الباب التاسع – الفحوصات الحقلية للتربة ___________________________________________________________________
البـاب التاسع الفحوصات الحقلية للتربة 9.1
مدخل
9.2
فحص الكثافة الحقلية للتربة بطريقة إحلل الرمل
9.3
فحص الختراق القياسي )(SPT
9.4
فحص القص بالريشة
البـاب التاسـع
الفحوصات الحقلية للتربـــة )(Field Soil Tests
9.1
مدخــل (( Introduction
فحوصات التربة للرغراض الشنشائية
7
الباب التاسع – الفحوصات الحقلية للتربة ___________________________________________________________________
أشرشنا عشند استعراضشنا للفحوصات التي تجري للتربة ،إلى أن هذه الفحوصات تقسم إلللى فحوصلات مخبري ة وأخللرى حقليللة .والفحوصلات الحقليللة ،كمللا هللو واضللح مللن تسميتها،هي تلك الللتي تجللري فللي الحقلل أو الموقع ،وذلللك علللى التربة فللي وضعها وتركيبها الطبيعيين. ومن أهم الفحوصات الحقلية للتربة ما يلي: ) (1فحوصات الكثافة الحقلية ) -(Field density testsلتحديد كثافة التربة الطبيعية أو بعد دمكها للتأكد من جودة الدمك .وهشناك طرق مختلفة لجراء هذا الفحص ،مثل طريقة مخروط الرمل أو إحلل الرمل )Sand cone or ،(sand replacement methodوطريقة البالون المطاطي )Rubber
،(balloon methodوالطريقة الذرية ) .(Nuclear methodوالطريقة الولى باستخدام الرمل هي الكثر اشنتشا ًرا ،لذلك سشنعرضها بالتفصيل.
) (2فحوصات الختراق ) -(Penetration testsوتستخدم هذه الفحوصات
لغرض تحديد قدرة تحمل التربة وخصائصها .وتقسم إلى فحوصات الختراق
الستاتيكي ) ،(Static penetration testsالتي يتم خللها اختراق السطح الطبيعي للتربة بواسطة مخروط له أبعاد محددة ،ومثالها فحص المخروط، المعروف بل ) ،(Dutch cone testوفحوصات الختراق الديشناميكي ) ،(Dynamic penetration testsالتي يتم خللها كذلك اختراق التربة بواسطة جهاز أسطواشني خاص في مقدمته جامع عيشنات ) (Soil samplerبواسطة مطرقة خاصة ،ومثال هذه الفحوصات فحص الختراق القياسي )Standard
(Penetration Test- SPTواسع الشنتشار ،والذي سشنعرضه بالتفصيل. ) (3فحوصات القص ) -(Shear testsوتستخدم رغالبًا لقياس مقاومة القص
للتربة الطيشنية الشناعمة ذات الرطوبة العالية ،وأهمها فحص القص بالريشة ) .(Vane shear test
فحوصات التربة للرغراض الشنشائية
8
الباب التاسع – الفحوصات الحقلية للتربة ___________________________________________________________________
) (4فحوصات الشنفاذية ) -(Permeability testsويتم إجراء هذه الفحوصات داخل البار السبرية ) (Boreholesأو الحفر الختيارية ) (Trail pitsلقياس معامل شنفاذية التربة ) ( Coefficient of permeabilityبتركيبها الطبيعي. ويتم اللجوء إلى إجراء هذه الفحوصات ،والتي تتميز عن الفحوصات المخبرية بدقتها ،في حالة المشاريع ذات الهمية الخاصة ،حين يكون لشنفاذية التربة دور أساسي في تحديد سلوكها ،كما هو الحال في المشنشآت المائية )Hydraulic
(structuresكالسدود والقشنوات ،أو في حالة اساسات المباشني والمشنشآت الموجودة في مشناطق تتأثر بمشنسوب المياه الجوفية. ) (5فحوصات التحميل ) -(Loading testsوتستخدم هذه الفحوصات لدراسة خصائص الهبوط والقص وقدرة التحمل للتربة .ومثالها فحص قرص أو
صفيحة التحميل ) (Plate bearing testالذي يجري في الحفر الختبارية عشند مشنسوب التأسيس أو أي مشنسوب مطلوب .ويتم خلل الفحص تعريض القرص أو الصفيحة المثبتة على سطح التربة لحمل ستاتيكي )(Static load متصاعد حتى حصول الشنهيار ) (Failureأو الوصول إلى حمل معين ،مع أخذ ما يلزم من قراءات لجراء الحسابات اللزمة. وسللشنقدم ف للي ه للذا الب للاب م للن الكت للاب ،أه للم تفاص لليل الفحوصللات الحقلي للة الك للثر اتشنشا ًرا. 9.2
فحص الكثافـة الحقلية للتربـة بطريقة إحل لـ الرمـل
)(Field Density Test Using Sand-Replacement Method ) (1المراجع القياسية ):(Standard references BS 1377 ASTM D – 1556 فحوصات التربة للرغراض الشنشائية
9
-
الباب التاسع – الفحوصات الحقلية للتربة ___________________________________________________________________
AASHTO T-191.
) (2الجهزة الل زـمة ):(Equipment -1جهاز مخروط الرمل ويسموشنه مخروط الرمل ) (Sand coneالموضح في )شكل 1-9ب(. -2أدوات مشناسبة لعمل ُح فلرة في التربة ) (Digging toolsمثل الزميل والمطرقة.
-3صفيحة معدشنية ) (Plateفي وسطها فتحة دائرية وفي زواياها فتحات لتثبيتها بالرض بواسطة مسامير ،وللصفيحة جدران جاشنبية ارتفاعها 13 ملمت ًرا.
-4ميزان ).(Balance
-5وعاء معدشني ) (Metal containerلجمع التربة الشناتجة عن الحفر ،ويمكن الستعاضة عن الوعاء بكيس شنايلون. -6أدوات لتحديد محتوى الرطوبة.
-7رمل قياسي خاص ،شنظيف من الشوائب العضوية .وحسب المواصفات البريطاشنية ،فإن قياس حبيبات الرمل يجب أن يحقق شرط المرور من المشنخل ) 600ميكرون( والبقاء على المشنخل ) 300ميكرون( .وأما حسب المواصفات المريكية ،فالرمل المستعمل يمر من المشنخل رقم ) ،(20ويتبقى على المشنخل رقم ) .(30ويمكن استعمال الرمل المار من المشنخل رقم )(30 والمتبقي على المشنخل رقم ) ،(40أو المار من المشنخل ) (30والمتبقي على المشنخل ) ،(50وذلك حسب المرجع ./8/ويجب أن تكون كثافة الرمل معروفة ،حيث يمكن إيجادها في المختبر باستعمال أوعية ذات أشكال مشنتظمة دقيقة البعاد .ويتم في العادة تحديد كثافة الرمل المستعمل في هذا
فحوصات التربة للرغراض الشنشائية
10
-
الباب التاسع – الفحوصات الحقلية للتربة ___________________________________________________________________
الفحص عدة مرات ،ويكون الرمل جيدًا إذا لم تختلف أي كثافة عن المعدل
بأكثر من واحد بالمئة ).(%1 ) (3الطريقة ):(Procedure
-1يتم ملء جهاز الرمل )السطواشنة أو المخروط( بالرمل وتوزيشنه. ُ -2يسوى سطح التربة في مشنطقة الفحص جيدًا ،وتوضع عليه الصفيحة
المعدشنية ويتم تثبيتها بالمسامير ،مع مراعاة أن تكون الفتحة الدائرية في وسط الصفيحة ملصقة لسطح التربة.
-3يتم وضع علمات تحدد مكان الصفيحة المعدشنية للتأكد من بقائها ثابتة أثشناء الفحص. -4يتم عمل حفرة في التربة داخل الفتحة الدائرية وسط الصفيحة المعدشنية. وبخصوص حجم الحفرة ،فإن الجمعية المريكية للفحوصات والمواد )
(ASTMترى أن القياسات التالية ملئمة للحصول على شنتائج مرضية: حجم الحفرة
الوزن الل زـم لفحص محتوى
)سم (3
)غم(
) 4.75مشنخل رقم (4
700
100
12.50
1400
250
25.00
2100
500
50.00
2800
1000
مقاس أكبر حبيبة في التربة )ملم(
الرطوبة
إواذا كان قطر الحفرة بحدود 15سم ،شنجد أن عمق الحفرة ،في حالة
فحص مواد يتراوح قياس حبيباتها بين 50-25سم ،يتراوح بين 12-15سم. فحوصات التربة للرغراض الشنشائية
11
الباب التاسع – الفحوصات الحقلية للتربة ___________________________________________________________________
-5يتم جمع شنواتج الحفر من داخل الحفرة إلى الوعاء المخصص لذلك ،مع مراعاة عدم فقدان شيء من هذه العيشنة ،والمحافظة على محتوى الرطوبة الطبيعي فيها.
ملحظة :ل يتم جمع الحجارة التي يزيد مقاسها عن 5سم ) 2اشنش( )إن وجدت مع العيشنة( بل تبقى داخل الحفرة ،مع أشنه يفضل تغيير مشنطقة الفحص في هذه الحالة باختيار شنقطة أخرى ل تحتوي هذا المقاس من الحجارة.
-6يتللم تشنظيللف داخللل الحف لرة جيللدًا مللن حبيبللات الترب ة ،كمللا يتللم رف ع حبيبللات
التربة عن الصفيحة المعدشنية ،وهشنا يمكن استعمال فرشاة لتشنظيف الصللفيحة
من حبيبات التربة ،وبعد جمع العيشنة يتم وزشنها جيدًا.
-7يثبت جهاز الرمل )المخروط أو السطواشنة( فوق وسط الصفيحة المعدشنية مقلوبًا كما في الشكل ) ،(1-9ويفتح الصمام الخاص للسماح باشنسياب الرمل من الجهاز إلى داخل الحفرة حتى تمتلئ الخيرة ،وكذلك الجزء
المخروطي من الجهاز .عشندها يتم رغلق الصمام. -8يتم وزن الرمل المتبقي داخل الجهاز لمعرفة وزن الرمل المستعمل والذي مل الحفرة والمخروط. -9يتم تحديد محتوى الرطوبة للتربة الشناتجة من الحفرة. ) (4الحسابات ):(Calculations يمكن إيجاد الكثافة الحقلية للتربة من هذا الفحص بالمعادلة: الكثافة الحقلية )=(ρ
وزن التربة التي تم استخراجها من الحفرة )رغم( حجم الحفرة )سم (3
وأما حجم الحفرة فيساوي:
وزن الرمل الذي يمل الحفرة والمخروط )رغم( – وزن الرمل الذي يمل المخروط )رغم( فحوصات التربة للرغراض الشنشائية
12
الباب التاسع – الفحوصات الحقلية للتربة ___________________________________________________________________
كثافة الرمل )رغم/سم (3
إواذا اعتبرشنا رطوبة التربة ) (WOوكثافتها الرطبة ) ،(ρفإن الكثافة الحقلية الجافة ) (ρdيمكن إيجادها من المعادلة:
)رغم/سم
ρ 1 + Wo
(3
= ρd
أو )رغم/سم
(3
100 100 + Wo
ρd = ρ
ل لشنتائج وحسابات فحص الكثافة الحقليلة للتربة بطريقلة ويبين الشنموذج ) (1-9مثا ً مخروط الرمل.
شكل) -(1-9مخروط الرمل حسب )(ASTM D-1556
فحوصات التربة للرغراض الشنشائية
13
الباب التاسع – الفحوصات الحقلية للتربة ___________________________________________________________________
نموذج )(1-9 رقــم العينــة )) (Wرغم(
وزن التربة المستخرجة من الحفرة
)(W1
وزن الرمل داخللل السللطواشنة قبللل السللكب فللي الحفلرة
1
2
3415
3045
5000
5000
)رغم( )(W4
وزن الرمل داخللل السللطواشنة بعللد السللكب فللي الحفلرة
1017.1
1247.4
)رغم( وزن الرمل الذي يمل الجزء المخروطي من السطواشنة )) (W2رغم(
وزن الرمل الذي يمل الحفرة
1430
1430
2552.9
2322.6
1.45
1.45
)(Vb = Wb ÷ ρs
1760.6
1601.8
)) (ρ=W÷ Vbرغم/سم (3
1.94
1.90
8.5
8.3
1.79
1.75
)) (Wb=W1-W4-W2رغم( )) (ρsرغم/سم (3
كثافة الرمل حجم الحفرة الكثافة الرطبة
)(%) (m
محتوى الرطوبة 100 100 + m
الكثافة الجافة
9.3
)رغم/سم (3
ρd = ρ
فحـص الخـتـراق القيـاسـي
)(Standard Penetration Test - SPT
فحوصات التربة للرغراض الشنشائية
14
الباب التاسع – الفحوصات الحقلية للتربة ___________________________________________________________________
يعتبر هذا الفحص الحقلي ،كما سبق وأشرشنا ،أحللد فحوصات الخللتراق الديشناميكيللة للتربة .ويتم إجراء هذا الفحص في العادة داخل البار السبرية ) (Boreholesأثشناء تحري ات الموقلع ) ،(Site investigationوعلللى أعمللاق مختلفللة لتحديللد خصللائص التربة وقدرة تحملها. ) (1المراجع القياسية ):(Standard references BS 1377 ASTM D – 1586.
) (2الجهزة الل زـمة ):(Equipment .1جهاز حفر ) (Drilling rigوتستعمل عادة شنفس الحّفارة التي تقوم بالحفر أثشناء تحريات الموقع والتي تكون مجهزة لهذا الغرض.
.2جامع عيشنات أسطواشني ) ،(Split-barrel samplerويسمى كذلك )Split
،(spoonوأما أبعاده فموضحة في الشكل ).(2-9
.3مواسير حفر ) ،(Drilling rodsوهذه تدخل ضمن تجهيزات الحفارة. .4مطرقة خاصة ) (Hammerوزشنها حوالي 65كيلو رغرامًا. .5أوعية محكمة الرغلق ).(Airtight containers
فحوصات التربة للرغراض الشنشائية
15
-
الباب التاسع – الفحوصات الحقلية للتربة ___________________________________________________________________
شكل ) (2-9جامع العيشنات السطواشني في فحص الختراق القياسي
) (3الطريقة ):(Procedure بعد تثبيت جامع العيشنات السطواشني في شنهاية الماسورة الخاصة وجعله ملمسًا
لسطح الطبقة التي ُيراد فحصها ،يتم التأثير بواسطة المطرقة المثبتة على آلة
الحفر لحداث اختراق للتربة مقداره 45سشنتمت ًرا ،ويؤخذ في العادة عدد ضربات
المطرقة الذي لزم لختراق آخر 30سشنتمت ًرا ،ويدعى هذا الرقم برقم الختراق
القياسي ) (Standard penetration numberويرمز له بالحرف ) .(Nويجري عّد الضربات حتى بلورغها الخمسين ضربة .إواذا كان الختراق اللزم لم يحصل ررغم
هذا العدد من الضربات ،يتم تسجيل مقدار الختراق الذي حصل مع الشارة إلى بلوغ الضربات خمسين ضربة. بعد الشنتهاء من عملية الختراق ،يتم رفع خط الحفر )المواسير( وفك جامع العيشنات لستخراج العيشنة من داخله ،ورغالبًا ما تكون العيشنة رغير سليمة التركيب،
لكشنها كافية لعطاء فكرة عن شنوعية التربة ،ويمكن الستفادة مشنها لفحص محتوى الرطوبة الطبيعي للتربة. وتجدر الشارة هشنا ،إلى أشنه وفي حالة التربة الحصوية ) (Gravelly soilيتم ل عن استخدام جزء مخروطي زاوية رأسه 60درجة في عملية اختراق التربة بد ً جامع العيشنات ،دون اختلف يذكر في طريقة الفحص. ) (4الفائدة العملية ):(Application يتم الستفادة من رقم الختراق القياسي )عدد الضربات (Nلعدة أرغراض عملية أهمها:
فحوصات التربة للرغراض الشنشائية
16
الباب التاسع – الفحوصات الحقلية للتربة ___________________________________________________________________
.1تحديد الكثافة الشنسبية للتربة ) – (Relative densityويبين الجدول )(1-9 أدشناه العلقة بين عدد الضربات ) (Nوالكثافة الشنسبية للتربة الرملية حسب ترزاجي وبيك):/Terzaghi& Peck) /17
جدول )(1-9 الكثافة النسبية
عدد الضربات
)density
)(N
أقل من 4
مفككة جدًا
10-30
متوسطة الكثافة
4-10
)(Very loose
مفككة
30-50
)(loose
كثيفة
أكثر من 50
(Relative
)(Medium dense )(Dense )(Very dense
كثيفة جدًا
.2تحديد قوام التربة ) (Consistencyومقاومة الضغط اللمحصور)
(Unconfied strengthللتربة الطيشنية التركيب ،كما هو موضح في الجدول
) (2-9أدشناه ،والقيم الواردة في الجدول تقريبية لكشنها ذات فائدة عملية كبيرة ./17/ جدول )(2-9 عدد الضربات
قوام التربة
)(N
)(Consistency
أقل من 2
طري جدًا
4-8
متوسط
2-4
طري
8-15
صلب
15-30
صلب جدًا
أكبر من 30
مقاومة الضغط اللمحصور)كيلونيوتن/م (2
فحوصات التربة للرغراض الشنشائية
قاسي
)(Unconfined compressive strength
)(Very Soft
أقل من 25
)(Soft
25-50
)(Medium
50-100
)(Stiff
100-200
)(Very stiff
200-400
)(hard
أكبر من 400
17
الباب التاسع – الفحوصات الحقلية للتربة ___________________________________________________________________
.3تحديد قدرة تحمل التربة )-(Bearing capacityحيث توصل ترازجي وبيك إلى تلخيص تجربتهما في مشنحشنى خاص لتحديد قدرة التحمل المسموح بها ) (Allowed bearing capacityحسب عدد الضربات في فحص الختراق القياسي ) (SPTولمقاسات مختلفة من الساسات ،على افتراض أن مشنسوب المياه الجوفية ) (Water tableيقع على مسافة ل تقل عن عرض الساس ) (Bمن مشنسوب التأسيس .وتكون قيم قدرة التحمل قريبة جدًا إلى الواقع في حالة التربة الرملية.
.4تحديد قيمة زاوية الحتكاك الداخلي ) (φللتربة -ولهذا الغرض يمكن
استعمال المشنحشنى الموضح في الشكل ) (4-9من المرجع ،/3/والذي
يعطي قيمًا تقريبية للزاوية ) .(φ ملحظة هامة :من الضروري قبل استعمال قيم ) (Nالشناتجة من فحص الختراق القياسي ) ،(SPTإجراء تعديل أو تصحيح لهذه القيم ،يأخذ في العتبار قيمة ضغط تربة التغطية ) .( Overburden pressureويرى بعض الباحثين مثل جيبس وهولتز )& Gibbes /Holtz) /5أن شنتائج فحص الختراق القياسي تقلل إلى حد كبير من درجة الكثافة الشنسبية للتربة ) (Relative densityرغير المتماسكة عشند العماق القريبة .ولهذا يقترح هذان الباحثان إجراء تعديل لقيم ) (Nحسب المشنحشنى المبين في الشكل ) ،(5-9وبيشنما يقترح ثوربيرن ) (Thorburnإجراء هذا التعديل حسب المشنحشنى المبّينل بشكل مشنقط على شنفس الشكل) .(5-9وكما هو موضح من المشنحشنيين ،فإن تعديل قيم ) (Nباستخدام مشنحشنى
ثوربيرن يعطي قيمًا أقل ،ولهذا يفضل الكثير من المهشندسين إجراء تعديل قيم ) (Nحسب هذا المشنحشنى.
فحوصات التربة للرغراض الشنشائية
18
الباب التاسع – الفحوصات الحقلية للتربة ___________________________________________________________________
شكل ) -(3-9مشنحشنى تحديد قدرة تحمل التربة الرملية حسب رقم الختراق ).(N فحوصات التربة للرغراض الشنشائية
19
الباب التاسع – الفحوصات الحقلية للتربة ___________________________________________________________________
شكل ) (4-9العلقة بين زاوية الحتكاك الداخلي ) (φللتربة الرملية وعدد الضربات )(N
شكل ) -(5-9تعديل قيم الختراق ) (Nالشناتجة من فحص الختراق القياسي حسب جبس وهولتز )مشنحشنى (1وثوربيرن )مشنحشنى .(2
9.4 فحوصات التربة للرغراض الشنشائية
فحـص القـص بالريـشـة 20
الباب التاسع – الفحوصات الحقلية للتربة ___________________________________________________________________
)(Vane Shear Test ُيللجأ لهذا الفحص الحقلي السريع لقياس مقاومة القص ) (Shear strengthللتربة
الطيشنية ذات القوام الطري ) ،(Softول يمكن العتداد بشنتائجه للشكال الخرى من التربة ،وكذلك عشندما يكون الطين محتويًا على رمل ) (Sandأو طمي ).(Silt
ولهذا السبب ،فهذا الفحص محدود الستعمال ورغير مشنتشر في بلدشنا العربية،
بيشنما هو مشنتشر أكثر في أوروبا )خصوصًا في بريطاشنيا والدول السكشندشنافية( والوليات المتحدة المريكية .وسشنعرض فيما يلي فكرة هذا الفحص وحسابات
شنتائجه باختصار. ) (1المراجع القياسية ):(Standard references BS 1377 ASTM D – 2573 AASHTO T-223
) (2الجهزة الل زـمة ):(Equipment .1ريشة ذات أربعة ألواح )شفرات( من فولذ ل يصدأ )شكل .(6-9 .2ذراع مقاوم للشد ) (High tensile rodفي شنهايته مقبض مزود بمقياس مدرج لقياس عزم الدوران ).(Torque
) (3الطريقـة ):(Procedure -1يتم رغرز الريشة والذراع في الطين تحت مشنسوب الحفر في البئر السبرية ) (Boreholeإلى عمق ُيساوي ثلثة أضعاف قطر البئر على
فحوصات التربة للرغراض الشنشائية
21
-
الباب التاسع – الفحوصات الحقلية للتربة ___________________________________________________________________
شكل ) – (6-9أجزاء الريشة المستخدمة لفحص القص في التربة
القل ،أو عشند السطح إذا كان قياس مقاومة القص مطلوبًا لتربة السطح.
-2يتم بعدها تدوير الريشة بواسطة المقبض المثبت في أعلى الذراع وباستعمال عزم الدوران ) (Torqueحتى يحصل اشنهيار الطين تحت تأثير دوران الريشة .ويجب مراعاة أن تكون سرعة الدوران بحدود 12-6 درجة في الدقيقة. ) (4الحسابات ): (Calculations يتم حساب مقاومة التربة للقص من المعادلة التالية:
حيث :
d 2h d3 ) + 2 6
(T = πc
- Tعزم الدوران عشند الشنهيار. -Cقوة تماسك حبيبات التربة ).(Cohesion -dالعرض الكلي للريشة )أشنظر الشكل .(6-9 فحوصات التربة للرغراض الشنشائية
22
الباب التاسع – الفحوصات الحقلية للتربة ___________________________________________________________________
-hطول الريشة. مثــال :إذا كان عزم الدوران الذي لزم أثشناء فحص القص بالريشة مساويًا 185شنيوتن متر .أحسب قيمة مقاومة القص ) (cإذا علمت أن الريشة
المستعملة في الفحص كاشنت ذات عرض مساو 100ملمتر وطولها 150 ملمت ًرا. الحـل :باستعمال المعادلة أعله مع القيم T = 185 Nm = 1.85 × 10-1 KN.m d = 100 mm = 10-1 m h = 150 mm = 1.5× 10-1 m (10 −1 ) 2 x1.5x10 −1 (10 −1 ) 3 + ] 2 6
[1.85x10 −1 = πc
شنجد أن : c = 64 KN/m².
فحوصات التربة للرغراض الشنشائية
23
الباب التاسع – الفحوصات الحقلية للتربة ___________________________________________________________________
فحوصات التربة للرغراض الشنشائية
24