ارزیابی تیپ خاک (I، II، III، IV) بدون حفر گمانه؛ معرفی روش MASW:
به منظور تعیین تیپ خاک مطابق با استاندارد 2800، آزمایشگاه های خاک و بتن ملزم به مطالعه خاک تا عمق 30 متر زیر تراز فونداسیون می باشند. برای این منظور سه معیار ارزیابی سرعت موج برشی در خاک، عدد نفوذ استاندارد و مقاومت برشی متوسط زهکشی نشده توسط استاندارد 2800 پیشنهاد شده است. از سه معیار ذکر شده، ارزیابی سرعت موج برشی جامعیت بیشتری داشته و در منابع و پروژه های عمرانی بیشتر ملاک تعیین تیپ خاک قرار می گیرد.
آزمایشگاه های خاک و بتن به منظور تعیین تیپ خاک بر اساس معیار سرعت موج برشی، عموماً از آزمایش دانهول استفاده می کنند. با توجه به تاکید آیین نامه 2800 بر ارزیابی سرعت موج برشی تا عمق 30 متر زیر تراز پی، برای انجام این آزمایش حداقل حفاری یک گمانه 30 متری زیر تراز فونداسیون ضروری می باشد. برای انجام این تست، عموماً امواج از سطح زمین ارسال و در اعماق مختلف خاک (در ترازهای مختلف از گمانه 30 متری)، دریافت می گردد و متوسط سرعت موج برشی تا هر عمق به عنوان ملاک ارزیابی تیپ خاک لحاظ می گردد.
حفاری گمانه ای به عمق حداقل 30 متر زیر تراز فونداسیون که از الزامات انجام آزمایش دانهول توسط آزمایشگاه خاک و بتن می باشد، می تواند سبب اعمال هزینه بیشتر به پروژه و همچنین افزایش محسوس در زمان انجام مطالعات ژئوتکنیک گردد.
آیا می توان از حفاری گمانه ماشینی 30 متری صرف نظر کرد؟
حفاری گمانه ماشینی عموماً با دو هدف انجام می گردد: 1. مغزه گیری از خاک زیر فونداسیون و انتقال آن به آزمایشگاه و انجام آزمایشات خاک مربوطه. 2: انجام تست دانهول. برای تامین هدف اول، با توجه به ضوابط مبحث هفتم مقررات ملی ساختمان، حفر گمانه ای به اندازه عرض فونداسیون (عرض زمین)، به منظور شناسایی نوع خاک کافی است. با این وجود برای تامین هدف دوم حفاری گمانه ماشینی به عمق 30 متر زیر تراز فونداسیون توسط آزمایشگاه خاک و بتن ضروری است.
با جایگزین کردن آزمایش MASW بجای تست دانهول، می توان از حفاری گمانه 30 متری صرف نظر نموده و عمق گمانه شناسایی را به اندازه عرض فونداسیون (عرض زمین) در نظر گرفت. عموماً برای انجام مطالعات ژئوتکنیک در پروژه های کوچک که عمق نفوذ تنش کم می باشد، انجام تست MASW بسیار اقتصادی است. در ادامه به جزئیات تعیین تیپ خاک با استفاده از تکنیک MASW پرداخته شده است.
معرفی روش MASWبه منظور تعیین تیپ خاک:
در روش MASW که مختصر شده عبارت Multichannel Analysis of Surface Waves می باشد، سرعت امواج سطحی در زمین محدوده پروژه با بهره گیری از یک دستگاه ژئوفیزیک دوازده کاناله ارزیابی می گردد. بر اساس منابع، این تست به منظور شناسایی تیپ خاک در مرکز تحقیقات زمین شناسی کانزاس و توسط آقای پارک ابداع گردید و مراحل انجام آن را می توان به شرح زیر خلاصه نمود:
1. عمليات صحرايي و برداشت داده ها
2. پردازش داده ها و بدست آوردن منحني پراكندگي
3. معكوس سازي منحني پراكندگي و بدست آوردن پروفيل سرعت موج برشي
4. تحلیل نتایج در چند جهت مختلف بصورت یک بعدی و نهایتاً ادغام نتایج در قالب یک تحلیل سه بعدی
برای انجام تست MASW، تجهیزاتی از جمله الف: دستگاه لرزه نگار 12 کاناله، ب: ژئوفون، پ: پتک و پلیت فلزی براي توليد امواج و ت: لپ تاپ مورد نیاز می باشد. در شکل زیر نمونه ای از تجیزات این تست به همراه تصویری از انجام تست توسط این شرکت (آزمایشگاه خاک و بتن کاوش مهار البرز) در محدوده گوهردشت کرج نشان می دهد.
بسته به ماهیت منبع لرزه ای ، روش MASW را می توان به دو گروه فعال یا غیرفعال دسته بندی کرد. در روش غیر فعال که توسط مورتن و همکاران مورد بررسی قرار گرفت، منبع امواج کنترل نشده (نویزهای محیطی) میباشد. این روش در آزمایشگاه های خاک و بتن کمتر مورد استفاده قرار می گیرد.
در روش فعال که توسط میلر و همکاران معرفی گردید، منبع لرزه مشخص بوده و موج کنترل شده توسط چکش ایجاد می گردد. در عمده پروژه های آزمایشگاه خاک در کرج، از روش فعال جهت تعیین تیپ خاک با استفاده از تکنیک MASW بهره گرفته می شود. بر این اساس در عملیات صحرایی، چشمه لرزه‌اي در دو طرف پروفیل و مرکز آن قرار داده شده است و گيرنده امواج (ژئوفون ها) با فواصل ا لی 3 متری از یکدیگر تمام سطح مجاور منبع را جاروب می کند. پس از انتشار امواج، پاسخ امواج در فواصل مختلف دریافت شده و با تحلیل های صورت گرفته، سرعت موج برشی تا هر عمق زمین تعیین می گردد. در شکل زیر نمایی از گسترش امواج سطحی با فاصله گرفتن از منبع تولید و دریافت آن با استفاده از ژئوفون ها نمایش داده شده است.
هر رکورد چند کاناله به یک تصویر منحنی پراکندگی تبدیل می شود. نمونه ای از نتایج در شکل زیر نشان داده شده است. بر اساس روابط موجود، متوسط سرعت موج برشی تا اعماق مختلف مطابق شکل قابل محاسبه می باشد.
پیش ازین در سال های 1397و 1398استفاده از روش MASW به منظور تعیین تیپ خاک مورد تایید نظام مهندسی استان البرز بوده است و توسط بعضی از آزمایشگاه های خاک و بتن کرج به کار گرفته می شد. در حال حاضر (سال 1399) از این روش بیشتر برای تعیین تیپ خاک در پروژه های ویلاسازی، سوله ها و بطور کلی پروژه های خارج از ساختار نظام مهندسی بهره گرفته می شود. انجام آزمایش MASW بسیار تخصصی بوده و نیازمند کالیبره بودن تجهیزات و همچنین اوپراتور با تجربه و متخصص می باشد. عدم تجربه و تخصص کافی منتج به گرفتن خروجی های غیر اصولی و خطا در تشخیص تیپ خاک می گردد. آزمایشگاه خاک و بتن کاوش مهار البرز در حال حاضر آمادگی انجام این تست در محدوده پروژه های واقع در استان البرز و شهر کرج را دارد.
منابع:
Park, C. B., R. D. Miller, and J. Xia, 1998, Imaging dispersion curves of surface waves on multi-channel record 68th Annual International Meeting, SEG, Expanded Abstracts, 1377-1380.
Miller, R. D., J. Xia, C. B. Park, and J. M. Ivanov, 1999, Multichannel analysis of surface waves to map bedrock: The Leading Edge, 18, 1392-1396.
Morton, S. L., J. Ivanov, S. L. Peterie, R. D. Miller, R. L. Parsons, and A. J. Livers-Douglas, 2018, Time-lapse monitoring of subsidence features within the Hutchinson Salt in Kansas, SEG Technical Program Expanded Abstracts 2018, 2642-2646.