تعتبر الدراسات الجيوفيزيائية من الدراسات المهمة والضرورية والتي تساند أعمال الحفر ، وهناكطريقتان يمكن من خلالهما التعرف المبدئي على طبقات التربة المختلفة وعمق منسوب المياه الجوفية وهما :
– الطريقة السيزمية Seismic .
- طريقة المقاومة الطبيعية Resistivity .
وتتلخص الطريقتان في إرسال موجات اهتزازية في التربة واستقبالها على مسافة محددة مسبقاً بواسطة سماعات التقاط Geophones وتنتج هذه الموجات عن طريق إسقاط مطرقة على قاعدة معدنية مثبتة على سطح الأرض ، وتقاس سرعة سريان الموجات الصوتية التي تخترق الطبقات الأرضية عن طريقجهاز موصل بسماعـات الالتقاط ، ويمـكن من خلال تحليل المعلومات تحديد كثافة وسمك الطبقات الأرضية ، وتحديد المعاملات الهندسية مثل معامل المرونة Young’s Moduls,E ونسبة بواسون poisson’s Ratio,u ومعامل القص Modulus Shear وهذه الدراساتمهمة في استكشاف التكهفات داخل الصخور أو تحديد مكان وجود الصخور تحت الطبقات الترابية وعمقها .
4 – أعمال الحفر ( الجسات )
Soil Borings
الجسات هي حفر أرضية في الموقع المراد استكشافه بأعماق مختلفةيمكن من خلالها الحصول على عينات التربة للتعرف على نوعية وترتيب الطبقات التحتية ، ويمكنتنفيذ الحفر إما يدوياً أو بواسطة معدات آلية أخرى ، وتوجد عدة طرق للحفر من أهمها :
4 – 1 – حفر الاختبارات المكشوفة Test Pits and Open Cuts
يتألف المثقاب من آلة مصنوعة من الفولاذ ولها حافة حادة قادرة على حفر التربة ، ويعمل المثقاب يدوياً وآلياً بشكلاقتصادي حتى عمق 5م في التربة اللينة القادرة على الثبات دون انهيار ، أما إذا زاد الحفر عن 5م فيتم الاستعانة بمواسير تغليف ، وتعتبر هذه الطريقة مناسبة في الحفر التمهيدي ، وكذلك في التربة التي بها نسبةكبيرة من الحصى أو الصخرية أو عند حفر عدد كبير من الجسات ، ويوضح الشكل رقم
(2) الجهاز المستخدم في طريقة الحفر بالمثقاب. http://www.momra.gov.sa/GeneralServ/Specs/images/soil.h9.gif
شكل رقم (2)طريقة الحفر بالمثقاب
4 – 3 – الحفر بالمثقاب وماسورة التغليف Shell and Auger Boring
تشغل أذرع المثقاب باليد أو آلياً بمساعدة برج حفر ثلاثي القوائم ورافعة كبيرة ، ويمكن كسر الأحجار الصغيرة والطبقات الصغيرة من الصخر بمساعدة لقمة إزميل Chisel bit مركبة على أذرع المثقاب ، ويتم إقحام الغلاف بالتربة بواسطة الطرقعليه بمدقة من رافعة ، ويستعمل الجهاز اليدوي في الحفر إلى أعماق تصل إلى (25م) ويصل قطره إلى (200مم) والجهاز الآلي حتى عمق (50م) وتصل عندها أقطار مواسير التغليف وأدوات الحفر من (80) إلى (300) مم وتسخدم هذه الطريقة للحفر في التربة الطينية وخصوصاً الشديدة الصلابة والقاسية منها ، وكذلك في التربة الرملية وتربة الصخور الضعيفة .
4 – 4 – الحفر بالطرق Percussion Boring
يستعمل في هذه الطريقة جهاز حفر متنقل يقوم بكسر بنية التربة عبر الطرق المتكرر على سكين أو إسفين للحفر ، ويضاف الماءأثناء العمل ، ويتم رفع ناتج الحفر إلى الخارج على دفعات ، ويمكن من خلال هذه الطريقة الحصول على عينات مقلقلة بواسطة أدوات وأجهزة استخراج العينات في التربة الصخرية .
4 – 5 – الحفر بطريقة الاجتراف Wash Boring
يتم حفر التربة بالطرقعليها بإزميل أو آلة حادة ، ويدفع الماء تحت الضغط في أنبوب داخلي قابل للدوران أو الصعود أو النـزول خلال أنبوب غلافي خارجي ، ويتم بواسطة الماء المضغوط استخراج التربة المحفورة من بين الأنبوب الداخلي والغلاف الخارجي حيث يشير ناتج الحفر الذى يخرج من الأعلى إلى نوعية التربة الجاري حفرها ، ولدى حصول تغيير في نوعية ناتج الحفر يتم إيقاف الحفر حيث يعتبر مؤشراً إلى تغيير في نوعية طبقة التربة الجاري حفرها ، ويتم وصل أنبوبة أخذ العينات بنهاية قضيب التخريم أو بالأنبوبة الداخلية عند أخذ عينة من طبقة التربة الجديدة ، ويتابع الحفر . وتستخدم هذه الطريقة في التربة الرملية والطميية والطينية ، ويوضح الشكل رقم (3) طريقة الحفر بهذه الطريقة .
4 – 6 – الحفر الدوراني Rotary Boring
يتم الحفر بواسطة لقمة دوارة تبقى في تلامس قوي مع قاع الحفر ، وتحمل هذه اللقمة بواسطة مواسير التخريم المجوفة والتي تدار برأس دوار ذو تركيبة ملائمة ، ويضخ سائل الحفر بشكل مستمر إلى الأسفل عبر مواسير التخريم المجوفة من أجل تسهيل عملية الحفر ، وليتم دفع ناتج الحفر إلى الخارج ، ويتكون السائل بشكل عام من الماء ، ويمكن استعمال طين الحفر أو الهواء بدلاً منه ، وذلك حسب نوعية الأجهزة والتربة التي يتم حفرها ، ويتم أخذ العينات بأجهزةخاصة . وهناكطريقتان للحفر الدوراني هما :
1- الحفر المكشوفة Open Holes
ويتم فيها الحفر بواسطة اللقمة الدوارة التي تحفر التربة الداخلة في مجال قطرها ، وتؤخذ العينات من فترة لأخرى ، وتستخدم هذه الطريقة لجميعأنواع التربة المختلفة بما فيها الصخر اللين .
2 – حفر العينات الصخرية Core Drilling
وهي للحفر بالصخر بحيث يمكنالحصول على العينة الصخرية المستمرة للطبقات على كامل عمق الحفر بواسطة الجهاز نفسه . http://www.momra.gov.sa/GeneralServ/Specs/images/soil.h10.gif
شكل رقم (3) طريقة الحفر بالاجتراف
4 – 7 – الحفر باستخدام الحفار المتصل Continuous – Flight Auger
وفي هذه الطريقة يتم إنزال الحفار واستخراج التربة على رأس الحفار بواسطة دفع أنبوبة رقيقة على أعماق طولها (1)م وهذه الطريقة تعتبر أسهل وأسرع الطرق لأخذ العينات وتستخدم في جميعأنواع التربة .
5 - ردم الحفر
عند الانتهاء من عملية الحفر وأخذ العينات يجب إعادة إغلاق الحفر بالتربة الجافة ودكهـا جيداً ، أو أن تصب فيها الخرسانة العادية أو المونة الأسمنتية ، وذلك حتى لا تتسبب هذه الحفر في إنضغاط التربة أو تكون ممراً للمياه الجوفية أو أية أخطار أخرى .
6 – عدد وعمق الجسات
يتوقف عمق الجسات على نوع المنشآت وحجمها وارتفاعها وشكلها وأوزانها علاوة على نوع التربة وخواصها الميكانيكية ، ويجب أن يشمل العمق على طبقات التربة المساعدة على مقاومة أحمال المنشأةبدونحدوث انضغاط شديد لهذه الطبقات ، أو حصول انهيار فيها ناتج عن القص ، وفي الحالات الاعتيادية لا يقل عمق الجسة عن عشرة أمتار أو ثلاثة أضعاف عرض أكبر قاعدة أيهما أكبر ، ولا بد أن تخترق الجسات جميعالطبقات غير المناسبة كالردميات وطبقات التربة الضعيفة والعضوية إلى الطبقات المتحجرة والسميكة ، وعند وجود طبقة صلبة أو كثيفة سطحية فإنه يلزم امتداد الجسة إلى عمق أكبر للتأكد من عدم وجودطبقات تحتية تتأثر بالاجهادات ، وعند الوصول إلى الطبقات الصخرية فإنه يجب اختراقها بمسافة (1.5) إلى (3) م أو سمك طبقة الصخر أيهما أكبر في حالة الصخر المتماسك و(6)م أو سمك طبقة الصخر أيهما أكبر في حالة الصخر اللين ، ويوضح الشكل رقم (5) أهمية أن يكون عمق الجسات مخترقاً لطبقات التربة المختلفة . http://www.momra.gov.sa/GeneralServ/Specs/images/soil.h12.gif
شكل رقم (5)طريقة تحديد عمق الجسات
7 – عينات التربة
يعتبر أخذ العينات من أهم مراحل الأعمال الجيوتقنية ، ولا تقل أهميته عن الاختبارات التي ستجريعليها ، لذا فإنه من الضروري تحري الدقة والحيطة عند أخذ العينات وطريقة تعبئتها لتكون عينات ممثلة لطبيعة التربة الأصلية ، ويتم أخذ عينات في التربة المفككة والمتماسكة إما المقلقلة أو غير المقلقلة ومن أماكن تخزين التربة Stockpiles على النحو التالي :-
1 – عينات التربة المفككة Cohesionless Soil Sampling :
من الصعب الحصول على عينات غير مقلقلة في التربة المفككة كالتربة الرملية أو التربة التي بها نسبةكبيرة من الركام ، وتؤخذ عينات بحد أدنى من القلقلة بواسطة أنابيب أخذ العينات الرقيقة الحواف ، وفي بعض الأحيان يتم أخذ العينات عن طريق تجميد المنطقة المحيطة بالعينة ، ولصعوبة الحصول على عينات جيدة فإنه يجري عادة عمل بعض الاختبارات الحقلية في الموقع ، ويتم أخذ العينات المقلقلة إما يدوياً باستخدام أدوات الحفر اليدوية مثل الكريك والبريمة Auger أو آلياً باستخدام معدات الحفر الآلية بالأعماق التي يحددها المهندس المشرف ، وذلك لعملاختبارات الوحدةالوزنية والوزن النوعي للتربة وتصنيف التربة والتحليل الميكانيكي وتحديد نسبةتحمل كاليفورنيا والاختبارات الكيميائية وغيرها في المعمل .
2 – العينات المقلقلة Disturbed Sampling :
وهي العينات التييكونفيها بنية التربة متفككة وخواصها الميكانيكية قد تغيرت أثناء أخذ العينة ، ويمكن أخذها بالطريقة اليدوية . أما في التربة المتماسكة فيمكن أخذها أثناء الحفر بالمثقاب أو بالمثقاب وماسورة التغليف . أما في الصخر فإنه يمكن أخذ العينات أثناء الحفر بطريقة الاجتراف أو الطرق أو الحفر الدوراني .
3 – العينات الغير مقلقلة Undisturbed Sampling :
وتكون عينات التربة هذه محتفظة ببنيتها وخواصها الأصلية ، ويمكنالحصولعليها من التربة المتماسكة بطريقة القطع باليد للحصولعليها كتلة واحدة عن طريق أنبوب استخراج العينات ذو الحافة القاطعة . أما في التربة الصخرية فيتم الحصولعليها بطريقة الحفر الدوراني حيث يتم الحصول على عينة مستمرة على عمق الحفر بواسطة الجهاز نفسه .
4 – عينات التربة من الأكوام وأماكن التخزين Stockpiles Sampling :
في حالةوجود التربة على شكل أكوام في أماكن التخزين أو حول أماكن الحفر يجب تحري الدقة والحذر في أن تكونالعينات ممثلة حيث إن طريقـة وضعها على شكل أكوام يساعد على تفرقة حبيبات التربة وتدحرج المواد الخشنة Coarse Aggregates إلى أسفل الكوم ، لذلك لابد من أخذ العينات من عدة أماكن متفرقة في الكوم مع ضرورةإزالةالطبقة العلوية من الكوم والتي تعرضت للعواملالجوية وتفرقة في الجزيئات ، أما في حالة أخذ العينات من الحفر والخنادق Trenches فيتم أخذ العينات من جانبي الحفرة ومن أسفلها من أماكن متفرقة . وعند ملاحظة وجودطبقات مختلفة للتربة فإنه يلزم أخذ عينات ممثلة لكل طبقة على حدة بنفس الطريقة السابقة مع أهميةتسجيل البيانات أولاً بأول .
5 – عينات الصخور Rock Sampling :
عند استخراج عينات الصخور يتم استخدام الأجهزةالخاصة باستخراج عينات التربة بعد استبدال أجهزة الحفر بالصخور ، ويستحسن استشارة من له خبرة ومعرفة في جيولوجيا المنطقة وأنواع الصخور الموجودة لتحديد مدى قوة وتحمل الصخر ومدى الحاجة لأخذ عينات منه . وفي الصخور المتماسكة يتم أخذ عينات اسطوانية لإجراء تجارب الضغطعليها ، أما في حالة الصخر اللين والهش فيمكن استخراج العينات بعد حقنها بالأسمنت لربط أجزاء الصخر مع بعضها ، ويمكن من خلال وضع الأسمنت في الحفر المتجاورة معرفة اتجاه وترتيب التشققات في الطبقات الصخرية .
7 – 3 – تعبئة العينات :
يتم تعبئة العينات فور الحصولعليها بأوعية يحكم إغلاقها مثل الأوعية البلاستيكية أو في أكياس من البلاستيك ، ومن ثم توضع داخل أكياس من النسيج مع أخذ الحيطة والحذر بعدم دكها عند إدخالها بالكيس ، ويجب أن تملأ العينة الوعاء ما أمكن ، وفي حالة كون العينة من العينات المستمرة كعينات الصخور فيتم حفظها في علب ذات تقسيمات بأقطار مناسبة بحيث تمسك بالعينات دون ضغطها ، أما في حالة استخراج العينات الغير مقلقلة فيجب حماية هذه العينات بطرق مناسبة من الجفاف أو من تغير حجمها أو إنزلاقها في الوعاء ، وبالنسبة للعينات المأخوذة من التربة المتماسكة والمقطوعة على هيئةمكعبات فإنه يمكن أن تغطى العينات جيداً بطبقة أو أكثر من الشمع ، وتوضع كل عينة على حدة في غلاف خارجي له نفس أبعادها من الخشب أو ما شابهه لحمايتها أثناءالنقل .
7 – 4 – نقل وتخزينالعينات :
يعتبر تحديد منسوب المياه الجوفية من الأعمال المهمة للدراسات الجيوتقنية وخصوصاً إذا ما كان منسوب المياه في نطاق تنفيذ الأساسات حيث إن معظم المشاكلالفنية التي لها علاقة بالتربة تكون بسبب المياه الجوفية ، ويتم قياس منسوب المياه فور اكتشافها ، ثم تقاس يومياً عند بداية ونهاية يوم العمل ، وكذلك في فترةانقطاع طويلة (إذا حدث ذلك) ثم تقاس قبل ردم مكان الجسة ويتم تسجيل النتائج ، وإذا تبين وجود تذبذب في منسوب المياه فإنه يجب معرفة متى وعلى أي عمق يحصل هذا التذبذب وما هي مناسيب الماء في بدايته ونهايته ، ويحدد منسوب المياه الجوفية بالمنسوب الذى يثبت سطح المياهالحر عنده ، ويترك فترة زمنية مناسبة للسماح للمياه بالارتفاع داخـل ماسورة الجسة إلى المنسوب الأصلي للمياه الجوفية ، وتكون هذه الفترةعادة (24) ساعة للتربة متوسطة النفاذية ، أما التربة الضعيفة النفاذية كالتربة الطينية فتمتد هذه الفترة إلى عدة أيام أو أسابيع ، ويمكن أيضاً تثبيت أنبوبة "بيزوميترية" في ثقب الجسة وملاحظة منسوب المياه الجوفية على فترات زمنية وتسجيل أية تغيرات والتأكد من المنسوب النهائي ، و إذا حصل أثناء الحفر أن ثقبت طبقة تربة حاجزة للمياه وكان أسفلها مخزون ماء طبيعي فلا بد من إعادة وضع هذه الطبقة إلى الوضع الأصلي بعد الانتهاء من عمل الجسات وأخذ العينات ، وتؤخذ عينات من المياه الجوفية من أعماق مختلفة لإجراء التحاليل الكيميائية عليها ، ويفضل إرسال العينات إلى المعمل فور الحصولعليها ، ولايلتفت للعينات التي تم استخراجها منذ مدة أطول من أسبوع ، ويتم حمايتها من الحرارة والبرودة وأشعةالشمسأثناءالنقل والتخزين ، وفي حالةوجود منسوب المياه الجوفية مرتفعاً ويغطي مستوى الأساسات فلا بد من أن يحتوي تقرير الدراسة على التوصياتاللازمة للطرق الفنية لنـزح المياه الجوفية أثناء عملية الحفر للأساسات والبناء وطريقة عزلها عن المياه .
9 – الاختبارات الحقلية
يعد هذا الاختبار من الاختبارات المهمة لتحديد مقاومة التربة الرملية أثناءتنفيذ الجسة وهو من أسهل الطرق وأفضلها لمعرفةقيمة زاوية الاحتكاك الداخلي وكثافة التربة الرملية . ويتلخص عمل هذا الاختبار في إسقاط مطرقة خاصة وزنها 63.5كجم من ارتفاع 760مم على أنبوبة الجهاز لتدخل مسافة 460مم في التربة ومن ثم حساب عدد الدقات (N)لاختراق آخر 305مم ويتم ايقاف الاختبار في حالةالحصول على 100دقة أو 10 دقات متتالية بدون اختراق ، وفي بعض الأحيان يتم تسجيل عدد الدقات التي يتم الحصولعليها منسوبة إلى 100 بمعنى أنها عدد الدقات التي اخترقت 100مم . وبالرغم من أن هذا الاختبار قد وضع أساساً للتربة المفككة لصعوبة الحصول على عينات غير مقلقلة للرمل إلا أن هذا الاختبار قد ينفذ في التربة المتماسكة ، ويجب الحذر عند استخدامنتائجه في هذه الحالة وذلك لعدم دقة النتائج لاحتواء التربة المتماسكة على الماء .
9 – 2 – اختبار الاختراق الاستاتيكي Cone Penetration test ,CPT :
يستخدم هذا الاختبار في جميعأنواع التربة ماعدا التربة الطينية القاسية والركامية ، ويجرى الاختبار بدفع مخروط الجهاز إلى التربة بسرعة 10 إلى 20 مم /دقيقة وقياس مقاومة رأس المخروط ومقاومة احتكاك جوانب ماسورة مثبتة أعلى المخروط ، وتستخدم نتائج هذا الاختبار في تقدير حمل خوازيق الارتكاز والاحتكاك المستخدم في الأساسات العميقة ، ويمكن أيضاً تقدير تحمل التربة وتقدير الهبوط للأساسات ، ويأتي الجهاز في عدة أنواعمنهاالمخروط السيزمي والذييمكن من خلاله قياس معامل القص الديناميكي .
9 – 3 – اختبار مقياس الضغط Pressuremeter :
يتكونجهاز مقياس الضغط من جزئين رئيسيين هما : المجس Probe وجهاز قياس الضغطالحجمي Pressure – Volumeter موصلين بأنبوبة بلاستيكية يمر من خلالها الماء أو الغاز ، ويعمل الجهاز عن طريقتسجيل التغير الحاصل في الضغط والحجم ورسمها في منحنى والتييمكن من خلالها تحديد الثوابت المرنة للتربة Elastic Constants ومعامل القص للتربة Shear Strength ويستخدم هذا الاختبار في التربة الناعمة .
9 – 4 – اختبار القص الدوراني Vane Shear :
يستخدم هذا الاختبار لتحديد معامل القص للتربة ضعيفة التباين والحساسة والضعيفة والمغمورة بالمياهالتي لا يمكن أخذ عينات منها لإجراء الاختبارات المعملية ، ويعمل الجهاز عن طريق قياس عزم اللي Torque اللازم عند إدخال الريش الموجودة في مؤخرة الجهاز Vanes في التربة حتى الامتناع وتحليل المعلومات المسجلة لتحديد مقاومة التربة للقص .
9 – 5 – اختبار مقاومة التربة القص Borehole Shear Device :
يستخدم الاختبار لجميعأنواع التربة ذات الحبيبات الدقيقة بحفر حفرة قطرها 76مم رأسية أو أفقية أو مائلة لعمق أكبر من المكان المراد قياس مقاومة التربة فيه ، وبعد ذلك يتم إدخال رأس الجهاز بعناية في الحفرة إلى النقطة المراد قياس مقاومة التربة فيها ، ثم يفتح قسما الجهاز الموجودة في اسطوانة ، ويتم الضغط على السطح عن طريق الأنابيب ، ثم تسحب الإسطوانة ويسجل مقدار السحب والمسافة والضغط والتيمنها يتم تقدير مقاومة التربة للقص ، ويوضح الشكل رقم (6) جهازاختبار مقاومة التربة في الحقل . http://www.momra.gov.sa/GeneralServ/Specs/images/soil.h13.gif
شكل رقم (6)جهازاختبار مقاومة التربة للقص في الحقل
9 – 6 – اختبار مقياس التمدد الحراري Dilatometer :
يتكونجهاز الاختبار من مجس وغشاء مطاطي قابل للتمدد ، وتستخدم فيه أجهزة الاختراق القياسي أو الاستاتيكي لدفع الجهاز في الجسة للأعماق المطلوبة ، ويعمل جهاز الاختبار عن طريق إدخال المجس إلى العمق المطلوبإجراء الاختبارعليه ، ومن ثم زيادةالضغط تدريجياً حتى يمتد الغشاء المطاطي بمقدار 1.1مم إلى التربة المجاورة ، ثم إنقاص الضغط بمثل ضغط الماءالزائد في التربة Excess Pore Water Pressure ثم تكرر العملية على عمق يزيد عن العمق الأول بـ 150 إلى 200مم وتسجل المعلومات ، وهكذا حتى يتم الوصول إلى الأعماق المطلوبة . ويعتبر هذا الاختبارسريعاً حيث يمكن الوصول إلى عمق 10م في خلال نصف ساعة من بداية الاختبار ، ويستخدم هذا الاختبارللحصول على جميع معاملات التربة الضرورية .
9 – 7 – اختبار تحديد نفاذية التربة Field Permeability :
يستخدم في هذا الجهاز مقياس الضغط Piezometer لقياس نفاذية التربة عن طريق أنابيب المياه القائمة برفع وخفض الماء من موقع التوازن وأخذ قراءات في فترات متقطعة لمستوى الماء مع الوقت اللازم للوصول إليه حتى يعود منسوب الماء إلى موقع التوازن الأصلي ، وتحليل هذه المعلومات لاستنتاج معامل النفاذية K .
9 – 8 – اختبارالوحدةالوزنية الجافة للتربة Dry Unit Weight , gd :
يستخدم هذا الجهاز لقياس قدرة تحمل التربة لمواد الرصف والأحمال المارة عليها ، ويستخدم في الاختبارأقراص معدنية مستديرة أقطارها 300، 450، 600، 750 مم ويتم تحميل هذه الأقراص بواسطة رافعة ميكانيكية أو هيدروليكية ، ويقاس مقدار هبوط الأقراص بمؤشرات من ثلاثة إلى أربعة ، والذي منه يستنتج مقدار الجهد الواقع على التربة أسفل القرص .
9 –10- اختبار تحديد دليل قوة تماسك الصخر Rock Quality Designation(RQD) :
في هذا الاختباريمكنمعرفة قوة تماسك الصخر ووصف كمية التكسر في الموقع ، وتتلخص الطريقة في حساب أطوال قطع الصخر المستخرجة من الحفر الاختبارية داخل أنبوبة العينة والتييزيد أطوالها عن 4 بوصة (101.6مم ) وقسمته على طول العينة ، وهذه النسبة تمثل المردود مـن الصخر ، ويمكن وصف قـوة الصخور بناء على هذه النسبة كما هو موضح بالجدول رقم (1) . جدول رقم (1)
وصف قوة الصخور
نسبة المردود من الصخر قوة تماسك الصخر 0 – 25 ضعيف جداً 25 – 50 ضعيف 50 –75 مقبول 75 – 90 جيد 90 -100 ممتاز
10 – الاختبارات المعملية
يتم تجهيزالعينات في الاختبارات المعملية على العينات المقلقلة بالطريقة التالية :
– أخذ عينات لتحديد المحتوى المائي للعينات فور وصولها للمعمل .
– يتم تجفيف عينات التربة الواردة من الحقل بإحدى الطريقتين التاليتين :
– يتم تفتيت وتجزئة التربة المتحجرة باليد أو بأجهزةخفيفة مخصصة لذلك مع أخذ الحيطة والحذر بعدم الإضرار بالحجم الأصلي ثم تمزج التربة جيداً .
– يتم تجهيز التربة الممثلة للاختبار وفقاً لطريقة تجهيزالعينات الموضحة أدناه .
– تنخل التربة الممثلة بالمناخل المطلوبة حسب نوع الاختبار .
10 – 2 – طريقة التجهيز :
يتم تجهيز التربة لعمل الاختبارات المعملية حسب طريقة أخذ العينات إما مقلقلة أو غير مقلقلة وفقاً لما يلي .
– العينات المقلقلة والمفككة :
يتم تجهيز كمية التربة اللازمة حسب الطريقتين التاليتين :
أ - استخدامصندوق التقسيم Riffle Box
وهو عبارة عن جهاز يحتوي على عدد من القنوات المائلة وهي متساوية العروض ولا يقل عددها عن 8 قنوات عند استخدام التربة الخشنة أو 12قناة عند استخدام التربة الناعمة لتقسيم التربة إلى قسمين متكافئين ، ومزود بإنائين لتجميع التربة المقسومة وإناء قمعي لتمرير التربة لقنوات التقسيم ، ويوضح الشكل رقم ( 7 ) صندوق التقسيم وتتمثل طريقة التجهيز بتمرير التربة من خلال الإناء المخروطي بعد فردها بشكل منتظم وببطء شديد (حتى لا تتطاير حبيبات التربة الناعمة ) للحصول على قسمين متكافئين . وتكرر العملية لأي قسم لحين الوصول إلى الكمية المطلوبة . http://www.momra.gov.sa/GeneralServ/Specs/images/soil1.gif
شكل رقم (7) صندوق التقسيم
ب – طريقة التربيع Quartering
وهي طريقة سهلة وتتمثل في فرد التربة على سطح نظيف ومستوى ، ثم تمزج التربة جيداً وتشكل على شكل كوم مخروطي باستخدام الأدوات اليدوية وتساوى التربة بسماكة منتظمة ، وتقسم إلى أربعة أقسام متساوية تقريباً ، ويستبعد منها القطرين المتقابلين ثم تمزج التربة المتبقية ، وتكرر العملية للحصول على الكمية المطلوبة ، ويوضح الشكل رقم (8) طريقة التربيع .
– العينات الغير مقلقلة :
أما في العينات الغير مقلقلة فيتم تجهيزالعينات لإجراء الاختبارات المعملية عليها حسب نوع الاختبارات والمواصفة القياسية المتبعة في ذلك .
تعتمد كمية العينات على أنواع الاختبارات وعددها ، ويستحسن أخذ عينات كافية حسب ماتتطلبه المواصفات القياسية لكل اختبار ، وذلك لإجراء بعض الاختبارات المعملية الضرورية على التربة حسب الحاجة .
10 - 4 – الاختبارات :
1 – تحديد نسبة الرطوبة Water Content,wc :
يتم تحديد نسبة الرطوبة في التربة اللزجة Cohesive Soils للعينات المستخرجة من الحفر الاختبارية من أجل معرفة كمية الماءالتي تحتويها التربة الطبيعية ، ولعمل الاختبارات لتحديد حد السيولة (Liquid Limit , LL) وحد اللدونة (Plastic Limit ,PL) المستخدمة لتصنيف التربة ، وتستخدم أيضاً في تحسين خواص التربة . ويعتبر تحديد نسبة الرطوبة من المتطلباتالأساسية لتقارير التربة ، وتصل نسبة الرطوبة الطبيعية في التربة الرملية أو الـركامية من 15إلى 20٪ بينما قد تصل النسبة في التـربة الطينية والطميية مـن80 إلى 100 ٪ وفي التربة العضوية قد تصل هذه النسبة إلى 500 ٪ .
2 - حدود أتربرج Atterberg Limits :
قام العالمالسويدي " أتربرج" بتحديد أربعة من حدود التماسك للتربة اللزجة وهي السيولة واللزوجة والشبه صلبة والصلبة ، واعتبر أن الحد الفاصل بين السيولة واللدونة هو حد السيولة Liquid Limit,LL والحـد الفاصل بين اللدونة وشبه الصلبة هو حد اللدونة Plastic Limit,PL والحد الفاصـل بين شبـه الصلبـة والصلبـة هـو حـد الانكمـاش Shrinkage Limit ,SL حسب الشكل الموضح أدناه .
وبعد استخراج هذه الحدود بالاختبارات الروتينية باستخدام الأجهزةالمخصصة لذلك يتم ايجاد معامل ( دليل) اللدونة (Plasticity Index,PI = LL- PL) والذي يستخدم في معرفة تصرف التربة Soil Behavior وكذلك في معادلات الربط لقوة تحمل التربة ومعرفة ما إذا كانت التربة انتفاخية أو انهيارية . http://www.momra.gov.sa/GeneralServ/Specs/images/soil2.gif
ويتم أيضاً تحديد دليل السيولة (LL-PL) / (wc-PL) = Liquidity Index,LI والذي من خلاله يمكنالحكم على ظاهرة تميع التربة Liquefaction of Soil عندمايكوندليل السيولة لها أكبر من (1) (1 < LL ) .
3 – التدرج الحبيبي للتربة Grain Size Distribution ( Sieve Analysis ) :
يستخدم اختبار التدرج الحبيبـي ( الميكانيكي ) في تصنيف التربة عن طريقالتحليل المنخلي لها Sieve Analysis باستخدامالمناخل التي تتراوح فتحاتها من 100 مم (4ً) إلى 0.075مم منخل رقم ( 200) حسب المواصفات الأمريكية كما هو موضح في الجدول رقم (2) ومقياس الثقل النوعي Hydrometer للتربة التي تمر خلال منخل رقم (200) ورسم منحنى التدرج ، ومنه تحديد نسب المواد المكونة للتربة والتي من أهمها نسبة المواد الطينية . جدول رقم (2) المناخل المستخدمة في التدرج الحبيبـي
مقياس الفتحات (مم) رقم المنخل 100 4"75 3"50 2"37.5 1.5"25 1"19 0.75"12.5 0.50"9.5 0.375"4.75 42 100.850 200.425 400.180 800.075 200
4 – الوحدةالوزنية للتربة Unit Weight,g :
يتم إيجاد الوحدةالوزنية للتربة اللزجة في المعمل بطريقة الإزاحة ، وذلك بقطع كتلة من التربة لمقياس معين ووزنها ثم وضعها في إناء لتحديد الحجم ومعرفة كمية الماءالمطلوبة لملء الإناء حسب المعادلة التالية : الوحدةالوزنية للتربة = وزن عينة التربة / (حجم الإناء – حجم الماء المتبقي في الإناء) .
وتستخدم الوحدةالوزنية في حساب ضغط حمل التربة Overburden Pressure المستخدم في حساب مقدار انضغاط التربة وتحديد الضغط الجانبي للحوائط الاستنادية ومعامل الاحتكاك للخوازيق .
5 – الكثافة النسبية Relative Index,Dr :
وتسمى أيضاً بدليل الكثافة Relative Index,Dr وتستخدم الكثافـة النسبية عـادة للتربـة المفككة عن طريق تحديد نسبة الفراغات الطبيعية والصغرى والكبرى Void Ratios,e للتربة ولصعوبة تحديد نسبة الفراغات في التربة فإنه يتم حساب الكثافة النسبية كما يلي :
الكثافة النسبية Dr =
الكثافة القصوى ( كثافة التربة في الحقل – الكثافة الصغرى ) ÷
كثافة التربة في المعمل ( الكثافة القصوى – الكثافة الصغرى)
Dr = gd max (gd – gdmin) / gd (gd max – gd min)
حيث إن
Dr : الكثافة النسبية للتربة .
gd max : الكثافة القصوى .
gd : كثافة التربة في الحقل
gd min : الكثافة الصغرى .
وتستخدم الكثافة النسبية في حسابنسبة الدك ولتقدير قوة تحمل التربة ، كما تستخدم في حساب قوة تميع التربة تحت أحمال الزلازل ، ويبين الجدول رقم (3) بعض القيم للكثافة النسبية : جدول رقم (3)
الكثافة النسبية للتربة
الكثافة النسبية التربة 0 – 0.20 مخلخلة جداً Very Loose0.20 – 0.40 مخلخلة Loose0.40 – 0.70 متوسطة الدك Medium Compact0.70 – 0.90 مدكوكة Compact0.90 – 1 مدكوكة جداً Very Compact http://www.momra.gov.sa/GeneralServ/Specs/images/soil3.gif
6 – الوزن النوعي Specific Gravity , SG :
يستخدم الوزن النوعي في حسابنسبة الفراغات في التربة عند معرفةنسبة الرطوبة ووحدةالوزن ، وهذا الاختبار من الاختبارات الصعبة والتييمكن الاستعاضة عنه باستخدام القيم الموضحة في الجدول رقم (4) نظراً لتقاربها : جدول رقم (4) الوزن النوعي لأنواع التربة الوزن النوعي نوع التربة 2.65 – 2.68 ركامية 2.65 – 2.68 رملية 2.62 – 2.68 طميية 2.58 – 2.65 طينية عضوية 2.68 – 2.75 طينية غير عضوية أقل من 2 التربة العضوية
وفي العادةتكونقيمةالوزن النوعي 2.67 للتربة المفككة و 2.70 للتربة الطينية الغير عضوية.
7 – اختبار الدك Compaction ( Proctor) Test :
يتم في اختبار الدك تحديد العلاقة بين الوحدةالوزنية الجافة للتربة gd ونسبة الرطوبة wc ومن ثم تحديد الوحدةالوزنية الجافة العظمى Maximum Dry Unit Weight , gd Max ونسبة الرطوبة القصوى Optimum Moisture Content,OMC للتربة باستخدامطريقتين حسب اختبار "بروكتر" وذلك من أجل تحديد الطاقةالتي تتعرض لها التربة في الدك في المعمل لتمثيلها على الطبيعة باستخدام أدوات ومعدات الدك المختلفـة ، والطريقتين المستخدمتين للدك هما :
1 – اختبار بروكتر القياسي Standard Proctor Test
2 – اختبار بروكتر المعدل Modified Proctor Test
ويمثل الجدول رقم (5) الفرق بين الأجهزةالمستخدمة في الطريقتين :
المعدل Modified القياسي Standard القالب Mouldقالب 6 " قالب 4 " قالب 6 " قالب 4 " 152.4 101.60 152.4 101.60 القطر ( مم ) 116.43 116.43 116.43 116.43 الطول ( مم ) 2124 944 2124 944 الحجم ( سم3) 44.5 24.5 44.5 24.5 وزن المطرقة ( نيوتن) 56 25 56 25 عدد الضربات 5 5 3 3 عدد الطبقات 457 457 305 305 ارتفاع المطرقة ( مم )
ويتم حسابالطاقة المبذولة في عملية الدك كما يلي : الطاقة المبذولة في الدك ( كيلوجول / م3 ) =
( عدد الطبقات × عدد الضربات × الارتفاع × وزن المطرقة ) ÷ حجم القالب
فمثلاً الطاقة المبذولة في الطريقة القياسية باستخدامقالب قطره 101.60مم = 593.7كيلوجول/م3 ، وعند تمثيل الطريقتين على رسم بياني نجد أن في الطريقة المعدلة تكونالوحدةالوزنية الجافة العظمى أكبر ونسبة الرطوبة القصوى أقل .
ويمثل المستقيم الأيمن لمنحنيات الدك مستقيم نسبة الرطوبة العظمى عندماتكون التربة خالية من الهواء Zero Air Voids عندها تكون التربة مشبعة تماماً بالماء ، ويتم رسم هذا المستقيم من المعادلة التالية : الوحدةالوزنية gZAV =
( الوحدةالوزنية للماء) × ( الوزن النوعي) ÷ 1 + ( نسبة الرطوبة × الوزن النوعي ) الوحدةالوزنية للماء g water = 9.807 كيلونيوتن / م3 .
8 – تحديد نسبةتحميل كاليفورنيا California Bearing Ratio, CBR :
وهو قياس الحمل اللازم لغرز إبرة ذات قطر معين وبسرعة في عينة التربة بمعرفة المحتوى المائي والكثافة ، ويعطي الاختبارمعلومات عن مدى انتفاخ التربة ومقدار القوة المفقودة للتربة عندماتكون التربة مشبعة بالماء كما تعطي نسبة التحمل لكاليفورنيا تصوراً عن تصرف التربة تحت الأسفلت ( مواد الأساس ) ويمكن عمل الاختبار في الحقل أو في المعمل ، ويوضح الجدول رقم (6) بعض القيم لنسبة التحمل : جدول رقم (6)
قيم نسبةتحمل كاليفورنيا نظام آشتو
AASHTO النظامالموحد
USC مجال الاستخدام تصنيف الموادنسبة التحمل
CBRA5,A6,A7 OH,CH,MH,OL الطبقة الأرضية ضعيفة جداً 0 – 3A4,A5,A6,A7 OH,CH,MH,OL الطبقة الأرضية ضعيفة 3 – 7 A2,A4,A6,A7 OH,CH,MH,OL تحت الأساس مقبولة 7 –20 Alb,A5 –2,A3,A6-2 GM,GC,SW,SM,SP,GP أساس وتحت الأساس جيدة 20 – 50 Ala,A4-2,A3 GW,GM أساس ممتازة أكبر من 50
ويتم استخدام القيم القياسية الموضحة في الجدول رقم (7) لتحديد مقدار الاختراق القياسي. جدول رقم (7)
9 – اختبار قوة قص التربة Soil Shear Strength Tests :
أ - اختبار قوة القص المباشر Direct Shear
يستخدم هذا الاختبار غالباً للتربة الرملية ، ويحتوي الجهاز على صندوق القص المقسوم إلى قسمين علوي وسفلي لوضع عينة التربة فيه وأداة قياس الأحمال الأفقية وأداة أخرى لقياس مقدار الإزاحة ، ويوضح الشكل رقم (9) الجهاز المستخدم في ذلك ، ويتم الاختبار بزيادة الأحمال وتسجيل مقدار الإزاحة . ومن خلال هذه المعلومات يتم حساب مقدار قوة القص Shear Strength (t) وزاوية الاحتكاك Angle of Internal Friction(ئ) والتماسك Cohesion C ويوضح الشكل رقم (10) طريقة حساب زاوية الاحتكاك ومقدار التماسك المستخرجة من نتائج الاختبار. http://www.momra.gov.sa/GeneralServ/Specs/images/soil.h2.gif
شكل رقم (9) جهازاختبار قوة القص المباشر
شكل رقم (14ب ) جهاز إختبار النفاذية – المستوي المتغير
12- اختبارانهيارية أو انتفاخية التربة Swelling & Collapse Test :
أ - التربة الانتفاخية :
من الاختبارات السهلةالتييمكن من خلالها تحديد الانتفاخ الحر Free-Swell Test للتربة عن طريق وضع (10)سم3 من التربة الجافة المارة من خلال منخـل رقـم (40) ببطء شديد إلى إناء مدرج لـ (100)سم3 وملئه بالماء وملاحظة حجم التربة حتى يثبت ، ويتم تحديد مقدار الانتفاخ بالمعادلة التالية : الانتفاخ الحر ( ٪ ) = ( الحجم المتغير – الحجم الأصلي ) ÷ الحجم الأصلي
وتعتبر التربة التيقيمةالانتفاخ الحر لها (100٪ أو أكثر ) من التربة الانتفاخية التي قد تحدث أضراراً للمباني ، وهناك عدة اختبارات معملية يستخدم فيهاجهاز الأوديوميتر لمعرفة مقدار ضغط الانتفاخSwelling Pressure و تجري على عينات غيرمقلقلة من التربـة ، وهذه الاختبارات مشابهة لاختبارات الاندماج ، وتتمثل في وضع عينات من التربة يبلغ ارتفاعها من (20) إلى (25) مم وقطرها من (50) إلى (100) مم في الأوديوميتر ، ويتم تحميل العينة وغمرها بالماء وملاحظة نسبةالانتفاخ . وفي بعض الاختبارات يتم التحكم في حجم العينة بحيث يكون ثابتاً ويحدد الضغطالرأسي ( ضغط الانتفاخ ) الذى عنده يكون التغير في الحجم مساوياً لصفر .كما يقاس حجم الانتفاخ عن طريقاختبار تحديد نسبة كاليفورنيا.
ب - التربة الانهيارية : هناك نوعان من الاختبارات المعملية التييمكن من خلالنتائجهما التعرف على ما إذا كانت التربة انهيارية أم لا وهما :
– اختبارالانهيار أحادي الأوديوميتر Single – Oedometer Collopse Test :
ويتمثل الاختبار في وضع عينة مقلقلة من التربة في الأوديوميتر ووضع أوزان مساوية لضغط حمل التربة إضافة إلى الضغط الحاصل من المباني المقامة على التربة، ثم تترك مدة من الزمن إلى مرحلة الاتزان ، ثم بعد ذلك تغمر العينة بالماء وتترك إلى أن يكون مقدار هبوط العينة ثابتاً ، ثم يجرى على العينة اختبارالاندماج بالحد الأقصى مـن الوزن وبرسم نسبة الفراغات Voids Ratio,e إلى لوغاريتم الضغط Log p يتم تحديد القابلية للانهيار Collapse Potential ,CP بالمعادلة التالية :
قابلية انهيار CP = التغير في نسبة الفراغات بعد الغمر ÷ (1 + نسبة الفراغات في بداية الغمر ) .
– اختبارالانهيار ثنائي الأوديوميتر Double –Oedometer Collapse Test :
في هذا الاختبار يتم وضع عينتين متطابقتين غير مقلقلة إحداهما تختبر بالنسبةالطبيعية للماء ، والأخرى مغمورة بالماء ، ويتم تحميلهما بأوزان متطابقة ومن ثم رسم النتائج على رسم بياني واحد ، ويمثل الفرق بين نسبة الفراغات بينهما عند أي ضغط التغير في الحجم عند غمر العينة بالماء .
وفي الحقل يتم إجراءاختبار الاستجابة للرطوبة Response To Wetting Test باستخدامطريقة اللوح المحمل لتقدير القيمة الحقيقة للانفعال الحادث في التربة وقابلية التربة للانهيار .
13 – التحاليل الكيميائية Chemical Testing :
أ - تحديد نسبة الكبريتات Sulfate Content
يتم عمل اختبار تحديد نسبة الكبريتات المذابة في التربة والمياه الجوفية .
ب – تحديد نسبة الكلوريدات Chloride Content
يتم عمل اختبار تحديد نسبة كلوريدات الصوديوم والمغنيسيوم والكالسيوم المذابة في التربة .
ج – الرقم الهيدروجيني PH
يتم عمل الاختبارات اللازمة لتحديد الرقم الهيدروجيني للتربة .
تعرف الصخور بأنها مواد معدنية غير عضوية موجودة على الطبيعة متلاصقة ومتماسكة بصلابة ، وتحتاج إلى جهد كبير إلى تكسيرها وتفتيت أجزائها .
وتنقسم الصخور إلى ثلاثة أنواع حسب مصدرها الجيولوجي وهي :
– الصخور النارية البركانية : مثل الجرانيت والبازلت .
– الصخور الرسوبية : مثل الحجر الجيري .
– الصخور المتحولة : وهي صخور نارية أو رسوبية تحولت بعوامل التعرية مثل صخر الشست والنيس .
وصف الصخور :
يبنى وصف الصخور للعينات الظاهرة أو المستخرجة من الجسات وفقاً لما يلي :
1 – اللون : Color : تحديد لون الصخر .
2 – المتانة : Hardness : إذا كان الصخر قوياً أو متوسطاً أو ضعيفاً أو هشاً .
3 – المكونات Structure : متماسك أو متصفح .
4 – التعرية Weathering : توصف مقدار التعرية للصخر .
5 – التكهفات Cavities : يوضح سعة التكهفات وكمياتها .
6 – الفتحات Voids : توضح عدد الفتحات ومقدارها .
7 – نوع الصخور : وتوضح ما إذا كانت الصخور رسوبية أو نارية أو متحولة ونوع الصخر .
11 – 2 – التربة :
تتكون التربة من مجموعة من المعادن يتفاوت حجمها من أحجام مجهرية إلى حصى كبيرة جداً، وتكونت التربة القريبة من سطح الأرض عن طريق تحلل الصخور والنباتات كيميائياً وفيزيائياً بتأثير العواملالجوية والتعرية على مدى عصور وأحقاب جيولوجية ماضية ، وتتكون عناصر التربة من ثلاثه جزئيات رئيسية هي الجسم الصلب Solid وهو مكونات التربة من المعادن ، والغاز Gas وهو الهواء ، والسائل Liquid وهو عادةالماء ، ويتم ربط هذه الجزئيات مع بعضها بثلاث علاقات حجمية هي :
– المسامية Porosity.n والتي تساوي حجم الهواء على الحجم الكلي للجزئيات .
– نسبة الفراغات Void Ratio,e والتي تساوي حجم الهواء على حجم التربة الجافة .
– درجة التشبع Degree of Saturation,S والتي تساوي حجم الماء على حجم الهواء .
ويمكن أيضاً تحديد العلاقاتالوزنية للتربة مثل :
– نسبة الرطوبة Water Content ,wc والتي تساوي وزن الماء على وزن التربة الجافة .
– الوزن النوعي Specific gravity,SG والذي يساوى درجة التشبع × نسبة الفراغات ÷ نسبة الرطوبة ( e/wc× SG = S) .
– الوحدةالوزنية الجافة للتربة Unit Weight, gd والتي تساوي الوزن النوعي × الوحدةالوزنية للماء على نسبة الفراغات + 1 (gw/1+e ×gd = SG) .
وتعتبر هذه العلاقات من أساسيات الحسابات الهندسية للتربة .
1 - مجموعة التربة : يمكن تقسيم التربة إلى ثلاثة مجموعات رئيسية مختلفة هي :
– التربة الحبيبية Granular Soils وتشمل الرمل والحصى .
– التربة الناعمة Fine – Grained Soils وتشمل الطين والطمي .
– التربة العضوية Organic Soils وتشمل الخث والطين والطمي العضوي .
وتمتاز التربة الناعمة بلدونتها وقابليتها للانضغاط وعدم نفاذيتها للماء وعدم تحملها ، وهذا النوع من التربة يستوجب دراسة مستفيضة .
2 - وصف التربة :
يتم وصف التربة عن طريق المعاينة البصرية لعينةمنها وفحصها يدوياً عن طريق اللمس لتحديد مدى لدونتها وبنيتها ولونها وشكلها وفقاً للجدول رقم (8) . جدول رقم (8) طريقة وصف التربة الأساسية بالمعاينة البصرية
الوصف التربة ميمكن معرفته عن طريق حجم الحبيبات وشكلها المدور وشبه المدور والمضلع . Gravel الحصى 1حبيباتها متماسكة ولدنة عندماتكون رطبة وقاسية يصعب تفتيتها عندماتكون يابسة ، وعادةيكون الطين مختلطاً مع أنواعأخرى من التربة ، وعند دحرجتها إلى خط رفيع باليد وهى رطبة لا تنكسر . Clay الطين 2حبيباتها غير لدنة وغير متماسكة ، ويمكن تفتيت التربة اليابسة منها إلى مسحوق ، وعند دحرجتها إلى خط رفيع باليد وهي رطبة تنكسر إلى قطع صغيرة . Silt الطمي 3ذات ملمس خشن غير لدنة أو متماسكة ، ويتفاوت حجمها ما بين حجم الحصى والطمي . Sand الرمل 4بقايا نباتات سوداء أو بنية غامقة اللون . Peat الخث 5طين رمادي غامق اللون يحتوي على ألياف وأنسجة دقيقة أو صدفات ضعيف البنية وتوجد مقارنة قليلة عند عجنه . Organic Clay الطين العضوي 6طمي رمادي غامق اللون يحتوي على ألياف وأنسجة دقيقة أو صدفات ضعيف البنية وتوجد مقارنة قليلة عند عجنه . Organic Silt الطمي العضوي 7تربة تكون غالبيتها من الطمي أو الطين . Fine – Grained تربة حبيبية ناعمة 8تربة تكون غالبيتها من الرمل أو الحصى . Coarse – Grained تربة حبيبية خشنة 9تربة تتكون من خليط من التربة الحبيبية الناعمة والخشنة . Mixed – Grained تربة حبيبية مختلطة 10جدول رقم (9)
وصف التربة المختلطة بالمعاينة البصرية
الوصف التربة متربة تكون غالبية محتوياتها من الحصى مع حبيبات صغيرة أو كبيرة من الرمل ، ويمكن أن تحتوي أيضاً على نسبةبسيطة من التربة الناعمة . Sandy Gravel حصوية مع قليل من الرمل 1تربة تكون غالبية محتوياتها من الرمل مع كمياتصغيرة أو كبيرة من الحصى ، ويمكن أن تحتوي أيضاً على نسبةبسيطة من التربة الناعمة . Gravel Sandy رملية مع قليل من الحصى 2تربة تكون غالبية محتوياتها من الرمل مع كمياتصغيرة من التربة الناعمة الغير لزجة . Silty Sand رملية مع قليل من الطمي 3تربة تكون غالبية محتوياتها من الرمل مع كمياتصغيرة من التربة الناعمة اللزجة ويمكن أن تحتوي على قليل من الطمي. Clayey Sand رملية مع قليل من الطين 4تربة تكون غالبية محتوياتها من الحصى مع كمياتصغيرة من التربة الناعمة الغير لزجة . Silty Gravel حصوية مع قليل من الطمي 5تربة تكون غالبية محتوياتها من الحصى مع كمياتصغيرة من التربة الناعمة اللزجة ويمكن أن تحتوي على قليل من الرمل والطمي . Clayey Gravel حصوية مع قليل من الطين 6تـربة تكون غالبية محتوياتها من الطين مع كمياتصغيرة من الطمي ، وهذه التربة عالية اللزوجة . Silty Clay طينية مع قليل من الطمي 7تربة تكون غالبية محتوياتها من الطمي مع كمياتصغيرة مـن الطين ، وهذه التربة قليلة اللزوجة . Clayey Silt طميية مع قليل من الطين 8
ولا بد أيضاً أن يحتوي وصف التربة على اللون ودرجة الرطوبة وشكل العينات وبنيتها وأية ملاحظات يمكن أن تساعد في التعرف على التربة ووصفها .
ويمكن أيضاً التعرف على أنواع التربة عن طريقمعرفة حد السيولة ودليل اللدونة لها ويوضح الشكل رقم (15) أنواع التربة حسب رموزها باستخدام حد السيولة ودليل اللدونة لها ، ولأهمية تمييز وتصنيف التربة في التعرف على خصائصها من حيث استقرارها وقوة تحملها وتصريفها للمياه ومقدار التغير في حجمها ، ولتحديد نوع التربة ووصفها يتم استخدام رموز التربة الواردة في الأنظمةالدولية للتصنيف والتيمنها النظامالموحد USC ونظام آشتو AASHTO ونظام الجمعيةالأمريكية للاختبارات
والمواد ASTM وجمعية الإدارة الفدرالية FAA ونظاموزارة الزراعةالأمريكية USDA وسيتم إيضاح طرق التصنيف الواردة في النظامالموحد USC ونظام آشتو AASHTO . http://www.momra.gov.sa/GeneralServ/Specs/images/soil.h8.gif
شكل رقم (15)
رسم يوضح رموز أنواع التربة حسب حد السيولة ودليل اللدونة لها
1 – نظام تصنيف التربة الموحد Unified Soil Classification,USC :
حيث تم تقسيم التربة في النظام حسب مقاساتها طبقاً للجدول رقم (10) جدول رقم (10)
تقسيم التربة حسب المقاس ( النظامالموحد) مجال المقاس التربة أكبر من 300 مم صخور كبيرة جداً Bouldersأكبر من 75 إلى 300 مم صخور كبيرة Cobbles 1 – تربة حبيبية خشنة Coarse –Grainedمن 75مم إلى منخل رقم 4 حصى Gravelمن 75 مم إلى 19مم - خشن من 19 مم إلى منخل رقم 4 - ناعم من منخل 4 إلى منخل رقم 200 رمل Sandمن منخل 4 إلى منخل رقم 10 - رمل خشن من منخل 10 إلى منخل رقم 40 - رمل متوسط من منخل 40 إلى منخل رقم 200 - رمل ناعم 2 – تربة حبيبية ناعمة Fine – Grainedالتربة المارة من منخل رقم 200 - مواد ناعمة Finesباستخدامحدود أتربرج - طمي Siltباستخدامحدود أتربرج - طين Clayحسب المعاينة البصرية 3 – التربة العضوية Organic Soils
يوضح الجدول الآتي رقم (11) طريقة تصنيف التربة باستخدام النظامالموحد :
وصف التربة في الحقل الاسم المتعارف عليهTypical Names الرمز Symbols الأقسام الرئيسية Major Divisionsطريقة الوصف Iden. Procedure
(على أجزاء أقل من منخل رقم 40) مقدار اللدونة Toughness قابلية التمددDilatancy قوة القص Strengthلا شيء سريع إلى بطيء لا شيء إلى قليلطمي غير عضوي مع رمل ناعم ،رمل ناعم مع طين أو طمي مع طين بلدونة قليلة MLطمي وطين حد السيولة < من 50 Silts & Clays 50> LL تربة
ناعمة
Fine
GrainedSoils أكثر
من
نصف العينة
أقل
من
منخل
رقم 200more than half of the material is smaller than #200 sieveمتوسط لاشيء إلى بطيء جداً متوسط إلى عالي طين غير عضوي قليل أومتوسط اللدونة ،طين مع رمل أوحصى أوطمي CLقليل بطيء قليل إلى متوسط طمي عضوي وطين مع طمي عضوي قليل اللدونةOLقليل إلى متوسط بطيء إلى لاشيء قليل إلى متوسط طمي عضوي ، رمل أو طمي ناعمMHطمي وطين حد السيولة > من 50 Silts & Clays 50< LL عالي لا شيء عالي إلى عالي جداً طين غير عضوي ذو لدونة عالية CHقليل إلى متوسط لا شيء إلي بطيء جداَ متوسط إلى عالي طين عضوي بلدونة متوسطة إلى عالية OHاللون والرائحة والملمس الأسفنجي الخث والتربة العالية العضوية PTحبيبات التربة متعددة المقاسات وتظهر المقاسات المتوسطة بشكل أكبرحصى متدرج تدرجاً مناسباً مختلط مع الرمل ويحتوي على قليل من التربة الناعمة GWحصى نظيف
Clean Gravelحصى Gravelsأكثر من نصف الجزء الخشن أكبر من منخل رقم (4) More than half of the coarse fraction is larger than #4 sieveتربة خشنة Coarse Grained Soilsأقل من نصف العينة أقل من منخل رقم 200Less than half of the material is smaller than #200 sieveالغالبية العظمى من مقاس واحد مع فقدان بعض المقاسات المتوسطة منهاحصى متدرج تدرجاً مناسباً مختلط مع الرمل ويحتوي على قليل من التربة الناعمة GPحبيبات ناعمة غير لدنة أو ذات لدونة قليلة (انظر أيضاً طريقة الوصف ML) حصى مع طمي خليط من الحصى والرمل والطميGMحصى مع حبيبات ناعمة GravelWith Finesحبيبات ناعمة لدنة (انظر أيضاً طريقة الوصف CL)حصى مع طمي خليط من الحصى والرمل والطمي GCحبيبات التربة متعددة المقاسات مع توفر المقاسات المتوسطة بشكلأكثر رمل متدرج تدرجاً مناسباً مختلط مع الحصى ويحتوي على قليل من التربة الناعمة SWرمل نظيف Clean Sandsرمل Sandsأكثر من نصف الجزء الخشن أكبر من منخل رقم (4)More than half of the coarse fraction is larger than #4 sieve
الغالبية العظمي مقاس واحد أو عدة مقاسات مع فقدان بعض المقاسات المتوسطة منهارمل متدرج تدرجاً مناسباً مختلط مع الحصى ويحتوي على قليل من التربة الناعمة SPحبيبات ناعمة غير لدنة أو ذات لدونة قليلة (انظر طريقة الوصفML)رمل مع طمي ، خليط من الرمل والطميSMرمل مع حبيبات ناعمةSandsWith Finesحبيبات ناعمة لدنة (انظر طريقة الوصف CL)رمل مع طين ، خليط من الرمل والطين
SC
2 – نظام آشتو لتصنيف التربة AASHTO Soil Classification :
وهو النظام المعتمد لتصنيف أنواع التربة لأعمالالطرق ، ولقد تم تقسيم التربة فيه إلى سبع مجموعات رئيسية إضافة إلى المجموعات الجزئية ، ويتم تقدير التربة بناء على دليل المجموعة Group Index,GI والذييمكنالحصولعليه بالمعادلة التالية : دليل المجموعة GI = (F-35) {0.2+0.005 (LL-40)}+0.01(F-15) (PI-10)
حيث إن :
F = نسبة التربة الماره من منخل رقم (200) .
LL = حد السيولة ( ٪ ) .
PI = دليل اللدونة ( ٪ ) .
ملاحظة : عندمايكون 35> F استخدام F –35 = 0
والاختبار الوحيد المستخدم في تصنيف التربة حسب نظام آشتو هو اختبارحدود أتربرج (حد السيولة ودليل اللدونة ) ولقد تم تقسيم التربة في النظام حسب مقاساتها طبقاً للجدول رقم (12) . جدول رقم (12)
تقسيم التربة حسب المقاس ( نظام آشتو ) مجال المقاس التربة أكبر من 75 مم صخور كبيرة Bouldersمن 75 مم إلى منخل رقم 10 حصى Gravelمن منخل 10 إلى منخل 40 رمل خشن Coarse Sand من منخل 40 إلى منخل 200 رمل ناعم Fine Sandالتربة المارة من منخل رقم 200 طمي مع طين Silt – Clay
ويمثل الجدول رقم (13 ) طريقة تصنيف التربة حسب نظام آشتو .
ويوضح الجدول رقم (14) المعادلة التقريبية للرموز الخاصة بالتربة بين نظام آشتو ونظام تصنيف التربة الموحد : نظام آشتو AASHTO النظامالموحدUSC A – 1- b SW, SP , GM , SMA3 SPA –2 – 4 GM , SMA – 2 – 5 GM , SMA – 2 - 6 GC , SCA – 2 –7 GM , SM , SC , GCA – 4 ML , OLA- 5 OH , MH , ML , OLA – 6 CLA – 7 – 5 OH , MHA – 7 – 6 CH , CL
12 - دك التربة
الدك هي الطريقة التي يتم بها زيادة كثافة التربة بطرق ميكانيكية بهدف إزالة كمية كبيرة من فقاعات الهواء الموجودة بالتربة ، وقد تتضمن بعض عمليات الدك تغير نسبة الرطوبة وتحسين تدرج حبيباته ، وتتم عملية دك التربة الغير متماسكة كالتربة الرملية بواسطة الهـزازة Vibrating Plates أو المعدات ذات الكفرات المطاطية Rubber – Tired ويمكناستخدامالطرقالديناميكية كإسقاط وزن ثقيل من ارتفاع عال ، وفي التربة الناعمة واللزجه تتم عملية الدك بواسطة المداحل الثقيلة مثل مداحل أرجل الغنم Sheepsfoot Rollers أو مرور المعدات الثقيلة على الطريق .
وتهدف عملية الدك إلى تحسين الخواص الفيزيائية للتربة مثل :
– التقليل من هبوط التربة .
– زيادة قوة التحمل .
– التحكم في ثبات الحجم للتربة الانتفاخية أو الانهيارية .
– التقليل من قيمة معامل النفاذية .
– التقليل من انكماش التربة .
- مميزات معدات الدك من حيث وزن المعدات وحجمها وشكل الجزء الملامس للتربة من المدحلة .
- مميزات التربة من حيث الكثافة الطبيعية لها ونوع التربة وحجم وشكل حبيباتها ونسبة الرطوبة الطبيعية .
- طريقة الدك من حيث عدد مرات مرور المدحلة فوق التربة المدكوكة وسماكة الطبقات المراد دكها وسرعة المدحلة وتكرار عملية الهزاز .
والمعداتالشائعة الاستعمال والمستخدمة في عملية الدك هي كما يلي :
1 – مداحل ذات الأسطح الملساء Smooth –Wheel Roller
يتم في عملية الدك بهذه المعدة تغطية ما نسبته 100 ٪ من التربة تحت المدحلة ويصل مقدار الضغط إلى 380كيلو باسكال ، وتستخدم المدحلة في دك التربة السفلية لجميعأنواع التربة ماعداً التربة التي بها نسبةكبيرة من الصخور .
2 – مداحل بكفرات مطاطية Rubber – Tired Roller
وتتكون من جسم المدحلة الثقيل الوزن محمل على عدة خطوط مكونة من 4 إلى 6 كفرات ويتم في عملية الـدك بهـذه المعـدة تغطيـة مـا نسبته 80 ٪ مـن التربة تحت المدحلة ، ويصل مقدار الضغط إلى 700كيلو باسكال ، وتستخدم المدحلة في دك التربة السفلية لجميعأنواع التربة .
3 – مداحل أرجل الغنم Sheepsfoot Roller
تتكون من العديد من البروزات الدائرية أو المربعة التي تشبه أرجل الغنم على إسطوانة دائرية ، ويتم في عملية الدك بهذه المعدة تغطية ما نسبته 12٪ من التربة تحت المدحلة ويصل مقدار الضغط من 700 إلى 1400كيلو باسكال حسب سعة الاسطوانة وعما إذا كانت مملوءة بالماء ، وتستخدم هذه المدحلة في دك التربة اللزجة .
4 – مداحل بأرجل Tamping Foot Roller
تتكون من العديد من البروزات وتشبه مداحل أرجل الغنم ، ويتم في عملية الدك بهذه المعدة تغطية ما نسبته 40٪ من التربة تحت المدحلة ، ويصل مقدار الضغط من 1400إلى 8400كيلو باسكال حسب حجم المدحلة وعما إذا كانت الإسطوانة مملوءة لزيادة وزنها ، وتستخدم المدحلة في دك التربة الناعمة .
5 – المداحل الشبكية Grid Roller
تتكون من العديد من البروزات مثبتة على إسطوانة دائرية ، ويتم في عملية الدك بهذه المعدة تغطية ما نسبته 50 ٪ من التربة تحت المدحلة ويصل مقدار الضغط من 1400إلى 6200كيلو باسكال وتقوم البروزات عند مرورها بسرعة بتكسير وهز ودك التربة ، وتستخدم المدحلة في دك التربة الصخرية والرملية .
6 – مدحلة بإسطوانة هزازة Vibrating Drum Roller
تتكون من مدحلة ذات سطح أملس أو مدحلة بأرجل ومركب عليها هزازات أفقية لدك التربة الحبيبة ، وتستخدم المداحل في المناطق الضيقة التي لا تصل إليها المعدات الثقيلة الأخرى .
7 – استخدام الكمبروسر وصفيحة معدنية
تستخدم في دك المناطق الصغيرة والضيقة .
13 – تثبيت التربة
يعتبر الأسمنت والجير والبيتومين السائل أو القار من أفضل المواد المحسنة التييمكن إضافتها للتربة ، وتعتمد كمية المواد المضافة على نوع التربة المراد معالجتها ، ويتم تصميم الخلطةالمناسبة في المعمل بأخذ عينات من التربة وإضافة نسب مختلفة من المواد المحسنة ودكها حتى يتم الوصول إلى أنسب خلطة كما يتم تثبيت التربة في بعض الأحيان باستخدام الأنسجة Geotextiles or Fabrics والتي تستخدم كعازلات ومرشحات أو لتصريف المياه ، أو استخداممواد بلاستيكية لتسليح التربة .
14 – المشاكلالفنية للتربة الموجودة في المملكة
– تحميل التربة بأحمال مساوية أو أكثر من الأحمال المفترضة عليها لفترة زمنية محددة حتى يتم الحصول على أعلى نسبة من الهبوط ثم إزالة هذه الأحمال .
– دك التربة بإحدى الطرقالفنية المتعددة .
– تحسين خواص التربة بإضافة المواد الكيميائية لتقوية ترابط جزيئاتها وزيادة قوتها وتغيير خصائصها الفيزيائية .
– استخدام اللبشة الخرسانية على كامل مسطح المبنى في تصميم الأساسات .
– الأخذ في الاعتبار عند تصميم المبنى مقاومة أخطار الزلازل في المناطق النشطة زلزالياً .
14 – 4 – تكهفات الحجر الجيري Cavities in Lime Stone :
التكهفات هي فجوات داخلالحجر الجيري يصل حجمها من بضع سنتيمترات إلى عدة أمتار، وتحتوي هذه الفجوات على مواد متحللة من الصخر ترجع أسبابها إلى التحليل الكيميائي في بعض أجزاء الصخر الضعيف نتيجة لارتفاع منسوب المياه الجوفية التي تحتوي على الكبريتات والكلوريدات وتفاعلها مع مادة الصخر المحتوية على كربونات الكالسيوم ، وبالتالي يضعف من قوة إجهادها . وتكمن مشكلة هذه التكهفات في أنه يصعب التنبؤ بمكانها ، ويمكن إغفالها في أعمال حفر الجسات حيث قد تكون بين حفرتين متقاربتين ويحدث نتيجة لذلك انهيارات مفاجئة عند تنفيذ الأساسات لعدمتحملها للاجهادات المفروضة ، ويمكناكتشافمواقع هذه التجويفات باتباع إحدى الخطوات التالية :
- أهميةإجراء الاختبارات الجيوفيزيائية على تربة الموقع قبل إعداد برنامج حفر الجسات .
- إجراءاختبار قوة تحمـل الصخر Sounding Test والذى يتمثل في إدخال أنبوبة معدنية خلال الصخر بسرعة معينة ، وتعتمد هذه السرعة على قوة الصخر الموجود وملاحظة أي تغير مفاجئ في سرعة اختراق الأنبوبة ، والذي يعتبر مؤشراً على وجود تجويفات في الصخر .
وعند اكتشاف التجويفات يمكن اتباع مايلي للتقليل من خطرها :
- التكهفات الصغيرة والقريبة من منطقة الأساسات يمكن حفرها وإزالةمواد التجويف وتنظيفها وإعادة ملئها بالخرسانة أو دكها على طبقات بمواد مناسبة .
- التكهفات البعيدة من منطقة الأساسات يتم حقنها بالأسمنت لتغيير خواصها وزيادة قوة تحملها .
- وضع طبقة من الخرسانة المقاومة للكبريتات تحت الأساسات لحماية خرسانتها وحديد تسليحها وعزلها عن المياه الجوفية .
- محاولة وضع برنامج الحفر والجسات تحت مواقع الأساسات إن أمكن ذلك .
14 – 5 – ارتفاع منسوب المياه الجوفية GWT Rise :
تعتبر الزلازل من أخطر الظواهر الطبيعية على حيـاة الإنسان والممتلكات ، فعند حدوث هزة أرضية تتعرض المنشآت إلى قوى أفقية ورأسية كبيرة تكون سبباً في تصدعها أو انهيارها ، وخصوصا إذا كانت هذه المنشآت غير مصممة ومنفذة لتقاوم أخطار الزلازل .
وعندمـا تحدث هزة أرضية فإن التربة الرملية تتصرف تصرفاً مختلفاً عما إذا كانت محملة أفقياً، ويكمن هذا الاختلاف في أن الأحمال الزلزالية تحدث في اتجاهات معاكسة لقوى القص ويؤثر هذا على الرمل بحيث يصبح أكثر كثافة ، وهذه الظاهرةتسبب ازدياداً في كمية ضغط المياهالزائدة Excess Pore Water Pressure حتى يصبح عندها الضغط الفعلي Effective Stress مساوياً للصفر ، وتسمى هذه الظاهرة بظاهرة تميـع التربـة الرملية Liquefaction of Sand لأن قوتها أصبحت ضعيفة ، وإذا كان الرمل غير كثيف فإنه يتصرف كالسائل الكثيف ، والرمل المشبع بالماءتكون قوة مقاومته أضعف ، أما الرمل الكثيف فهو أكثر مقاومة في حالةحدوث الهزة الأرضية .
ولقد قامت مدينةالملك عبدالعزيزللعلوم والتقنية بتدعيم العديد من البحوث العلمية في مجال هندسة الزلازل ، وتمثل الخارطة المرفقة نتيجة أحد الأبحاث التي قام بها مجموعة من الباحثين بجامعةالملكسعود والتي يظهر بها تقسيم المملكة إلى مناطق حسب نشاطها الزلزالي ، ويمثل التقسيم ما يلي :