روش‌های حفاری خاک

‌شناسایی 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 می‌کند. مهندسان ژئوتکنیک با خاک و سنگ که مصالحی طبیعی هستند سر و کار دارند و خصوصیات این مصالح از نقطه‌ای به نقطه دیگر و حتی در مقابل یک بارگذاری نسبت به بارگذاری دیگر تفاوت خواهد کرد. بنابراین لازم است پیش از طراحی‌های ژئوتکنیکی و همچنین طراح سازه‌های مرتبط با زمین، کاوش‌های صحرایی و آزمایش‌های برجا را برای شناسایی رفتار مصالح و جمع آوری اطلاعات زمین انجام داد.

انواع کاوش‌های صحرایی

حفاری، قدیمی‌ترین روش جمع آروی اطلاعات از وضعیت زیر سطحی زمین است. معمولاً حفاری توسط دستگاه‌های حفار که دارای موتور محرک، دکل بزرگ و میله‌های بلند و سرمته هستند صورت می‌پذیرد. هر چند که روش حفاری دسترسی مستقیم به لایه‌های زیر سطحی را فراهم می‌کند 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 می‌شود.

کاوش‌های ژئوفیزیکی روش‌های کارا و غیر مخرب در مطالعه وضعیت زمین به حساب می‌آیند. روش‌های ژئوفیزیک قادرند مشخصات زمین را در کمترین زمان و با کمترین دست خوردگی در محیط به دست می‌دهند.

جایگاه و نقش آزمایش‌های ژئوفیزیک

حفاری در مقایسه با روش‌های ژئوفیزیکی از این امتیاز برخور‌دار است که به طور مستقیم زمین را مورد بازدید قرار داده و از آن نمونه گیری می‌نمایند. بر همین اساس اطمینان بیشتری نسبته به نتایج آن وجود دارد. این در حالی است که در روش‌های ژئوفیزیکی نمونه گیری وجود نداشته و مشخصات در این روش‌ها عمدتاً بر اساس برقراری ارتباط بین خواص خاک یا سنگ و خصوصیات امواج فیزیکی حاصل می‌شود. در نتیجه اطلاعات حاصله از آنها حالت اجمالی داشته و از دقت بالایی برخوردار نیست‌. اطلاعات حاصل از حفاری از نقاط پراکنده‌ای به دست می‌آید. که با بهره گیری مناسب و اضافه کردن قضاوت مهندسی و تحلیل‌های مبتنی بر تجربه به آنها تغییرات لایه‌های زیر سطحی در بین این نقاط تخمین زده می‌شود. 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 ماسه‌های سست و نفوذپذیر به دلیل قرار گیری در بین گمانه مورد غفلت شود، می‌تواند طراح را در محاسبه نشت پی دچار خطای بزرگی نماید. روش‌های ژئوفیزیک از سهولت و سرعت برخوردار بوده و نسبت به روش‌های حفاری از هزینه کمتری برخوردار است.

روش‌های ژئوفیزیک به رغم کاستی‌هایی که در بین دقیق خواص لایه‌های پی دارند معمولاً نتایج را در محدود مورد مطالعه به طور پیوسته ارائه می‌دهند و می‌توانند 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 حفاری‌ها نیست. از طرفی دیگر برای یک سد کوتاه که به منظور تغذیه مصنوعی در یک دره عریض یا آبرفت همگن و شناخته شده احداث می‌شود، شاید بتوان فقط با کاوش‌های ژئوفیزیک اطلاعات مورد نیاز طراحان را به دست آورده و در هزینه‌های حفاری صرفه جویی نمود.

فاصله و عمق گمانه

فاصله گمانه‌ها 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 روش‌های حفاری و گمانه زنی

هدف اصلی در تمام روش‌های گمانه زنی به دست آرودن نمونه‌های شاهد از لایه‌های زیرسطحی در اعماق مختلف است. هر یک از این روش‌های 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، ساده‌ترین 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 حلزونی‌های مجزایی تشکیل شده که به یکدیگر متصل شده‌اند. هنگام دوران، سرمته خاک را شل نموده و بریده‌  و حلزونی‌ها خاک را به بالای گمانه منتقل می‌نمایند. حلزونی‌های ۱/۵ متر طول داشته و قطر خارجی آنها از ۱۰ سانتیمتر تا ۳۵ سانتیمتر متغییر است.

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

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 مارپیچ‌های مته انجام شده و خاک توسط آنها توسط آنها به بیرون رانده می‌شود. مارپیچ‌ها توخالی هستند . این کار اجازه می‌دهد 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 میله‌های حفار متصل شده که این میله‌ها در داخل ساقه توخالی قرار گرفته‌اند و سرمته دیگر به انتهای اوگر اصلی متصل می‌شود. هنگام حفاری سرمته‌های داخلی و خارجی به همراه یکدیگر چرخیده و خاک را در کف گمانه برش داده و سست می‌نمایند. خاک‌های برش خرده توسط مارپیچ‌ها به بالای گمانه منتقل می‌شوند. برای نمونه گیری اتصالات میله حفار برداشته شده و میله‌های حفار مرکزی از داخل گمانه بیرون کشیده می‌شوند. سپس نمونه گیر به انتهای میله حفار متصل شده و برای نمونه گیری به کف گمانه فرستاده می‌شود. پس از نمونه گیری سرمته مرکزی بار دیگر به میله‌های حفار متصل شده و با فرستادن آن به داخل گمانه حفاری از سر گرفته می‌شود.

مزیت اصلی اوگرهای توخالی نسبت به توپر این است که میله‌های حفار مرکزی را می‌توان 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 می‌نمایند.

مراحل

• حفاری گمانه با ترکیبی از ضربه زدن و خرد کردن توسط ادوات حفاری
• تبدیل قطعات خاک و سنگ به تکه‌های کوچکتر به وسیله مایع تحت فشار
• ارسال خرده ریزه‌ها 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 می‌شود. 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 می‌نماید. در بالای گمانه گل حفاری پس از عبور از یک سرند به داخل مخزن گل یا حوضچه گل یا حوضچه آرامش ریخته می‌شود. مخزن گل دارای اجزایی متعددی است که به قطعات خرد شده خاک اجازه ته نشین شدن را می‌دهد.

هنگام حفاری بخ روش دورانی با گل حفاری در خاک‌های بدون چسبندگی یا خاک‌های با قابلیت فرسایش زیاد، از یک غلاف بیرونی برای ایجاد یک سیستم گردشی بسته استفاده می‌شود. غلاف همزمان با حفاری تا رسیدن ‌یک خاک متراکم غیر فرسایشی یا سنگ به داخل رانده می‌شود 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 می‌شود. این چگالی بیشتر از ته نشینی قطعات خرد شده خاک در کف گمانه جلوگیری نموده و به حذف راحت آنها کمک می‌نماید. 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 روش‌هایی است که برای پایدار سازی گمانه در مقابل ریزش استفاده می‌شود و شامل یک استوانه فلزی است که در خاک قرار داده می‌شود) در ماسه قرار گرفته در زیر تراز آب نیز می‌تواند 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 می‌شوند. همزمان با چرخش مغره گیر و حرکت آن به سمت پایین سرمته یک مقطع حلقه ای از خاک یا سنگ را برش می‌دهد. 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 می‌شود. با باز نمودن محفظه مغزه گیر یک نمونه پیوسته از خاک یا سنگ به دست می‌آید.

حفاری با اوگر باکت (جام حفار)

اوگرهای سطلی در جایی استفاده می‌شود که برداشت و تهیه نمونه دست خورده در حجم زیادی از خاک مورد نظر باشد. در این روش یک سطل استوانه‌ای شبیه بشکه به قطر ۶۰ الی ۱۲۰ سانتیمتر در انتهای میله حفاری قرار گرفته و امکان تهیه حجم زیادی از خاک را فراهم می‌کند. سطل نمونه گیر یک استوانه‌ای فلزی روباز است که طولی بین ۶۰ تا ۹۰ 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 شمع‌ها نیز استفاده می‌شود. ضمن آنکه با توجه به قطر وسیع چاه حفاری شده معمولاً امکان حضور یک نفر در درون چاه به منظور مشاهده مستقیم لایه‌ها و احیاناً نمونه گیری دست نخورده وجود دارد. به رغم مزایای مذکور در خاک‌های غیر چسبنده و زیر سطح آب زیرزمینی استفاده از اوگرهای سطلی به دلیل احتمال ریزش جدار توصیه نمی‌شود.

به جز ماسه‌های ریزشی از جام‌های حفار می‌توان در اکثر خاک‌ها 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 می‌توان حفاری نمود. در این حالت‌ها حفاری را می‌توان با پر کردن آب یا گل حفاری ادامه داد. این گل حفاری یا آب با ایجاد هد مثبت باعث کاهش تمایل دیواره‌ها به فرو ریزش و ناپایداری می‌شود.

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 سنگ‌ها می‌شود.

حفاری به روش پر کاشن

در سیستم‌های حفاری ضربه‌ای یک چکش سنگین متناوباً بالا برده شده و سقوط داده می‌شود. انرژی ناشی از سقوط وزنه موجب خرد شدن سنگ و حفر گمانه می‌شود. خرده‌های ریزه‌های حفاری در این روش معمولاً توسط جریان سیال تحت فشار به سطح زمین انتقال داده می‌شود. باتوجه به مکانیزم مذکور حفاری ضربه‌ای در زمین‌های نرم و خاک‌های چسنبده آب دار کارایی ندارد.