آزمایش پرسیومتری
آزمایش پرسیومتری یا فشارسنجی از جمله قوی ترین و پرکاربردترین آزمایش های صحرایی در ژئوتکنیک است که به سبب روش خاص بارگذاری در آن و اطلاعات مفید فراوانی که به ما می دهد، جایگاه ویژه ای در علم مکانیک خاک پیدا کرده است.
در این نوشتار، هر آنچه از تست پرسیومتری بخواهید، خواهید یافت.
پرسیومتری چیست؟
آزمایش پرسیومتری در سال ۱۹۵۴ توسط محقق فرانسوی با نام لوییس منارد ابداع شد.
شیوه کلی این آزمایش به این صورت است که یک بالون لاستیکی به داخل زمین فرو برده می شود.
با استفاده از منبع تولید فشار، داخل این بادکنک پر از باد می شود.
باد شدن این بالون لاستیکی موجب می شود که به خاک فشار وارد شود و خاک، مقداری جابجا شود.
با محاسبه فشار اعمالی در مقابل جابجایی صورت گرفته می توان پارامترهای ارزشمند ژئوتکنیکی زیادی به دست آورد که موضوع بحث این مقاله است.
پرسیومتری تنها آزمایشی است که نیروی افقی بر خاک وارد می کند.
از آنجایی که نحوه بارگذاری بر خاک در این آزمایش خیلی به بارگذاری در طبیعت شبیه است، داده های حاصل از آزمایش فشارسنجی بسیار با ارزش و قابل اعتناست.
این آزمایش در خاک و سنگ قابل انجام است.
اما به طور کلی هر چه خاک قوی تر باشد، دیتای به دست آمده از این تست صحرایی دقیق تر بوده و در خاک های سست، نتایج قابل اعتمادی در بر نخواهد داشت.
انواع آزمایش پرسیومتری
پرسیومتری به سه روش مختلف انجام می شود. با اینکه اصول کلی آزمایش در تمام انواع ثابت است، در جزییات و نحوه اجرا با یکدیگر متفاوت هستند.
تست پرسیومتری به طور کلی به سه روش انجام می شود:
- آزمایش پرسیومتری پیش حفار
- آزمایش پرسیومتری خود حفار
- آزمایش پرسیومتری تغییر مکانی
حال به تشریح و بررسی هر کدام از سه روش بالا می پردازیم:
۱- تست پرسیومتری پیش حفار
در این نوع از آزمایش، ابتدا لازم است درون زمین گمانه حفاری شود.
سپس تجهیزات انجام آزمایش از طریق گمانه ای که قبلا حفاری کرده بودیم به درون زمین منتقل می شود.
سپس آزمایش ها به طریقی که قبلا گفتیم صورت می پذیرد.
این روش، برای انجام آزمایش در سنگ ها و خاک های متراکم مناسب است.
چرا که تنها در این نوع از خاک ها پایدار می ماند. اگر خاک ضعیف یا سست باشد، احتمال آن وجود دارد که گمانه، قبل از ارسال تجهیزات به درون زمین، ریزش کند.
در تصویر زیر تجهیزات این نوع آزمایش پرسیومتری را ملاحظه می نمایید:
تجهیزات آزمایش پرسیومتری
ابعاد پراب یا سوندی که قرار است داخل گمانه ارسال شود باید طوری باشد که بتوان به راحتی آن را داخل گمانه منتقل کرد.
از این رو برای انجام این نوع آزمایش، از سوند های تک سلولی و یا سه سلولی استفاده می شود.
برخی محققین اعتقاد دارند این روش از انجام آزمایش به دلیل اینکه سر مته دستگاه حفاری قبلا موجب دست خوردگی خاک شده است، نتایج دقیقی نخواهد داشت.
اولین پرسیومتری که توسط منارد ساخته شده بود از این نوع بود.
این گونه آزمایش ها به دو روش تغییر شعاعی و تغییر حجمی انجام می شوند.
۲- تست پرسیومتری خودحفار
آزمایش پرسیومتر خودحفار دو ایراد بزرگ داشت.
یکی اینکه دستگاه حفاری که قبلا زمین را سوراخ کرده بود، خاک را دست خورده کرده بود و نتایج آزمایش را نادرست می کرد.
دوم اینکه در خاک های نرم و سنگ های ضعیف قابل انجام نبود.
چرا که گمانه پایدار نمی ماند.
محققین برای رفع دو مشکل بالا ، دستگاه پرسیومتر خود حفار را ابداع کردند.
در این دستگاه، ساز و کاری تعبیه شده که می تواند به طور مستقل زمین را حفاری کند.
میزان دست خوردگی، در این شرایط خیلی کاهش می یابد.
در این روش امکان انجام آزمایش خاک های سست و نرم هم وجود دارد.
چرا که میله متصل به پرسیومتر داخل گمانه است و در حین حفاری گمانه ریزش نمیکند.
این روش به دو روش انگلیسی و فرانسوی انجام می شود.
نوع انگلیسی آن عمدتا برای انجام آزمایش در خاک های رسی پیش تحکیم یافته انجام می شود.
۳- پرسیومترهای دریایی
دو روش آزمایش قبلی صرفا در خشکی کاربرد داشت.
در سال ۱۹۸۲ دستگاهی ابداع شد تا با کمک آن امکان انجام تست پرسیومتری در داخل دریا نیز میسر می شد.
این پرسیومتر دارای سوند تک سلولی تغییر حجمی است که می تواند فشاری معادل ۲٫۵ مگا پاسکال را تحمل کند.
ظرفیت کرنشی این سوند به قدری زیاد است که می تواند تا دو برابر اندازه اولیه خود تغییر حجم دهد.
اجزای پرسیومتر
هر دستگاه پرسیومتر به طور کلی از سه بخش تشکیل شده است:
الف- سوند یا پراب
سوند یا پراب سر دستگاه پرسیومتر است.
این قسمت وظیفه منبسط شدن و فشار آوردن به خاک را دارد.
در برخی از انواع پرسیومترها ، وسیله ای جهت حفاری زمین نیز روی سوند تعبیه شده است.
ب- واحد کنترل
این بخش از دستگاه روی زمین قرار می گیرد.
وظیفه آن تامین فشار و کنترل فشار درون بالون و همچنین ثبت و نگهداری اطلاعات را دارد.
ج- بخش رابط
این بخش وظیفه اش ایجاد ارتباط بین دو بخش قبلی است.
این بخش شامل لوله های انتقال فشار و کابل های برق می باشد.
مراحل انجام آزمون پرسیومتری
آزمایش پرسیومتری با توجه به استاندارد ASTM-D4719 انجام می شود.
این آزمایش به دو روش کنترل تنش و کنترل کرنش انجام می شود.
شیوه کلی آزمایش بدین شکل است که در ابتدا گمانه ای حفر می شود.
حال این گمانه می تواند توسط پرسیومتر خودحفار تولید شود یا توسط دستگاه حفاری ماشینی.
باید مراقب بود که هنگام حفاری، دستخوردگی در خاک، حداقل مقدار ممکن باشد.
چرا که دست خوردگی تاثیر زیادی در نتایج خواهد داشت.
به طور کلی مراحل انجام آزمایش پرسیومتری در موارد زیر خلاصه می گردد:
- کالیبره کردن تجهیزات مختلف دستگاه پرسیومتر
- حفاری زمین در شرایطی که پرسیومتری به روش پیش حفار صورت گیرد
- فرو بردن سوند داخل خاک
- اعمال فشار به سوند و محاسبه کرنش خاک
- تحلیل داده ها و ترسیم نمودار فشار-کرنش
- استخراج و به دست آوردن پارامترهای مهندسی
چه حفره ای برای آزمایش پرسیومتری مناسب تر است؟
همانطور که گفتیم یکی از مراحل انجام تست فشارسنجی، حفاری مناسب زمین است.
جوری که بتوان لوله های فشار را داخل آن قرار داد.
قطر گمانه باید از ۱٫۲ برابر قطر سلول فشارسنج کوچکتر باشد.
همچنین لازم است قطر گمانه بزرگتر از ۱٫۰۳ برابر قطر سلول بزرگتر باشد.
برای انجام آزمایش پرسیومتری از یکی از روش های زیر در حفاری استفاده می شود:
- حفاری دورانی
- حفاری با سر مته نمونه گیر
- اوگر ماشینی
- اوگر دستی
- مغزه گیری
- حفاری ضربه ای-دورانی
کاربردهای آزمایش فشارسنجی
مهمترین خروجی آزمایش پرسیومتری به دست آوردن سختی خاک در حین بارگذاری شعاعی است.
اما از این تست صحرایی برای تخمین پارامترهای دیگری همچون موارد زیر هم استفاده می شود:
- محاسبه مدول الاستیسیته در انواع خاک ها
- محاسبه ظرفیت باربری انواع پی ها به خصوص پی های عمیق
- محاسبه مقاومت زهکشی نشده در خاک های رسی اشباع
- ضریب تحکیم افقی در خاک ها
- زاویه انبساط در خاک های ماسه ای
- محاسبه پارامترهای مقاومت برشی در ماسه و رس
- محاسبه فشار جانبی موجود در خاک مورد آزمایش
مزایای تست پرسیومتر
- بنیان نظری این آزمایش محکم و قوی است.
لذا نتایج این آزمایش برگشت پذیری خوبی دارد. - نسبت به آزمایش های صحرایی دیگر، اطلاعات بیشتری به ما ارائه می کند.
- خاک مورد آزمایش، انطباق بیشتری با شرایط واقعی دارد.
- در طول یک آزمایش واحد، حجم زیادی از خاک مورد آزمایش قرار می گیرد.
- دست خوردگی خاک در حین آزمایش پرسیومتری خودحفار زیاد نیست.
- آزمایش در محدوده کرنش های بزرگ انجام می شود.
لذا مقدار مدول الاستیسیته به دست آمده در پروژه های عملی کاربرد زیادی دارد. - با استفاده از منحنی به دست آمده، تخمین خوبی از رفتار تنش-کرنش خاک می توان زد.
از این نمودار می توان در بررسی نشست خاک ها استفاده کرد. - نتایج آن در تخمین فشار افقی خاک و همچنین طراحی شمع ها تحت فشار جانبی شمع ها استفاده می شود.
- در پرسیومترهای اتوماتیک، نتایج به دست آمده مستقل از نظرات شخصی اپراتور است.
- هیچگونه ضریب اصلاحی برای نتایج لازم نیست.
معایب تست پرسیومتر
- برای انجام این آزمایش نیاز به اپراتور متخصص و زبده است.
- انجام این تست صحرایی بسیار پر هزینه و گران قیمت است.
- بار اعمالی به خاک به صورت افقی است.
در صورتی که در اکثر شرایط ژئوتکنیکی بار اعمالی به فونداسیون ها و بارهای ثقلی، عمودی هستند. - ابزار و تجهیزات این آزمایش باید مرتبا کالیبره شوند.
- تجهیزات انجام آزمایش پرسیومتری بسیار ظریف و حساس هستند و برای محافظت از آنها باید اقدامات ویژه ای انجام داد.
- انجام این آزمایش زمانبر است.
- امکان آسیب دیدن دستگاه مخصوصا در خاک های دارای قلوه سنگ وجود دارد.
- آزمایش در خاک های ماسه ای، نیاز به غلاف گذاری دارد.
در خصوص آزمایش پرسیومتر سوالی دارید؟
در صورتی که با مطالعه مطالب بالا سوالی در ذهنتان پیش آمد و یا در خصوص نحوه انجام این تست صحرایی سوالی دارید، در بخش نظرات در زیر همین پست آنرا مطرح کنید. کارشناسان ما پس از چند دقیقه پاسخ شما را خواهند داد.
سلام،وقت بخیر.از پرسیومتری چطور میشه زاویه اصطکاک و ضریب تحکیم به دست آورد؟
سلام. روابطی وجود دارد که خروجی های آزمایش پرسیومتری را به دیگر مشخصات ژئوتکنیکی مثل زاویه اصطکاک داخلی و ضریب تحکیم مرتبط می کند. امکان نوشتن فرمول در کامنت ها وجود ندارد. وگرنه برایتان می نوشتم. برای دستیابی به این فرمول ها می توانید به کتاب مکانیک خاک Bishop and Henkel مراجعه نمایید.
سلام آیا آزمایش پرسیومتری را برای همه انواع خاک میتوان انجام د اد؟ مثلا خاک ماسه ای سست که حتی در حین انجام آزمایش احتمال ریزش دیواره و خالی شدن پشت بالون وجود داره آیا در چنین خاکی آزمایش خطای بالایی نداره؟
سلام. مشخص نکردید منظور شما کدام نوع از آزمایش پرسیومتری است. به طور کلی سه نوع پرسیومتر داریم:
۱- پرسیومتر پیش خفار
۲- پرسیومتر خودحفار
۳- پرسیومتر تغییر مکانی
پرسیومتر نوع اول برای تمام انواع خاک و سنگ های ضعیف قابل استفاده است. اما در سایر انواع پرسیومتری محدودیت داریم. مثلا در پرسیومتر خودحفار، امکان انجام آزمایش در خاک های دارای شن و قلوه سنگ وجود ندارد.
سلام ،از آزمایش پرسیومتر چه پارامتر هایی استخراج میشه ، روابط تجربی در این باره وجود دارن؟ ممنون میشم راهنماییم کنید.
سلام. مهم ترین خروجی آزمایش پرسیومتری، مدول الاستیسیته خاک در حالت بارگذاری افقی است. روابط تجربی گوناگونی نیز در این حیطه وجود دارد که عمدتا پارامترهای آزمایش پرسیومتری را به نتایج حاصل از آزمایش SPT مرتبط می سازد.
سلام و سپاس از مطالب خوبتون
میشه لطفا بفرمایید تعداد آزمایش پرسیومتری و CPT که تو گمانه انجام باید بشه بستگی به چی داره و چطور تعیین میشه؟
سلام. آیین نامه ها متداول دنیا مثل ASTM هیچگاه از تعداد آزمایش ها در یک گمانه صحبتی نمی کند. این به قضاوت مهندسی شما مربوط می شود که در هر شرایط چه تعداد آزمایش انجام دهید. طبیعتا هر چه تعداد آزمایش بیشتر باشد، نتایج دقیق تر خواهد بود، منتها هزینه کلی افزایش خواهد یافت. آیین نامه ها، صرفا شیوه درست انجام آزمایش را به ما آموزش می دهند.
با سلام.ممنون از توضیحاتتون.میشه بفرمائید چرا در عمق ۱۰متری اجرای تست فشار آب و گاز با هم برابر میشه
سلام. لطفا بفرمایید کجای متن بالا گفتیم فشار آب و گاز در عمق ده متری برابر میشن؟
سلام وقت بخیر، ممنون از توضیحاتتون. بنده ۲ سوال داشتم؛
۱٫ درباره مقدار درآمد زایی این دستگاه میشه توضیح بدید؟
۲٫ آیا این آزمایش می تواند جایگزین آزمایش spt در مطالعات ژئوتکنیک شود؟”با وجود به برتری ها و مزیت های بیشتر این آزمایش نسبت به آزمایشspt”
سلام.
پاسخ سوال اول: درامد دستگاه پرسیومتری در ایران آنچنان بالا نیست. چون این تست صحرایی در کشورمون خیلی متداول نیست.
پاسخ سوال دوم: نه نمی توان این دو را دقیقا جایگزین هم دانست. چون مکانیزم دو آزمایش متفاوت است. اس پی تی عمدتا پارامترهای قائم خاک را مشخص می کند. اما پرسیومتری افقی. هرچند روابطی جهت ارتباط دادن این دو آزمایش وجود دارد، اما نمی توان این دو را جایگزین هم دانست.
سلام خسته نباشید
میخواستم سوال کنم که از کجا میشه اطلاعات مربوط به آزمایش های انجام شده در پروژه های دیگر و برای کار های تحقیقاتی بدست اورد ؟
سلام. جایی نیست که این اطلاعات را با عموم مردم به اشتراک بگذاره. باید زنگ بزنید مستقیما از خودشون بگیرید.
سلام و عرض ادب. ببخشید من دنبال رفرنس خارجی برای این آزمایش هستم که مثلا امریکایی یا ژاپنی ها یا کره ای ها یا فرانسه ایها استاندارد این ازمایششون به چه صورت هستش و اون رو با استاندارد ایران مقایسه کنم. میشه راهنماییم کنین؟
سلام. رفرنس خارجی این آزمایش، استاندارد ASTM D4719 – 00 هست که برای کشور آمریکاست. متاسفانه از نحوه انجام این تست در کشورهای دیگر، اطلاعاتی در دست نداریم.
با سلام وقت به خیر سئوالی داشتم : از این آزمایش برای لایه مارنی با رطوبت حدود ۲۰ درصد و رده CL-CH با اس پی تی زیاد بیشتر از ۳۰ می توان استفاده کرد؟
سلام. به طور کلی آزمایش های مکانیک خاک اینجوریه که نمیشه با قطعیت کامل بگیم فلان آزمایش صرفا برای انجام آزمایش خاک با فلان آزمایش است و برای سایر آزمایش ها نتیجه خوبی نمی دهد. به عنوان مثال آزمایش SPT برای انجام تست بر روی خاک های شنی و ماسه ای ابداع شد. اما اکنون برای تمامی خاک ها استفاده می شود. آزمایش پرسیومتری برای خاک های رسی اشباع نتایج خوبی به همراه دارد. پس با توجه به نوع دانه بندی که شما گفتید، به نظر می رسد که می توان از این تست برای بررسی رفتار خاک مارنی استفاده کرد.