راهنمای کامل و جامع آزمایش نفوذ استاندارد

آزمایش نفوذ استاندارد (SPT) یکی از قدیمی ترین و معمول ترین آزمایش های صحرایی ژئوتکنیک می باشد که از آن برای تخمین مقاومت خاک کف گمانه استفاده می گردد.

آزمایش نفوذ استاندارد در سال ۱۹۲۰ ابداع شد و هم اکنون در سطح وسیعی در سراسر دنیا به کار رفته و شناخته شده می باشد. با این وجود به دلیل پاره ای انتقادهای مستند که به نحوه آزمایش و روش های استفاده از نتایج آن وارد شده، در شرایط کنونی بسیاری از محققین بر عدم توجه به آن و حتی حذف کامل این آزمایش از شمار آزمایش های معتبر اصرار دارند. آنچه که باعث شده تلاش های مذکور که برای حذف تست نفوذ استاندارد (SPT) صورت می پذیرد عملا موفق نبوده و همچنان پا برجا بماند، آن است که بسیاری از روابط و روش های محاسباتی و همچنین جداول پیشنهادی و قضاوت های مهندسی وابسته به عدد SPT است و از طرف دیگر نتایج آزمایش نفوذ استاندارد (SPT) به عنوان یک معیار ساده، ارزان و ملموس در نزد مهندسین شناخته می شود.

در این نوشتار هر آنچه لازم است از آزمایش SPT بدانید، خواهید یافت.

مزایای استفاده از آزمایش نفوذ استاندارد (SPT)

علی رغم امکان بروز خطاهای مذکور در نتایج تست نفوذ استاندارد در صورتی که عوامل خطا تا حد امکان کم یا حذف شود، تستSPT به دلیل زیر بسیار مورد توجه مهندسین ژئوتکنیک قرار گرفته است.

مطلب پیشنهادی: نمونه قرارداد پیمانکاری مطالعات مکانیک خاک و ژئوتکنیک

طول عمر وسایل دستگاه تستSPT، بسیار زیاد می باشد زیرا که دارای سرعت مناسب و هزینه کم می باشد و ضمناً می توان تست نفوذ استاندارد (SPT) در فواصل یک متری در عمق گمانه انجام گیرد. در هر بار آزمایش، ضمن تهیه و اخذ یک نمونه به طول ۴۵ سانتی متر، می ‌توان پروفیل خاک را در فواصل ۱ متری مورد مشاهده مستقیم قرار بدهیم.

مطلب پیشنهادی: دوره آموزش تکنسین آزمایشگاه خاک

کاربرد آزمایش نفوذ استاندارد (SPT)

۱- تخمین تراکم نسبی خاک (Dr)

در جدول زیر رابطه بین عدد اس پی تی و میزان تراکم در خاک های درشت دانه ارایه گردیده است.

Nspt	۰-۴	۵-۹	۱۰-۱۹	۲۰-۲۹	۳۰-۳۹	۴۰-۴۹	بیش از ۵۰
میزان تراکم	فوق العاده سست	بسیار سست	سست	متوسط	متراکم	خیلی متراکم	کاملا متراکم

در جدول زیر رابطه بین SPT و میزان تراکم در خاک های ریزدانه ارایه شده است.

Nspt	۰-۲	۲-۵	۵-۹	۱۰-۲۰	۲۱-۳۰	بیش از ۳۰
میزان تراکم	بسیار سست	نرم	متوسط	سفت	خیلی سفت	سخت

۲- تخمین مدول سختی ( E)

از دیگر پارامترهایی که می توان از عددهای اس پی تی بدست آورد، مدول الاستیسیته یا مدول سختی خاک است.

برخی محققین نیز ارتباط دادن عدد SPT ، به مدول الاستیسیته را صحیح نمی دانند و این عدد را به مدول برشی یا G ارتباط می دهند.

بعضی از روابط مدول الاستیسیته در جدول زیر خلاصه شده است.

نام مرجع	رابطه با عدد اس پی تی		مدول الاستیسیته
Bowels	۶×(Nspt+6)	Nspt<15	E
Bowels	۶×(Nspt+6)+20	Nspt>15	E
Wrench & Nowatzki	۲۲٫۲۲ × (Nspt^0.888)		E
Das	۷٫۶۶ × Nspt		E
Bowels	۱۲ × (Nspt+6)		E

۳- تخمین زاویه اصطکاک داخلی (Ø)

زاویه اصطکاک داخلی ازجمله پارامترهای مقاومت برشی است که از آزمایش سه محوری و یا آزمایش برش مستقیم به دست می آید.
می توان با روابط ارایه شده توسط محققین ، این پارامتر را به صورت غیرمستقیم نیز به دست آورد:

برخی از روابط پیشنهادی که رابطه بین زاویه اصطکاک داخلی و عدد اس پی تی را بیان می کنند در جدول زیر آورده شده است.

نام مرجع	رابطه با عدد اس پی تی	زاویه اصطکاک داخلی (Ø)
Bowels	۰٫۴۵×Nspt+20	Ø
Shioi & Fukui(1982)	(۱۸×Nspt)^0.5+15	Ø
Scott(1981)	۰٫۳۶×Nspt+27	Ø

۴- تخمین مقاومت برشی زهکشی نشده (Cu)

این پارامتر از آزمایش سه محوری UU به صورت مستقیم به دست می آید.
اما می توان آنرا به صورت غیر مستقیم از عدد SPT نیز به دست آورد.
برای رسیدن به این هدف باید از روابط ارایه شده توسط (Bowels (1996 استفاده کرد.

این دانشمند عقیده داشت که هنگام انجام آزمایش SPT آب فرصت زهکشی نداشته و شرایط مشابه آزمایش سه محوری زهکشی نشده است.

۵- ارزیابی روانگرایی

از نتایج آزمایش SPT می توان جهت تخمین پتانسیل روانگرایی در خاک های ماسه ای استفاده کرد.
بدین ترتیب که در خاک های ماسه ای با سطح آب زیرزمینی بالا، هنگامی که Nspt در خاک بالا باشد احتمال روانگرایی کم است و بالعکس.
برای کسب اطلاعات بیشتر می توانید مقاله (Seed et al. (1986 و یا مقالات روانگرایی ایشیهارا را مطالعه کنید.

۶- تعیین تیپ بندی خاک

انواع تیپ بندی خاک به صورت مستقیم با استفاده از سرعت موج برشی و از آزمایش دانهول به دست می آید.
اما با استفاده از عدد اس پی تی بدست آمده می توان تیپ خاک را تعیین کرد.

۷- تعیین سرعت موج برشی (Vs)

سرعت موج برشی در خاک ها، به سرعت حرکت موج S یا موج برشی در پروفیل خاک گفته می شود.
سرعت این موج به صورت مستقیم از آزمایش دانهول به دست می آید.
اما در طول زمان های مختلف روابط زیادی برای تخمین سرعت موج برشی ارایه شده است.
با استفاده از جدول زیر می توانید سرعت موج برشی را بر حسب نتایج آزمایش SPT تخمین بزنید.
در جدول زیر سرعت موج برشی بر حسب متر بر ثانیه ارایه شده است.
شایان ذکر است در روابط ارایه شده N ، عدد اس پی تی است.
در واقع N، مجموع دو عدد دوم و سوم در آزمایش SPT می باشد.
Z عمق قرار گیری خاک نسبت به صفر-صفر زمین است.

سرعت موج برشی (Vs)	نوع خاک	منبع
۱۹×(N^0.6)	تمامی خاک ها	Kanai et al. (1966)
۸۲×(N^0.39)	تمامی خاک ها	Ohsaki and Iwasaki (1973)
۹۲×(N^0.329)	تمامی خاک ها	Imai and Yoshimura (1975)
۹۰×(N^0.341)	تمامی خاک ها	Imai et al. (1975)
۹۱×(N^0.337)	تمامی خاک ها	Imai (1977)
۸۵×(N^0.348)	تمامی خاک ها	Ohta and Goto (1978)
۶۱×(N^0.5)	تمامی خاک ها	Seed and Idriss (1981)
۹۷×(N^0.314)	تمامی خاک ها	Imai and Tonouchi (1990)
۷۶×(N^0.33)	تمامی خاک ها	Imai and Yoshimura (1975)
۱۲۱×(N^0.27)	تمامی خاک ها	Yokota et al. (1991)
۸۵×(N^0.31)	آبرفت	Ohta and Tosiuna (1970)
۱۰۰×(N^0.33)	رس	Jopan (1980)
۸۴٫۵ × ((z+1)^0.246) × N^0.118	رس	Lee (1992)
۵۹×(N^0.47)	خاک فاقد چسبندگی	Ohsaki and Iwasaki (1973)
۱۰۰×(N^0.29)	شن	Sykora and Stokee (1983)
۱۱۶×(N^0.277)	شن و ماسه	Gatmiri (2000)
۹۴×(N^0.34)	شن	Ohta and Goto (1978)
۳۲×(N^0.5)	ماسه	Shibata (1970)
۸۷×(N^0.36)	ماسه	Ohta et al. (1972)
۸۸×(N^0.34)	ماسه	Ohta and Goto (1978)
۸۰×(N^0.33)	ماسه	Jopan (1980)
۵۶×(N^0.5)	ماسه	Seed et al. (1983)
۱۲۵×N.3	ماسه	Okamota et al. (1989)
۵۷×N.49	ماسه	Lee (1990)
۸۲٫۸×(z+1).223N.134	سیلت	Lee (1992)
۶۹×(z^0.2)×(N^0.17)	رس	Jamiolkowski et al. (1988)
۷۵٫۹×(z^0.2)×(N^0.17)	ماسه و شن	Jamiolkowski et al. (1988)
۱۰۰×(z^0.2)×(N^0.17)	شن	Jamiolkowski et al. (1988)
۸۳×(z^0.14)×(N^0.25)	تمامی خاک ها	Yoshida et al. (1988)
۲۲×(N^0.85)	خاک فاقد چسبندگی	Jafari et al.(2000)
۱۳۴×(z^0.2)×(N^0.3)	خاک تهران	Baziar et al. (1998)
۱۶۱×(N^0.227)	خاک تهران	Jica (2000)

۸- تخمین مدول عکس العمل بستر (Ks)

مدول عکس العمل بستر (Ks) مقدار تنشی است که اگر به صورت قائم بر روی بستری وارد شود، موجب نشست به اندازه یک واحد خواهد کرد.
مقدار دقیق این پارامتر، از آزمایش بارگذاری صفحه بدست می آید.
اما می توان این مقدار را با استفاده از جدول زیر نیز تخمین زد.
شایان ذکر است در جدول پایین مقاومت محدود نشده بر حسب کیلوگرم بر سانتی متر مربع و مدول عکس العمل بستر بر حسب کیلوگرم بر سانتی متر مکعب بیان شده است.

برای تخمین مدول عکس العمل بستر در خاک های چسبنده از جدول زیر استفاده کنید.

خاک چسبنده
میزان تراکم	مقاومت محدود نشده	مدول عکس العمل بستر
سفت	۱-۲	۲٫۷
خیلی سفت	۲-۴	۲٫۷-۵٫۴
سخت	بیش از ۴	۵٫۴-۱۰٫۸

برای تخمین مدول عکس العمل بستر در خاک های دانه ای از جدول زیر استفاده کنید.

خاک دانه ای
میزان تراکم	عدد SPT	مدول عکس العمل بستر
شل	کمتر از ۱۰	۰٫۹-۱٫۵
متوسط	۱۰-۳۰	۰٫۹-۴٫۷
متراکم	بیش از ۳۰	۲٫۹-۱۸

پارامترهای موثر بر عدد اس پی تی

نوع خاک

در خاک های درشت دانه و تیزگوشه عدد اس پی تی بیشتر و در خاک های ریزدانه و گرد گوشه عدد SPT کمتر است.

دانسیته نسبی

هرچه دانسیته طبیعی خاک بیشتر باشد و خاک متراکم تر باشد مقدار عدد اس پی تی SPT بیشتر خواهد شد.

تاریخچه تنش

هرچه میزان OCR خاک بالاتر باشد میزان عدد نفوذ استاندارد SPT بالاتر خواهد بود.

تکنیک استفاده شده

نحوه انجام آزمایش اس پی تی می تواند در میزان Nspt تاثیر گذار باشد.
به عنوان مثال نوع چکش استفاده شده، تعداد دورپیچ های قرقره، قطر گمانه و… می تواند در عدد SPT تاثیر گذار باشد.

اجزای تشکیل دهنده SPT

سندان: بخشی که وزنه محرک چکش به آن برخورد می کند و از طریق آن انرژی چکش به میله مته منتقل می شود.
میله مته: میله ای که برای انتقال نیرو به سمت پایین استفاده می شود.
کله گربه: چرخ دوار در طناب کله گربه که سیستم را بلند می کند و طناب به دور آن پیچیده می شود.
مجموعه وزنه محرک: وسیله ای که شامل چکش، راهنمای سقوط چکش، سندان و هر سیستم سقوط چکش می باشد.
چکش: بخشی از مجموعه وزنه محرک می باشد که شامل ۶۳.۵ کیلو گرم (۱۴۰ پوند) وزنه برخورد می باشد که به طور متوالی بلند می شود و انداخته می شود تا انرژی نفوذ و نمونه گیری را فراهم بکند.
سیستم چکش انداز: بخشی از مجموعه وزنه محرک می باشد که اپراتور چکش را بلند می کند و می اندازد تا ضربه مورد نیاز تولید بشود.
راهنمای سقوط چکش: بخشی از مجموعه وزنه محرک می باشد که برای راهنمایی چگونگی سقوط چکش استفاده می شود.

دریک آزمایش SPT بایستی موارد زیر کاملاً قید شود

منطقه مورد آزمایش
تاریخ آزمایش
شماره گمانه
روش کامل حفاری
ابعاد ووزن میله های رابط
نوع مکانیزم وارد کردن ضربه
ارتفاع سقوط چکش
عمق آزمایش
عمق انتهای لوله محافظ جدار
سطح تراز آب زیرزمینی
عمق نفوذ اولیه و اعماق نفوذ در دو مرحله
مقاومت نفوذ در هر مرحله
توصیفات ظاهری نمونه های خاک
نوع پایداری لایه خاک مورد نظر و موانع موجود در راه حفاری

دستورالعمل آزمایش نفوذ استاندارد (SPT)

برای انجام این آزمایش ابتدا گمانه ای با قطر ۲.۵ تا ۱۸ اینچ تا عمق مورد نظر، حفر می شود. سپس میله از سرمته حفاری در عمق مورد نظر جدا گردیده و نمونه گیر (SPT) که از یک استوانه توخالی تشکیل شده و می تواند در امتداد طول خود به دو نیم تقسیم گردد، متصل می شود. سپس چکش ۶۳.۵ کیلوگرمی از ارتفاع ۷۵ سانتی متری با استفاده از مکانیزم اتومکانیک و یا با مکانیزم قرقره و طناب رها می کنند. عدد تست نفوذ استاندارد SPT از جمع تعداد ضربات لازم برای نفوذ ۱۵ سانتی متر دوم و سوم به دست خواهد آمد. چرا که نتایج حاصل شده برای ۱۵ سانتی متر اول به دلیل دستخورده شدن خاک محدوده مذکور در عملیات حفاری و یا به علت ریزش جدار گمانه، مورد اعتماد و اعتبار نمی باشد. در انتها نمونه گیر نفوذ استاندارد (SPT) از میله حفاری جدا گردیده و خاک درون نمونه گیر به عنوان نمونه دست نخورده به آزمایشگاه ارسال می گردد. دقت شود نمونه‌ های دریافتی در ظروف هوابندی شده برای جلوگیری از تغییر رطوبت، به همراه اطلاعات نام پروژه، شماره گمانه، عمق نمونه و شمار ضربه‌ ها برای هر ۱۵ سانتی‌متر، به آزمایشگاه ارسال خواهد شد.

اسکمپتون پیشنهاد کرده که نتایج خام تست نفوذ استاندارد (SPT) با استفاده از رابطه زیر اصلاح گردد:

که در آن:

EM ضریب بازدهی چکش بر حسب نوع چکش بین ۰.۴۵ تا ۰.۸۵است.

CB ضریب اصلاح قطر گمانه بین ۱ تا ۱.۵ که هرچه قطر گمانه بیشتر شود CB بزرگتر خواهد شد.

CS ضریب اصلاح نمونه گیر برای نمونه گیرهای بدون آستری معادل ۱.۲ در نظر گرفته خواهد شد.

CR ضریب اصلاح طول میله: هر چه میله بلندتر، مقدار این ضریب بزرگتر خواهد بود.

N عدد خام SPT به دست آمده در صحرا می باشد.

معمولا آزمایش نفوذ استاندارد (SPT) بسته به شرایط در فواصل ۱.۵ تا ۵ متری در درون گمانه انجام می گیرد. عدد خام آزمایش SPT برای خاک های نرم به طور معمول کمتر از ۵ و برای خاک های خیلی متراکم بالاتر از ۵۰ می باشد. جدول زیر محدوده مقادیر به دست آمده و تفسیر آن را نشان خواهد داد.

زمان اتمام اجرای آزمایش

برای هر فاصله ۱۵ سانتیمتری تعداد ضربه ها به ۵۰ برسد؛
روی هم برای فاصله ۴۵ سانتیمتری تعداد ضربه ها به ۱۰۰ برسد؛
بعد از ۱۰ ضربه متوالی نفوذ نداشته باشیم؛
نمونه گیر ۴۵ سانتیمتر نفوذ کند.

توجه شود که تعیین عدد نفوذ استاندارد و نمونه گیری توسط نمونه گیر شکاف دار، معمولا در فواصل ۱.۵ متری انجام می شود.

عوامل خطا در نتایج آزمایش نفوذ استاندارد (SPT)

در عمل عوامل مختلفی ممکن است موجب بروز خطا در نتایج آزمایش بشود. عدم شناخت این عوامل و عدم توجه به آن ها باعث می شود تا نتایج جبران ناپذیری را در طراحی سازه ‌های خاکی ایجاد کند. بعضی از این عوامل شامل موارد زیر می باشد:

استفاده از دستگاه‌ های قدیمی غیر حساس.
تغییر در ارتفاع سقوط آزاد وزنه از میزان ۷۶ سانتی متر.
تغییر در وزن چکش سقوط کننده.
عدم دقت آزمایش کننده.
وجود یک تکه سنگ کوچک در مسیر میله استوانه ‌ای نمونه گیر SPT و ارائه عدد نفوذ استاندارد SPT بیش از مقدار واقعی.
خارج شدن ته استوانه نمونه گیر SPT از حالت استاندارد.
وجود مصالح ریز در کف گمانه.

هزینه آزمایش نفوذ استاندارد (SPT)

تست نفوذ استاندارد، یک آزمایش کم هزینه است و معمولا در گمانه انجام می گیرد که برای مقاصد دیگر حفاری شده است. بنابراین هزینه اضافی بر طرح تحمیل نکرده و از طرفی تقریبا همه تجهیزات تست نفوذ استاندارد (SPT) همان تجهیزاتی است که برای حفاری به کار گرفته می شود و تجهیزات اختصاصی این آزمایش در حد محدودی است. این در حالیست که در سایر آزمایش های صحرایی معمولا تجهیزات اختصاصی گسترده ای به کار گرفته می شود.

بهره برداری های مستقیم از نتایج آزمایش ضربه و نفوذ استاندارد در ژئوتکنیک

محاسبه نشست پی های منفرد واقع بر ماسه.
محاسبه ظرفیت باربری پی های واقع بر ماسه.
ارزیابی پتانسیل روانگرایی ماسه ها.
تعیین مقاومت جداره و نوک شمع ها.
ارزیابی قابلیت سپر کوبی زمین.
تعیین تیپ مقاومتی زمین، طبق استاندارد ۲۸۰۰.

از آنجایی که موضوع “آزمایش خاک” دارای اهمیت ویژه‌ای در زمینه عمران می‌باشد، پیشنهاد می‌کنیم در این زمینه حتما از یک شرکت مهندسی معتبر که علاوه بر مسائل فنی، میزان آشنایی بالایی با مسائل حقوقی عمران نیز داشته باشد، مشاوره بگیرید تا از خسارات احتمالی زیادی که در این مسیر وجود دارد، جلوگیری نمایید.

آزمایش نفوذ استاندارد

مزایای استفاده از آزمایش نفوذ استاندارد (SPT)