تحريات جيوتقنيه

Geotechnical investigation -

 التحريات الجيوتقنية

التحريات الجيوتقنية

عدد السبور وأعماقها

العينات وطرائق أخذها

طرائق أخذ العينات

التجارب الحقلية

التحريات الجيوتقنية geotechnical investigations هي جميع الأعمال المتعلقة باستكشاف التربة في منطقة ما وتحديد سماكة طبقاتها والحصول على أكبر قدر من المعلومات بأقل تكلفة، وتحليل هذه المعلومات لتحديد خصائص التربة الفيزيائية والميكانيكية، والتنبؤ بسلوكها تحت تأثير الأحمال. تقدر كلفة التحريات بـ 0.1% إلى 0.5% من الكلفة الكلية للمشروع، وقد تصل في بعض الحالات الخاصة إلى 1% .

إن التحريات الجيوتقنية برنامج متكامل لدراسة طبقات التربة في منطقة ما، يبدأ البرنامج بجمع المعلومات الأولية عن الموقع والمنشأ، وينتهي بإعداد تقرير مفصل يوضح خصائص طبقات التربة وسماكتها واختيار الطبقة المناسبة للتأسيس بحسب طبيعة المنشأ؛ مروراً بمجموعة من التجارب الحقلية والمخبرية على عينات مختلفة من تربة الموقع، إضافة إلى تحديد منسوب المياه الجوفية. وتهدف التحريات الجيوتقنية إلى الحصول على البيانات الآتية:

- تحديد طبقات التربة وسماكتها وخصائص كل طبقة.

- تحديد منسوب المياه الجوفية ومدى تأثيره في المنشأ المقترح.

- الكشف عن المشاكل الجيولوجية مثل المنحدرات غير المستقرة والفوالق.

- تحديد منسوب التأسيس ونوع الأساسات الممكنة.

- تحديد مشاكل التربة في الموقع من قبيل قابليتها للانتفاخ أو الانهيار.

- جمع المعلومات اللازمة لحساب قدرة تحمل التربة وحساب الهبوط المتوقع.

يجري استكشاف التربة وتحريها وفق الخطوات الآتية:

1- جمع المعلومات الأولية: تشتمل هذه الخطوة على تجميع كل البيانات والمعلومات الخاصة بالمنشأ المزمع تنفيذه في الموقع، وتحديد عدد الأدوار ودراسة المجازات بين الأعمدة وتقدير أحمال الأعمدة ووظيفة المنشأ واستخداماته. وفي حال الجسور يلزم تحديد طول الفتحات وقيم الأحمال المنقولة إلى الركائز.

يتطلب الحصول على المعلومات الخاصة بالموقع المفترض الاستفادة من مصادر عدة، أهمها: الخرائط الجيولوجية للموقع، والخرائط الطبوغرافية والجيولوجية للمنطقة، ويمكن الحصول عليها من الجهات المختصة. ويجب الاطلاع على أنظمة البناء المستخدمة والاشتراطات الخاصة بالوسط المحيط.

2- استطلاع الموقع: تجري زيارة الموقع ميدانياً ومعاينته للتعرف إلى طبوغرافيته العامة ودراسة خطوط التغذية بالماء والكهرباء، ومجاري تصريف الماء المحتملة وأماكن رمي الأنقاض والنفايات وأي مواد أخرى موجودة في الموقع؛ وتحديد العلامات والدلائل التي تشير إلى انزلاق المنحدرات وأعماق التشققات الأرضية والمؤشرات التي تدل على مشاكل التربة، والتعرف إلى طبقات التربة من خلال بعض المقاطع في التربة لمشاريع هندسية منفذة بجوار الموقع كالطرق وخطوط السكك الحديدية وغيرها. ويجب الاطلاع على نوع المزروعات في الموقع التي تدل أحياناً على طبيعة التربة ونوعها. وكذلك يجري الكشف على المباني القريبة في الموقع وملاحظة أي تشققات، وتحديد منسوب المياه الجوفية من خلال الآبار المفتوحة في الموقع.

ويمكن الاستفادة من تقارير ميكانيك التربة والتحريات الجيوتقنية المعدة للمباني والمنشآت الهندسية المنفذة قرب الموقع.

3- عمليات السبر: الأسبار (السبور) حفر على شكل ثقوب أو آبار تنفذ يدوياً أو بمعدات ميكانيكية للوصول إلى العمق المطلوب. والغرض منها الكشف عن التربة وتبدلاتها مع العمق، وتؤخذ عينات من التربة في أثناء تنفيذ السبور على أعماق مختلفة لدراستها. ويمكن استخدام الحفر المكشوفة أو المثقب اليدوي في التحريات الجيوتقنية السطحية التي لا يتجاوز عمقها 6م (الشكل1)؛ ولا سيما في التربة التي لا تحتاج إلى قمصان تغليف لمنعها من الانهيار.

الشكل (1) المثقب اليدوي.

تُنفَّذ السبور عموماً باستخدام معدات ميكانيكية خاصة (الشكل 2) حيث ينفذ الحفر بطرائق عديدة، منها: الحفر بالمثقب الآلي الذي يزود عادة بقواطع حادة في نهايته، تساعد على تكسير الحجارة والصخر، وقد يكون المثقب مسنناً على كامل الطول (الشكل 3). ويمكن أن يجري الحفر بالطَّرق أو الحفر بنفث الماء إضافة إلى الحفر الدوراني الذي يعتمد على قواطع حادة تُدفع في التربة مع الدوران وضخ الماء لتفتيتها والتخلص من مخلفات الحفر (الشكل 4)، وهذه الطريقة صالحة للحفر في الطبقات الصخرية بعد وصل الأسطوانة الخاصة بأخذ العينات الصخرية core barrel؛ حيث تزود برؤوس قاطعة من الألماس أو الكربيد. والغاية من الحفر في الصخر التعرف إلى قساوته واستكشاف التشققات فيه وتباعدها حيث يمكن أن تشكل سطوح انزلاق تؤدي إلى الانهيار.

الشكل (2) من آلات السبور.

الشكل (3) المثقب المسنن على كامل الطول.

الشكل (4) الحفر الدوراني مع ضخ الماء.

يصنف الصخر اعتماداً على دليل جودة الصخر Rock-Quality Designation (RQD) (الجدول 1)، حيث يُعدّ الصخر جيداً إذا كان دليل جودته أكبر من 70%. ويُحسَب دليل جودة الصخر من العلاقة (1) التالية:

(1) %RQO=	مجموع أطوال القطع السليمة التي طول كل منها >  100 مم	×100
	طول اللب المدفوع في الصخر

الجدول (1) دليل جودة الصخر

RQD% الصخر 0-25 سيئ جداً 25-50 سيئ 50- 75 متوسط 75 -90 جيد 90 -100 ممتاز

عدد السبور وأعماقها

ليس ثمة معايير واضحة ودقيقة لتحديد عدد السبور المطلوبة لمشروع ما وأعماقها، لكن يمكن الاعتماد على المراجع الخاصة لتحديد العدد والعمق تحديداً أولياً. ويجري اختيار عدد السبور والمسافات بينها بحيث تصبح الصورة واضحة وجلية لتوضع طبقات التربة، وعليه يمكن زيادتها بحسب تغير درجة انتظام الطبقات التحتية.

لتحديد العمق الأدنى يمكن اعتماد القواعد الواردة في الهيئة الأمريكية للهندسة المدنية لعام 1972م والتي يمكن تلخيصها كما يلي ( الشكل 5):

الشكل (5) تحديد العمق الأدنى للسبور

- تحديد قيمة الإجهادات الفعالة الصافية الناجمة عن أحمال الأساس مع العمق .

- إيجاد تغير الإجهادات الفعالة الناجمة عن الوزن الذاتي مع العمق .

- تحديد العمق الموافق لـ .

- تحديد العمق بحيث يكون

- يُعدّ العمق الأدنى المطلوب أصغر القيمتين و .

يحدد عدد السبور لتغطية مساحة البناء على نحو كامل بحيث لا يزيد التباعد بينها على 15م ولا يقل عدد السبور عن 3 بشرط ألا تقع على استقامة واحدة. كما أن عمق السبر يجب ألا يقل عن ضعف عرض أكبر الأساسات المنفردة أو المستمرة أو عن عرض الحصيرة بدءاً من منسوب التأسيس.

يمكن الاعتماد على معطيات سوورز Sowers لعام 1970 في تحديد أعماق السبور، وذلك كالتالي:

يقدر العمق التقريبي للمباني التي عرض واجهتها 30م بحسب عدد الطوابق كما يلي (الجدول2):

الجدول (2)

عمق السبر (م) عدد الطوابق 3.5 1 6 2 10 3 16 4 24 5

- يحدد عمق السبر تحت المباني المعدنية الخفيفة والمباني الخرسانية الضيقة من العلاقة (2):

- يحدد عمق السبر تحت المباني المعدنية الثقيلة والمباني الخرسانية العريضة من العلاقة (3):

حيث: عمق السبر؛ ويقدر بالمتر، عدد الطوابق في المبنى.

عندما يصل توزع أحمال الأساسات إلى الطبقات الصخرية؛ يجب الحفر وإجراء سبور إلى عمق 3م ضمن الطبقات الصخرية للتأكد من سلامتها.

كما يمكن اعتماد القيم الواردة في الجدول (3) في تحديد الأبعاد بين السبور.

الجدول (3) اختيار المسافة بين السبور.

المسافة بين السبور (م) المشروع 30-10 مبنى متعدد الطوابق 60-20 مبنى صناعي من طابق واحد 500-250 طرق 500-250 وحدات سكنية 80-40 سدود

ب- العينات وطرائق أخذها:

إن الغرض من تنفيذ السبور هو الحصول على عينات تساعد في تحديد خصائص التربة، وتستخرج من أعماق متتالية لا تزيد على 1.5م فيما بينها أو عند حدوث تغير في الطبقات. ويُعدّ أخذ العينات من أهم المراحل في تحريات التربة، فيجب أن تمثل العينات المستخرجة طبيعة التربة وشروط توضعها. لذلك يجب توخي الدقة في طريقة أخذها وشروط حفظها وإيصالها إلى المخبر؛ وترقيمها مع وضع الدلائل المناسبة التي تشير إلى أماكن الحصول عليها وعمقها (الشكل 6). ويميز نوعان من العينات المستخرجة:

الشكل (6) عينات تربة.

• عينات غير سليمة disturbed samples يستفاد منها في تحديد التجارب التالية: التحليل الحبيبي، تحديد حدود أتربرغ Atterberg (حد السيولة وحد اللدونة)، تحديد الوزن النوعي specific gravity، تحديد محتوى المواد العضوية (التحليل الكيميائي للتربة)؛ إضافة إلى تصنيف التربة.
• عينات سليمة undisturbed samples لها خصائص التربة نفسها في الموقع، وتحتاج هذه العينات إلى عناية خاصة لإيصالها إلى المخبر بأقصى سرعة ممكنة، ويجب عزلها، فتغلف بالشمع حتى لا تفقد شيئاً من الرطوبة، وتحفظ بعيداً عن مصادر الحرارة والاهتزاز حتى لا يحدث أي تغيير في خصائص التربة. وتستخدم لتحديد الخواص الميكانيكية التالية: الانضغاطية والانضغاط مع الزمن ومعامل النفاذية في التربة، ومقاومة القص.

  ج- طرائق أخذ العينات

  - يمكن استخدام الملعقة النظامية الشكل (7) للحصول على عينات سليمة؛ حيث تُنزع أدوات الحفر، وتوصل الملعقة، ثم تُدفع في التربة. وهي أكثر الطرائق استخداماً؛ لأن الأنبوب قابل للفصل طولياً؛ مما يسهل استخراج العينة.

  الشكل (7) الملعقة النظامية.

  - أنابيب شيلبي Shelby tubes لأخذ العينات (الشكل 8): وهي أنابيب رقيقة الجدران بقطر خارجي ما بين 50.8 و 76.2 مم، نهاية الأنبوب حادة عند القاع. تستخدم أنابيب شيلبي للحصول على عينات سليمة من التربة الغضارية؛ حيث توصل بقضيب الحفر، وتنزل إلى قاع الحفر، ثم تدفع في التربة للحصول على العينة السليمة، ثم تسحب الأسطوانة، ويحكم إغلاقها من الجانبين، وترسل مع العينة إلى المخبر.

  الشكل (8) أنبوب شيلبي. عينات غير سليمة . عينات سليمة.

  - السطل المشطور scraper bucket (الشكل 9): عندما تكوّن طبقات التربة خليطاً من الرمل والحصى فمن غير الممكن الحصول على عينات بالملعقة النظامية، لذا يستخدم السطل الدوار (المشطور)، للحصول على عينات غير سليمة، حيث يدفع في التربة إلى العمق المطلوب، ثم يدوَّر؛ ليقطع التربة وتسقط داخل السطل.

  الشكل (9) السطل المشطور.

  - مكبس أخذ العينات: يستخدم المكبس للحصول على عينات سليمة من التربة الطرية جداً أو عينات بقطر أكبر من 76 مم التي لا يمكن الحصول عليها بالطرائق الأخرى بسبب تعرضها للسقوط من الأسطوانة. يتكون الجهاز من أنبوب جداره رقيق مزود بمكبس (الشكل 10). بدايةً يعلق الأنبوب بالمكبس، وينزل إلى قاع السبر، ثم يدفع الأنبوب في التربة بالضغط الهدروليكي؛ ليقطع التربة. يسحب الأنبوب مع المحافظة على الضغط لمنع العينة من السقوط. تكون العينات التي يُحصل عليها بهذه الطريقة سليمة على نحو أفضل من العينات المستخرجة بأنبوب شيِلبي.

  الشكل (10) مكبس أخذ العينات.

  - تستخرج عينات الصخر بوساطة أسطوانات خاصة مزودة برؤوس حفر من الألماس أو الكربيد، وتسمى أسطوانة العينة core barrels (الشكل 11).

  الشكل (11) عينات صخرية.

  التجارب الحقلية

  تُجرى هذه التجارب الحقلية بالتوازي مع عمل السبور لتحديد خصائص التربة عند عمق معيّن بحسب الحاجة، ومقارنتها بالنتائج المتحصل عليها في المخبر لعينات مأخوذة من العمق نفسه؛ أهمها:

  1- اختبار الاختراق النظامي Standard Penetration Test (SPT) :

  وهو من أكثر التجارب الحقلية انتشاراً حيث تستخدم أسطوانة نظامية طولها 450 مم، وقطرها الداخلي 34.93مم والخارجي 50.8مم، (الشكل12). عند الوصول إلى العمق المطلوب في أثناء عمل السبور لإجراء الاختبار؛ تُنزع أدوات الحفر، وتُربط الأسطوانة، وتُنزل إلى القاع، ثم تدق في التربة بوزن نظامي قدره 622.2 نيوتن يُسقط سقوطاً حراً من مسافة 0.762م. يُقسم طول الأسطوانة إلى ثلاثة مجالات كل منها 150مم، يسجل عدد الضربات اللازمة لاختراق هذه المجالات الثلاثة. ويوقف الاختبار إذا وصل عدد الضربات إلى 50 لاختراق أي من المجالات، أو عندما تُنفذ 10 ضربات من دون أي تقدم في التربة.

  الشكل (12) الملعقة النظامية لأخذ العينات.

  يسمى عدد الضربات اللازمة لاختراق المجالين الأخيرين من الأسطوانة عدد الاختراق النظامي N.

  يجب الانتباه إلى أن هناك مجموعة من العوامل تؤثر في هذه القيمة، هي: فعالية المطرقة المستخدمة وقطر السبر وطريقة أخذ العينة؛ إضافة إلى قطر القضيب المستخدم، ويبين الجدول (4) قيم هذه المعاملات.

  الجدول (4) قيم معاملات التصحيح.

  معامل تصحيح فعالية المطرقة ملحقات المطرقة نوع المطرقة الدولة 78 سقوط حر Donut اليابان 67 حبل وبكرة Donut 60 حبل وبكرة Safety الولايات المتحدة 45 حبل وبكرة Donut 45 حبل وبكرة Donut الأرجنتين 60 سقوط حر Donut الصين 50 حبل وبكرة Donut معامل تصحيح العمق معامل تصحيح القطر طول القضيب (م) القطر (مم) 1 أكبر من 10 1 120-60 0.95 10-6 1.05 150 0.85 6-4 1.15 200 0.75 4-0

  إن فعالية المطرقة هي نسبة طاقة المطرقة الفعلية المطبقة على العينة إلى طاقة المطرقة النظرية التي تراوح بين 30% و90%. تؤخذ بمقدار 60%، وعليه يُحصل على من العلاقة (4):

  حيث: رقم الاختراق النظامي مصحّحاً بما يتوافق مع شروط الاختبار حقلياً.

  عدد الضربات المسجل في أثناء الاختبار.

  معامل تصحيح فعالية المطرقة، معامل تصحيح قطر السبر.

  معامل تصحيح طريقة أخذ العينة، معامل تصحيح طول القضيب.

  معامل تصحيح الإجهادات الفعالة، يحدد من علاقة ليو- ويتمان Lio - Whitman كما يلي (العلاقة 5):

  حيث: الإجهادات الفعالة الناجمة عن الوزن الذاتي للتربة عند العمق المدروس.

  خصائص التربة اعتماداً على تجربة الاختراق النظامي:

  حدد ميرهوف Meyerhof عام 1957 العلاقة بين الكثافة النسبية وعدد الضربات كما في المعادلة (6):

  حيث: الضغط الجوي، ويساوي تقريباً 100 كيلوباسكال.

  الإجهادات الفعالة الناجمة عن الوزن الذاتي.

  وأعطى كوبرينوفسكي وإيشيهارا Cubrinovski and Ishihara عام 1999 العلاقة بين الكثافة النسبية وعدد الضربات على النحو التالي (العلاقة7):

  حيث: الضغط الجوي، ويساوي 100 كيلوباسكال، القطر الموافق للنسبة المئوية المارة 50 %، الإجهادات الفعالة الناجمة عن الوزن الذاتي. كما حُددت زاوية الاحتكاك الداخلي للتربة تقريباً اعتماداً على وفق الأمريكيين كولهوي Kulhawy وميين Mayne عام 1990 بالعلاقة (8):

  2- اختبار اختراق المخروط Cone Penetration Test :(CPT)

  تُجرى هذه التجربة وفقاً للمواصفة التي وضعتها الجمعية الأمريكية للاختبارات والمواد American Society for Testing and Materials (ASTM) D 3441، حيث يُنفذ الاختبار بدفع مخروط نظامي في التربة زاوية رأسه 60° بمعدل 10–20 مم/ثانية، (الشكل 13). تُسجل مقاومة الارتكاز، ومقاومة الاحتكاك، كما تسجل بيانات العمق لكل قيمة؛ إضافة إلى تسجيل الضغط المسامي. بمعرفة مقاومة الاحتكاك والارتكاز يمكن تحديد خصائص التربة المطلوبة. الاختبار سهل التنفيذ في التربة الغضارية الطرية وصعب الاستخدام في التربة الغضارية القاسية أو المكونة من بحص.

  الشكل (13) الأنواع المستخدمة في تجربة المخروط النظامي.

  3- اختبار القص بالمروحة vane shear test

  تستخدم هذه التجربة لتحديد مقاومة القص في التربة الغضارية الطرية؛ ولاسيما المشبعة بالماء، حيث تدفع ريش المروحة (الشكل 14) في التربة، ثم يطبق عليها عزم فتل T يؤدي إلى قص التربة. يفترض توزع قوة القص توزعاً منتظماً على نهاية أسطوانة التربة التي تشكلت من دوران المروحة وحول محيطها. وتحدد قيمة تماسك التربة من دون تصريف بدلالة عزم الفتل T من العلاقة (9):

  الشكل (14) شكل المروحة ( Bowles, 1996).

  حيث: H ارتفاع المروحة، وD قطر المروحة

  4- اختبار تحميل الصفائح plate bearing test

  يستخدم في هذا الاختبار صفائح معدنية مستديرة أو مربعة أقطارها 300، أو450، أو600، أو 750مم. يُطبق حمل بوساطة رافعة ميكانيكية أو هدروليكية (الشكل 15)، ثم يسجل الهبوط الموافق للحمل المطبق من خلال مؤشرات لا يقل عددها عن ثلاثة. وترسم العلاقة بين الهبوط والإجهاد المطبق لتحديد تحمل التربة.

  الشكل (15) تجربة تحميل صفيحة.

  5- الاختبارات المخبرية

   يبين الجدول (5) أهم التجارب المخبرية التي تُجرى على العينات وفقاً للمواصفات ASTM:

  الجدول (5) أهم الاختبارات المخبرية

  الاختبار Test Test Designation رقم المواصفة بحسب ASTM تحديد نسبة الرطوبة Water content ASTM D 2216 الوزن النوعي Specific gravity ASTM D 854 التحليل باستخدام المناخل Sieve analysis ASTM D 422 حدود أتربرغ Atterberg Limits ASTM D 4318 تجربة الرص أو الدمك Compaction test ASTM D 698 تجربة الانضغاط مع الزمن Consolidation test ASTM D 2435 تجربة القص المباشر Direct Shear test ASTM D 3080 تجربة الضغط الثلاثي المحاور Triaxial shear test ASTM D 2850 تجارب النفاذية ذات الضغط الثابت والمتغير Permeability constant and falling Head tests ASTM D 2434

  سجل مقطع شاقولي في التربة

  يُعدّ لكل سبر استمارة بيانات تتضمن اسم المشروع ومكان تنفيذه؛ إضافة إلى رقم السبر مع توضيح للمقطع الشاقولي في التربة مبيناً عليه طبقات التربة وسماكة كل طبقة. كما تُسجل البيانات والنتائج الناتجة من التجارب المخبرية والحقلية، ويبين الشكل (16) مثالاً على ذلك.

  الشكل (16) سجل مقطع شاقولي نموذجي في التربة مع البيانات المطلوبة.

  عبد المنان عرابي

  مراجع للاستزادة: - M. Cubrinovski, K. Ishihara, Empirical Correlations between SPT N-Values and Relative Density for Sandy Soils, Soils and Foundations, 1999. - B. M. Das, Principles of Foundation Engineering, CENGAGE Learning, 2012. - R. L. Handy, Foundation Engineering: Geotechnical Principles and Practical Applications, McGraw-Hill Education, 2020. -F. H. Kulhawy, P. W. Mayne, Manual on Estimating Soil Properties for Foundation Design, Electric Power Research Institute, Palo Alto, California, 1990. - Cheng Liu, J. B. Evett, Soils and Foundations, Pearson Prentice - Hall, 2008

---

- التصنيف : العلوم الهندسية وتقاناتها - النوع : العلوم الهندسية وتقاناتها - المجلد : المجلد السادس مشاركة :