روشهای نمونه برداری
با نمونه برداری از خاک میتوان خصوصیات خاک در نقاط مختلف را ارزیابی نمود.
نمونههای دست نخوره
در این نمونههای تمامی ذرات خاک محلی با نسبتهای واقعی در نمونه حضور داشته و میزان تخلخل، رطوبت، مقاومت مکانیکی، ساختار و سایر مشخصات موثر در نتایج آزمایشگاهی نمونه عیناً نظیر توده صحرایی است.
نمونههای دست خورده
در این نمونهها، تمامی دانههای موجود در توده صحرایی با نسبتهای واقعی در نمونه حضور دارند ولی از لحاظ تخلخل، حفظ ساختار صحرایی، میزان رطوبت نمونه و موارد مشابه تغییراتی در نمونه به وجود آمده است. از نمونههای دست خورده میتوان برای انجام آزمایشهای زیر استفاده نمود. آزمایشهای دانه بندی، تعیین حدود روانی و خمیری و درصد رطوبت، چگالی دانهها، تعیین میزان مواد آلی، طبقه بندی خاک. از نمونههای دست خورده نمیتوان برای انجام آزمایشهای تحکیم یا مقاومت برشی استفاده کرد.
اندازه گیری خصوصیات مهندسی همانند مقاومت، سختی، تراکم پذیری یا نفوذپذیری میتوان به میزان زیادی بر دست خوردگی نمونه تاثیر بگذارد ولی زمان و هزینه با کاهش دست خوردگی نمونه به سرعت افزایش مییابند. بنابراین در بعضی مواقع ترجیح داده میشود که برای انجام عملیات اکتشافی اولیه، نمونههای با کیفیت و هزینه کمتر اخذ شود. بر مبنای اطلاعات به دست آمده از چنین نمونههایی با کیفیت پایین، لزوم انجام نمونه گیریهای دقیقتر را میتوان بررسی نمود.
نمونههای دست خورده از میزان دست خوردگی متفاوتی برخوردار هستند. در این میان دست خوردهترین نمونهها که در واقع کم ارزشترین نمونهها نیز هستند. نمونههای اخذ شده از خرده ریزههای حفاری به روش دورانی با سرمته توپر و یا روش قدیمی شستشویی است.
این نمونهها که به نمونه شسته شده معروف هستند حتی برای دانه بندی مکانیکی نیز مناسب نیستند، و صرفاً به استناد قضاوت مهندسین ناظر مجرب میتوان از آنها برای شناسایی کلی جنس و ساختار لایههای زیر سطحی استفاده کرد.
عوامل دست خوردگی
دست خوردگیهای ناشی از نوع و مشخصات نمونه گیر
به طور کلی نمونه گیرهای تیوبی دارای بدنه لولهای شکل هستند که با ورود به زمین نمونه خاک را به صورت یک مغزه در درون خود جای میدهد. چهار خصوصیت زیر اصلیترین عوامل موثر دست خوردگی معرفی شده است.
- نسبت مساحت نمونه گیر
- زاویه تیزی نوک نمونه گیر
- صافی جدا رنمونه گیر
- نسبت طول به قطر نمونه گیر در میان موارد فوق
نسبت مساحت مهمترین شاخصی است که تعریف شده است. هر چند این نسبت کمتر باشد نمونه دست نخورده، تر، ولی نمونه گیر، تردتر و شکنندهتر است. بعضی مراجع معیار ۱۰ درصد تا ۳۰ درصد را برای این نسبت پیشنهاد داده اند.
زاویه تیزی نوک نمونه گیر
به منظور کاهش نسبت مساحت و افزایش قابلیت نفوذ نمونه گیر در زمین، لبههای آن را زاویه دارد میسازند. برای نمونه گیری از خاکهای ریز دانه حداکثر زاویه پخی را ۶۰ درجه (چون با بیشتر احتمال شکسته شدن لبه نمونه گیر وجود دارد) و حداکثر ضخامت لبه را ۳ میلیمتر و در خاکهای دانهای ضخامت لبه را ۱۰٪ اندازه دانههای خاک در نظر میگیرد.
اگر جدار داخلی نمونه گیر ناصاف و کثیف باشد در حین نمونه گیری اصطکاک و چسبندگی جداره تراکم اندکی در نمونه به وجود میآورد برای کاهش دست خوردگی مذکور جدار داخلی نمونه گیر باید به طور مرتب پرداخت شود.
دست خوردگیهای ناشی از روش وارد کردن نمونه گیر در خاک
روشهایی که نمونه گیر را به صورت ضربهای و در اثر اعمال ضربات چکش به داخل زمین وارد میکنند بیشترین دست خوردگی و روشهایی که نمونه گیر را به طور پیوسته وارد خاک مینماید. کمترین دست خوردگی در نمونه را ایجاد میکنند. همچنین باید توجه شود که راه و زمان کافی برای بیرون رفتن آب یا هوایی که داخل تیوب نمونه گیر و بالای نمونه محبوس شده است وجود داشته باشد. در غیر این صورت ممکن است باعث ایجاد تراکم ظاهری در نمونه شود.
دست خوردگیهای زمان حمل و نگهداری نمونه
ممکن است نمونه گیری با شیوه مناسبی انجام شده و نمونه دست نخورده از زمین اخذ شده باشد ولی در مرحله موم اندود کردن یا ضمن حمل نمونه و همچنین نگهداری آن تا روز آزمایش اقدامات لازم برای جلوگیری از خرابی نمونه انجام نشود و میزان دست خوردگی نمونه افزایش یابد برخی از عوامل افزایش دست خوردگی نمونه در فاصله نمونه گیری تا آزمایشگاه شامل کاهش رطوبت نمونه در اثر ناقص بودن شرایط موم اندود یا وضعیت دمای نگهداری، تغییر وضعیت نمونه در اثر یخبندان، وارد آمدن ضربه و یا ارتعاش به نمونه، واکنش شیمیایی بین ذارت نمونه در دوران نگهداری.
دست خوردگیهای ناشی از تغییر وضعیت تنشهای خاک
در بعضی آزمایشها شرایط بارگذاری نمونه در آزمایشگاه با بارگذاری محلی و واقعی تفاوت میکند و بر همین اساس نتایج حاصله برای نمونه معرف خواص واقعی خاک یا سنگ محل نیست. در این ارتباط میتوان به موارد زیر اشاره کرد.
فشارهای افقی و قائم محلی وارد بر نمونه پس از اخذ نمونه از روی آن برداشته شده و مجدداً در آزمایشگاه اعمال میشود. این سیکل باربرداری و بارگذاری ممکن است منجر به تغییر خواص مصالح شود. جهت لایه بندی و تشکیل ساختار نمونه محلی در میزان بارهای وارد بر آن تاثیر دارد. ممکن است زاویه ین بار و لایه بندی نمونه در محل و آزمایشگاه متفاوت باشد. مسیر تنشهای وارده بر نمونه باید منطبق بر مسیر تنش محلی باشد در واقع نه تنها مقدار و جهت تنشهای وارده به یک نمونه اهمیت دارد بلکه مسیر طی شده در صفحه تنشها برای دستیابی به مقادیر تنش اهمیت دارد. در همین ارتباط پلهای یا پیوسته بودن روش اعمال باربر نتایج آزمایش نیز موثر خواهد بود.
دست خوردگیهای ناشی از بریدن نمونه برای انجام آزمایش
معمولاً برای انجام آزمایشهای نمونه باید شکل و اندازه خاصی داشته باشد. بر همین اساس برای انجام هر آزمایشی سر و ته نمونه باید بریده شده و قطر آن متناسب با قطر تعریف شده برای آزمایش اصلاح شود. با توجه به آن که خاک یک محیط دانهای است و بریدن، صاف کردن آن معمولاً موجب جابجایی دانهها میشود، آماده کردن نمونه برای آزمایش نیز موجب دست خوردگی نمونه میشود.
انواع نمونه گیر
نمونه گیر قاشقی دو نیمه رایج وسیله نمونه گیری از خاک است. نمونه گیری قاشقی دو تکه یک نمونه گیر جدار ضخیم است که نه تنها نمونههای دست خورده به دست میدهد. نمونه گیر قاشقی تشکیل شده است از یک کفشک غلاف دو تکه، یک غلاف صلب روزه دار. کلاهک نمونه گیر هنگامی که کفشک فولادی نوک تیز و غلاف فولادی صلب باز میشوند، دو نیمه نمونه گیر قاشقی را میتوان از هم جدا نموده و نمونه را به راحتی بیرون آورد.
نمونه گیرهای جدا نازک شلبی معمولاً برای به دست آورده نمونههای با کیفیت یا نسبتاً دست نخورده استفاده میشوند. گر چه بدون توجه به روش نمونه گیری مورد استفاده، مقداری دست خوردگی در نمونه اجتناب ناپذیر است و بنابراین واژه دست نخورده تنها اصطلاحی نسبی است. لوله های جدار نازک شلبی در قطرهای ۲ تا ۳ اینچ و طول معمول ۳۰ اینچ موجود بوده و از فولاد گالوانیزه فولادی ضد زنگ یا فولاد با پوشش اپوکسی ساخته میشوند.
برای نمونه گیری لوله شلبی به انتهای میله حفاری متصل شده و به داخل گمانه فرستاده میشود. نمونه گیر پس از قرار گرفتن در کف گمانه با فشار به اندازه ۵ اینچ کمتر از طول لوله شلبی به داخل خاک رانده میشود. برای به حداقل رساندن دست خوردگی نمونه، نمونه گیر با یک سرعت ثابت بالا به داخل خاک فشار داده میشود. برای این کار از چکش نباید استفاده کرد زیرا باعث افزایش دست خوردگی نمونه میشود. پس از اینکه نمونه گیر به داخل خاک نفوذ کرد با چرخش میلههای حفار انتهای نمونه برش داده شده و نمونه گیر بیرون آورده میشود. خاک اضافی در انتهای لوله نمونه به دقت تمیز شده و دیسکهای فلزی جهت محافظت از رویه نمونه خاک بر روی آنها قرار داده میشوند.
نمونه گیری با استفاده از نمونه گیر پیستونی
هنگامی که خاک درجا با فشار وارد لوله نمونه گیر میشود مقداری دست خوردگی در آن ایجاد میشود. هنگامی که نمونه گیر خالی به سمت پایین حرکت مینماید. چسبندگی و اصطکاک در بیرون لوله ممکن است باعث شود که خاک داخل لوله سریعتر از سرعت نزولی لوله در داخل آن بالا بیاید. از طرف دیگر پس از اینکه لوله به صورت جزیی پر شده چسبندگی و اصطکاک بین لوله و نمونه با حرکت رو به بالای نمونه مخالفت مینماید. در شرایط حاد بخش ابتدایی نمونه ممکن است به صورت یک درپوش عمل نموده و با جابجایی درزهها یا لایههای رسی نرم از ورود آنها با داخل نمونه گیر جلوگیر نماید. این شرایط را میتوان به میزان زیادی با استفاده از یک پیستون با بستن انتهای تحتانی لوله تا زمانی که نمونه گیر به طور محکم در روی خاک دست نخورده در کف گمانه قرار گرفته بهبود بخشید. سپس پیستون در این تراز در تماس با خاک نگه داشته میشوند در حالی که لوله حول پیستون به داخل خاک نفوذ مینماید.
نمونه گیر با استفاده نمونه گیر پیچر
از لولههای جدار نازک به طور کلی نمیتوان در خاکهای بسیار سفت یا متراکم بدون آسیب وارد شدن به لبه لوله یا کمانش آن استفاده نمود. حتی اگر لوله قادر به نفوذ در چنین خاکهایی باشد، میزان دست خوردگی بیش از حد خواهد بود. تحت این شرایط استفاده از نمونه گیر پیچر که در آن از تکنیکهای مغزه گیر سنگها جهت نمونه گیری لولهای استفاده شده میتواند نمونههای بهتری به دست آورد. در حالی که نمونه گیری پیچر به داخل گمانه فرستاده میشود لوله جدار نازک از محفظه برنده معلق شده و سیال خفاری از داخل لوله به سمت پایین حرکت نموده و قطعات خرد شده از کف گمانه با خود حمل مینماید. هنگامی که لوله به کف گمانه میرسد به سمت بالا و به داخل محفظه برنده رانده میشود در حالی که سیال حفاری به سمت خارج لوله به فضای حلقوی بین لوله و محفظه برنده دوار منحرف میشود.
