مطالعات خاک یا مطالعات ژئوتکنیک چیست؟ (Site Investigation)

مطالعات خاک یا مطالعات ژئوتکنیک شاخه ای تخصصی از مهندسی عمران می باشد که با هدف تعیین خواص مهندسی خاک و سنگ و نحوه اندرکنش آنها با توسعه عمرانی آینده بحث و گفتگو می نماید.

هدف از این مطالعات که مطالعات ساختگاه نیز نامیده می شود، تعیین متغیرهای مورد نظر به منظور:

۱) طراحی:

• شالوده
• زیرساخت ها
• سازه های زیرزمینی

۲) تخمین ریسک های:

• ژئوتکنیکی
• زیست محیطی
• هیدروژئولوژیکی
• ژئولوژیکی

برای انسان و محیط می باشد.

با انجام این مطالعات در پروژه های ساختمانی به ایمنی بالاتر و عملکرد بهینه می توان رسید.

آزمایش خاک برای مقاصد مختلفی می تواند انجام گردد:

• تعیین محل پروژه
• پایدارسازی گود
• طراحی شالوده
• بهسازی خاک
• اثرات پروژه بر روی محیط
• بررسی شرایط ایمنی و پایداری سازه موجود
• مقاوم سازی سازه

روش انجام مطالعات خاک (مطالعات ژئوتکنیک)

مطالعات خاک در ۲ قسمت انجام می گردد:

1. مطالعات صحرایی (میدانی): بررسی دقیق محل احداث پروژه و جمع آوری اطلاعات و داده های مورد نیاز و همچنین حفر گمانه های شناسایی، انجام آزمایش های برجا مانند آزمایش نفوذ استاندارد(SPT) ، آزمایش نفوذ مخلوط(CPT) ، آزمایش برش پره(Vane) ، پرسیومتر، بارگذاری صفحه و برش برجا، اندازه گیری نفوذپذیری (لوژان و لوفران).

• الک: در روش دانه بندی با الک، درصد وزنی دانه های مختلف خاک را با استفاده از مجموعه ای از الک ها و لرزاندن آنها، به دست می آورند. این آزمایش غالبا برای جدا کردن ذرات بزرگتر از الک ۲۰۰ استفاده می شود و درصد حضور شن و ماسه در خاک مورد نظر مشخص می شود.
• هیدرومتری: همچنین در خاک ریز دانه برای ارزیابی توزیع ذرات در خاک و مشخص نمودن درصد لای و رس از آزمایش هیدرومتری استفاده می شود.
• آزمایش حدود اتربرگ (Atterberg limits test):

خاک های ریزدانه با افزایش مقدار آب جذب شده حالات مختلفی به خود می گیرند. افزایش آب باعث پوشیده شدن دانه ها با یک لایه آب جذب شده سطحی می شود. با افزودن آب بیشتر، ضخامت لایه آب دور دانه ها اضافه شده، لغزش دانه ها روی یکدیگر راحت تر می شود. بنابراین رفتار خاک عملا به میزان آب داخل مجموعه بستگی دارد.

خاک ریزدانه بر حسب درصد رطوبتی که دارد می تواند در یکی از حالت های جامد، نیمه جامد، خمیری و مایع دسته بندی شود. حد فاصل بین این حالات به صورت نمودار زیر نشان داده می شود:

حد روانی (LL): (مرز بین حالت خمیری و حالت روانی خاک): درصد رطوبتی است که در این رطوبت و رطوبت های بالاتر از آن، خاک به صورت سیال لزج عمل می کند.

حد خمیری (PL): (مرز بین حالت خمیری و نیمه جامد): درصد رطوبتی است که خاک در این رطوبت تا قبل از حد روانی، به صورت خمیری رفتار می کند.

حد انقباض (SL): (مرز بین حالت نیمه جامد و جامد): درصد رطوبتی است که اگر رطوبت خاک از آن کمتر شود، تغییری در حجم خاک به وجود نمی آید.

شاخص خمیری (PI): (اختلاف حد روانی و خمیری خاک): درصدرطوبتی که باید به خاک اضافه شود تا از حد خمیری به حد روانی برسد.

شاخص روانی (LI): برابر نسبت اختلاف بین درصد رطوبت خاک در محل با حد خمیری، تقسیم بر شاخص خمیری است.

تجهیزات آزمایش حدود اتربرگ (Atterberg limits test)

با توجه به وجود فضاهای خالی در داخل خاک امکان جریان یافتن آب از نقاط با انرژی بالا به نقاط با انرژی پایین فراهم است. بنابراین به طور کلی، خاک را می توان نفوذپذیر دانست. بدین جهت تخمین مقدار تراوش زیرزمینی در شرایط هیدرولیکی مختلف، جهت بررسی مسائل مربوط به پمپاژ آب در عملیات ساختمانی زیرزمینی و برای تحلیل پایداری سدهای خاکی و سازه‌های نگهدارنده خاک تحت نیروهای تراوش ضرورت دارد. نفوذپذیری زیاد بیانگر این است که آب با سرعت از درون حفرات خاک جریان می یابد. ضریب نفوذپذیری در آزمایشگاه به ۲ صورت انجام می گردد:

• آزمایش با بار ثابت(Constant head)
• آزمایش با بار افتان (Falling head)
• آزمایش‌های سه محوری (Triaxial Test):

نمونه خاک درون محفظه ای قرار گرفته و سپس فشار همه جانبه به آن وارد می شود. که در این حالت اگر شیرهای خروج آب باز گذاشته شود و سرعت انجام آزمایش به قدر کافی کم باشد، نمونه تحکیم می یابد و فشار منفذی به صفر می‌رسد. پس از این مرحله با اعمال تنش انحرافی نمونه گسیخته می شود در صورتی که در این مرحله شیرهای خروج آب باز نگه داشته شود و سرعت انجام آزمایش به قدر کافی کم باشد، نمونه زهکشی می شود.

این آزمایش تحت فشارهای جانبی مختلف تکرار می شود سپس دوایر موهر و پوش آن‌ها رسم می گردد، شیب خط پوش گسیختگی، زاویه اصطکاک داخلی خاک و عرض از مبدأ آن چسبندگی خاک را به دست می دهد. این آزمایش به سه شکل انجام می گیرد:

۱) تحکیم یافته زهکشی شده (CD) 

۲) تحکیم یافته زهکشی نشده (CU)
۳) تحکیم نیافته زهکشی نشده (UU)

• آزمایش برش مسقیم (Direct Shear Test):
• آزمایش تحکیم (Consolidation Test):
• آزمایش تک محوری (Unconfined Compression Test):
• آزمایش های شیمیایی
• آزمایش باربری کالیفرنیا (California Bearing Ratio, CBR):

این آزمایش در سال ۱۹۲۹ میلادی و قبل از جنگ جهانی دوم، در اداره راهسازی ایالت کالیفرنیای آمریکا مورد استفاده قرار گرفت. به کمک این آزمایش مقاومت برشی خاک در یک رطوبت و وزن مخصوص معین، مشخص می شود.

این متغیر در:

• پی سازی برای بیان کیفیت نسبی خاک زیر پی
• در راهسازی برای به دست آوردن مقاومت برشی خاک در برابر بارهای ترافیکی

 از اهمیت زیادی برخوردار است.

بنا به تعریف: آزمایش CBR عبارت است از بار لازم برای نفوذ پیستون استاندارد با شکل، سرعت و عمق معین در یک نمونه مورد آزمایش به نیروی لازم برای فروبردن پیستونی با همین ویژگی ها در مصالح استاندارد.

هرچه سطح خاک از مقاومت بیشتری برخوردار باشد، مقدار نرخ CBR بیشتر خواهد بود. مواد استاندارد برای این آزمایش، سنگ آهکی خرد شده کالیفرنیا است که مقدار CBR آن برابر ۱۰۰ است، این مقدار نشان می دهد که مشاهده مقادیر بیش از ۱۰۰ در خاک های متراکم دور از انتظار نیست.

رابطه زیر روش به دست آوردن این مقدار را نشان می دهد که در آن p فشار اندازه گیری شده در سایت و ps فشار لازم برای رسیدن به نفوذ برابر در خاک استاندارد است.

در بسیاری از سازه های خاکی، مثل سدها، دیوارهای حائل، بزرگراه ها و فرودگاه ها متراکم کردن خاک امری ضروری می باشد.

متراکم کردن خاک عبارت است از کم کردن حجم خاک در اثر خارج ساختن هوا با استفاده از اعمال نیرو. در این حالت اصطکاک بین ذره ها بیشتر شده و وزن واحد آن زیاد می شود. این وزن، معیار تراکم خاک است.

تراکم به منظور افزایش مقاومت برشی و کاهش نفوذپذیری انجام می شود. عوامل مؤثر در تراکم خاک عبارتند از:

• نوع خاک
• انرژی
• رطوبت

پروکتور در سال ۱۹۳۳ روشی ابداع کرد که به وسیله آن حداکثر وزن مخصوص خشک خاک تعیین می گردد. این آزمایش به نام آزمایش تراکم پروکتور مشهور می باشد.

آزمایش پروکتور به دو روش انجام می پذیرد:

۱) روش استاندارد (تراکم دستی): در این روش از چکشی به وزن ۵/۵ پوند و ارتفاع سقوط ۱۳ اینچ (یک فوت) وتعداد ۵۶ ضربه در سه لایه تراکم و قطر قالب ۶ اینچ استفاده می گردد.

۲) روش اصلاح شده (تراکم پیشرفته): در این روش از چکشی به وزن ۱۰ پوند و ارتفاع سقوط ۱۸ اینچ (یک و نیم فوت) و تعداد ۲۵ ضربه در پنج لایه تراکم و قطر قالب ۴ اینچ استفاده می گردد.

مقاومت فشاری به صورت مقاومت در برابر خرابی تحت بار فشاری تعریف می گردد. مقاومت فشاری بتن یکی از مشخصه های مهم بتن می باشد. در پروژه های مختلف از قسمت های بتنی، حداقل ۳ نمونه تهیه می گردد. نمونه های بتن ساخته شده تحت نیروی فشاری برای به دست آوردن مقاومت فشاری، مورد آزمایش قرار می گیرند. مقاومت فشاری با تقسیم بار شکست به سطح مقطع نمونه، معمولاً پس از ۲۸ روز از نگه داری و عمل آوری بتن محاسبه می شود. هرچه نسبت آب به سیمان کمتر باشد مقاومت فشاری بالاتر خواهد بود.

در نهایت و پس از جمع آوری نتایج آزمایش های صحرایی و آزمایشگاهی، با بررسی نتایج فوق و حذف نتایج نامعتبر، شرایط موجود تفسیر گردیده و بر اساس آن در قالب گزارش مطالعات ژئوتکنیک، توصیه های فنی و اجرایی مربوط به پروژه بر اساس استانداردهای معتبر داخلی و خارجی ارائه می گردد که در صورت لزوم مورد تأیید سازمان نظام مهندسی استان تهران نیز قرار خواهد گرفت.

کاربردهای مطالعات خاک (مطالعات ژئوتکنیک)

علاوه بر اهمیت مطالعات ژئوتکنیک در ساخت و سازهای شهری، مسکونی و تجاری می توان کاربردهای زیر را نیز برشمرد:

• پروژه های نفت و گاز و ساخت سازه های تخصصی
• پروژه های مربوط به احداث خطوط انتقال نیرو
• احداث سد و نیروگاه های آبی
• مشاوره پروژه و طرح های آبرسانی و سیستم های فاضلاب صنعتی و شهری
• پروژه های ساخت و ساز شهری، مسکونی و تجاری
• اکتشاف و حفر معدن

اهداف انجام مطالعات خاک (مطالعات ژئوتکنیک)

مهمترین اهداف و نتایجی که از مطالعات ژئوتکنیک و بررسی های ژئوتکنیکی می توان به دست آورد:

• شناسایی کامل لایه های زیرزمینی
• تعیین مشخصات فیزیکی و مکانیکی لایه ها
• مشخص نمودن نوع پی ساختمان و نحوه استقرار آن
• عمق مناسب برای پی
• برآورد ظرفیت باربری شالوده و تعیین ضریب مربوطه
• وزن مخصوص خاک
• زاویه اصطکاک داخلی موثر
• ضریب چسبندگی
• مدول الاستیسیته
• دسته بندی نوع زمین براساس آیین نامه ۲۸۰۰ ایران (تیپ ۱، ۲، ۳ یا ۴)
• مناسب ترین نوع سیمان
• تست بتن
• بررسی آب های زیرزمینی منطقه
• مشخص شدن وضعیت لرزه خیزی منطقه
• استخراج اطلاعات دقیق از سنگ بستر
• مطالعات زمین شناسی و لرزه خیزی
• موقعیت مکانی لرزه های پیشین احتمالی
• تعیین فاصله گسل های نزدیک به پروژه
• هیدرومتری
• آزمایش دانه بندی خاک
• حدود اتربرگ
• تعیین دانسیته
• رطوبت خاک
• تعیین جنس و نوع خاک منطقه
• مشاوره در زمینه انتخاب و طراحی بهترین نوع پی
• آزمایشات میزان پایداری خاک در برابر حوادث طبیعی مثل زلزله
• برآورد صحیح ظرفیت باربری پی سازه
• محاسبه تنش و فشار جانبی خاک
• مشاوره در زمینه گودبرداری
• ارائه راهکاری بهینه سازی شالوده سازه
• تعیین نتایج مربوط به تست های مکانیک خاک و سنگ
• آزمایش های کنترل کیفی خاک و بتن
• مطالعات و اجرای عملیات مقاوم سازی
• کنترل جوش

شرکت عمرانی و مهندسی ایستا سازه

 با تکیه بر دانش فنی و سوابق مدیران خود در مهندسی و ساخت پروژه های عمرانی و با هدف توسعه و گسترش فناوری نوین و تکنیکهای روز دنیا در زمینه مدیریت، طراحی، ساخت و اجرای پروژه های عمرانی شکل گرفته است.

این شرکت با برخورداری از نیروهای جوان ، مجرب، خلاق و نوآور، با تکیه بر تخصص و صداقت در کار و بهره گیری از آخرین دستاوردهای علمی و تکنولوژیکی درصدد ارائه خدمات مهندسی در گستره وسیعی از زمینه های مهندسی عمران می باشد.

دانش علمی و فنی در کنار تجربه ی اجرایی، مدیریتی و قراردادی، تیم فنی مهندسی “ایستاسازه” را به گروهی قابل اعتماد، جهت واگذاری کلیه مراحل برنامه ریزی، طراحی، اجرا و نیز مدیریت و نظارت راهبردی پروژه های عمرانی – ژئوتکنیکی تبدیل و انجام موفقیت‌آمیز بسیاری از پروژه‌های متنوع طرح و اجرای پایدارسازی و بهسازی خاک را تضمین نموده است.