مقاله تحلیلی: آیا می‌توان نمونه دست‌ نخورده‌ ای از خاک تهیه کرد؟

 هدف از بررسی زیرزمین، جمع‌آوری اطلاعات در مورد شرایط محلی است که برای ساخت‌وساز در نظر گرفته شده است. در هنگام کار، نمونه‌هایی از خاک برای انجام آزمایش‌های میدانی و آزمایشگاهی تهیه می‌شود. نمونه‌های جمع‌آوری شده به دو دسته تقسیم می‌شوند:

• نمونه دست‌خورده
• نمونه دست‌نخورده

نمونه دست‌خورده

نمونه‌ای که ساختار طبیعی خود را در فرآیند نمونه‌گیری از دست داده است نمونه دست‌خورده نامیده می‌شود. تنها اطلاعاتی که از این نمونه‌ها می‌توان به دست آورد محتوای معدنی و ترکیب خاک است. مشخصاتی مانند جرم مخصوص، اندازه دانه و مشخصات پلاستیسیته را هم می‌توان از چنین نمونه‌ای به دست آورد.

نمونه دست‌نخورده

نمونه‌هایی که مقدار آب و ساختار طبیعی خاک در آن‌ها حفظ می‌شود به‌عنوان نمونه‌های دست‌نخورده شناخته می‌شوند. این یک اصطلاح نظری است؛ زیرا مقداری دست‌خوردگی اجتناب‌ناپذیر است. اگر تمام شرایط در هنگام جمع‌آوری نمونه از گمانه برقرار باشد، در هنگام برداشتن نمونه تغییر در تنش اتفاق افتاده و نمونه دست‌خورده می‌شود. هر چه دست‌خوردگی کمتر باشد نتایج قابل‌اعتمادتر هستند.

مشخصات مهندسی خاک از مهم‌ترین موارد در طراحی پی هستند که ازجمله آن‌ها می‌توان به مقاومت، نفوذپذیری و تراکم‌پذیری اشاره کرد. نمونه‌های دست‌نخورده خاک‌های چسبنده را می‌توان با مشکلات کمتری تهیه کرد و ارزیابی تقریباً دقیق‌تری از این مشخصات می‌توان در آزمایشگاه انجام داد.

نمونه‌های دست‌نخورده از اکثر سنگ‌ها را هم می‌توان به‌راحتی به دست آورد؛ اما جمع‌آوری نمونه دست‌نخورده مناسب تقریباً غیرممکن است و وقتی از اصطلاح دست‌نخورده استفاده می‌شود به معنای نمونه‌ای است که بااحتیاط زیاد برای کاهش دست‌خوردگی بافت خاکی که قبل از حفر گمانه یا نمونه‌گیری وجود داشته است، گرفته شده است. از این نظر نمونه دست‌نخورده جمع‌آوری شده توسط آزمایشگاه‌های مختلف ممکن است تنوع گسترده‌ای داشته باشند.

الزامات مربوط به نمونه دست‌نخورده:

1. ساختار خاک نباید به دلیل دست‌خوردگی تغییر کند.
2. مقدار آب و نسبت هوا نباید تغییر کند.
3. هیچ تغییری در مشخصات شیمیایی مواد تشکیل‌دهنده نباید ایجاد شود.

عوامل ایجاد دست‌خوردگی

بعضی از دست‌خوردگی‌ها در هنگام نمونه‌گیری غیرقابل‌اجتناب هستند؛ حتی اگر در فرآیند کلی هم توجه زیادی بشود. نمونه‌های حاصل از حفاری شوئیدنی و حفاری با مته، دست‌خوردگی زیادی را تجربه می‌کنند. نمونه‌های شوئیدنی از روش حفاری ضربه‌ای و چرخشی برای توده‌های سنگ حاصل می‌شوند و بنابراین بسیار دست‌خورده هستند اما نمونه‌های گرفته شده به‌صورت بلوک یا کر دست‌نخورده هستند. عوامل زیر باعث ایجاد دست‌خوردگی در نمونه می‌شوند:

• خاک همیشه تحت فشار است. وقتی از محل اصلی خود بیرون آورده می‌شود فشار برداشته می‌شود و باعث درجه نامشخصی از انبساط در آن می‌شود. در مورد آزمایش میدانی؛ انبساط جانبی در اطراف گمانه باعث خطا در محاسبه دست‌خوردگی بر اساس قطر گمانه می‌شود.
• نمونه‌ها به دلیل جابه‌جایی حجم با لوله یا دیگر وسایل مورد استفاده برای نمونه‌گیری هم دچار دست‌خوردگی می‌شوند؛ این دست‌خوردگی هنگامی‌که در عمق گمانه شن وجود داشته باشد بیشتر هم می‌شود.
• اصطکاک نمونه با لوله نمونه‌گیری باعث فشردگی نمونه در هنگام برداشتن آن می‌شود. اکثر لوله‌های نمونه‌گیری شکل‌هایی دارند که باعث کاهش اصطکاک نمونه با جداره آن می‌شود. این لوله‌ها معمولاً در لبه نازک‌تر از سایر قسمت‌ها هستند.
• ممکن است تغییر نامعلومی در مقدار آب نمونه و مقدار آب اطراف گمانه یا زمین بسته به روش برداشتن اتفاق بیافتد.
• کاهش فشار هیدرواستاتیک ممکن است باعث ایجاد حفره در نمونه شود.
• در هنگامی برداشتن و انتقال نمونه از کارگاه به آزمایشگاه و برداشتن نمونه از دستگاه نمونه‌گیری یا وسیله آزمایش هم کم‌وبیش دست‌خوردگی اتفاق می‌افتد.
• نحوه کار و دانش فنی حفار، مهندس ناظر و تکنسین‌های آزمایشگاه هم ممکن است بر کیفیت نمونه تأثیر بگذارد.
• در شرایط آب و هوایی بد، روزهای خیلی سرد یا خیلی گرم، ممکن است نمونه یخ بزند یا دهیدراته شود. به‌علاوه خلق‌وخوی کارگر هم ممکن است در این دماها خراب باشد.

خاک غیر چسبنده

گرفتن نمونه دست‌نخورده در خاک غیر چسبنده برای آزمایش مقاومت، تقریباً غیرممکن است.

ماسه‌هایی با دانه‌های ریز تا متوسط: با کمک نمونه‌های پیستونی جدار نازک می‌توان نمونه‌هایی باکیفیت نسبتاً خوب گرفت.

مصالح متراکم و ماسه دار: نمونه‌هایی که حداقل دست‌خوردگی را دارند را به‌سختی می‌توان برداشت.

در ماسه فشرده، به دلایل زیر تضعیف نمونه اتفاق می‌افتد:

جابه‌جایی حجم نمونه‌گیر

بیشتر شدن حجم نمونه به دلیل وارد شدن دانه‌های شن در هنگام پایین رفتن لبه برش.

کاربرد اصلی نمونه‌های دست‌نخورده غیر چسبنده تعیین موارد زیر است:

• وزن واحد (γ)
• چگالی نسبی (D_r)

این دو آزمایش نتایج نسبتاً خوبی خواهند داد.

برای یک حجم نمونه‌گیر معمول، وزن نمونه موجود در آن مقداری منطقی از وزن واحد را به ما می‌دهد؛ هر چند ممکن است در هنگام حمل‌ونقل از کارگاه به آزمایشگاه هم نمونه دچار دست‌خوردگی شده باشد. تلاش‌های زیادی برای انتقال چنین نمونه‌هایی از لوله نمونه‌گیر به ماشین آزمایش با حداقل دست‌خوردگی برای آزمایش مقاومت انجام می‌شود.

روش منجمد کردن

نمونه‌های غیر چسبنده را می‌توان با استفاده از روش منجمد کردن تهیه کرد. در این روش مصالح غیر چسبنده دور نمونه به جز نمونه منجمد می‌شوند. پروژه آزمایش روان گرایی کانادا (CANLEX) از این روش به‌صورت موفقیت‌آمیز استفاده کرده است؛ آن‌ها از نیتروژن مایع برای منجمد کردن لایه ماسه استفاده کردند و کرگیری خشک با لوله CRRLL انجام شد. در این مورد آن‌ها زمین و نمونه را منجمد کردند.

منجمد کردن خاک ممکن است باعث دست‌خوردگی خاک شود؛ احتمال دست‌خوردگی به دلایل زیر وجود دارد:

• دست‌خوردگی اندازه ذرات
• کانی‌شناسی ریزدانه‌ها
• هدایت هیدرولیکی
• شرایط زهکشی در منطقه گذار از انجماد که هم تحت تأثیر شرایط محل و هم تحت تأثیر مشخصات خاک مانند فشار سربار و چینه‌شناسی است.
• آرایش هندسی سیستم یخ‌زدگی

کانی‌شناسی ریزدانه‌ها و توزیع اندازه دانه‌های خاک قابلیت انجام انجماد زمین و حداقل دست‌خوردگی در هنگام نمونه‌گیری ازنظر نسبت هوا و ساختار بافت خاک را مشخص می‌کند.

می‌توان نتیجه گرفت که در خاک‌های غیر چسبنده، گرفتن نمونه دست‌نخورده تقریباً غیرممکن است و در نتیجه بهتر است مقاومت، چگالی و نفوذپذیری خاک‌ها را با استفاده از آزمایش‌های نفوذ یا دیگر آزمایش‌های میدانی مشابه به دست آورد. نفوذپذیری این خاک را می‌توان با آزمایش‌های پمپ چاه به دست آورد؛ می‌توان با خالی کردن گمانه و کنترل کردن زمان لازم برای بالا آمدن سطح آب تا یک تراز مشخص مقدار تقریبی به دست آورد.

خاک چسبنده

در حفاری میدانی وقتی به لایه‌های نرم برسیم، نمونه‌گیری خاک‌های چسبنده انجام می‌شود. با توجه به این‌که مشخصات ژئوتکنیکی این لایه‌ها ممکن است در هنگام انتخاب و طراحی پی کنترل‌کننده باشند، نمونه‌های دست‌نخورده از آن‌ها جمع‌آوری می‌شود تا اعتماد بیشتری نسبت به مقاومت آزمایشگاهی وجود داشته باشد.

گرفتن نمونه‌هایی با حداقل دست‌خوردگی در این خاک‌ها نسبتاً راحت است. نمونه‌های دست‌نخورده خاک‌های چسبنده با استفاده از یک لوله جدار نازک با طراحی مخصوص برداشته می‌شوند. انتظار می‌رود که نمونه‌گیر برای به حداقل رساندن دست‌خوردگی فشار داده شود اما گاهی برای بالا کشیدن کل لوله در خاک به سمت بیرون کشیده می‌شود. در نهایت لوله به‌آرامی چرخانده می‌شد تا نمونه بریده شود یا از یک وسیله برش مخصوص که قبلاً به نمونه‌گیر بسته شده است استفاده می‌شود.

اصطکاک حین بیرون کشیدن نمونه باعث حفظ خاک در لوله نمونه‌گیری می‌شود. می‌توان از یک آرایش پیستون و شیر مخصوص برای ایجاد فشار تفاضلی (مکش) و نگه‌داشتن نمونه در داخل نمونه‌گیر استفاده کرد.

نقص‌های نمونه‌گیر معمولی

• طول نمونه خیلی کوتاه است.
• اصطکاک جداره بین خاک و سطح داخلی لوله (که در هنگام راندن خاک به داخل نمونه‌گیر ایجاد می‌شود)

این دو عامل با همدیگر ارتباط هم دارند؛ برای کاهش اصطکاک جداره نمی‌توان نمونه خیلی بلندی بدون ایجاد حداقل دست‌خوردگی گرفت.

نمونه‌گیر فویل

درصورتی‌که نیاز باشد نمونه‌هایی با طول بیشتر گرفت باید از روش دیگری استفاده کرد. این نیازها را نمی‌توان با نمونه‌گیر معمولی انجام داد مثلاً برای برداشتن یک نمونه با طول بیشتر باید بعد از رسیدن به طول مورد نظر، میله دریل از گمانه بیرون کشیده شود و یک لوله جدید به آن اضافه شود.

برای حل این محدودیت از نمونه‌گیر فویل استفاده می‌شود که توسط کیلمان و همکارانش در سال 1948 ساخته شد. این نمونه‌گیر به نام نمونه‌گیر فویل سوئدی هم شناخته می‌شود. نمونه‌گیرهای فویل فرصت گرفتن نمونه‌هایی با طول بیشتر را فراهم می‌کنند. هسته دست‌نخورده خاک‌های چسبنده با طول نامحدود را می‌توان با این نمونه‌گیرها به دست آورد؛ مثلاً در پروژه تونل تینگستاد در گوتنبرگ (1967) یک هسته خاک با طول 90 متر برداشته شد. دو نقص اصلی عنوان شده در فوق با استفاده از این نمونه‌گیر برطرف شده‌اند.

نمونه‌گیری پیوسته خاک نرم

نمونه‌گیر فویل یک نمونه‌گیر پیستونی اصلاح شده است. در هنگام گرفتن نمونه‌های بلند، اصطکاک بین خاک و نمونه‌گیر باعث ایجاد دست‌خوردگی قابل‌توجهی می‌شود که با استفاده از فویل‌هایی که در هنگام پیشرفت نمونه‌گیری رول می‌شوند این مشکل حل شده است.

طول مطلوب نمونه که برای آزمایش‌های آزمایشگاهی لازم است را می‌توان از هسته برید و تا قطر مورد نیاز ترمیم کرد. از این نمونه‌گیر می‌توان در خاک‌های اصطکاکی هم با موفقیت استفاده کرد. نمونه پیوسته زمانی مورد نیاز است که با لایه لای و ماسه نازک مواجه شویم و لازم باشد که آن را برداریم. نمونه‌گیر پیوسته دلفت (ساخته شده توسط بگمن، 1971) را هم می‌توان برای برداشتن نمونه‌های پیوسته استفاده کرد که در آن فویل آلومینیوم با نایلونی با طول مطلوب جایگزین شده است. اصول آن مشابه همان نمونه‌گیر فویل است. بعضی از مهندسان ادعا کرده‌اند که نمونه‌گیر پیوسته دلفت نمونه‌های بهتری از نمونه‌گیر فویل سوئدی با هزینه‌های کمتر ارائه می‌کند.

تاکنون مشخص شده است که دست‌خوردگی نمونه به موارد زیر بستگی دارد:

• نرخ نفوذ نمونه‌گیر
• ماهیت اعمال نیروی برش
• وجود شن

به جز این موارد، دست‌خوردگی نمونه به نسبت مساحت Ar و نسبت بازگشت Lr هم بستگی دارد. این دو پارامتر به قطر و طول لوله بستگی دارند. با این‌که ما در مورد نمونه‌گیر جدار نازک صحبت می‌کنیم، تفاوتی بین قطر داخلی و خارجی وجود دارد و در هر مورد مقداری اصطکاک هم وجود دارد.

نسبت بازگشت

این نسبت برای تعیین درجه دست‌خوردگی هسته سنگی و نمونه خاک چسبنده استفاده می‌شود. این نسبت تعریف می‌کند که ازنظر تئوری نمونه به دلیل اصطکاک با لوله متراکم نشده است. نسبت بازگشت نمونه زمانی که طول واقعی نمونه برداشته شده برابر با فاصله‌ای که نمونه در لایه نفوذ کرده است باشد، یک است. نسبت بازگشت بیشتر از یک نشان‌دهنده این است که آرایش داخل نمونه به دلیل وجود ریشه‌ها، سنگ‌ها، حذف بارگذاری یا عوامل دیگر از بین رفته است؛ تغییر آرایش همیشه باعث ایجاد نرمی در نمونه می‌شود.

نسبت مساحت

این نسبت، نسبت حجم خاک جایگزین شده با نمونه به حجم واقعی نمونه برداشته شده است.

که در آن D0، قطر خارجی لوله و Di، قطر داخلی لوله در لبه برش است.

نمونه‌گیری که خوب طراحی شده باشد باید نسبت مساحت کمتر از 10 درصد داشته باشد تا یک نمونه دست‌نخورده باکیفیت به دست بیاید.

راهنمای نمونه‌گیری

قبل از شروع عملیات، نمونه‌گیر در بالای گمانه قرار داده شده و سپس به داخل خاک فشار داده می‌شود و نمونه به لوله وارد می‌شود. در داخل لوله، 16 نوار فویل وجود دارد (نوارها یک میلی‌متر ضخامت و 13 میلی‌متر عرض دارند) که نمونه را از لوله بیرون می‌کشد. با افزایش طول نمونه برداشته شده در داخل لوله، تنش فشاری در نمونه با اصطکاک بین فویل‌ها و خاک کاهش پیدا می‌کند.

وقتی خاک بررسی شده خیلی نرم باشد یا در آزمایش قبلی مشخص شده که آزمایش‌های درجا قابل‌اعتمادتر هستند و تجهیزات آزمایش مورد نیاز هم وجود داشته باشند، تنها چند نمونه دست‌نخورده برای آزمایش‌های تحکیم برداشته می‌شود. یک راهنمایی کلی برای برداشتن نمونه‌های لوله‌ای برای آزمایش‌های تحکیم این است که قطر آن‌ها باید 12 میلی‌متر بزرگ‌تر از حلقه تحکیم باشد.

معمولاً یک نمونه 76 میلی‌متری برداشته می‌شود تا زیر دستگاه تحکیم سنج با قطر 64 میلی‌متر قرار داده شود. گاهی یک نمونه با قطر 51 میلی‌متر گرفته می‌شود تا در دستگاه تحکیم سنج با قطر 48 میلی‌متر از آن استفاده شود؛ اما در این نوع خاک‌ها چنین نمونه‌ای با قطر کم توصیه نمی‌شود. گاهی می‌توان از نمونه با قطر 76 میلی‌متر استفاده کرد اما باید در نظر داشت که قطر نمونه‌گیر باید بیشتر از 100 میلی‌متر باشد که باعث حفاری و هزینه لوله‌گذاری اضافی می‌شود؛ به‌خصوص زمانی که از نمونه‌گیر لوله فولادی ضدزنگ استفاده می‌شود. لوله معمولی ساخته شده از فولاد به‌سرعت خورده می‌شود که باعث سخت شدن بیرون کشیدن نمونه می‌شود. طبق ASTM D158، وقتی نمونه باید برای بیش از 3 روز در لوله باقی بماند باید از پوشش حفاظتی در جداره داخلی لوله استفاده شده باشد.

منبع

 نوشته شده توسط تیم مترجمین موسسه 808

 اگر دوست دارید به تیم مترجمین 808 بپیوندید، با ما تماس بگیرید.

دریافت فایل PDF مقاله برای اعضای VIP رایگان است. سایر کاربران با پرداخت ۵۰۰ تومان می توانند اقدام به دریافت این فایل کنند.