logo

logo

logo

logo

logo

التحريات الجيوفيزيائية

تحريات جيوفيزياييه

Geo Physical Investigations -

التحريات الجيوفيزيائية (الهندسية)

عبد المنان عرابي

الطرائق الجيوفيزيائية لاستكشاف التربة وتطبيقاتها الهندسية

طرائق الكشف الزلزالي seismic detection methods

التحري بالمقاومية الكهربائية electrical resistivity method

طريقة الجاذبية الأرضية gravity method

طريقة اختراق الأرض بالرادار

 

الجيوفيزياء geophysics علم تطبق فيه مبادئ الفيزياء وقوانينها على طبقات الأرض لدراسة تراكيبها الجيولوجية وما تحويه من مواد خام وثروات باطنية وأحواض مياه جوفية وغيرها، وكذلك إعداد خرائط التراكيب الجيولوجية للصخور تحت السطحية وتعرّف أنواعها، إضافة إلى الكشف عن التصدعات والفوالق وتحديد أماكنها. كما تساعد التحريات الجيوفيزيائية geophisical investigation على حل كثير من المشاكل الهندسية والجيوتقنية والبيئية، مثل تحديد مواقع التكهفات وأعماقها لتقليل المخاطر عند إنشاء المباني والجسور وغيرها، كما تساعد أيضاً على تحديد أعماق الصخور الصالحة لتأسيس المنشآت. وعموماً تساعد التحريات الجيوفيزيائية الهندسية على:

- رسم الخرائط الكِفافية (الكونتورية contour) وتحديد أعماق الطبقات؛ ومن ثمّ معرفة سماكة أحواض الترسيب في المنطقة المدروسة.

- تحديد التراكيب الجيولوجية تحت السطحية -كالفوالق والتصدعات- ومدى تأثيرها في المنشآت الهندسية والأنفاق وخطوط الأنابيب بأشكالها عامة؛ والتتابع الطبقي ونطاق الضعف وأماكن التحدب والتقعر.

- تحديد مواقع النفايات الصناعية والكيميائية والنووية المطمورة تحت السطح ومدى تأثيرها في المياه الجوفية ومخاطر انبعاث الغازات المشعة؛ وأماكن تداخل المياه المالحة مع المياه العذبة.

- تحديد سماكة الطبقات الصخرية التي تستخدم قاعدة للمنشآت الهندسية كالسدود والخزانات ومحطات توليد الكهرباء؛ إضافة إلى المحطات النووية.

والجدير بالذكر هنا أن التحريات الجيوفيزيائية تسمح باستكشاف مناطق واسعة وبكلفة قليلة مقارنة بالتحريات الحقلية؛ لكن يصعب في كثير من الحالات الحصول على نتائج تفصيلية دقيقة وكاملة، لذلك تستخدم هذه التحريات بالدرجة الأولى في الأعمال المبدئية لدراسة طبقات التربة.

الطرائق الجيوفيزيائية لاستكشاف التربة وتطبيقاتها الهندسية

تستخدم الطرائق الجيوفيزيائية عموماً بهدف استكشاف التربة ودراستها على مساحات واسعة وتحديد خصائصها الجيولوجية والهندسية من دون اللجوء إلى عمليات الحفر المكلفة، ومن دون تغيير معالم السطح. كما أن تطور هذه الطرائق وتنوعها خلال العقود الأخيرة سمح بتقديم بيانات ومعطيات ضرورية للتصميم وبأقل التكاليف خلال فترة زمنية قصيرة، مما أعطى أهمية كبيرة للمسح الجيوفيزيائي في مجالات الهندسة؛ ولاسيما الهندسة المدنية. لا تقتصر تطبيقات الطرائق الجيوفيزيائية على كشف القاعدة الصخرية للمنشآت الهندسية، وتحديد منسوب المياه الجوفية، وتوصيف الطبقات السطحية (رمل-غضار)، أو الكشف عن التربة الضعيفة ومستويات الانزلاق فحسب؛ بل تشمل أيضاً تحديد بعض المعايير والمعاملات التي يحتاج إليها المصمم؛ كمعامل القص والكثافة والمسامية والنفاذية، إضافة إلى بعض المعطيات الضرورية لتصميم الأساسات والمنشآت لمقاومة الزلازل. كما يساعد الاستخدام الصحيح للطرائق الجيوفيزيائية على تحديد أماكن المخاطر غير المتوقعة وإعطاء الاستشارة الهندسية المناسبة لتجنب هذه الأخطار.

هناك العديد من الطرائق الجيوفيزيائية؛ لكنها جميعها تعتمد على قياس التباين في الخصائص الفيزيائية للصخور -مثل الكثافة والمغنطيسية والمقاومية الكهربائية وسرعة انتشار الأمواج- باستخدام أجهزة إلكترونية حساسة مع برمجيات خاصة بكل طريقة. من أهم هذه الطرائق: الطريقة الزلزالية (السيزمية)، الطريقة الكهربائية، الطريقة الكهرطيسية، طريقة الجاذبية الأرضية، طريقة اختراق الرادار.

1- طرائق الكشف الزلزالي seismic detection methods:

تنتقل الموجات الزلزالية بسرعات مختلفة بحسب طبيعة الوسط الذي تمر به، وهناك الكثير من العوامل التي تؤثر في سرعة انتشار الموجات؛ مثل الكثافة والرطوبة ووجود الفراغات واستمراريتها؛ إضافة إلى مرونة المادة. تعتمد طرائق الكشف الزلزالي على التباين في خواص التربة المكونة للقشرة الأرضية، ومن هذه الطرائق طريقة التحري بالانكسار seismic refraction methods وتستخدم حتى عمق 300م، وعندما يزيد العمق على 300م تستخدم طريقة التحري بالانعكاس seismic reflection methods.

تولد هذه الطرائق نوعين من الموجات الزلزالية: الموجات الرئيسية أو الطولية (sP-wave) Primary wave التي تنتشر ضمن الأجسام الصلبة والسائلة فتحرك ذرات المادة بشكل موازٍ لمنحى انتشار الأمواج، والنوع الثاني يعرف بموجات القص أو الأمواج الثانوية (S-wave) Secondary wave حيث تتحرك ذرات المادة بشكل متعامد مع منحنى انتشار الأمواج؛ فتؤدي إلى تشوهات قص في الصخور؛ ولكنها لا تنتشر في السوائل. تنتشر الأمواج الرئيسية بسرعة أكبر من الأمواج الثانوية، ولا حاجة إلى سبور واختبارات مخبرية إذا تم تحديد سرعة موجة القص وسرعة الموجة الطولية وقياسهما قياساً صحيحاً تحت منسوب التأسيس. يساعد قياس سرعة الموجات الزلزالية الرئيسية والثانوية بالطرائق الجيوفيزيائية على تحديد الكثير من الخصائص المرنة للتربة؛ إضافة إلى تحمل التربة المسموح به؛ ومعامل رد فعل التربة؛ وكذلك وزنها الحجمي، وذلك باستخدام علاقات تجريبية بسيطة نسبياً، فالعلاقة بين مقاومة التربة والقياسات الجيوفيزيائية مرتبطة بمعامل القص الذي يعدّ مؤشراً وموجهاً لكثير من هذه الخصائص. ويمكن حساب معامل القص ومعامل المرونة الطولي (ثابت يانغ Young) بدلالة كثافة التربة وسرعة الموجات الزلزالية بالعلاقات (1 و2):

حيث:

p: كثافة التربة، : معامل القص للتربة،: سرعة موجة القص وتقدر بـ m/s، : سرعة الموجة الرئيسية وتقدر بـ m/s أيضاً.

اعتماداً على نظرية المرونة يعطى معامل القص بدلالة معامل المرونة كما في العلاقة (3):

حيث : معامل بواسون Poisson للتربة.

ومن ثم تكتب العلاقة بين معامل المرونة ومعامل بواسون والوزن الحجمي للتربة كما في العلاقة (4):

حيث : معامل بواسون للتربة، معامل مرونة التربة، تسارع الجاذبية الأرضية، الوزن الحجمي للتربة.

يمكن تحديد معامل بواسون ومعامل مرونة التربة بالعلاقتين (5 و6):

حيث النسبة بين مربع سرعة الموجات الطولية إلى مربع سرعة موجات القص

يحدد معامل رد فعل التربة اللازم لتصميم الأساسات المرنة بدلالة سرعة موجات القص كما في العلاقة (7):

كما يمكن تحديد الوزن الحجمي للتربة (KN/m3) بعد معرفة سرعة موجات الزلزالية الطولية وذلك باستخدام إحدى العلاقتين (8 و9):

حيث:

: سرعة الموجات الطولية وتقدر ب m/s

: الوزن الحجمي المرجعي واحدته KN/m3، يعتمد على نوع التربة

للرمل المخلخل والسيلت والغضار

للبحص والرمل المرصوص

للصخر الغضاري والحجر الكلسي

للصخور الرملية المتشققة والشيست

بعد قياس سرعة موجات القص الزلزالية ومعرفة الوزن الحجمي يمكن تقييم تحمل التربة المسموح بالعلاقة (10):

حيث:

: عامل أمان يعتمد على سرعة موجات القص الزلزالية، وتعطى قيمه في الجدول (1).

                                            الجدول (1) عامل الأمان

نوع التربة

سرعة موجات القص m/s

عامل الأمان n

صخر صلب

1.4

صخر لين

تربة

4

: معامل تصحيح يعتمد على عرض الأساس، ويعدّ للصخر مساوياً للواحد، وقيمه مبينة في الجدول (2) لأنواع الترب الأخرى.

                        الجدول (2) قيم معامل التصحيح qa

عرض الأساس

معامل التصحيح

2- التحري بالمقاومية الكهربائية electrical resistivity method

تختلف الخواص الكهربائية للتربة المكونة للقشرة الأرضية وذلك بحســب حجم الفراغــات وطبيعتها (متماسكة أو مفككة) وتركيبها الفلزي ودرجة تجانسها ونوع السوائل المحتواة فيها. تتميز الصخور الأساسية الثلاثة (اندفاعية، رسوبية، متحولة) بمقاومية عالية؛ تتناقص في حال وجود تشققات؛ وتزداد تناقصاً إذا أشبعت بالماء. ويتميز الغضار المشبع بالماء بمقاومة كهربائية قليلة على عكس التربة الجافة حيث لها مقاومة كهربائية عالية. وتزداد المقاومية الكهربائية للتربة كلما كبر حجم حبيباتها.

تعـد غــالبية الفلزات المكونة للصخور موصلات ضعيفة للكهرباء، لذا فإن الكهربائية تنتقل عن طريق الإيونات الموجودة في مياه المسامات بين الصخور، ومن ثم فإن التوصيل الكهربائي يعتمد بصفة أساسية على الأملاح الذائبة فيها. أما في التكوينات الرسوبية ذات المسامية العالية فتتحكم درجة الإشباع وطبيعة المحلول الكهرليتي (الإلكتروليت electrolyte) والمسامية في المقاومية. لذلك تعد المقاومية معاملاً متغيراً بين تكوين صخري وآخر؛ بل ضمن التكوين نفسه. يبين الجدول (3) المقاومية (المقاومة النوعية) لبعض الصخور، كما يبين الشكل (1) تغير طبقات التربة مع العمق بحسب المقاومية الكهربائية.

الشكل (1) تغير المقاومية الكهربائية مع العمق.

تستخدم هذه الطريقة في تحديد أماكن أحواض المياه الجوفية وأبعادها وخصائصها؛ وتحديد مدى تداخل مياه البحر مع المياه الجوفية.

كذلك تستخدم هذه الطريقة في تحديد عمق الصخور الصلبة؛ ومعرفة التشكلات الجيولوجية؛ وتحديد الطبقات ذات التراكيب المختلفة والحدود الفاصلة فيما بينها؛ إضافة إلى الحدود الفاصلة بين الرمل والغضار؛ وتحديد التصدعات والفوالق، كما تساعد على تحديد منسوب المياه الجوفية وعمق الماء. وعليه يمكن حل كثير من المشاكل الهندسية التي تنشأ عند تصميم المنشآت الهندسية وتنفيذها؛ والكشف عن الطبقات الصخرية اللازمة قاعدةً لهذه المنشآت وتحديد مدى ملاءمتها.

 

                        الجدول (3) المقاومية الكهربائية للصخور

المقاومية الكهربائية resistivity

(ohm-m)

نوع الصخر أو التربة

10-107

البازلت

100-106

الغرانيت

100-108

الرخام

1-108

الصخر الرملي

50-107

الحجر الكلسي

100-5000

البحص

500-5000

الرمل

1-100

الغضار

3- طريقة الجاذبية الأرضية gravity method

تعتمد هذه الطريقة على قياس الجاذبية الأرضية للموقع؛ إذ تختلف من مكان إلى آخر وفقاً لكثافة الصخور والتركيب الجيولوجي للمنطقة؛ لأن الجاذبية تتناسب طرداً مع الكتل الجاذبة وعكساً مع مربع المسافة، لذلك لابد من استخدام أجهزة عالية الحساسية ودقيقة القياس لتسجيل التغيرات القليلة في تسارع الجاذبية الأرضية؛ ثم رسم خريطة تغيرات الجاذبية لمنطقة ما؛ وبيان التراكيب الجيولوجية من فوالق وطيات؛ إضافة إلى توضيح أماكن تداخل الصخور الاندفاعية ذات الكثافة العالية مع الصخور الرسوبية ذات الكثافة الأقل. وتستخدم طريقة الجاذبية الأرضية عموماً لتكوين فكرة عن امتداد الأحواض الرسوبية ومواقع الفوالق والتصدعات.

4- طريقة اختراق الأرض بالرادار

اختراق الأرض بالرادار Ground Penetrating Radar (GPR) بالأمواج الكهرطيسية طريقة جيوفيزيائية عالية الدقة لكشف التربة والصخور، تحت السطحية. استخدمت هذه الطريقة أول مرة في عام 1970 في القارة القطبية الجنوبية ولاقت بعد ذلك انتشاراً واسعاً في التطبيق العملي. تطبيقات الاختراق بالرادار (GPR) متنوعة جداً وتشمل الكشف عن مواقع العناصر الخدمية المدفونة والكشف عن التكهفات؛ إضافة إلى أماكن الفوالق والتصدعات في الصخور. كما تشمل تطبيقات الاختراق بالرادار تحديد مكان حديد التسليح في الخرسانة؛ والتحريات الجيوتقنية والأثرية والبيئية أيضاً، وتعد طريقة فعالة لمراقبة الجودة في المشاريع الهندسية.

تشمل تطبيقات هذه الطريقة ما يلي:

- رسم خرائط الأنابيب (بما في ذلك أنابيب PVC) والكبول والأشياء الأخرى المدفونة تحت الأرض.

- التفتيش المستمر للطبقات المكونة لأرصفة الطرق ومدارج المطارات والحصول على البيانات والتغيرات التي تطرأ على طبقات الطرق السريعة وطبقات الرصف وإصلاحها على الفور.

- رسم خرائط التكهفات أو الفراغات الموجودة تحت الطرق ومدارج المطارات أو تحت الأنفاق.

- رصد خطوط السكك الحديدية، وكشف مناطق احتمال الانهيارات الطينية.

- الفحص المفصل للمنشآت الخرسانية؛ وتحديد موقع قضبان التسليح والقنوات في العناصر مسبقة الإجهاد. كما يمكن استخدام هذه الطريقة في رسم خرائط ثلاثية الأبعاد لطبقات التسليح في المباني، وهذا يجنب الضرر عند حفر العناصر الإنشائية.

- مراقبة الجودة عند صب المنشآت الخرسانية؛ مثل الجوائز وركائز الجسور والكشف عن أماكن التعشيش والفراغات.

- تستخدم طريقة الاختراق بالرادار للكشف عن الفوالق وتحديد درجات التصدع في الكتل الصخرية؛ للتحقق من سلامتها لاستخدامها قواعد للمنشآت الهندسية ومستودعات النفايات النووية.

مراجع للاستزادة:

- An-Bin Huang, P. W. Mayne, Geotechnical and Geophysical Site Characterization, Taylor & Francis Group, London, 2008.

- J.M. Reynolds, An Introduction to Applied Environmental Geophysics. John Wiley & S o n s Ltd, 2011.

- S. Tezcan, Z. Ozdemir, A. Keceli, Seismic Technique to Determine the Allowable Bearing Pressure for Shallow Foundations in Soils and Rocks, Acta Geophysics, Institute of Geophysics Polish Academy of Sciences, 2009.

- J. R. Yelf, Application of Ground Penetrating Radar to Civil and Geotechnical Engineering, Electromagnetic Phenomena, 2007.

 


التصنيف :
المجلد: المجلد السادس
رقم الصفحة ضمن المجلد : 0
مشاركة :

اترك تعليقك



آخر أخبار الهيئة :

البحوث الأكثر قراءة

هل تعلم ؟؟

عدد الزوار حاليا : 1033
الكل : 43823428
اليوم : 106823