SUPERVISOR
Mohammad reza Eftekhar,Mohammad ali Rowshan Zamir,Hamid Hashemalhosseini
محمدرضا افتخار (استاد مشاور) محمدعلی روشن ضمیر (استاد راهنما) حمید هاشم الحسینی (استاد راهنما)
STUDENT
MOHAMADREZA HAJIAN HOSEINABADI
محمدرضا حاجیان حسین آبادی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی عمران
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1396
TITLE
Determination of Soil Resistance Parameters using Drilling Data (Analytical and Experimental Method)
bstract Determining soil strength parameters such as uniaxial compressive strength using suggested standard methods is costly and time consuming mainly due to difficult sample preparation and destructive procedure. Estimating soil strength parameters using operational drilling data can be a fast and reliable method. In this case, several researchers have proposed different experimental and analytical methods on the rocks and concretes. The experimental methods are based on the measurement of the required thrust force during drilling under constant speed of rotation and rate of penetration as drilling resistance. The amount of the drilling resistance is correlated with the uniaxial compressive strength of rock and concrete. The analytical methods have proposed models based on force or energy equilibrium methods. Most of the models propose methods to estimate the uniaxial compressive strength through the investigation of interaction between the bit and sample especially in rotary drilling process. These models use the parameters of interaction between the bit and rock in drilling process to offer relationships between these parameters and rock strength. In order to increase the efficiency of this technique and also to investigate the roles of parameters affecting the estimated results, it is necessary to consider several factors of interaction between the bit and soil in the drilling process. Therefore, in this thesis attempts to introduce more parameters of the drilling process, such as crushed zone, contact friction between the soil and crushed zone, contact friction between the bit and crushed zone and contact friction between the bit and soil, a new analytical model is proposed based on limit equilibrium of forces in the drilling process. Based on the model, a method is used to estimate the soil strength parameters from the operational drilling data. Unlike direct shear test that is useful just for fine-grained soil, this method can be used also for sandy soils and can estimate uniaxial compressive strength of every soils without wasting time and cost. The new model provides an analytical relationship between the soil strength parameters, bit geometry and operational drilling parameters such as thrust force, torque, rate of penetration and speed of rotation. The model reveals the effects of these parameters on the estimated results. In addition, it is possible to estimate soil strength parameters only by a blunt bit. Using a is very simple bit like this kind that was used in this investigation can cause that there is a little time to research on soils. In addition, bit bluntness is very low and its efficiency is more. To estimate required parameters for developed analytical model a portable drilling machine was developed and used. The portable drilling machine allows for drilling tests on site as well as on soil samples. Due to the small dimensions of the drilling, this technique can be considered as a non-destructive method. The drilling experiments performed by this machine on the finely sanded clay, clay (with sand), clay silty with low plastic limit, poorly graded clay sand (large), show that the results of the proposed model are in good agreement with the results of standard laboratory tests. Using different ranges of humidity on soils which consist a variety of strength, causes that this investigation has been known as a general and expansive experimental and analytical model for soils, also not only can this model estimate strength parameters for soil very accurate, but also there is a way to expand it for all soils and all conditions. It is showed that this analytical model is very accurate and successful because of more than 96 percent conjunction between datum. Key words Unconfined Compressive Strength, non-destructive method, drilling, sand, clay
تعیین پارامترهای مقاومتی خاک همچون مقاومت فشاری تک محوره با استفاده از روشهای استاندارد مرسوم از جهت آماده سازی نمونه و فرآیند مخرب آن پر هزینه و زمان بر میباشد. برآورد پارامترهای مقاومتی خاک با استفاده از دادههای عملیاتی حفاری میتواند یک روش مطمئن و سریع باشد. دراین رابطه محققان مختلفی روشهای تجربی و تحلیلی متعددی برای سنگها و بتنها ارائه کرده اند. روشهای تجربی بر پایه اندازه گیری مقدار نیروی بار پشت مته لازم جهت نفوذ در نمونه سنگ و بتن بهعنوان مقاومت حفاری تحت شرایط حفاری با سرعت چرخش و نرخ نفوذ ثابت میباشد که بین مقاومت حفاری و مقاومت فشاری تک محوره همبستگیایجاد میشود. همچنین روشهای تحلیلی، مدلهای مبتنی بر تعادل حدی نیروها و یا مبتنی بر تعادل انرژی در فرآیند حفاری ارائه کرده اند. بیشتر آنها با هدف بررسی اندرکنش بین مته و نمونه در فرآیند حفاری بوده است که دراین راستا روشهایی نیز جهت برآورد مقاومت فشاری تک محوری ارائه شده است. بیشتراین روشها در سیستم حفاری چرخشی میباشد. این مدلها پارامترهایی از اندرکنش بین مته و سنگ در فرآیند حفاری و هندسه مته را بهکار گرفته و روابطی ارائه کرده اند. بهمنظور افزایش کارآییاین تکنیک بهخصوص در خاکها و همچنین بررسی نقش و تاثیر برخی از پارامترهای موثر برنتایج برآورده شده ضرورتدارد که عوامل متعددی از اندرکنش بین مته و خاک در فرآیند حفاری در نظر گرفته شود. ازاین رو دراین پایان نامه تلاش شده است با وارد کردن پارامترهای بیشتری از فرآیند حفاری همچون تاثیر زون متراکم شده، اصطکاک تماسی بین خاک و زون متراکم شده اصطکاک تماسی بین مته وزون متراکم شده، اصطکاک تماسی بین مته و خاک، مدل تحلیلی جدیدی مبتنی بر تعادل حدی نیروها در فرآیند حفاری ارائه شود. بهکمکاین مدل، روشی جهت برآورد پارامترهای مقاومتی خاک از دادههای حفاری ارائه میشود. این روش بر خلاف آزمایش برش پرهای که تنها برای ریزدانهها کاربرددارد، در خاکهای ماسهدار نیز مورد قبول واقع شده و پارامتر مقاومت تک محوره هرنوع خاک را در سطوحهای مختلف خاک، با صرف زمان و هزینه کمتر برآورد میکند. مزیت اصلیاین روش ارائه روابط تحلیلی روشن بین پارامترهای مقاومتی خاک، پارامترهای هندسی مته و پارامترهای عملیاتی حفاری همچون نیروی بارپشت مته، گشتاور، نرخ نفوذ و سرعت چرخش مته میباشد که تاثیر برخی ازاین پارامترها برروی نتایج برآورد شده آشکار میشود. دراین روش امکان برآورد پارامترهای مقاومتی خاک تنها با حفاری توسط یک مته کند فراهم میشود. این مته بدلیل ساده بودن،در زمان کمی نسبت به آزمایشهای دیگر قابل فراهم نمودن است. ازطرف دیگر سایش مته بسیار کم بوده و بازدهی و کارایی بیشتری دارد. جهت بررسی کارایی مدل و انجام آزمایشهای حفاری، دستگاه حفاری با قابلیت حفاری و اندازه گیری دادههای حفاری طراحی و ساخته شده است. این دستگاه قابل حمل بوده و امکان انجام آزمایشهای حفاری در محل و همچنین برروی نمونههای خاکی را فراهم میکند. بهدلیل کوچک بودن ابعاد حفاری توسطاین دستگاه،این روش میتواند بهعنوان یک روش غیر مخرب در برآورد پارمترهای مقاومتی خاک محسوب شود. آزمایشهای حفاری انجام شده توسطاین دستگاه برروی خاکهای خاک ماسه (ریز) رسدار، رس (با ماسه)، لای(رسدار) با خمیری پایین و ماسه (درشت) بد دانه بندی شده رسدار نشان میدهد، نتایج بهدست آمده از مدل ارائه شده همسویی خوبی با نتایج آزمونهای استاندارد آزمایشگاهیدارد. استفاده از رطوبتهای مختلف در خاکها و بررسی خاکها با مقاومت های گوناگون باعث گسترش و بررسی جامع این مدل تحلیلی و تجربی برای خاکها شده و ضمن بدست آوردن پارامترهای مقاومتی خاک با درصد دقت بالا، زمینه گسترش این مدل برای انواع خاکها در شرایط مختلف را فراهم کرده است. وجود همبستگی بالای 96 درصدی در دادهها نشان از موفقیت و دقت بالای مدل تحلیلی ارائه شده دارد. کلمات کلیدی: مقاومت فشاری تک محوره، آزمون غیر مخرب، مقاومت خاک، دادههای حفاری، ماسه، رس، مته