شرح کامل روش اجرای آزمایش نفوذ استاندارد

روش استاندارد آزمایش برای آزمایش نفوذ (Standard Penetration Test)و نمونه گیری ازخاك ها با لوله شكافدار (نمونه گیر دو كفه ای) این روش آزمایش طرز پیشروی نمونه گیر لوله ای دو كفه ای، برای بدست آوردن نمونه خاك معرف و اندازه گیری مقاومت خاك در مقابل نفوذ نمونه گیر، را شرح می دهد و بطور كلی بعنوان آزمایش نفوذ استاندارد (SPT) شناخته شده است.
این استاندارد تمام موارد ایمنی مربوط به كاربرد آنرا بیان نمی كند، در مسیولیت استفاده كننده از این استاندارد است تا دستور العمل های تندرستی و ایمنی مناسب را تهیه نماید و قبل از استفاده قابلیت اجرایی محدودیت های تعدیلی را مشخص نماید.
مقادیر بیان شده برحسب واحدهای اینچ – پوند بعنوان استاندارد در نظر گرفته می شود.
توصیف اصطلاحات ویژه در این استاندارد:
SPT اختصار برای آزمایش نفوذ استاندارد، اصطلاحی كه با آن معمولاً مهندسین به این روش مراجعه می نمایند.
سندان – آن قسمت از مجموعه وزنه كوب كه با چكش برخورد می نماید و بوسیله آن انرژی چكش به میله های حفاری انتقال می یابد.
لنگرگیر (قرقره) – چرخ استوانه گردان ؛ در سیستم بالابری، قرقره – طناب كه متصدی دور تادور آنرا طنابی می پیچد تا با سفت و شل كردن طناب اطراف استوانه، چكش را بالا برده و پایین اندازد.
میله های حفاری- میله ها در هنگام حفاری گمانه جهت انتقال نیرو و پیچش به مته حفاری، استفاده می شوند.
مجموعه وزنه كوب – وسیله ای شامل چكش، میله هدایت چكش، سندان و هرنوع سیستم سقوط چكش.
چكش – آن قسمت از مجموعه وزنه كوب كه شامل وزنه ضربه زن 2+140 پوند (1+5/63 كیلوگرم) می باشد كه پی در پی بالا برده و پایین انداخته می شود تا انرژی انجام نمونه گیری ونفوذ را فراهم آورد.
سیستم سقوط چكش – آن قسمت از مجموعه وزن كوب كه متصدی بوسیله آن بالا رفتن و پایین افتادن چكش را انجام می دهد تا ضربه ایجاد شود.
میله هدایت سقوط چكش – آن قسمت از مجموعه وزنه كوب كه در هدایت سقوط چكش مورد استفاده قرار می گیرد.
مقدار N- شمارش ضرب، معرف مقاومت خاك در مقابل نفوذ – مقدار N برحسب ضربه ها در فوتگزارش می شود و برابر با مجموع تعداد ضربه های مورد نیاز می باشد تا نمونه گیر را درعمق مربوطه در فاصله 6 تا 18 اینچ (150 تا 450 میلیمتر) فرو برد.
N- تعداد ضربه های بدشت آمده در فواصل هر 6 اینچ (150میلیمتر) نفوذ نمونه گیر می باشد.
تعداد دوره های طناب – زاویه تماس كل بین طناب و قرقره در شروع كم شدن طناب متصدی تا سقوط چكش تقسیم بر 360 (شكل 1 رانگاه كنید)
میله های نمونه گیری – میله هاییكه مجموعه وزنه كوب را به نمونه گیر وصل می كنند. میله های حفاری اغلب برای این منظور مورد استفاده قرار می گیرند.
اهمیت و كاربرد :
این روش آزمایش نمونه ای را، بمنظور شناسایی وآزمایشهای ازمایشگاهی مناسب مربوط به خاك فراهم نموده و نمونه ای مناسب را كه ممكن است در اثر نمونه گیری تغییر شكل برشی زیاد دستخوردگی در آن موجب گردد، را فراهم می آورد. این روش آزمایش بطور گسترده ای در پروژه های اكتشافی ژیوتكنیكی مورد استفاده قرار می گیرد. رابطه های محلی زیادی و رابطه های انتشار یافته وسیعی، كه شمارش ضربه SPT یا مقدار N ورفتار مهندسی كارهای خاكی و پی ها را مرتبط می سازد، موجود می باشد.
دستگاهها
تجهیزات حفاری – هرنوع وسیله حفاری، كه درزمان نمونه گیری حفره غیر ریزشی تمیز مناسبی را قبل از جای گیری نمونه گیر فراهم آورد وانجام آزمایش نفوذ را روی خاك دست نخورده تضمین نماید قابل قبول می باشد. قطعات تجهیزات بشرح زیر، برای حفاری گمانه در بعضی از شرایط زیر سطح مناسب می باشند.
مته های لاروب، خرد كننده و چرخنده – با قطر كمتر از 6/5 اینچ (162 میلی متر) و بیشتر از 2/2 اینچ (56 میلیمتر) در ارتباط با روش های حفاری دورانی حفره غیر ریزشی یا حفاری با لوله پیش رو می تواند مورد استفاده قرار گیرد. به منظور پرهیزاز دستخوردگی خاك زیرین، مته های با تخلیه پایینی مجاز نیست، فقط مته های تخلیه كناری مجاز می باشد.
مته های مخروط – غلطك – با قطر كمتر از 5/6 اینچ (162 میلی متر) و بیشتر از 2/2 اینچ (56 میلی متر) در ارتباط با روش های حفاری دورانی حفره غیر ریزشی یا حفاری با لوله پیش رو هرگاه تخلیه مایع حفاری مایل باشد، می تواند مورد استفاده قرار گیرد.
مته های پرده دار ممتد تنه توخالی – با مجموعه یا بدون مجموعه تیغه مركزی ممكن است در حفاری گمانه مورد استفاده قرار گیرد. قطر داخلی مته های تنه توخالی باید كمتر از 5/6 اینچ (162 میلی متر) و بزرگتر از 2/2 اینچ (56 میلی متر) باشد.
مته های دستی وسطلی، پرده دار ممتد، یك پارچه- با قطر كمتر از5/6اینچ (162میلی متر) وبزركتر از 2/2 اینچ (56 میلی متر)، اگر در اثنای نمونه گیری خاك در اطراف گمانه روی نمونه گیر یا میله های نمونه گیری فرو نریزد، می تواند مورد استفاده قرار گیرد.
5-2- میله های نمونه گیری – میله های حفاری فولادی با درز جت آب باید مورد استفاده قرار گیرد تا نمونه گیر دو كفه ای به مجموعه وزنه كوب وصل نماید. میله نمونه گیری باید سختی (ممان اینرسی)مساوی یا بیشتر از میله دیوار موازی «A» باشد (میله ای فولادی كه قطر خارجی اینچ (2/41 میلی متر) و قطر داخلی (5/28میلی متر) دارد.
توجه 1- پژوهش اخیر وآزمایش مقایسه ای نشان می دهد كه میله نمونه مورد استفاده با سختی حــدود تغییرات از میله اندازه «A» با میله اندازه «N» تا اعماق حداقل 100 فوت (30 متر) معمولاً اثر جزیی بر مقادیر N دارد.
نمونه گیر دو كفه ای– نمونه گیر باید با ابعاد نشان داده شده در شكل 2 ساخته شود. پاشنه پیشرو (7) باید از فولاد سخت باشد وهنگامیكه داندانه دار یا از شكل طبیعی خارج می شود باید تعمیر یا جایگزین شود. استفاده از مهره ها د ایجاد قطر داخلی ثابت اینچ (35 میلی متر) مجاز می باشد اما اگر مورد استفاده قرار گیرد. باید در گزارش نفوذ ذكر شود. استفاده از سبد نگهداری نمونه مجاز است اما اگر مورد استفاده قرار گیرد باید در گزارش نفوذ ذكر شود.
توجه 2- وقتیكه مهره ها مورد استفاده قرار می گیرد هم تیوری وهم اطلاعات آزمایش نشان می دهد كه مقدار N ممكن است بین 10 تا 30 درصد افزایش یابد.
مجموعه وزنه كوب :
چكش و سندان – چكش باید دارای 1402پوند (1 5/63 كیلوگرم) وزن و توده فلزی صلب توپر باشد. چكش باید به سندان برخورد نماید و هنگامی كه رها می شود فولاد با فولاد تماس حاصل نماید. یك میله هدایت سقوط چكش برای مسیر ساختن سقوط آزاد باید مورد استفاده قرار گیرد. چكش های مورد استفاده با روش قرقره و طناب باید حداقل 4 اینچ (100 میلی متر) ظرفیت فوق بالابری بدون مانعی دارا باشد. به دلایل ایمنی، استفاده از یك مجموعه چكش با یك سندان درونی تشویق می شود.
توجه 3- پیشنهاد می شود كه میله هدایت سقوط چكش علامت گذاری دایمی شود تا متصدی یا بازرس را قادر به قضاوت ارتفاع سقوط چكش بنماید.
سیستم سقوط چكش – سیستم های سقوط چكش اتوماتیك و نیمه اتوماتیك، لغزشی، قرقره طنابی می تواند مورد استفاده قرار گیرد مشروط بر اینكه دستگاه بالا بر هنگام دوباره بكار انداختن و بلند كردن چكش باعث نفوذ نمونه گیر نگردد.
تجهیزات فرعی – لوازمی مانند برچسب ها، ظروف نمونه، ورقه های اطلاعات و وسایل اندازه گیری سطح آب زیر زمینی مطابق با مقررات پروژه و سایر استانداردهای ASTM باید تهیه شود.
روش حفــاری
گمانه زنی باید طوری پیش رود تا نمونه گیری متناوب یا ممتد را ممكن سازد. نقاط و فواصل آزمایش معمولاً توسط مهندسین پروژه یا زمین شناس قید گردد. بطور نمونه، فواصل انتخاب شده در لایه های همگن جهت آزمایش 5 فوت (5/1متر) یا كمتر و مكان های نمونه گیری در هر تغییر لایه می باشد.
هر روش حفاری كه حفره پایدار و تمیز مناسبی را قبل از دخول نمونه گیر فراهم آورد و مطمین سازد كه آزمایش نفوذ واقعاً روی خاك دست نخورده انجام می شود قابل قبول می باشد. ثابت شده است هریك از روش های زیر برای بعضی از شرایط زیر سطح قابل قبول می باشد. هنگام انتخاب روش مورد استفاده حفاری شرایط پیش بینی شده زیر سطح باید مورد توجه قرار گیرد.
1- روش حفاری دورانی حفره غیرریزشی
2- روش اگر تنه توخالی پرده دار ممتد
3- روش گمانه زنی شستشویی
4- روش مته توپر پرده دار ممتد
بعضی از روش های حفاری، گمانه های غیر قابل قبولی را موجب می گردند. روند بیرون ریختن با فشار از وسط نمونه گیر لوله ای باز وسپس نمونه گرفتن هنگامیكه به عمق مورد نظر رسیده شود مجاز نمی باشد. روش اگر توپر بره ای ممتد، برای گمانه زنی زیر سطح آب یا زیر بستر محدود كننده فوقانی در لایه غیر چسبنده محدود شده ای كه تحت فشار آرتزین می باشد، نباید مورد استفاده قرارگیرد. قبل از نمونه گیری لوله نمی تواندزیر سطح نمونه گیری پیش برده گمانه زنی با مته های تخلیه پایینی مجاز نمی باشد. برای پیشروی گمانه جهت فقط نمونه گیری با الحاق نمونه گیر قبلی یا نمونه گیر SPT، مجاز نمی باشد. در تمام مدت حفاری، برداشت میله های حفاری ونمونه گیری، سطح مایع حفاری داخل گمانه یا اگرهای تنه توخالی باید نزدیك یا بالای سطح آب زیر زمینی در محل نگه داشته شود.
نمونه گیری و روش آزمایش
بعد از اینكه گمانه زنی به سطح نمونه گیری مورد نظر رسید و تراشه های اضافی برداشته شد، با ترتیب عملیات زیر برای آزمایش آماده نمایید :
1- نمونه گیر دو كفه ای را به میله های نمونه گیری وصل نمایید و بداخل گمانه پایین ببرید. نگذارید نمونه گیر روی خاك مورد نمونه گیری بیفتد.
2- چكش را در بالا قرار دهید وسندان را به سر میله های نمونه گیری وصل نمایید این عمل میتواند، قبل از اینكه میله های نمونه گیری و نمونه گیر بداخل گمانه پایین روند، انجام شود.
3- وزن مرده نمونه گیر، میله ها، سندان و وزنه كوب را روی ته گمانه قراردهید و ضربه ای نشاننده اعمال نمایید. اگر تراشه های اضافی در ته گمانه موجود است، نمونه گیر ولوله های نمونه گیری را از گمانه بیرون آورید و تراشه ها را بیرون بیاورید.
4- میله های حفاری را در سه افزایش متوالی 6 اینچی (15/0 متر) افزایش علامت گذاری نمایید. بطوریكه جلو رفتن نمونه گیر در اثر ضربه چكش برای هر 6 اینچ (15/0 متر) افزایش به آسانی قابل مشاهده باشد.
نمونه گیر را با ضربه های چكش 140 پوندی 05/63 كیلوگرم) بكوبید و تعداد ضربه های اعمال شده در هر افزایش 6 اینچ (15/0 متر) را شمارش نمایید تا اینكه یكی از موارد زیر اتفاق بیفتد:
1- جمعاً 50 ضربه در طول هریك از سه افزایش 6 اینچ (15/0 متر) اعمال شده باشد.
2- جمعاً 100 ضربه اعمال شده باشد.
3- در اثنای اعمال 10 ضربه متوالی چكش هیچ پیش روی قابل رویت نباشد.
4- نمونه گیر 18 اینچ (45/0 متر) كامل پیش برده می شود بدون محدود كردن رویداد شماره ضربات شرح داده شده است.
تعداد ضربات مورد نیاز در انجام نفوذ 6 اینچ (15/0متر) یا كسری از آن را یادداشت نمایید. كوبیدن 6 اینچ نخستین بعنوان نشاننده پیشرو محسوب می گردد. مجموع تعداد ضربات مورد نیاز برای دومین و سومین 6 اینچ نفوذ، مقاومت نفوذ استاندارد یا مقدار N نامیده می شود. اگر نمونه گیر مجاز گردیده است، كمتر از 18 اینچ (45/0 متر) نفوذ كند، تعداد ضربات در هر افزایش 6 اینچ كامل و در هر افزایش جزیی باید در گزارش گمانه یادداشت شود. اگر نمونه گیر در اثر وزن استاتیك میله های حفاری یا وزن میله های حفاری بعلاوه وزن استاتیك چكش به زیر ته گمانه فرو رود. ایناطلاعات باید در گزارش گمانه یادداشت شود.
بالا بردن و انداختن چكش 140 پوندی (5/63 كیلوگرم) باید با استفاده یكی از دو روش زیر انجام شود. 1- با استفاده از سیستم سقوط چكش لغزنده اتوماتیك یا نیمه اتوماتیك كه چكش 140پوندی (5/63 كیلوگرم) را بلند كنید و بگذارید تا 130 اینچ (میلی متر 25 76/0 متر) بدون مانع سقوط كند.
2- كشیدن طنابی متصل به چكش با استفاده از قرقره وقتی كه روش طناب و قرقره مورداستفاده قرار می گیرد، سیستم و عملیات باید مطابق زیر انجام شود:
» قرقره باید اساساً عاری از زنگ زدگی، روغن و گریس باشد و دارای قطری در حدود 6 تا 10 اینچ (150تا 250) میلی متر) باشد.
توجه 4- متصدی معمولاً باید یا یا دور طناب مورد استفاده قرار دهد و بستگی به پایان یافتن یا نیافتن طناب بالا (دور) یا پایین ( دور) قرقره دارد. بطوركلی دانسیته و مورد قبول واقع شده كه دور یا بیشتر بطور قابل ملاحظه ای از سقوط جلوگیری می كند و نباید در انجام آزمایش مورد استفاده قرار گیرد. طناب قرقره باید در وضعیت نسبتاً خشك، تمیز و بدون ساییدگی نگهداری شود.

» برای هر ضربه چكش باید 30 اینچ (76/0 متر) بالا بردن و پایین انداختی توسط متصدی اعمال گردد. عملیات كشیدن وانداختن طناب باید بطور موزون بدون در دست داشتن طناب در موقع اوج ضربت، اجرا شود.
نمونه گیر را به سطح آورده و باز كنید. درصد بازیافت نمونه را یادداشت نمایید نمونه های خاك بازیافته را از نظر تركیب، رنگ، چینه بندی، و وضعیت تشریح كنید. سپس یك یا بیشتر بخش های معرف نمونه را بدون كوبیدن یا از شكل طبیعی انداختن هر چینه بندی ظاهری، داخل ظرف های (شیشه های دهان گشاد) رطوبت ناپذیر قابل درزگیری قراردهید. هر ظرف را درز بندی نمایید تا از تبخیر رطوبت خاك جلوگیری شود. برچسب های دربردارنده عنوان كار، شماره گمانه، عمق نمونه وتعداد ضربه در هر افزایش 6 اینچ (15/0 متر) به ظروف پیوست نمایید. نمونه ها را در مقابل تغییرات خیلی زیاد دما محافظت نمایید اگر تغییراتی در خاك داخل نمونه گیر وجود دارد، برای هر لایه ظرفی فراهم آورید و محل آنرا در لوله نمونه گیر یادداشت نمایید.
گزارش
اطلاعات حفاری باید در محل یادداشت شود و باید شامل موارد زیر باشد :
1- نام ومحل كار،
2- اسامی كاركنان،
3- نوع وساخت ماشین حفاری،
4- شرایط آب وهوایی،
5- تاریخ و زمان شروع و پایان حفاری،
6- شماره گمانه و محل (جا و مختصات، اگر موج ودو قابل اجراء باشد)
7- ارتفاع سطح، در صورت موجود بودن،
8- روش پیشروی و تمیز كردن گمانه،
9- روش نگهداری گمانه غیر ریزشی،
10- عمق سطح آب وعمق حفاری در زمان كاهش قابل توجهی در مایع حفاری، وزمان و تاریخ وقتیكه قرائت انجام می شود،
11- محل تغییرات لایه های،
12- اندازه لوله، عمق بخش لوله گذاری شده گمانه،
13- تجهیزات و روش پیشروی نمونه گیر،
14- نوع نمونه گیر و طول و قطر داخلی لوله (استفاده از مهره ها را یادداشت نمایید)
15- اندازه و طول بخش میله های نمونه گیری،
16- ملاحظات
اطلاعات بدست آمده برای هر نمونه در محل باید یادداشت شود وباید شامل موارد زیر باشد.
1- عمق نمونه و اگر مورد استفاده قرار گرفته، شماره نمونه،
2- تشریح خاك،
3- تغییرات لایه ها در داخل نمونه،
4- نفوذ نمونه گیر و طول های بازیافت،
5- تعداد ضربات در هر افزایش 6 اینچ (15/0 متر) یا جزیی از 6 اینچ
دقت وانحراف
1- دقت-تخمین معتبری از دقت آزمایش تعین نشده است زیرا ترتیب دادن آزمایشهای داخل آزمایشگاهی (محلی) خیلی گران است. کمیتـه فرعی02-18D از پیشنهادات مربوط به تعمیم دقت معتبر استقبال میکند.
2- انحراف- نظر به اینکه مصالح معرف برای این روش آزمایش وجود ندارد،نمی تواند هیچ اظهارانحرافی صورت پذیرد.
3- هنگام استفاده از دستگاه آزمایش نفوذ و مته های متفاوت برای گمانه های مجاور در همان تشکیلات خاک اختلافات100% یا بیشتر درمقادیرN مشاهده شده است. نظریه حاضر بر پایه تجربه محلی نشان می دهد که هنگام استفاده از همان دستگاه و مته در همان خاک مقادیرN ممکن است با ضریب تغییراتی در حدود 10% تجدید شود.
4- استفاده از ابزار معیوب، مانند سندان آسیب دیده یا بسیار سنگین، قرقره زنگ زده، قرقره با سرعت کم، طناب روغنی، کهنه، یا بافه های روغنکاری شده بطور ناقص یا فشرده می تواند نسبت به اختلافات در مقادیرN بدست آمده بین سیستم های دستگاه حفاری عمل کنندهسهیم باشد.
5- اختلاف بوجود آمده در مقادیر N با دستگاههای حفاری و متصدی های مختلف، با اندازه گرفتن آن قسمت از انرژی چکش انتقال یافته به میله های حفاری از نمونه گیر و تطبیق کردن N بر پایه مقایسه انرژی ها، می تواند کاهش یابد. روشی برای اندازه گیری انرژی و تطبیق مقدار N درروش آزمایش D4633 ارایه شده است.