بطوركلی كاوش های ژئوتكنیك برای جمع آوری اطلاعات از وضعیت زیر سطحی زمین صورت می پذیرد و هدف نهایی آن تعیین مشخصات پی از لحاظ مقاومت، نفوذپذیری، شرایط هندسی لایه ها، دانه بندی و سایر مشخصات فیزیكی خاك و سنگ برای طراح می باشد .
به طور معمول در پروژه های عمرانی موارد زیر به عنوان اهداف كاوش های صحرایی ژئوتكنیك در نظر گرفته می شود:
- تعیین ضخامت و جنس لای ههای خاك و عمق سنگ بستر
- تعیین عمق سطح آب زیر زمینی و احتمالاً تعیین تركیبات شیمیایی آب زیرزمینی
- مشخصات مصالح و استخراج پارامترهای طراحی از طریق آزمونهای صحرایی.
- نمونه گیری برای مطالعات تكمیلی و انجام آزمایش های آزمایشگاهی.
- تعیین موقعیت حفرات یا قناتهای موجود در پی و همچنین سایر عوارض طبیعی و مصنوعی.
در این بین هدف از آزمایش های صحرایی (Field Tests) یا بعبارت دیگر آزمایش های درجا(In Situ Tests)) در خاك دستیابی به خصوصیات مهندسی خاك در حالت طبیعی و درجا بجای محیط آزمایشگاهی می باشد.
مهمترین مزیت آزمایش های درجا این است كه پارامترهای مهندسی خاك بر خلاف آزمون های آزمایشگاهی تحت تاثیر دستخوردگی و افت كیفیت خاك قرار نمی گیرند. بنابراین خصوصیات خاك ها نماینده واقعی تری بر مقاومت و سختی درجای خاك بوده و در نتیجه منجر به طراحی های اقتصادی تری می شود.
آزمایش های درجا به طور كلی شامل دو دسته عمده می شوند:
- شناسایی های ژئوتكنیكی
- شناسایی های ژئوفیزیكی
به طور كلی آزمون های برجا ژئوتكنیكی به دو دسته تقسیم می شوند . دسته اول به آزمون های درون چاهی(Borehole Tests) موسوم بوده و برای انجام آنها حفاری گمانه نیز ضرورت دارد. دسته دوم آزمون هایی هستند كه دارای سیستم خود حفار بوده و یا در سطح زمین انجام می گردند و بر همین اساس نیازی به حفاری گمانه ندارد .
بر اساس مكانیزم انجام و نتایج حاصله از هر آزمون ،می توان آزمونهای صحرایی ژئو تكنیك را به سه دسته زیر تقسیم كرد:
- آزمونهای نفوذسنج (Penetration Testing)
- آزمونهای سنجش مقاومت و تراكم پذیری خاك (Strength and Compressibility Testing)
- آزمونهای تعیین نفوذپذیری (Permeability Testing)
ماهیت انجام آزمونهای نفوذ سنج مبتنی بر نفوذ یك نفوذسنج در درون زمین می باشد و در خاكهای ریزدانه كارآیی بالاتری دارند. بطور كلی آزمونهای نفوذ سنجی به دو دسته استاتیكی و دینامیكی تقسیم میشوند . در آزمونهای استاتیكی از فشار استاتیكی برای نفوذ ابزار درون زمین استفاده میشود . این در حالی است كه در آزمون های دینامیكی انرزی لازم برای نفوذ در خاک از طریق ضربات چکش تامین می گردد.
مهم ترین آزمون های نفوذسنج به قرار زیر می باشند:
- آزمون استاندارد (SPT)
- آزمون نفوذ مخروط (CPT)
- آزمون كاوشگر دینامیكی (DP)
- آزمون ابزار مكینتاش (Machintosh Probe)
- آزمون كاوشگر دینامیكی سبك (Light Dynamic Probing)
- آزمون مخروط سوئدی (Swedish weight Sounding)
آزمونهای سنجش مقاومت و تغییر شكل پذیری خاك جهت محاسبه مقاومت، تغییر شكل پذیری و تراكم پذیری خاك كارایی دارند . در این آزمونها با اعمال تنش به خاك رفتار آن در مقابل تنشهای وارده به صورت صحرایی اندازه گیری و مطالعه می شود . وجه تمایز این آزمایشها با آزمایشهای نفوذسنج، در اندازه گیری نشست و تغییر شكل است . بر همین اساس بر اساس نتایج این آزمایشها به نحوی می توان مدول الاستیسیته و یا سایرمشخصات تراكم پذیری خاك راتعیین نمود.
مهم ترین آزمونهای سنجش مقاومت و تغییر شكل پذیری خاك به قرار زیر میباشند:
- آزمایش برش پره
- آزمایش بارگذاری صفحه
- آزمایش پرسیومتری
- آزمایش دیلاتومتر تخت
آزمونهای تعیین نفوذپذیری با هدف تعیین ضریب نفوذپذیری که دارای بُعد طول بر زمان است صورت میگیرد. برای تعیین ضریب نفوذپذیری روش های آزمایشگاهی و صحرایی متنوعی وجود دارد . با این حال معمولاً روش های صحرایی نتایج واقع بینانه تری به دست میدهند. در تعیین نفوذپذیری آزمایشگاهی خاك ها معمولاً نمونه گیری منجر به دست خوردگی در نمونه و تغییر تخلخل آن می گردد.
همچنین شرایط لایه بندی و تشكیل لایه های خاك در آزمایشگاه قابل شبیه سازی نیست. از سو ی دیگر برای تعیین نفوذپذیری آزمایشگاهی توده های سنگ نمیتوان وضیعت هندسی درزه ها و شرایط پرشدگی آنهارا شبیه سازی كرد. بنابراین در عمل تنها راه اندازه گیری نفوذپذیری توده های سنگی آزمایشهای صحرایی است. آزمون های آزمایشگاهی صرفاً میتواند بر ای خاك های ر یزدانه و یا در صورت استفاده از قالبهای با اندازه مناسب و اخذ نمونه دست نخورده برای خاك های درشت دانه نتایج قابل قبولی ارائه كرد. البته نمونه گیری از خاك های درشت دانه معمولاً با دست خوردگی همراه است.
به طور كلی برای تعیین میزان نفوذپذیری زمین به شیوه صحرایی سه روش وجود دارد:
الف) تعیین نفوذپذیری صحر ایی با آزمون های تراوش (Seepage Tests)، كه شامل آزمایشهای سطح آب افتان، خیزان و ثابت است و برای تعیین نفوذپذیری توده های خاكی كارا ئی دارد. مجموعه این آزمونها تحت عنوان آزمایش لوفران (Lefrane Test) نیز شناخته میشود.
ب) تعیین نفوذپذیری صحرایی با آزمون های پمپاژ آب كه برا ی تعیین میزان نفوذپذ یری در توده های سنگی درزه دار كارائی داشته و به نام آزمایش لوژان (Lugeon Test) نیز شناخته میشود.
ج) تعیین نفوذپذیری صحرایی با آزمون های پمپاژ آب (Pumping Tests) كه در آن سطح آب چاه مورد آزمایش با پمپاژ پایین برده میشود و تغییر سطح آب در چاه های مجاور برای اندازه گیری نفوذپذیری خاك ثبت میگردد.
كاوش های ژئوفیزیكی و دورسنجی رو ش های كارا و غیر مخرب در مطالعه وضعیت ز مین به حساب می آیند . بطور كلی دانش ژئوفیزیك كاربردهای وسیعی در علوم پایه و مهندسی یافته است و با توجه به پیشرفت های فراگیر الكترونیك و مخابرات مطالعة زمین با روش های ژئوفیزیك در حال توسعه می باشد. روش های ژئوفیزیك قادرند مشخصات زمین را در كمترین زمان و با كمترین دستخوردگی در محیط به دست دهند. با این حال هر یك از تكنیك های ژئوفیزیك در شرایط خاصی كارائی داشته و انتخاب تكنیك مناسب برای هر پروژه اصلی ترین بخش مطالعات ژئو فیزیك میباشد.
آزمون های معمول ژئوفیزیك كه بخشی از برنامه كاوش ها ی صحرایی می باشد به منظور بالاتر بردن دقت نتایج حفاری ها و مطالعات آزمایشگاهی به كار می روند.
با استفاده از روش های ژئو فیزیك می توان اهداف زیر را در حد كلی و به صورت تخمین ها یی كه بیشتر جنبه توصیفی دارند، به دست آورد:
- تعیین لایه بندی ساختار زیر سطحی زمین
- تعیین پروفیل سنگ بستر و عمق روباره
- تعیین سطح آب زیر زمینی
- تعیین محدوده گسترش و مرز رسوبات
- تعیین میزان خردشدگی توده ه ای سنگی سخت
- بررسی امكان وجود حفره و نواحی انحلال یافته در پی
- تعیین موقعیت لوله ه ای مدفون و پی ه ای موجود
- تعیین محدوده و میزان آلودگی ه ای زیر سطحی
به طور كلی ژئوفیزیك با استفاده از امواجی نظیر امواج الكتریكی، الكترومغناطیسی، مغناطیسی و صوتی به مطالعه خواص فیزیكی زمین و محیط اطراف آن می پردازد. در عمل چهار طریق هوایی، دریایی، درون چاهی و زمینی شیوه هایی هستند كه برای برداشت های ژئوفیزیكی به كار می روند . در مطالعات ژئوتكنیك عمدتاً از روش ها ی زمینی و درون چاهی استفاده می شود.
روش ها ی درون چاهی (Borehole Methods) یا چاه پیمایی (Well Logging) شامل شیوه ها یی هستند كه ابزار و وسایل ژئوفیزیك را به درون یك یا چند چاه اكتشافی می فرستند و انجام آزمایش یا ثبت نتایج از طریق وسایل ارسال شده به درون چاه انجام می شود.
عمده ترین شیوه ه ای چاه پیمایی ژئوفیزیك شامل رو شه ای زیر می باشد:
- آزمون DHT (Down Hole Test)
- آزمون CHT (Cross Hole Test)
- پیمایش شناور (Suspension Logger)
- پیمایش الكتریكی (Electrical Logging)
- پیمایش هسته ای (Nuclear Logging)
- پیمایش سنگ شناسی، لیتولوژی (Lithology Logging)