روش های حفاری خاک

مهندسان ژئوتکنیک به دنبال مشخصاتی هستند که در زیر زمین پنهان شده است و پیدا نیست. از سوی دیگر مشخصات فنی از یک نقطه به نقطه دیگر تفاوت می کند. مهندسان ژئوتکنیک با خاک و سنگ که مصالحی طبیعی هستند سر و کار دارند و خصوصیات این مصالح از نقطه ای به نقطه دیگر و حتی در مقابل یک بارگذاری نسبت به بارگذاری دیگر تفاوت خواهد کرد. بنابراین لازم است پیش از طراحی های ژئوتکنیکی و همچنین طراح سازه های مرتبط با زمین، کاوش های صحرایی و آزمایش های برجا را برای شناسایی رفتار مصالح و جمع آوری اطلاعات زمین انجام داد.

انواع کاوش های صحرایی

حفاری، قدیمی ترین روش جمع آروی اطلاعات از وضعیت زیر سطحی زمین است. معمولاً حفاری توسط دستگاه های حفار که دارای موتور محرک، دکل بزرگ و میله های بلند و سرمته هستند صورت می پذیرد. هر چند که روش حفاری دسترسی مستقیم به لایه های زیر سطحی را فراهم می کند با این حال این اطلاعات صرفاً برای نقاط حفاری شده اطمینان بخش و قطعی هستند و تغییرات بین این نقاط با قضاوت مهندسی تخمین زده می شود.کاوش های ژئوفیزیکی روش های کارا و غیر مخرب در مطالعه وضعیت زمین به حساب می آیند. روش های ژئوفیزیک قادرند مشخصات زمین را در کمترین زمان و با کمترین دست خوردگی در محیط به دست می دهند.

جایگاه و نقش آزمایش های ژئوفیزیک

حفاری در مقایسه با روش های ژئوفیزیکی از این امتیاز برخور دار است که به طور مستقیم زمین را مورد بازدید قرار داده و از آن نمونه گیری می نمایند. بر همین اساس اطمینان بیشتری نسبته به نتایج آن وجود دارد. این در حالی است که در روش های ژئوفیزیکی نمونه گیری وجود نداشته و مشخصات در این روش ها عمدتاً بر اساس برقراری ارتباط بین خواص خاک یا سنگ و خصوصیات امواج فیزیکی حاصل می شود. در نتیجه اطلاعات حاصله از آنها حالت اجمالی داشته و از دقت بالایی برخوردار نیست.

اطلاعات حاصل از حفاری از نقاط پراکنده ای به دست می آید. که با بهره گیری مناسب و اضافه کردن قضاوت مهندسی و تحلیل های مبتنی بر تجربه به آنها تغییرات لایه های زیر سطحی در بین این نقاط تخمین زده می شود. در چنین شرایطی اگر پدیده خاصی در بین دو گمانه اتفاق افتاده باشد، ممکن است از دید مطالعات به دو بماند. به عنوان مثال اگر یک لایه کوچک متشکل از ماسه های سست و نفوذپذیر به دلیل قرار گیری در بین گمانه مورد غفلت شود، می تواند طراح را در محاسبه نشت پی دچار خطای بزرگی نماید. روش های ژئوفیزیک از سهولت و سرعت برخوردار بوده و نسبت به روش های حفاری از هزینه کمتری برخوردار است.

روش های ژئوفیزیک به رغم کاستی هایی که در بین دقیق خواص لایه های پی دارند معمولاً نتایج را در محدود مورد مطالعه به طور پیوسته ارائه می دهند و می توانند به عنوان مکمل حفاری گمانه به کار گرفته شوند.به عنوان مثال در مطالعات ژوتکنیک پی یک ساختمان چهار طبقه که در یک ناحیه نوساز شهری احداث خواهد شد و قرائن کافی دال بر عدم وجود قنات یا سایر عوارض نامطلوب در زیر آن وجود داشته و دو حلقه چاه یا گمانه نیز در آن حفاری شده است، دلیلی بر انجام مطالعات ژئوفیزیک برای تکیمل مطالعات و حفاری ها نیست. از طرفی دیگر برای یک سد کوتاه که به منظور تغذیه مصنوعی در یک دره عریض یا آبرفت همگن و شناخته شده احداث می شود، شاید بتوان فقط با کاوش های ژئوفیزیک اطلاعات مورد نیاز طراحان را به دست آورده و در هزینه های حفاری صرفه جویی نمود.

فاصله و عمق گمانه

فاصله گمانه ها از همدیگر و همچنین عمق هر گمانه باید به نحوی انتخاب شود که پس از حفاری و نمونه گیری اطمینان کافی از وجود اطلاعات مناسب و لازم در محدوده طرح برای کارشناسان مطالعات ژئوتکینک به وجود آید و کارشناس مطالعات مذکور بتواند با دقت و اطمینان معقولی پارامترهای مورد نیاز طراح را بر آورده نموده و در اختیار او قرار دهد.

انواع روش های حفاری و گمانه زنی

هدف اصلی در تمام روش های گمانه زنی به دست آرودن نمونه های شاهد از لایه های زیرسطحی در اعماق مختلف است. هر یک از این روش های حفاری برای شرایط مختلفی از خاک و سنگ مناسب هستند و بنابراین در هر پروژه بیش از یک روش ممکن است مورد نیاز باشد.

حفاری با مته حلزونی پیوسته توپر

حفاری با مته حلزونی توپر، ساده ترین روش گمانه زنی است که تنها دارای دو مولفه پایه است، سرمته حفار و مته حلزونی. سرمته در نوک ساقه مته حفار قرار گرفته که خود ساقه از حلزونی های مجزایی تشکیل شده که به یکدیگر متصل شده اند. هنگام دوران، سرمته خاک را شل نموده و بریده و حلزونی ها خاک را به بالای گمانه منتقل می نمایند. حلزونی های 1/5 متر طول داشته و قطر خارجی آنها از 10 سانتیمتر تا 35 سانتیمتر متغییر است.

پیشروی مته در داخل گمانه توسط نیروی هیدورلیکی همزمان با دورن مته و سرمته در داخل خاک انجام می گیرد. با رسیدن به عمق نمونه برداری، گمانه از قطعات خرد شده خاک تمیز شده و اوگر و سرمته توسط کابل بیرون آورده می شوند. سپس وسیله نمونه برداری به داخل حفره گمانه فرستاده می شود تا از کف گمانه نمونه گیری نماید. پس از اتمام نمونه برداری، سرمته و حلزونی های اوگر به داخل گمانه رانده شده و پس از اتصال به سر صفحه حفاری از سر گرفته می شود.

حفاری با مته حلزونی پیوسته توخالی

حفاری با مته مارپیچی توخالی همانند حفاری با مته توپر است زیرا در هر دو مورد پیشروی در خاک توسط مارپیچ های مته انجام شده و خاک توسط آنها توسط آنها به بیرون رانده می شود. مارپیچ ها توخالی هستند. این کار اجازه می دهد که با فرستادن نمونه گیر از داخل ساقه مته به پایین نمونه گیری انجام شده و نیازی به خارج کردن اوگر از داخل گمانه نباشد.سرمته دخلی به میله های حفار متصل شده که این میله ها در داخل ساقه توخالی قرار گرفته اند و سرمته دیگر به انتهای اوگر اصلی متصل می شود.

هنگام حفاری سرمته های داخلی و خارجی به همراه یکدیگر چرخیده و خاک را در کف گمانه برش داده و سست می نمایند. خاک های برش خرده توسط مارپیچ ها به بالای گمانه منتقل می شوند. برای نمونه گیری اتصالات میله حفار برداشته شده و میله های حفار مرکزی از داخل گمانه بیرون کشیده می شوند. سپس نمونه گیر به انتهای میله حفار متصل شده و برای نمونه گیری به کف گمانه فرستاده می شود. پس از نمونه گیری سرمته مرکزی بار دیگر به میله های حفار متصل شده و با فرستادن آن به داخل گمانه حفاری از سر گرفته می شود.مزیت اصلی اوگرهای توخالی نسبت به توپر این است که میله های حفار مرکزی را می توان در هر زمانی جهت انجام نمونه گیری دست خورده، دست نخورده یا مغزه گیری از داخل گمانه خارج نمود.

حفاری دورانی با آب یا آبشویی

اصل بنیادی در این نوع حفاری این است که گل حفاری مخلوطی از آب و بنتونیت است با گردش در داخل گمانه قطعات خرد شده خاک را به سطح منتقل می نمایند.

مراحل

• حفاری گمانه با ترکیبی از ضربه زدن و خرد کردن توسط ادوات حفاری
• تبدیل قطعات خاک و سنگ به تکه های کوچک تر به وسیله مایع تحت فشار
• ارسال خرده ریزه ها به سطح زمین با استفاده از جریان مایع

گل توسط یک پمپ مکیده شده و سپس با فشار از داخل لوله حفاری به سمت پایین رانده می شود. پس از تخلیه از طرق سرمته گل حفاری قطعات خرد شده خاک را با خود از حد فاصل جداره گمانه و میله حفاری به سمت بالا حمل می نماید. در بالای گمانه گل حفاری پس از عبور از یک سرند به داخل مخزن گل یا حوضچه گل یا حوضچه آرامش ریخته می شود. مخزن گل دارای اجزایی متعددی است که به قطعات خرد شده خاک اجازه ته نشین شدن را می دهد.

هنگام حفاری بخ روش دورانی با گل حفاری در خاک های بدون چسبندگی یا خاک های با قابلیت فرسایش زیاد، از یک غلاف بیرونی برای ایجاد یک سیستم گردشی بسته استفاده می شود. غلاف همزمان با حفاری تا رسیدن یک خاک متراکم غیر فرسایشی یا سنگ به داخل رانده می شود تا یک سیستم چرخشی بسته ایجاد نماید.

گل حفاری ترکیبی از آب و بنتونیت است که باعث ایجاد دوغابی با چگالی اندکی بیشتز از آب می شود. این چگالی بیشتر از ته نشینی قطعات خرد شده خاک در کف گمانه جلوگیری نموده و به حذف راحت آنها کمک می نماید. بسیار مهم است که دوغاب غلظت مناسبی داشته باشد زیرا اگر بسیار غلیظ باشد باعث انسداد لوله پمپ شده و در صورتی که کم مایه باشد باعث برجا ماندن قطعات خرد شده خاک در کف گمانه خواهد شد. گل حفاری همچنین جداره گمانه را محافظت نموده و بنابراین گمانه بدون غلاف یا کیسینگ (یکی از روش هایی است که برای پایدار سازی گمانه در مقابل ریزش استفاده می شود و شامل یک استوانه فلزی است که در خاک قرار داده می شود) در ماسه قرار گرفته در زیر تراز آب نیز می تواند پایدار بماند.

حفاری به روش مغزه گیری

برای انجام حفاری و نمونه برداری به طور همزمان یک کور بارل یا مغزه گیر در انتهای میله حفار با سرمته دورانی جایگزینی می شوند. همزمان با چرخش مغره گیر و حرکت آن به سمت پایین سرمته یک مقطع حلقه ای از خاک یا سنگ را برش می دهد. این مقطع که مغزه نام دارد به داخل محفظه داخلی حرکت نموده و هنگامی که محفظه مغزه گیر پر شد حفاری متوقف شده و محفظه مغزه گیر از داخل گمانه بیرون آورده می شود. با باز نمودن محفظه مغزه گیر یک نمونه پیوسته از خاک یا سنگ به دست می آید.

حفاری با اوگر باکت (جام حفار)

اوگرهای سطلی در جایی استفاده می شود که برداشت و تهیه نمونه دست خورده در حجم زیادی از خاک مورد نظر باشد. در این روش یک سطل استوانه ای شبیه بشکه به قطر 60 الی 120 سانتیمتر در انتهای میله حفاری قرار گرفته و امکان تهیه حجم زیادی از خاک را فراهم می کند. سطل نمونه گیر یک استوانه ای فلزی روباز است که طولی بین 60 تا 90 سانتیمتر دارد و در ته آن یک یا دو شکاف برای ورود زمین و پیشروی حفاری جاسازی شده است. از این روش حفاری برای حفاری شمع ها نیز استفاده می شود.

ضمن آنکه با توجه به قطر وسیع چاه حفاری شده معمولاً امکان حضور یک نفر در درون چاه به منظور مشاهده مستقیم لایه ها و احیاناً نمونه گیری دست نخورده وجود دارد. به رغم مزایای مذکور در خاک های غیر چسبنده و زیر سطح آب زیرزمینی استفاده از اوگرهای سطلی به دلیل احتمال ریزش جدار توصیه نمی شود.به جز ماسه های ریزشی از جام های حفار می توان در اکثر خاک ها و سنگ بستر نرم تا سخت استفاده نمود.

در زیر تراز آب هم در صورتی که مصالخ سخت بوده و مستعدد ریزش یا نفوذ آب نباشند می توان حفاری نمود. در این حالت ها حفاری را می توان با پر کردن آب یا گل حفاری ادامه داد. این گل حفاری یا آب با ایجاد هد مثبت باعث کاهش تمایل دیواره ها به فرو ریزش و ناپایداری می شود.حفاری با جام اوگر مخصوصاً برای حفاری در مصالح حاوی شن و قلوه سنگ مناسب است زیر جام حفار اغلب در هنگام دوران باعث از جا در آمدن قلوه سنگ ها می شود.

حفاری به روش پر کاشن

در سیستم های حفاری ضربه ای یک چکش سنگین متناوباً بالا برده شده و سقوط داده می شود. انرژی ناشی از سقوط وزنه موجب خرد شدن سنگ و حفر گمانه می شود. خرده های ریزه های حفاری در این روش معمولاً توسط جریان سیال تحت فشار به سطح زمین انتقال داده می شود. باتوجه به مکانیزم مذکور حفاری ضربه ای در زمین های نرم و خاک های چسنبده آب دار کارایی ندارد.