آزمایش بارگذاری صفحه PLT

آزمایش بارگذاری صفحه ( PLT ) از جمله قدیمی ترین آزمایش های صحرایی در ژئوتکنیک است که با استفاده از نتایج آن می توان داده های زیادی از جمله ظرفیت باربری، مدول عکس العمل بستر و … را بدست آورد. نام این آزمایش ترجمه شده عبارت انگلیسی آن ( Plate Load Test ) است که به اختصار به آزمایش PLT شهرت پیدا کرده است. در این نوشتار شرح کامل این تست صحرایی مکانیک خاک به همراه نتایج حاصل از آن، خدمت شما مهندسین گرامی ارایه می گردد.

مطلب پیشنهادی: نمونه قرارداد پیمانکاری مطالعات مکانیک خاک و ژئوتکنیک

موارد کاربرد آزمایش بارگذاری صفحه ای

1. محاسبه میزان نشست و ظرفیت باربری بستر؛
2. محاسبه مدول الاستیسیته (E) و ضریب عکس العمل بستر (k)؛
3. مقاومت زهکشی نشده خاکهای چسبنده (Cu)، در صورت اجرای آزمایش به روش کنترل تغییرشکل، که صفحه بارگذاری با سرعت ثابت در زمین فرو رانده می شود.
4. قابل ذکر است که در میان آزمایش های صحرایی مکانیک سنگ نیز، از آزمایش بارگذاری صفحه، به عنوان روشی برای تعیین مدول تغییرشکل توده سنگ یاد شده است. آزمایش مذکور در توده های سنگی، کاملا مشابه آزمایش بارگذاری صفحه در خاک است، با این حال، تجهیزات و روش انجام آزمایش و همچنین در مواردی، محاسبات آنها با همدیگر متفاوت است.

مزایای آزمایش بارگذاری صفحه ای

آزمایش PLT، تقریبا برای همه انواع خاک ها، در سطح، یا در تراز پی، قابل استفاده است. این آزمایش، در خاک های سخت، سنگ نرم و شن های درشت، که امکان نمونه گیری و استفاده از آزمایش های SPT و CPT وجود ندارد، بسیار مفید و کارگشا است.

معایب آزمایش بارگذاری صفحه ای

1. در اغلب موارد، ظرفیت سیستم بارگذاری برای رساندن خاک به حد گسیخته ظرفیت باربری، کفایت نمی کند؛ انجام آزمایش PLT، در اعماق زیاد و زیر سطح آب، مقدور نیست.
2. هزینه اجرای آزمایش PLT، بالا بوده و از این جهت، صرفا، برای پروژه های مهم صرف اقتصادی دارد.
3. امکان نمونه گیری از خاک، در این روش وجود ندارد.
4. عمقی از بستر که تحت تأثیر بارگذاری صفحه PLT قرار می گیرد، بسیار کمتر از عمق تحت تأثیر بستر، تحت سازه واقعی است که این مساله، می تواند باعث خطا در نتایج آزمایش شود.
5. عدم امکان رعایت بندهای اجرایی آئین نامه، در صورت اجرای آزمایش در داخل چاه و گالری ها.
6. به دلیل استفاده از بار مرده و یا ماشین الات سنگین، به عنوان تأمین کننده نیروی عکس العمل، نیاز به زمین مسطح برای انجام آزمایش است؛
7. محدودیت استفاده از آزمایش PLT، در خاک های دارای نشست تحکیمی.

تجهیزات آزمایش PLT

تجهیزات انجام آزمایش بارگذاری صفحه، عبارتند از:

• صفحه فولادی
• جک هیدرولیکی
• گیج اندازه گیری فشار قایم
• گیج اندازه گیری نشست

نتایج حاصل از آزمایش بارگذاری صفحه

ظرفیت باربری

مقدار ظرفیت باربری در خاک های رسی مستقل از ابعاد پی می باشد. لذا هنگام انجام آزمایش بارگذاری صفحه ای PLT در خاک های رسی، همان مقدار حاصله را می توانیم ظرفیت باربری پی اصلی بدانیم. البته این موضوع صرفا برای رس های اشباع صدق می کند. در خاک های رسی کاملا اشباع، زاویه اصطکاک داخلی صفر می باشد و لذا مقدار جمله اول در رابطه ظرفیت باربری ترزاقی و هانسن صفر می باشد. برای خاک های دیگر که f و C دارند نمی توانیم مقدار ظرفیت باربری را عینا برابر مقدار برآمده از PLT بدانیم. برای اینگونه خاک ها مقدار ظرفیت باربری به دست آمده از صفحه، به نسبت طول پی به طول صفحه بزرگ خواهد شد.

محاسبه نشست پی

نشست پی به طور غیر مستقیم از ظرفیت باربری پی به دست می آید. پس اگر مقدار ظرفیت باربری مشخص باشد می توانیم نشست متناظر با آن را نیز محاسبه کنیم. پس از محاسبه میزان نشست در صفحه لازم آن را با ضرایب تبدیلی به نشست در پی اصلی ارتباط می دهیم. برای ایجاد این ارتباط، روابط گوناگونی ارائه شده که معروف ترین آن ها روابطی می باشد که توسط پک و ترزاقی ارائه گردیده است. این رابطه ها برای خاک های ریزدانه و درشت دانه دو مقدار متفاوت پیشنهاد می کند.

محاسبه مدول الاستیسیته

یکی از کاربرد های آزمایش Plate Load Test محاسبه مقدار E (مدول الاستیسیته) خاک می باشد که جز، یکی از مهمترین کاربرد های آزمایش محسوب می شود. پس از پرسیومتری و دایلاتومتری می توانیم از آزمایش بارگذاری صفحه نتایج خوب و واقع بینانه ای را انتظار داشته باشیم. مقدار این پارامتر از فرمولی که در استاندارد BS 5930:1981  ارائه شده است به دست خواهد آمد.

تعیین مقاومت برشی خاک

هر چند روش اصلی و مهم برای به دست آوردن مقاومت برشی، انجام آزمایش سه محوری می باشد لکن از آزمایش بارگذاری صفحه نیز می توانیم جهت تخمین مقاومت برشی در خاک های رسی زهکشی نشده استفاده کنیم. در این حالت نباید بار اعمالی به صورت مرحله به مرحله اعمال گردد و لازم است بار با یک آهنگ یکنواخت به صفحه وارد شود. سپس با استفاده از رابطه ای که کلیتون در سال ۱۹۹۱ ارائه داده است می توانیم مقدار مقاومت برشی زهکشی نشده (C_u) را به دست بیاوریم.

تخمین مدول عکس العمل بستر (K_s)

مدول عکس العمل بستر مقدار تنشی می باشد که به صورت کاملا قائم به بستری وارد می گردد که موجب تغییر شکل به اندازه یک واحد در آن گردد.

گاهی اوقات انجام آزمایش صحرایی بارگذاری صفحه PLT امکان پذیر نیست و یا اینکه انجام آن مقرون به صرفه نمی باشد. حال در این شرایط می توان از نتایج آزمایش های قبلی استفاده کرد. یکی از خروجی های آزمایش بارگذاری صفحه ای، مدول عکس العمل بستر می باشد. در صورتی که بخواهیم تقریبی از مدول عکس العمل بستر خاک محلی را به دست آوریم و یا نتایج آزمایش خود را صحت سنجی کنیم می توانیم از جدول زیر استفاده کنیم:

روش دیگر محاسبه مقدار Ks استفاده از نتایج آزمایش SPT می باشد. در این روش با استفاده از عدد حاصل از آزمایش SPT و یا داشتن میزان تراکم خاک می توانیم مقدار مدول عکس العمل بستر را تخمین بزنیم. برای تخمین مدول عکس العمل بستر در خاک های دانه ای از جدول زیر استفاده می کنیم:

برای تخمین مدول عکس العمل بستر در خاک های چسبنده از جدول زیر می توانیم استفاده کنیم:

روش های انجام آزمایش بارگذاری صفحه PLT در ایران

با توجه به شرایط محلی در هر کشور ممکن است هر آزمایش ژئوتکنیکی بسته به شرایط محلی کشور دستخوش تغییراتی شود. در کشور ایران، روش انجام آزمایش بارگذاری صفحه ای PLT به یکی از سه روش زیر می‌باشد:

انجام آزمایش بارگذاری صفحه در گمانه دستی

آزمایش بارگذاری صفحه در گمانه دستی متداول ترین روش انجام آزمایش بارگذاری صفحه است که در پروژه های معمول ساختمان سازی در شهر تهران انجام می گیرد. در این روش تراز قرارگیری صفحه همان تراز کف گالری می باشد. در این روش هدف از حفر گالری، گیردار کردن قسمت بالایی جک هیدرولیکی به سقف می باشد. ابعاد مناسب گالری ۱*۲*۰٫۸ متر است.

انجام آزمایش PLT در ترانشه خاکی

در این روش تراز قرار گرفتن صفحه همان تراز کف گالری خواهد بود. هدف از حفر گالری، مهیا کردن شرایطی خواهد بود که بتوانیم جک هیدرولیکی را نصب کنیم. گالری به شکل کله قندی و با ابعاد ۱ در ۲ در ۰٫۸ متر حفاری خواهد شد. انجام آزمایش در ترانشه خاکی حالت خاصی از انجام تست بارگذاری صفحه در گمانه دستی می باشد.

انجام آزمایش در کف چاه

در روش سوم، برای ثابت کردن و گیرداری جک هیدرولیکی از یک تیر بلند یا کامیون و یا هر جسم سنگین دیگر همچون کیسه های سیمان استفاده می گردد.

شرح مختصری از روش انجام آزمایش بارگذاری صفحه PLT

نحوه انجام آزمایش، به صورت زیر است:

• صفحات فولادی، معمولا دایره ای، با قطر ۱۵ تا ۱۰۰ سانتی متر و یا مربعی، به ابعاد ۳۰ تا ۶۰ سانتی متر. برای اطمینان از صلبیت صفحه، اغلب از سه صفحه هم مرکز، با قطرهای مختلف استفاده می شود. قطر صفحه آزمایش، نباید کمتر از شش برابر حداکثر اندازه دانه های خاک باشد. همچنین در صورت نیاز، برای افزایش سختی صفحه، از سخت کننده استفاده می شود؛
• جک هیدرولیکی، به همراه گیج اندازه گیری فشار قائم و سه عدد گیج اندازه گیری نشست؛
• برای اعمال فشار جک، لازم است که جک به یک تکیه گاه تغییرشکل ناپذیر بسته شود. می توان از تیر فولادی که وزنه های سنگین روی آن باشد، استفاده کرد. همچنین، می توان از محور ماشین آلات سنگین استفاده نمود؛
• اگر قرار باشد آزمایش در یک گالری افقی انجام شود، مانند آزمایش جکینگ توده های سنگی، از سقف گالری، به عنوان تکیه گاه جک های هیدرولیکی استفاده می شود و شایسته است، نتایج را با توجه به عمق آزمایش و سختی خاک محیط تصحیح نمود؛
• قبل از آزمایش، باید در مورد چگونگی ایجاد بار مرده موردنیاز برای آزمایش، تصمیم گیری لازم به عمل آید (تکیه گاه بار)؛
• برای انجام آزمایش، گودالی به قطر حداقل ۴ برابر قطر صفحه آزمایش و تا عمق استقرار پی (ds) حفر شده و صفحه در مرکز سوراخ قرار داده میشود؛
• گام های بارگذاری، حداکثر، مساوی یک چهارم تا یک پنجم بار نهایی تخمین زده شده، میباشند؛
• در هر گام بارگذاری، نشست شالوده، توسط گیج با دقت ۰/۲۵ میلیمتر اندازه گیری می شود؛
• بار هر گام بارگذاری، حداقل به اندازه یک ساعت حفظ می شود؛
• خاتمه ازمایش که مصادف است با لحظه گسیختگی، معادل است با وقوع نشست به میزان ۲۵ میلیمتر، یا زمانی که تنش صفحه، به ۲ یا ۳ برابر بار طراحی پیشنهادی برای پی اصلی برسد؛
• همچنین، پس از برداشتن بار، باید برجهندگی (بازگشت) الاستیک خاک را برای مدت زمانی حداقل یا طول و مو بار ثبت کرد. ثبت نشستها، برای یک ساعت اول، هر ۵ تا ۱۰ دقیقه انجام می گیرد؛ و
• نتایج اندازه گیری ها، به صورت منحنی های زمان – نشست و بار – نشست، ارائه می گردد، به نحوی که استخراج بار نهایی، به آسانی مقدور می باشد.

هزینه آزمایش بارگذاری صفحه ای PLT

هزینه انجام آزمایش بارگذاری صفحه همانند تمامی آزمایش های دیگر ژئوتکنیکی تابع عوامل مختلفی بوده و ثابت نخواهد ماند. از مهمترین عوامل موثر در هزینه آزمایش صفحه PLT محل انجام آزمایش، فصل انجام آزمایش و… است.

خطاهای معمول در انجام آزمایش بارگذاری صفحه ای

خطا در انجام آزمایش های مکانیک خاک امری غیرقابل اجتناب می باشد. برخی از این خطاها تاثیر زیادی در صحت نتایج دارند و برخی دیگر تاثیر کمتری را خواهند داشت. در این بخش چهار مورد از خطاهای رایج در آزمایش بارگذاری صفحه PLT بیان شده و راه کارهایی جهت کاهش اثرات خطا معرفی خواهد شد که به شرح زیر می باشد:

عدم رعایت فاصله تا دیوار

در نتایج آزمایش بارگذاری صفحه PLT عدم رعایت فاصله صفحه بارگذاری تا دیوار ترانشه، اصلی ترین عامل ایجاد خطا است. در آزمون هایی که در گمانه دستی یا ترانشه انجام می گردد، این خطا غیرقابل اجتناب بوده و همواره وجود خواهد داشت.

تکیه گاه انعطاف پذیر

لازم است محل قرارگیری جک هیدرولیکی کاملا صلب بوده تا مانع از حرکت یا جابجایی گردد. اگر به جای تکیه گاه صلب از محل گیرداری انعطاف پذیر استفاده کنیم، در نتایج آزمایش خطا ایجاد خواهد شد. این شرایط برای مواقعی پیش خواهد آمد که هنگام حفر گمانه دستی، از سقف گالری به عنوان تکیه گاه استفاده می گردد و سقف گالری محیطی انعطاف پذیر می باشد. چرا که با اعمال فشار متراکم می گردد.

عمق آزمایش بارگذاری صفحه

آزمایش بارگذاری صفحه را نباید در اعماق زیاد زمین انجام بدهیم زیرا هنگامی که آزمایش PLT در گمانه دستی و در گالری انجام گردد، در اعماق زیاد، گوه های گسیختگی بر روی نتایج آزمایش تاثیر خواهند گذاشت.

ضرایب تبدیل نامعتبر

هنگام تبدیل نتایج آزمایش برآمده از یک صفحه ۳۰ در ۳۰ به نتایج یک پی واقعی، از ضرایب تبدیلی استفاده خواهد شد که این ضرایب تبدیل، برای یک خاک خاص تحت یک شرایط خاص به دست آمده است و نمی توان آن را برای تمامی خاک ها معتبر دانست. استفاده از این ضرایب تبدیل نامعتبر، باعث ایجاد خطا در تست PLT می شوند.

از آنجایی که انجام آزمایشات خاک دارای اهمیت ویژه‌ای در زمینه عمران می‌باشد، پیشنهاد می‌کنیم در این زمینه حتما از یک شرکت مهندسی معتبر که تخصص و تجربه کافی در این زمینه داشته باشد، کمک بگیرید تا از خسارات احتمالی زیادی که در این مسیر وجود دارد، جلوگیری نمایید.