشود،
بیان کند. شناسائی خاک باید شامل تعیین جنس لایههایی که با آنها برخورد میشود، از قبیل ماسه، رس، لای یا سنگ، و همچنین تعیین سطح سفره اشباعی باشد. در مورادی که آب نقش مهمی دارد، باید اطلاعات لازم در زمینه آبگذرانی لایههای خاک را نیز به دست آورد.
تعداد گمانههای شناسائی و فاصله آنها از یکدیگر، ارتباط نزدیکی با یکنواختی خاک دارد. چنانچه اطلاعات اولیه در این زمینه در دست نباشد، تعداد و فاصله گمانهها را در جریان عمل و با بررسی نتایج بهدستآمده از حفاریهای مقدماتی تعیین میکنند. اصولاً در مواقعی که بارهای وارده بر زمین زیاد باشد، گمانههای شناسائی باید به هم نزدیک باشند. مته حفاری حفر گمانه های شناسائی
بهطورکلی، عمق گمانههای شناسائی به نسبت خطرات نشست تعیین میشود. برای ساختمانهای بسیار سنگین، خطرات نشست غالباً ما را ناگزیر میسازد که گمانههای شناسائی را تا رسیدن به لایه سنگ ادامه دهیم. برای ساختمانهای معمولی، عملیات شناسائی خاک باید تا عمقی ادامه یابد که افزایش تنشهای قائم حاصل از بارهای ساختمان به 1/0 تنش عمودی اولیه تقلیل یافته باشد. برای ساختمانهای متوسط، قاعده این است که عملیات شناسائی خاک تا عمقی معادل دوبرابر عرض ساختمان درنظر گرفته شود. مته حفاری حفر گمانه های شناسائی
گامبفور (Henri Gambefort) وجه تمایز حفاریهای معمولی از حفر گمانه شناسائی را چنین بیان کرده است:
گمانههای شناسائی عبارتند از حفاریهایی که با دقت کامل صورت میگیرد و این امکان را بهوجود میآورد که نمونههایی تا حد امکان طبیعی از اعماق زمین تهیه و روی زمین از نزدیک بررسی شوند. درمواردی که زمین برای مقاصد دیگر حفاری میشود، تنها هدف بالابودن راندمان حفاری است.
بههمخوردگی نمونهها
هنگام تهیه نمونههای بههمنخورده (دستنخورده) بزرگترین دغدغه این است که تأثیر عواملی که موجب بههمخوردگی نمونه طبیعی میشود و در عمل نیز اجتنابناپذیر است، به حداقل ممکن رسانده شود. آسیبدیدگی نمونهها ممکن است قبل از نمونهبرداری، هنگام نمونهبرداری یا بعد از آن رخ دهد. دستخوردگی نمونه طبیعی قبل از تهیه آن، احتمالاً ناشی از تأثیر مستقیم ابزارهای حفاری یا حرکت خاکهای خارجشده از گمانه و تغییر فشارهایی که در این شرایط در کف گمانه پیش میآید، است.
بههمخوردگی نمونهها معمولاً در اعماقی معادل 2 تا 3 برابر قطر لوله حفاری رخ میدهد، که با بهکار بردن گل مخصوص حفاری، این عمق تاحدودی تقلیل مییابد، بهجز مواردی که نمونه بالاتر از سطح آب زیرزمینی قرار دارد. چنانچه درون لولههای حفاری، قبل از نمونهگیری، بهدقت تمیز نشده باشد، قسمت فوقانی نمونه دستنخوردهای که گرفته میشود، احتمالاً از بقایای مواد چسبنده به جدار داخل لولهها و کف گمانه تشکیل شده و لذا نمونه حقیقی نیست. از سوی دیگر، تمیزکردن لولهها اگر با واردکردن آب تحت فشار به داخل گمانه و بهسرعت انجام شود، ممکن اس باعث کندهشدن ذرات خاک و مخلوط شدنشان با هم و درنتیجه خارجشدن نمونه از حالت طبیعی خود تا اعماقی غیرقابل پیشبینی شود.
موارد مذکور منشأ اشتباه در تعیین نیمرخ خاک است.
بههمخوردگیهایی که هنگام تهیه نمونه دستنخورده پدید میآید، عمدتاً ناشی از جابهجایی خاک براثر تماس با نمونهگیر، چسبندگی بین نمونه و نمونهگیر و فشار هیدرواستاتیکی بر بالای نمونه است. هنگامی که استوانه نمونهگیر دستنخورده وارد گمانه میشود، اولین زمینه مساعد برای تأثیرپذیری لایههای طبیعی خاک ایجاد میشود. این نقیصه تحتتأثیر ابعاد استوانه نمونهگیر، شامل ضخامت، قطر و ارتفاع جدار ممکن است افزایش یابد. بههمین دلیل هوورسلو (Hvorslev) توصیه میکند که سرعت حرکت نمونهگیر در داخل لایه از 15 تا 30 سانتیمتر در ثانیه تجاوز نکند.
دومین اشکال، تغییر شکل لایههای خاک نسبت به حالت طبیعی است.
سومین اشکال، عبارت است از پیشآمدن مانعی که از پرشدن کامل استوانه نمونهگیر جلوگیری کند.
و بالاخره لطمهای که هنگام بیرونکشیدن نمونه از داخل گمانه به آن وارد میشود. توضیح اینکه برای جداکردن نمونه درون استوانه از کف زمین طبیعی، معمولاً همزمان استوانه نمونهگیر را میکشد و میپیچند. دستخوردگی ناشی از این عمل گاهی به 2 تا 3 برابر قطر استوانه نمونهگیر میرسد.
بههمخوردگی در نمونههای طبیعی پس از تهیه نمونه، ممکن است علل گوناگونی داشته باشد، از قبیل بد بستهشدن نمونهگیرها، تخمیر، یخزدگی، ضربه خوردن و لرزشهای نمونه هنگام حملونقل.
اصولاً نمونه طبیعی تا زمانی اعتبار و ارزش یک نمونه دستنخورده را دارد که خصوصیات زیر را دارا باشد:
- بافت خاک تغییر شکل ظاهری نداده باشد.
- مقدار آب موجود در نمونه یا خلل و فلج ذرات خاک تغییر نکرده باشد.
- مواد تشکیلدهنده و همچنین ترکیب شیمیایی خاک تغییر نکرده باشد.
حفظ این خصوصیات، با بهکاربستن راهنماییهای زیر تحقق مییابد:
- رابطه ویژه معینی که به صورت ، بین تغییرات طولی نمونه هنگام نمونهگیری از یک طرف و ، تغییرات متقابل عمق نمونهگیری از طرف دیگر برقرار است، بین مقادیر ci2-1 و 1 محدود باشد، که ci رابطه بین اقطار داخلی پیشرو استوانه و خود استوانه نمونهگیر است:
درواقع، رابطه کلی از نسبت که بین L (طول نمونه) و H (عمق فرورفتن نمونهگیر در داخل زمین) وجود دارد به دست میآید. این نسبت از اعتبار متوسطی برخوردار است.
- در سطح نمونه دستنخورده یا مقاطع مربوط به سایر نقاط آن، هیچگونه پیچخوردگی قابل تشخیص، شکستگی، اثراتی از وسایل حفاری، رنگباختگی یا هر نوع علامت ناشی از بیدقتی در مرحله نمونهگیری و نگهداری نباید دیده شود.
- طول واقعی نمونه دستنخورده و همچنین وزن آن و نتایج سایر آزمایشهای کنترلی، درجریان نقل و انتقال، به عللی از قبیل ضربهخوردن یا ارتعاشات وارده، نباید تغییر یافته باشد.
با وجود تمام مراقبتها ممکن است ابتدا یا انتهای نمونه دستنخورده دچار دستخوردگی شود.
نمونهبرداری از خاکهای سست
اساساً تهیه نمونه دستنخورده از خاکهای نرم و غیرچسبنده و چسبنده همواره موردتوجه و علاقه زمینشناسان بوده است، زیرا با این نمونهها میتوان آزمایشهای آزمایشگاهی را بهخوبی انجام داد. باید کوشش شود قطر نمونههای دستنخوردهای که از این مواد تهیه میشود، تا حدامکان زیاد باشد. اما به دلایل اقتصادی، درعمل همواره از گمانههای شناسائی با قطر کم استفاده میکنند.
قطر نمونههای دستنخورده موردنیاز برای آزمایشهای آزمایشگاهی، مثلاً برای آزمایش سهمحوری (triaxial)، بهتر است 100 میلیمتر باشد. نمونهای با این قطر، درواقع این امکان را بهوجود میآورد که سه عدد نمونه موردنیاز برای آزمایش سهمحوری که سطح مقطع هریک 10 سانتیمتر مربع است، از یک ضخامت تهیه شوند. باوجود این، چنانچه طول نمونهگیر دستنخورده و همچنین ضخامت لایه موردمطالعه کافی باشد، میتوان برای آزمایش سهمحوری 3 تا 4 نمونه موردنیاز را در امتداد طولی یکدیگر تهیه کرد. درچنین حالتی قطر نمونهگیر دستنخورده میتواند به 60 میلیمتر محدود شود. با این حال، روی اخیر توصیه نمیشود، زیرا زمین در ضخامتهای مناسب برای اجرای این روش، یعنی حدود 60 سانتیمتر، معمولاً غیریکنواخت است.
انواع نمونهگیرها
بهمنظور جلوگیری از بروز اشکالات عمده، نمونهگیری ترجیحاً هنگامی انجام شود که همگونی و مناسببودن خاک برای تهیه نمونه دستنخورده تشخیص داده شده باشد.
برای اینکه نمونههای برداشتشده تا حد امکان دستنخورده باقی مانده باشند، باید از نمونهگیرهایی که دارای خصوصیات زیر هستند، استفاده کرد:
- جدار نمونهگیرها حتیالمقدور صیقلی و نازک باشد.
- همانطور که هوا یا آب وارد استوانه نمونهگیر میشود، باید هنگام نمونهگیری بتواند از آن خارج شود. نمونهگیر باید دارای مجرایی باشد که آن را به هوای آزاد مرتبط کند.
بدینمنظور میتوان از نمونهگیرهای پیستوندار مکثکننده استفاده کرد. عملکرد این نوع پیستونها چنین است:
نمونهگیر را در حالتی که پیستون آن در قسمت پائین قرار دارد، وارد مجرای گمانه شناسائی میکنند. در مدت زمانی که نمونهگیر در کف گمانه قرار دارد، با فرمان حرکت از روی زمین، پیستون ثابت نگه داشته میشود، بههمین دلیل، پیستون را «مکثکننده» نامیدهاند.
سرانجام استوانه مخصوص نمونهگیری را که جدار نازکی دارد، در خاک فرو میبرند.
پیستون در حالت ثابت، مانع از این خواهد بود که در آغاز نمونهگیری، خاک کمتر از حد معمول وارد نمونهگیر شود. پس از برداشت نمونه، هوای موجود در فضای خالی بین پیستون و نمونه را از مجرای مخصوصی که قبلاً در پیستون پیشبینی شده، خارج میسازند.
نوع دیگری از استوانههای مخصوص نمونهگیری، شلبی (Shelbi) است که از لولههای نازک بسیار سادهای تشکیل شده است و نمونه خاک داخل آن به کمک سوپاپ ساچمهداری نگه داشته میشود.
لولههای نازک نمونهگیری، خواه با پیستون یا بدون پیستون، اختصاصاً برای نمونهگیری از لایههای چسبنده بهکار میروند.
هنگام نمونهگیری، هرگز نباید این قبیل لولهها در خاک کوبیده شوند. بلکه برای نمونهبرداری از لایههای چسبنده، لولهها را با سرعت ثابتی به زمین فشار میدهند، تا نمونه موردنظر داخل آن شود.
هنگامی که لایه مورد آزمایش از ماسه، شن یا رس سخت تشکیل شده باشد، بهجای این لولههای ظریف و نازک باید از لولههای بسیار مقاوم، یا از لولههایی که پوشش داخلی دارند، یا بهتر از همه، از نمونهگیرهای دوجداره استفاده کرد. جدار خارجی درعین حال که قادر است حول خود حرکت دورانی کند، مجهز به تیغه دندانهدار و برندهای از جنس فولاد مقاوم است و دربرخی موارد نیز مجهز به مته الماسی است. جدار داخلی ثابت و مجهز به تیغه برندهای است که کمی جلوتر از تیغه متحرک قرار گرفته، بهطوری که نمونه گرفتهشده هیچگونه تماسی با گل حفاری یا آبی که برای خنککردن مته حفاری جریان مییابد ندارد. در این قبیل نمونهگیرها، غالباً دریچههای بازدارندهای تعبیه شده که جلو حرکت نمونه برداشتشده را به سمت پائین میگیرد و به این ترتیب مانع سقوط آن به داخل گمانه میشود.
نتیجهگیری
نمیتوان همواره تأکید کرد که حفر گمانههای شناسائی و تهیه نمونههای دستنخورده همیشه باید تحتنظر متخصصان و با مراعات کلیه موازین ذکرشده انجام شود. بسیار پیش میآید که هدف از حفر شناسائی، صرفاً تهیه نمونههای بههمنخوردهای است که به کمک آنها بتوان اطلاعات لازم را در زمینه خواص فیزیکی و مکانیکی خاک موردنظر بهدست آورد. درچنین مواردی، بدون نیاز به دقت زیاد، فقط با رعایت مراقبتهای اولیه میتوان نمونههای دستنخورده موردنیاز را تهیه کرد.
پروفسور ماگنل (Magnel) در رساله خود به نام مقاومت، درباره حفاری برای شناسائی لایههای زمین چنین اظهارنظر کرده است:
در حفاری گمانههای شناسائی، نباید به نتایج تحقیقات و نمونهبرداری اعتماد چندانی کرد، زیرا اطلاعات بهدستآمده، علاوه بر نارسابودن، میتواند گمراهکننده هم باشد. البته نباید غیر از این انتظاری داشت، بهویژه در مواقعی که از نمونهگیرهای معمولی و تکنیک عقبمانده برای نمونهبرداری استفاده میشود.
غالباً مقداری از خاکهای چسبنده به بدنه گمانه، بهوسیله نمونهگیر تراشیده و به لایه موردنظر برای نمونهبرداری منتقل میشود. این مواد با مصالح تشکیلدهنده لایه مخلوط میشود و تغییر میکند. حداکثر اطلاعی که از این قبیل نمونهها بهدست میآید این است که معلوم شود نمونه از نوع ماسه است یا رس و آیا همراه آن شن هم وجود دارد یا نه. بدیهی است دراینگونه موارد، هر نوع اظهارنظر قطعی درمورد میزان پایداری لایه نادرست است، زیرا احتمال دارد اطلاعات بهدستآمده بهکلی غلط باشد.
پس از اینکه نمونههای دستنخورده در شرایطی مناسب و با دقت کافی تهیه شد، با استفاده از مقطع مربوط به هر نمونه باید تشخیص داده شود که لایه از چه موادی تشکیل شده و نامش چیست.
هربار که لایه خاک عوض شود، باید در صورت امکان از لایه جدید، نمونه دستنخورده گرفته شود. هنگامیکه زمین مورد آزمایش، از لایههای یکنواخت تشکیل یافته است، باید حداقل از هر دو متر، یک نمونه دستنخورده تهیه شود.
یک گزارش کامل تحقیقات مکانیک خاک در محل، همواره شامل موارد زیر است:
- نشان دادن محل و موقعیت گمانههای حفاریشده نسبت به هم
- نشان دادن مقطع هر گمانه و عمق نمونههای دستنخورده
- تعیین جنس لایهها و شرح آزمایشهای انجامشده برای شناسائی زمین
- تعیین سطح زمین طبیعی برای هر گمانه و اعماقی که در آن به آب زیرزمینی برخورد شده است.
در برخی موارد، شناسائی زمین ممکن است از طریق حفر دهلیز یا چاه انجام شود. امتیاز این روشها این است که مشاهده بافت زمین را در وضعیت طبیعی خود مقدور میسازند، ضمن اینکه برخی آزمایشهای ضروری را نیز میتوان مستقیماً روی لایههای طبیعی در محل انجام داد. اما از آنجا که حفاری با این روشها بهطورکلی پرهزینه است، معمولاً از آنها صرفنظر میکنند. در مناطقی که خاصیت آبگذرانی خاک بسیار زیاد یا سطح آب زیرزمینی بالاست، عملاً حفر دهلیز یا چاه غیرممکن است. از طرف دیگر، در زمینهای رسی که چسبندگی زیادی دارند، حفر دهلیز یا چاه دقیق نیست، زیرا مواد چسبنده رسی به بدنه آنها مالیده میشود و نتیجتاً لایههای خاک را از حالت طبیعی خود خارج میکند.
مطالعات ژئوفیزیکی
واضح است که منظور از مطالعات ژئوفیزیکی در اینجا بههیچوجه تعیین دقیق مشخصات فیزیکی و مکانیکی خاکها نیست. روشهای شناسائی ژئوفیزیکی این امکان را بهوجود میآورد که با مطالعه خصوصیات مغناطیسی، قابلیت هدایت الکتریکی، جرم مخصوص لایهها، و اطلاعات بهدستآمده از لرزاندن زمین و با دستگاههای مخصوص که در سطح یا لایههای سطحی زمین مستقر میشوند، بتوان جنس و ضخامت لایهها را تعیین کرد.
خاکهای غیرچسبنده (دانهای)
درمورد خاکهای غیرچسبنده که در آنها C مساوی صفر است، ظرفیت باربری خاک در مقابل عوامل نفوذی از رابطه زیر بهدست میآید:
طبق نظر کاکو و کریزل فرضیه نفوذ به داخل خاک را در حداقل خود ارائه میدهد.
درصورتی که مقدار حداکثر براساس تجربیات مایرهف از رابطه زیر بهدست میآید:
برای d مقدار زیر را میتوان درنظر گرفت:
که در آن، h عمق نقطه نفوذ از سطح زمین طبیعی و p شعاع تقریبی لوله است. اگر قطر لوله باشد، مقدار p برابر است. در بررسی و تفسیر آزمایشها، ترجیحاً از رابطه دوم که مقدار بسیار ضعیفی از را نمایش میدهد استفاده میشود، درصورتیکه برای محاسبه یک پی عمیق، رابطه اول که مقدار بسیار ضعیف بارهای وارده را به دست میدهد، بهکار میرود.
Ny بستگی به مقادیر اصطکاک و زاویه a دارد و درمقابل آن، فشار مفعولی اعمال میشود. تغییرات Ny در محدوده و 0 قرار دارد. مقدار آن به نمیرسد، مگر هنگامیکه فشار مفعولی جانبی در زمین، ثابت باشد. درمواردی که زمین حرکت جانبی دارد یا فشارهای آن توسط آب بین ذرات خاک تقلیل مییابد یا خنثی میشود، به عقیده کاکو و کریزل، فشار مفعولی در این موارد افزایش مییابد و با قوس مطابقت میکند.
خاکهای چسبنده
درمورد خاکهای چسبنده، کاکو و کریزل براساس روش استدلالی حالتهای تطبیقی رابطه زیر را ارائه دادهاند:
که در آن، , است.