فحوصات التربة الحقلية

فحوصات التربة الحقلية
السلام عليكم ورحمة الله وبركاته
اخواني المهندسين الأعزاء ، لقد أعجبني قراءة هذا الفصل من أحد الكتب الهندسية فآثرت أن أنقله لكم لتعم الفائدة ،جزا الله خير مؤلفه وكاتبه وقارئه

الفحوصات الحقلية للتربة

أشرنا عند استعراضنا للفحوصات التي تجري للتربة، إلى أن هذه الفحوصات تقسم إلى فحوصات مخبرية وأخرى حقلية. والفحوصات الحقلية، كما هو واضح من تسميتها،هي تلك التي تجري في الحقل أو الموقع، وذلك على التربة في وضعها وتركيبها الطبيعيين.
ومن أهم الفحوصات الحقلية للتربة ما يلي:
(1)فحوصات الكثافة الحقلية (Field density tests)- لتحديد كثافة التربة الطبيعية أو بعد دمكها للتأكد من جودة الدمك. وهناك طرق مختلفة لإجراء هذا الفحص، مثل طريقة مخروط الرمل أو إحلال الرمل (Sand cone or sand replacement method)، وطريقة البالون المطاطي (Rubber balloon method)، والطريقة الذرية (Nuclear method). والطريقة الأولى باستخدام الرمل هي الأكثر انتشاراً، لذلك سنعرضها بالتفصيل.
(2) فحوصات الاختراق (Penetration tests)- وتستخدم هذه الفحوصات لغرض تحديد قدرة تحمل التربة وخصائصها. وتقسم إلى فحوصات الاختراق الاستاتيكي (Static penetration tests)، التي يتم خلالها اختراق السطح الطبيعي للتربة بواسطة مخروط له أبعاد محددة، ومثالها فحص المخروط، المعروف بـ (Dutch cone test)، وفحوصات الاختراق الديناميكي (Dynamic penetration tests)، التي يتم خلالها كذلك اختراق التربة بواسطة جهاز أسطواني خاص في مقدمته جامع عينات (Soil sampler) بواسطة مطرقة خاصة، ومثال هذه الفحوصات فحص الاختراق القياسي (Standard Penetration Test- SPT) واسع الانتشار، والذي سنعرضه بالتفصيل.
(3) فحوصات القص (Shear tests)- وتستخدم غالباً لقياس مقاومة القص للتربة الطينية الناعمة ذات الرطوبة العالية، وأهمها فحص القص بالريشة (Vane shear test).
(4)فحوصات النفاذية (Permeability tests)- ويتم إجراء هذه الفحوصات داخل الآبار السبرية (Boreholes) أو الحفر الاختيارية (Trail pits) لقياس معامل نفاذية التربة (Coefficient of permeability ) بتركيبها الطبيعي.
ويتم اللجوء إلى إجراء هذه الفحوصات، والتي تتميز عن الفحوصات المخبرية بدقتها، في حالة المشاريع ذات الأهمية الخاصة، حين يكون لنفاذية التربة دور أساسي في تحديد سلوكها، كما هو الحال في المنشآت المائية (Hydraulic structures) كالسدود والقنوات، أو في حالة اساسات المباني والمنشآت الموجودة في مناطق تتأثر بمنسوب المياه الجوفية.
(5)فحوصات التحميل (Loading tests)- وتستخدم هذه الفحوصات لدراسة خصائص الهبوط والقص وقدرة التحمل للتربة. ومثالها فحص قرص أو صفيحة التحميل (Plate bearing test) الذي يجري في الحفر الاختبارية عند منسوب التأسيس أو أي منسوب مطلوب. ويتم خلال الفحص تعريض القرص أو الصفيحة المثبتة على سطح التربة لحمل ستاتيكي (Static load) متصاعد حتى حصول الانهيار (Failure) أو الوصول إلى حمل معين، مع أخذ ما يلزم من قراءات لإجراء الحسابات اللازمة.
وسنقدم في هذا الباب من الكتاب، أهم تفاصيل الفحوصات الحقلية الاكثر اتنشاراً.

9-2فحص الكثافـة الحقلية للتربـة بطريقة إحلال الرمـل
(Field Density Test Using Sand-Replacement Method)

(1) المراجع القياسية (Standard references):
- BS 1377
- ASTM D – 1556
- AASHTO T-191.
(2) الأجهزة اللازمة (Equipment):
أ‌-جهاز مخروط الرمل ويسمونه مخروط الرمل (Sand cone) الموضح في (شكل 9-1ب).
ب‌-دوات مناسبة لعمل حُفرة في التربة (Digging tools) مثل الإزميل والمطرقة.
ت‌-صفيحة معدنية (Plate) في وسطها فتحة دائرية وفي زواياها فتحات لتثبيتها بالأرض بواسطة مسامير، وللصفيحة جدران جانبية ارتفاعها 13 ملمتراً.
ث‌-ميزان (Balance).
ج‌-وعاء معدني (Metal container) لجمع التربة الناتجة عن الحفر، ويمكن الاستعاضة عن الوعاء بكيس نايلون.
ح‌-أدوات لتحديد محتوى الرطوبة.
خ‌-رمل قياسي خاص، نظيف من الشوائب العضوية. وحسب المواصفات البريطانية، فإن قياس حبيبات الرمل يجب أن يحقق شرط المرور من المنخل (600 ميكرون) والبقاء على المنخل (300 ميكرون). وأما حسب المواصفات الأمريكية، فالرمل المستعمل يمر من المنخل رقم (20)، ويتبقى على المنخل رقم (30). ويمكن استعمال الرمل المار من المنخل رقم (30) والمتبقي على المنخل رقم (40)، أو المار من المنخل (30) والمتبقي على المنخل (50)، وذلك حسب المرجع /8/. ويجب أن تكون كثافة الرمل معروفة، حيث يمكن إيجادها في المختبر باستعمال أوعية ذات أشكال منتظمة دقيقة الأبعاد. ويتم في العادة تحديد كثافة الرمل المستعمل في هذا الفحص عدة مرات، ويكون الرمل جيداً إذا لم تختلف أي كثافة عن المعدل بأكثر من واحد بالمئة (1%).

(3) الطريقة (Procedure):
1-يتم ملء جهاز الرمل (الأسطوانة أو المخروط) بالرمل وتوزينه.
2-يُسوى سطح التربة في منطقة الفحص جيداً، وتوضع عليه الصفيحة المعدنية ويتم تثبيتها بالمسامير، مع مراعاة أن تكون الفتحة الدائرية في وسط الصفيحة ملاصقة لسطح التربة.
3- يتم وضع علامات تحدد مكان الصفيحة المعدنية للتأكد من بقائها ثابتة أثناء الفحص.
4- يتم عمل حفرة في التربة داخل الفتحة الدائرية وسط الصفيحة المعدنية. وبخصوص حجم الحفرة، فإن الجمعية الأمريكية للفحوصات والمواد (ASTM) ترى أن القياسات التالية ملائمة للحصول على نتائج مرضية:
مقاس أكبر حبيبة
في التربة حجم الحفرة الوزن اللازم لفحص
(ملم) (سم3) محتوى الرطوبة
(غم)

4.75(منخل رقم 4) 700 100
12.50 1400 250
25.00 2100 500
50.00 2800 1000
وإذا كان قطر الحفرة بحدود 15سم، نجد أن عمق الحفرة، في حالة
فحص مواد يتراوح قياس حبيباتها بين 25-50سم، يتراوح بين
12-15سم.
5- يتم جمع نواتج الحفر من داخل الحفرة إلى الوعاء المخصص لذلك، مع مراعاة عدم فقدان شيء من هذه العينة، والمحافظة على محتوى الرطوبة الطبيعي فيها.
ملاحظة: لا يتم جمع الحجارة التي يزيد مقاسها عن 5 سم (2 انش) (إن وجدت مع العينة) بل تبقى داخل الحفرة، مع أنه يفضل تغيير منطقة الفحص في هذه الحالة باختيار نقطة أخرى لا تحتوي هذا المقاس من الحجارة.
6-يتم تنظيف داخل الحفرة جيداً من حبيبات التربة، كما يتم رفع حبيبات التربة عن الصفيحة المعدنية، وهنا يمكن استعمال فرشاة لتنظيف الصفيحة من حبيبات التربة، وبعد جمع العينة يتم وزنها جيداً.
7- يثبت جهاز الرمل (المخروط أو الأسطوانة) فوق وسط الصفيحة المعدنية مقلوباً كما في الشكل (9-1)، ويفتح الصمام الخاص للسماح بانسياب الرمل من الجهاز إلى داخل الحفرة حتى تمتلئ الأخيرة، وكذلك الجزء المخروطي من الجهاز. عندها يتم غلق الصمام.
8-يتم وزن الرمل المتبقي داخل الجهاز لمعرفة وزن الرمل المستعمل والذي ملأ الحفرة والمخروط.
9- يتم تحديد محتوى الرطوبة للتربة الناتجة من الحفرة.

(4) الحسابات (Calculations):
يمكن إيجاد الكثافة الحقلية للتربة من هذا الفحص بالمعادلة:

الكثافة الحقلية ()= وزن التربة التي تم استخراجها من الحفرة (غم) / حجم الحفرة (سم3)

وأما حجم الحفرة فيساوي:
وزن الرمل الذي يملأ الحفرة والمخروط (غم) – وزن الرمل الذي يملأ المخروط (غم)
كثافة الرمل (غم/سم3)

9-3 فحـص الاخـتـراق القيـاسـي
(Standard Penetration Test - SPT)

يعتبر هذا الفحص الحقلي، كما سبق وأشرنا، أحد فحوصات الاختراق الديناميكية للتربة. ويتم إجراء هذا الفحص في العادة داخل الآبار السبرية (Boreholes) أثناء تحريات الموقع (Site investigation)، وعلى أعماق مختلفة لتحديد خصائص التربة وقدرة تحملها.

(1) المراجع القياسية (Standard references):
- BS 1377
- ASTM D – 1586.
(2) الأجهزة اللازمة (Equipment):
أ‌. جهاز حفر (Drilling rig) وتستعمل عادة نفس الحفّارة التي تقوم بالحفر أثناء تحريات الموقع والتي تكون مجهزة لهذا الغرض.
ب‌.جامع عينات أسطواني (Split-barrel sampler)، ويسمى كذلك (Split spoon)، وأما أبعاده فموضحة في الشكل (9-2).
ت‌.مواسير حفر (Drilling rods)، وهذه تدخل ضمن تجهيزات الحفارة.
ث‌. مطرقة خاصة (Hammer) وزنها حوالي 65 كيلو غراماً.
ج‌. أوعية محكمة الإغلاق (Airtight containers).

(3) الطريقة (Procedure):
بعد تثبيت جامع العينات الأسطواني في نهاية الماسورة الخاصة وجعله ملامساً لسطح الطبقة التي يُراد فحصها، يتم التأثير بواسطة المطرقة المثبتة على آلة الحفر لإحداث اختراق للتربة مقداره 45 سنتمتراً، ويؤخذ في العادة عدد ضربات المطرقة الذي لزم لاختراق آخر 30 سنتمتراً، ويدعى هذا الرقم برقم الاختراق القياسي (Standard penetration number) ويرمز له بالحرف (N). ويجري عدّ الضربات حتى بلوغها الخمسين ضربة. وإذا كان الاختراق اللازم لم يحصل رغم هذا العدد من الضربات، يتم تسجيل مقدار الاختراق الذي حصل مع الإشارة إلى بلوغ الضربات خمسين ضربة.
بعد الانتهاء من عملية الاختراق، يتم رفع خط الحفر (المواسير) وفك جامع العينات لاستخراج العينة من داخله، وغالباً ما تكون العينة غير سليمة التركيب، لكنها كافية لإعطاء فكرة عن نوعية التربة، ويمكن الاستفادة منها لفحص محتوى الرطوبة الطبيعي للتربة.
وتجدر الإشارة هنا، إلى أنه وفي حالة التربة الحصوية (Gravelly soil) يتم استخدام جزء مخروطي زاوية رأسه 60 درجة في عملية اختراق التربة بدلاً عن جامع العينات، دون اختلاف يذكر في طريقة الفحص.

(4) الفائدة العملية (Application):
يتم الاستفادة من رقم الاختراق القياسي (عدد الضربات N) لعدة أغراض عملية أهمها:
أ‌.تحديد الكثافة النسبية للتربة (Relative density) – ويبين الجدول (9-1) أدناه العلاقة بين عدد الضربات (N) والكثافة النسبية للتربة الرملية حسب ترزاجي وبيك(Terzaghi& Peck) /17/:

جدول (9-1)
عدد الضربات
(N) الكثافة النسبية
(Relative density)
أقل من 4 مفككة جداً (Very loose)
4-10 مفككة (loose)
10-30 متوسطة الكثافة (Medium dense)
30-50 كثيفة (Dense)
أكثر من 50 كثيفة جداً (Very dense)

ب‌.تحديد قوام التربة (Consistency) ومقاومة الضغط اللامحصور(Unconfied strength) للتربة الطينية التركيب، كما هو موضح في الجدول (9-2) أدناه، والقيم الواردة في الجدول تقريبية لكنها ذات فائدة عملية كبيرة /17/.
جدول (9-2)
عدد الضربات قوام التربة مقاومة الضغط اللامحصور(كيلونيوتن/م2)

(N) (Consistency)

أقل من 2 طري جداً (Very Soft) أقل من 25
2-4 طري (Soft) 25-50
4-8 متوسط (Medium) 50-100
8-15 صلب (Stiff) 100-200
15-30 صلب جداً (Very stiff) 200-400
أكبر من 30 قاسي (hard) أكبر من 400

ت‌.تحديد قدرة تحمل التربة (Bearing capacity)-حيث توصل ترازجي وبيك إلى تلخيص تجربتهما في منحنى خاص لتحديد قدرة التحمل المسموح بها (Allowed bearing capacity) حسب عدد الضربات في فحص الاختراق القياسي (SPT) ولمقاسات مختلفة من الأساسات، على افتراض أن منسوب المياه الجوفية (Water table) يقع على مسافة لا تقل عن عرض الأساس (B) من منسوب التأسيس. وتكون قيم قدرة التحمل قريبة جداً إلى الواقع في حالة التربة الرملية.
ث‌. تحديد قيمة زاوية الاحتكاك الداخلي () للتربة- ولهذا الغرض يمكن استعمال المنحنى الموضح في الشكل (9-4) من المرجع /3/، والذي يعطي قيماً تقريبية للزاوية ( ).

ملاحظة هامة : من الضروري قبل استعمال قيم (N) الناتجة من فحص الاختراق القياسي (SPT)، إجراء تعديل أو تصحيح لهذه القيم، يأخذ في الاعتبار قيمة ضغط تربة التغطية (Overburden pressure ). ويرى بعض الباحثين مثل جيبس وهولتز (Gibbes & Holtz) /5/ أن نتائج فحص الاختراق القياسي تقلل إلى حد كبير من درجة الكثافة النسبية للتربة (Relative density) غير المتماسكة عند الأعماق القريبة. ولهذا يقترح هذان الباحثان إجراء تعديل لقيم (N) حسب المنحنى المبين في الشكل (9-5)، وبينما يقترح ثوربيرن (Thorburn) إجراء هذا التعديل حسب المنحنى المبيّن بشكل منقط على نفس الشكل(9-5). وكما هو موضح من المنحنيين، فإن تعديل قيم (N) باستخدام منحنى ثوربيرن يعطي قيماً أقل، ولهذا يفضل الكثير من المهندسين إجراء تعديل قيم ( N) حسب هذا المنحنى.

9-4 فحـص القـص بالريـشـة
(Vane Shear Test)

يُلجأ لهذا الفحص الحقلي السريع لقياس مقاومة القص (Shear strength) للتربة الطينية ذات القوام الطري (Soft)، ولا يمكن الاعتداد بنتائجه للأشكال الأخرى من التربة، وكذلك عندما يكون الطين محتوياً على رمل (Sand) أو طمي (Silt). ولهذا السبب، فهذا الفحص محدود الاستعمال وغير منتشر في بلادنا العربية، بينما هو منتشر أكثر في أوروبا (خصوصاً في بريطانيا والدول الاسكندنافية) والولايات المتحدة الأمريكية. وسنعرض فيما يلي فكرة هذا الفحص وحسابات نتائجه باختصار.

(1) المراجع القياسية (Standard references):
- BS 1377
- ASTM D – 2573
- AASHTO T-223
(2) الأجهزة اللازمة (Equipment):
أ‌.ريشة ذات أربعة ألواح (شفرات) من فولاذ لا يصدأ (شكل 9-6).
ب‌.ذراع مقاوم للشد (High tensile rod) في نهايته مقبض مزود بمقياس مدرج لقياس عزم الدوران (Torque).

(3) الطريقـة (Procedure):
1- يتم غرز الريشة والذراع في الطين تحت منسوب الحفر في البئر السبرية (Borehole) إلى عمق يُساوي ثلاثة أضعاف قطر البئر على
الأقل، أو عند السطح إذا كان قياس مقاومة القص مطلوباً لتربة
السطح.
2- يتم بعدها تدوير الريشة بواسطة المقبض المثبت في أعلى الذراع وباستعمال عزم الدوران (Torque) حتى يحصل انهيار الطين تحت
تأثير دوران الريشة. ويجب مراعاة أن تكون سرعة الدوران بحدود 6-12 درجة في الدقيقة.

(4) الحسابات (Calculations) :
يتم حساب مقاومة التربة للقص من المعادلة التالية:

حيث :
T - عزم الدوران عند الانهيار.
C- قوة تماسك حبيبات التربة (Cohesion).
d- العرض الكلي للريشة (أنظر الشكل 9-6).
h- طول الريشة.

مثــال : إذا كان عزم الدوران الذي لزم أثناء فحص القص بالريشة مساوياً 185 نيوتن متر. أحسب قيمة مقاومة القص (c) إذا علمت أن الريشة المستعملة في الفحص كانت ذات عرض مساو 100 ملمتر وطولها 150 ملمتراً.

الحـل : باستعمال المعادلة أعلاه 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

نجد أن :
c = 64 KN/m²

تســلم مهندس سيد على المعلومات القيِّمة عن التجارب ,,
شكراً جزيلاً ,,

» قوام التربة - تحديد قوام التربة - مثلث نسجة التربة
» إعداد تقارير فحوصات التربة (1)
» فحوصات سريعة للتعرف إلى نوع التربة
» كتاب فحوصات التربة للاغراض الانشائية
» جميع اختبارات التربه المستخدمه فى الجسات و الانشاءات باللغه العربيه مصوره