آزمایش لوفران برای تعیین نفوذپذیری خاک در صحرا

3532

آزمایش لوفران یک آزمون درون چاهی است که برای اندازه گیری نفوذپذیری توده های خاکی نظیر آبرفت های رودخانه ای، تراس های آبرفتی قدیمی، واریزه ها و خاک های برجا کارائی دارد.

در خاک های درشت دانه هم که عمدتاً تهیه نمونه دست نخورده برای آزمون های آزمایشگاهی مقدور نیست، آزمایش لوفران به عنوان اصلی ترین روش تعیین ضریب نفوذپذیری توده خاک کارائی دارد.

همچنین در سنگ های شدیداً درزه دار امکان آب بندی مطمئن قطعه به روش های مختلفی برای انجام آزمایش لوفران وجود دارد که به طور خلاصه این روش ها به دو دسته نقطه ای و قطعه ای و یا تراوش افقی و تراوش قائم تقسیم می شوند.

در دسته اول قطعه ای از گمانه، آب بندی شده و تحت فشار آب قرار می گیرد.

در این حالت آب به صورت افقی وارد لا یه های زمینی شده و لذا ضریب نفوذپذیری افقی توده تعیین می شود.

در دسته دوم آزمایش لوفران ، آب صرفاً از انتهای گمانه (کف گمانه) و به صورت قائم وارد محیط می شود.

بر همین اساس در آزمایش های این دسته ضریب نفوذپذیری قائم توده تعیین می شود.

در روش اخیر برای آنکه آب صرفاً از انتهای گمانه وارد زمین شود، لوله جدار (کیسینگ) را تا انتهای گمانه در زمین فرو می برند و لذا عمداً تنها راه خروج آب نقطه انتهای گمانه است.

در مواردی که جدار گمانه به علت دانه ای بودن خاک و یا سایر موارد ریزش کند، معمولاً اندازه گیری نفوذ پذیری افقی امکان پذیر نیست و لذا لوله جدار به انتهای گمانه رانده شده و آزمایش صرفاً بر ای تعیین نفوذپذیری قائم انجام می شود.

از سوی دیگر، بر حسب اینکه سطح آب داخل گمانه ثابت نگه داشته شده و دبی ورودی به زمین اندازه گیری شود و یا اینکه دبی ثابت نگه داشته شده و تغییرات سطح آب اندازه گیری شود، سه روش بار آبی ثابت، بار آبی افتان و بار آبی خیزان، برای انجام آزمایش لوفران وجود دارد.

بنابراین با وجود دو دسته آزمایش که هر یک به سه روش انجام می شوند، عملاً آزمایش لوفران به ۶ روش زیر امکان پذیر است:

  • آزمون بار آبی ثابت، به روش نقطه ای
  • آزمون بار آبی ثابت، به روش قطعه ای
  • آزمون بار آبی افتان، به روش نقطه ای
  • آزمون بار آبی افتان، به روش قطعه ای
  • آزمون بار آبی خیزان، به روش نقطه ای
  • آزمون بار آبی خیزان، به روش قطعه ای

به طور کلی روش های بار آبی افتان و خیزان صرفاً در خاک های با نفوذپذیری پایین کاربرد دارند.

در خاک های درشت دانه و به طور کلی خاک هایی که نفوذپذیری بالایی دارند، تغییرات تراز سطح آب به قدری سریع انجام می شود که نمی توان آن را با دقت اندازه گیری نمود.

از سوی دیگر در خاک های نفوذپذیر معمولاً از آزمون بار آبی ثابت استفاده می گردد.

قابل ذکر است که در آزمایش بار آبی افتان جهت جریان آب از گمانه به سوی زمین و در آزمایش بار آبی خیزان از سوی زمین به درون گمانه است.

بنابراین در آزمایش افتان خطر بسته شدن خلل و فرج خاک در اثر تهنشینی رسوبات موجود آب در جدار گمانه وجود دارد.

در مقابل، در آزمایش خیزان در صورتی که گرادیان جریان زیاد باشد، امکان شسته شدن خاک جدار گمانه و فوران خاک از گمانه وجود دارد.

در هر صورت برای انجام آزمایش باید از آب زلال و بدون آلودگی استفاده شود، تا از تشکیل کیک گل بر رو ی دیوارهای گمانه و بسته شدن خلل و فرج خاک جلوگیری شود . همچنین گرادیان آزمایش و سرعت بالا آمدن آب باید متناسب با شرایط محیط و کنترل شده باشد.

اساس و روش انجام آزمایش لوفران

اساس کار انجام آزمایش لوفران مشابه آزمایش لوژان است.

در این آزمایش آب با فشار وارد زمین شده و یا از آن خارج می گردد و میزان تغییرات دبی و ارتفاع آب اندازه گیری می شود.

با این حال یکی از تفاوت های اصلی آزمایش لوفران با آزمایش لوژان آن است که در آزمایش لوفران سطح آب آزاد بوده و در واقع قطعه مورد آزمایش نظیر آزمایش لوژان تحت فشار پمپ قرار نگرفته و جریان آب صرفاً در اثر اختلاف تراز بین سطح آب گمانه و سطح آب محیط شکل می گیرد.

بر همین اساس معمولاً از پمپ آب به عنوان یکی از وسایل مورد نیاز برای انجام آزمایش لوفران یاد نمی شود.

تجهیزات اختصاصی مورد نیاز برای انجام آزمایش لوفران به قرار زیر می باشند:

۱- منبع آب که آب مورد نیاز برای آزمایش را تأمین می کند و بهتر است حداقل چند مترمکعب حجم داشته باشد.

۲- کنتور آب که برای اندازه گیری دبی، مورد استفاده واقع می شود و بهتر است دقت آن در حد صدم لیتر باشد.

۳- ظرف مدرج آب که برای اضافه کردن آب به گمانه در جایی که نفوذپذیری خیلی کم است کاربرد دارد و بهتر است دقت آن در حد هزارم لیتر باشد.

۴- کرنومتر که برای اندازه گیری زمان به کار می رود و بهتر است دقت آن در حد دهم ثانیه باشد.

۵- سوند الکتریکی که برای اندازه گیری عمق سطح آب گمانه به کار می رود و بهتر است دقت آن در حد میلیمتر باشد.

پس از آنکه حفاری گمانه توسط ادوات حفاری صورت پذیرفت و عمق گمانه به ترازی رسید که لازم است آزمایش لوفران در آن انجام شود، باید گمانه شستشو داده شده و برای شروع آزمایش آماده شود.

گمانه باید به نحوی شستشو داده شود که یک سطح پاکیزه و بدون گل و لای در قطعه مورد آزمایش و یا در ته گمانه به وجود آید.

در واقع برای این منظور جریان آب به درون گمانه برقرار شده و این کار به قدری ادامه می یابد که آب برگشتی از گمانه کاملاً زلال گردد.

قابل ذکر است که در آزمایش لوفران برای آب بند کردن قطعه مورد آزما یش معمولاً از گلوله های رسی استفاده می کنند.

برای این کار وقتی عملیات حفاری به بالای قطعه مورد نظر برای آزمایش رسید گلوله های رسی یا بنتونیتی به انتهای گمانه فرستاده شده و سپس ادامه حفاری تا انتهای قطعه مورد نظر انجام شده و پس از آن شستشو انجام می شود.

معمولاً تأکید می گردد که گمانه ای که آزمایش لوفران در آن انجام می شود، به جز در طول قطعه مورد آزمایش، باید به طور کامل لوله گذاری (کیسینگ گذاری) شود.

این کار به منظور اطمینان از عدم فرار آب و جلوگیری از ریزش جدار گمانه صورت می پذیرد.

از سوی دیگر برای پایداری جدار گمانه نباید از گل حفاری استفاده شود.

گل حفاری باعث مسدود شدن منافذ خاک شده و محاسبه ضریب نفوذپذیری را با خطا مواجه می سازد.

قابل ذکر است که غالباً پژوهشگران بیان می کنند که روابط و نتایج آزمایش لوفران با فرض عدم وقوع تورم و تحکیم برای خاک در جریان آزمایش ارائه شده است.

بر همین اساس در برخی از خاک ها، به دلیل جذب آب بالا، نتایج آزمایش لوفران ممکن است بالاتر از حد واقعی گزارش شود.

در هر صورت توجه به رفتار خاک در حین آزمایش و بررسی پدیده های تحکیم و تورم در آن و همچنین به هم ریختن جدار در اثر گرادیان بالای جریان به درون گمانه و یا مسدود شدن منافذ خاک به دلیل تشکیل کیک گل و لای در جدار گمانه باید مورد توجه و دقت قرار گیرد.

روش بار آبی ثابت

در این روش نظیر آزمایش ایستایی ثابت در آزمایشگاه، سطح آب در داخل گمانه با ریختن آب به داخل آن ثابت نگه داشته می شود.

در واقع ریختن آب به داخل گمانه به نحوی صورت می پذیرد که با رسیدن به یک دبی معین برای آب، سطح گمانه در نقطه ای بالاتر از سطح آب زیرزمینی و همچنین بالاتر از قطعه مورد آزمایش ثابت بماند.

وقتی سطح آب در گمانه ثابت ماند، دبی آب ورودی به آن (Q) و همچنین ارتفاع ستون آب روی قطعه (H) اندازه گیری شده و ثبت می گردد.

در کاربردهای عملی معمولاً پس از ثابت شدن سطح آب در داخل گمانه، میزان دبی ورودی در زمان های ۱، ۲، ۳، ۴، ۵ و ۱۰ دقیقه ثبت می گردد.

در صورتی که اختلاف بین دو قرائت متوالی ده دقیقه ای کمتر از ۱۰ درصد باشد، آزمایش خاتمه می یابد و از روابط زیر که توسط نشریه شماره ۱۸۸ سازمان مدیریت و برنامه ریزی ارائه شده مقادیر نفوذپذیری قائم یا افقی محاسبه می شود.

الف) درصورتی که آزمایش به روش قطعه ای انجام شده باشد: (مشروط بر آنکه L ≥ ۱۰r باشد)

روابط آزمایش لوفران

رابطه ۱

ب) در صورتی که آزمایش به روش نقطه ای انجام شده باشد:

آزمایش لوفران و لوژان

رابطه ۲

ضرایب نفوذپذیری در روابط بالا بر حسب سانتی متر بر ثانیه، L و r طول و شعاع قطعه مورد آزمایش از گمانه بر حسب سانتی متر، Q دبی آب ورودی بر حسب سانتی متر مکعب بر ثانیه و H ارتفاع آب روی قطعه بر حسب سانتی متر می باشد.

در محاسبه H باید دقت شود که این پارامتر کمترین مقدار دو عدد فاصله سطح آب گمانه از سطح آب زیرزمینی و همچنین فاصله سطح آب گمانه از وسط قطعه مورد آزمایش است.

از طرف دیگر در صورتی که آزمایش تحت فشار انجام شود، لازم است فشار روی قطعه با توجه به اضافه فشار مذکور محاسبه گردد.

در شکل ۱ روش انجام آزمایش و نحوه استخراج پارامترهای مربوطه در روش بار ثابت نشان داده شده است.

آزمایش لوفران چیست

شکل ۱- آزمایش لوفران به روش بار آبی ثابت در حالت های نقطه ای (چپ و وسط) و قطعه ای (راست)

روش بار آبی افتان

آزمون بار آبی افتان معمولاً پس از آزمایش بار آبی ثابت و در همان قطعه مورد مطالعه انجام می شود.

بلافاصله بعد از آزمایش بار آبی ثابت، جر یان دبی ورودی به گمانه قطع شده و اجازه داده می شود که سطح آب داخل گمانه افت نماید.

در همین حال تغییرات سطح آب گمانه در فواصل زمانی مختلف اندازه گیری شده و یادداشت می شود.

معمولاً اندازه گیری سطح آب تا جایی ادامه می یابد که سطح آب داخل گمانه به نزدیکی سطح آب زیرزمینی و یا بالای قطعه مورد آزمایش برسد.

پس از انجام آزمایش بسته به اینکه آزمایش به صورت قطعه ای یا نقطه ای انجام شده باشد، بر مبنای روابط ارائه شده توسط نشریه ۱۸۸ سازمان مدیریت و برنامه ریزی، یکی از ضرائب نفوذپذیری افقی و قائم از روابط زیر قابل محاسبه است.

الف) ضریب نفوذپذیری افقی: (بر حسب سانتی متر بر ثانیه)

آزمایش لوفران

رابطه ۳

ب) ضریب نفوذپذیری قائم: (بر حسب سانتی متر بر ثانیه )

ازمایش لوفران

رابطه ۴

در روابط بالا C یک ضریب ثابت است که برای هر گمانه با توجه به طول و شعاع قطعه مورد آزمایش (r،L)، مقدار ثابتی داشته و از رابطه ارائه شده محاسبه می شود.

Δt بر حسب ثانیه محاسبه شده و مدت زمانی است که سطح آب از حالت ثابت (سطح ۱) به سطح پایانی آزمایش (سطح ۲) برسد.

H فاصله وسط قطعه یا سطح آب زیرزمینی (هر کدام کمتر باشند) تا سطح آب ثابت شده در شروع آزمایش می باشد.

h فاصله وسط قطعه یا سطح آب زیرزمینی (هر کدام کمتر باشند) تا سطح آب باقیمانده در گمانه پس از گذشت زمان ΔΤ است.

به عبارت دیگر می توان گفت که H ارتفاع آب روی قطعه در شروع آزمایش افتان و h ارتفاع آب روی قطعه در پایان آزمایش افتان و یا پس از گذشت زمان ΔΤ از شروع آزمایش است.

قاعدتاً برای هر دو لحظه از آزمایش هم می توان با جاگذاری ارتفاع آب و اختلاف زمانی لحظات مذکور در روابط فوق مقدار ضریب نفوذپذیری را محاسبه نمود.

در برخی موارد مقدار ضریب مذکور برای تمام لحظات یکسان به دست می آید.

با این حال در برخی دیگر از موارد مقدار ضریب نفوذپذیری لحظات مختلف با همدیگر فرق می کنند.

اختلاف مذکور ممکن است ناشی از غیر خطی بودن رابطه نفوذپذیری و فشار آب و یا تغییرات احتمالی در محیط خاکی باشد.

نحوه محاسبه پارامترهای مذکور در شکل ۲ نیز نمایش داده شده است. قابل ذکر است که مشخصه های r و L ،h ،H بر حسب سانتی متر در روابط مذکور قرار داده می شوند.

آزمایش لوفران

شکل ۲- آزمایش افتان در حالت های قطعه ای (چپ و وسط) و نقطه ای (راست)

آزمایش بار آبی خیزان

برای گمانه هایی که سطح آب زیرزمینی در آنها تقریباً در حوالی سطح زمین است، آزمایش های افتان و بار آبی ثابت نمی توانند ارتفاع آبی مناسبی روی قطعه مورد نظر ایجاد کنند.

بر همین اساس در این گمانه ها معمولاً ضریب نفوذپذیری از آزمایش بار آبی خیزان یا پمپاژ به دست می آید.

در این روش آب زیرزمینی داخل گمانه، توسط پمپ از گمانه خارج شده و بدین طریق سطح آب درون گمانه به اندازه کافی پایین فرستاده می شود.

پس از آن، با قطع پمپاژ اجازه داده می شود که سطح آب درون گمانه بالا بیاید.

تغییرات سطح آب در فواصل زمانی مختلف اندازه گیری شده و با استفاده از روابط ارائه شده برای آزمایش افتان در روابط ۳ و ۴ ضریب نفوذ پذیری افقی و قائم محاسبه می شود.

یادآوری می گردد که این آزمایش برای محیط های اشباع کاربرد دارد و همواره قطعه مورد آزمایش در زیر سطح آب زیرزمینی واقع است.

بر همین اساس در روابط ۳ و ۴ مشخصه H بیانگر فاصله سطح آب زیرزمینی تا سطح آب ثابت شده در شروع آزمایش و مشخصه h بیانگر فاصله سطح آب زیرزمینی تا سطح آب باقی مانده پس از گذشت زمان ΔΤ می باشد.

شکل ۳ روش انجام آزمایش و همچنین مقادیر پارامترهای مربوطه را برای آزمایش بار آبی خیزان نشان می دهد.

در این حالت مدت زمان Δt درست پس از قطع پمپاژ شروع شده و تا پایان آزمایش ادامه می یابد.

همچنین H فاصله سطح آب زیرزمینی تا سطح آب گمانه در لحظه قطع پمپاژ و یا به عبارت دیگر شروع زمان Δt است و h فاصله سطح آب زیرزمینی تا سطح گمانه در پایان زمان Δt است.

قرائت سطح آب گمانه باید تا جایی ادامه یابد که افزایش سطح آب قابل صرف نظر باشد.

فاصله زمانی قرائت ها تابع نفوذپذیری خاک است.

قرائت ها باید به اندازه ای باشد که بتوان منحنی تغییرات لگاریتم ارتفاع آب را بر حسب زمان با دقت مناسبی ترسیم نمود.

در هر صورت توصیه شده است که زمان قرائت ها در هیچ شرایطی از ۵ دقیقه کمتر نباشد.

تعیین نفوذپذیری خاک با آزمایش لوفران

شکل ۳- آزمایش لوفران به روش بار آبی خیزان در دو حالت نقطه ای و قطعه ای

محمد حسن دانشور
محمد حسن دانشور

دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی عمران گرایش ژئوتکنیک دانشگاه شیراز هستم امیدوارم بتوانم آموخته های 7 سال تحصیل و پژوهش خود را در دانشگاه شیراز با شما دانشجویان و مهندسین عمران به اشتراک بگذارم

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

*