آزمایش لوفران برای تعیین نفوذپذیری خاک در صحرا

آزمایش لوفران يك آزمون درون چاهي است كه براي اندازه گيري نفوذپذيري توده هاي خاكي نظير آبرفت هاي رودخانه اي، تراس هاي آبرفتي قديمي، واريزه ها و خاك هاي برجا كارائي دارد.

در خاك هاي درشت دانه هم كه عمدتاً تهيه نمونه دست نخورده براي آزمون هاي آزمايشگاهي مقدور نيست، آزمایش لوفران به عنوان اصلي ترين روش تعيين ضريب نفوذپذيري توده خاک كارائي دارد.

همچنين در سنگ هاي شديداً درزه دار امكان آب بندي مطمئن قطعه به روش هاي مختلفي براي انجام آزمایش لوفران وجود دارد كه به طور خلاصه اين روش ها به دو دسته نقطه اي و قطعه اي و يا تراوش افقي و تراوش قائم تقسيم مي شوند.

در دسته اول قطعه اي از گمانه، آب بندي شده و تحت فشار آب قرار مي گيرد.

در اين حالت آب به صورت افقي وارد لا يه هاي زميني شده و لذا ضريب نفوذپذيري افقي توده تعيين مي شود.

در دسته دوم آزمایش لوفران ، آب صرفاً از انتهاي گمانه (كف گمانه) و به صورت قائم وارد محيط مي شود.

بر همين اساس در آزمايش هاي اين دسته ضريب نفوذپذيري قائم توده تعيين مي شود.

در روش اخير براي آنكه آب صرفاً از انتهاي گمانه وارد زمين شود، لوله جدار (كيسينگ) را تا انتهاي گمانه در زمين فرو مي برند و لذا عمداً تنها راه خروج آب نقطه انتهاي گمانه است.

در مواردي كه جدار گمانه به علت دانه اي بودن خاك و يا ساير موارد ريزش كند، معمولاً اندازه گيري نفوذ پذيري افقي امكان پذير نيست و لذا لوله جدار به انتهاي گمانه رانده شده و آزمايش صرفاً بر اي تعيين نفوذپذيري قائم انجام مي شود.

از سوي ديگر، بر حسب اينكه سطح آب داخل گمانه ثابت نگه داشته شده و دبي ورودي به زمين اندازه گيري شود و يا اينكه دبي ثابت نگه داشته شده و تغييرات سطح آب اندازه گيري شود، سه روش بار آبي ثابت، بار آبي افتان و بار آبي خيزان، براي انجام آزمایش لوفران وجود دارد.

بنابراين با وجود دو دسته آزمايش كه هر يك به سه روش انجام مي شوند، عملاً آزمایش لوفران به 6 روش زير امكان پذير است:

• آزمون بار آبي ثابت، به روش نقطه اي
• آزمون بار آبي ثابت، به روش قطعه اي
• آزمون بار آبي افتان، به روش نقطه اي
• آزمون بار آبي افتان، به روش قطعه اي
• آزمون بار آبي خيزان، به روش نقطه اي
• آزمون بار آبي خيزان، به روش قطعه اي

به طور كلي روش هاي بار آبي افتان و خيزان صرفاً در خاك هاي با نفوذپذيري پايين كاربرد دارند.

در خاك هاي درشت دانه و به طور كلي خاك هايي كه نفوذپذيري بالايي دارند، تغييرات تراز سطح آب به قدري سريع انجام مي شود كه نمي توان آن را با دقت اندازه گيري نمود.

از سوي ديگر در خاك هاي نفوذپذير معمولاً از آزمون بار آبي ثابت استفاده مي گردد.

قابل ذكر است كه در آزمايش بار آبي افتان جهت جريان آب از گمانه به سوي زمين و در آزمايش بار آبي خيزان از سوي زمين به درون گمانه است.

بنابراين در آزمايش افتان خطر بسته شدن خلل و فرج خاك در اثر تهنشيني رسوبات موجود آب در جدار گمانه وجود دارد.

در مقابل، در آزمايش خيزان در صورتي كه گراديان جريان زياد باشد، امكان شسته شدن خاك جدار گمانه و فوران خاك از گمانه وجود دارد.

در هر صورت براي انجام آزمايش بايد از آب زلال و بدون آلودگي استفاده شود، تا از تشكيل كيك گل بر رو ي ديوارهاي گمانه و بسته شدن خلل و فرج خاك جلوگيري شود . همچنين گراديان آزمايش و سرعت بالا آمدن آب بايد متناسب با شرايط محيط و كنترل شده باشد.

اساس و روش انجام آزمایش لوفران

اساس كار انجام آزمایش لوفران مشابه آزمايش لوژان است.

در اين آزمايش آب با فشار وارد زمين شده و يا از آن خارج مي گردد و ميزان تغييرات دبي و ارتفاع آب اندازه گيري مي شود.

با اين حال يكي از تفاوت هاي اصلي آزمایش لوفران با آزمايش لوژان آن است كه در آزمایش لوفران سطح آب آزاد بوده و در واقع قطعه مورد آزمايش نظير آزمايش لوژان تحت فشار پمپ قرار نگرفته و جريان آب صرفاً در اثر اختلاف تراز بين سطح آب گمانه و سطح آب محيط شكل مي گيرد.

بر همين اساس معمولاً از پمپ آب به عنوان يكي از وسايل مورد نياز براي انجام آزمایش لوفران ياد نمي شود.

تجهيزات اختصاصي مورد نياز براي انجام آزمایش لوفران به قرار زير مي باشند:

1- منبع آب كه آب مورد نياز براي آزمايش را تأمين مي كند و بهتر است حداقل چند مترمكعب حجم داشته باشد.

2- كنتور آب كه براي اندازه گيري دبي، مورد استفاده واقع مي شود و بهتر است دقت آن در حد صدم ليتر باشد.

3- ظرف مدرج آب كه براي اضافه كردن آب به گمانه در جايي كه نفوذپذيري خيلي كم است كاربرد دارد و بهتر است دقت آن در حد هزارم ليتر باشد.

4- كرنومتر كه براي اندازه گيري زمان به كار مي رود و بهتر است دقت آن در حد دهم ثانيه باشد.

5- سوند الكتريكي كه براي اندازه گيري عمق سطح آب گمانه به كار مي رود و بهتر است دقت آن در حد ميليمتر باشد.

پس از آنكه حفاري گمانه توسط ادوات حفاري صورت پذيرفت و عمق گمانه به ترازي رسيد كه لازم است آزمايش لوفران در آن انجام شود، بايد گمانه شستشو داده شده و براي شروع آزمايش آماده شود.

گمانه بايد به نحوي شستشو داده شود كه يك سطح پاكيزه و بدون گل و لاي در قطعه مورد آزمايش و يا در ته گمانه به وجود آيد.

در واقع براي اين منظور جريان آب به درون گمانه برقرار شده و اين كار به قدري ادامه مي يابد كه آب برگشتي از گمانه كاملاً زلال گردد.

قابل ذكر است كه در آزمايش لوفران براي آب بند كردن قطعه مورد آزما يش معمولاً از گلوله هاي رسي استفاده مي كنند.

براي اين كار وقتي عمليات حفاري به بالاي قطعه مورد نظر براي آزمايش رسيد گلوله هاي رسي يا بنتونيتي به انتهاي گمانه فرستاده شده و سپس ادامه حفاري تا انتهاي قطعه مورد نظر انجام شده و پس از آن شستشو انجام مي شود.

معمولاً تأكيد مي گردد كه گمانه اي كه آزمایش لوفران در آن انجام مي شود، به جز در طول قطعه مورد آزمايش، بايد به طور كامل لوله گذاري (كيسينگ گذاري) شود.

اين كار به منظور اطمينان از عدم فرار آب و جلوگيري از ريزش جدار گمانه صورت مي پذيرد.

از سوي ديگر براي پايداري جدار گمانه نبايد از گل حفاري استفاده شود.

گل حفاري باعث مسدود شدن منافذ خاك شده و محاسبه ضريب نفوذپذيري را با خطا مواجه مي سازد.

قابل ذكر است كه غالباً پژوهشگران بيان مي كنند كه روابط و نتايج آزمایش لوفران با فرض عدم وقوع تورم و تحكيم براي خاك در جريان آزمايش ارائه شده است.

بر همين اساس در برخي از خاك ها، به دليل جذب آب بالا، نتايج آزمایش لوفران ممكن است بالاتر از حد واقعي گزارش شود.

در هر صورت توجه به رفتار خاك در حين آزمايش و بررسي پديده هاي تحكيم و تورم در آن و همچنين به هم ريختن جدار در اثر گراديان بالاي جريان به درون گمانه و يا مسدود شدن منافذ خاك به دليل تشكيل كيك گل و لاي در جدار گمانه بايد مورد توجه و دقت قرار گيرد.

روش بار آبي ثابت

در اين روش نظير آزمايش ايستايي ثابت در آزمايشگاه، سطح آب در داخل گمانه با ريختن آب به داخل آن ثابت نگه داشته مي شود.

در واقع ريختن آب به داخل گمانه به نحوي صورت مي پذيرد كه با رسيدن به يك دبي معين براي آب، سطح گمانه در نقطه اي بالاتر از سطح آب زيرزميني و همچنين بالاتر از قطعه مورد آزمايش ثابت بماند.

وقتي سطح آب در گمانه ثابت ماند، دبي آب ورودي به آن (Q) و همچنين ارتفاع ستون آب روي قطعه (H) اندازه گيري شده و ثبت مي گردد.

در كاربردهاي عملي معمولاً پس از ثابت شدن سطح آب در داخل گمانه، ميزان دبي ورودي در زمان هاي 1، 2، 3، 4، 5 و 10 دقيقه ثبت مي گردد.

در صورتي كه اختلاف بين دو قرائت متوالي ده دقيقه اي كمتر از 10 درصد باشد، آزمايش خاتمه مي يابد و از روابط زير كه توسط نشريه شماره 188 سازمان مديريت و برنامه ريزي ارائه شده مقادير نفوذپذيري قائم يا افقي محاسبه می شود.

الف) درصورتي كه آزمايش به روش قطعه اي انجام شده باشد: (مشروط بر آنکه L ≥ 10r باشد)

رابطه 1

ب) در صورتي كه آزمايش به روش نقطه اي انجام شده باشد:

رابطه 2

ضرایب نفوذپذیری در روابط بالا بر حسب سانتی متر بر ثانیه، L و r طول و شعاع قطعه مورد آزمايش از گمانه بر حسب سانتي متر، Q دبي آب ورودي بر حسب سانتي متر مكعب بر ثانيه و H ارتفاع آب روي قطعه بر حسب سانتي متر مي باشد.

در محاسبه H بايد دقت شود كه اين پارامتر كمترين مقدار دو عدد فاصله سطح آب گمانه از سطح آب زيرزميني و همچنين فاصله سطح آب گمانه از وسط قطعه مورد آزمايش است.

از طرف ديگر در صورتي كه آزمايش تحت فشار انجام شود، لازم است فشار روي قطعه با توجه به اضافه فشار مذكور محاسبه گردد.

در شكل 1 روش انجام آزمايش و نحوه استخراج پارامترهاي مربوطه در روش بار ثابت نشان داده شده است.

شکل 1- آزمایش لوفران به روش بار آبي ثابت در حالت هاي نقطه اي (چپ و وسط) و قطعه اي (راست)

روش بار آبي افتان

آزمون بار آبي افتان معمولاً پس از آزمايش بار آبي ثابت و در همان قطعه مورد مطالعه انجام مي شود.

بلافاصله بعد از آزمايش بار آبي ثابت، جر يان دبي ورودي به گمانه قطع شده و اجازه داده مي شود كه سطح آب داخل گمانه افت نمايد.

در همين حال تغييرات سطح آب گمانه در فواصل زماني مختلف اندازه گيري شده و يادداشت مي شود.

معمولاً اندازه گيري سطح آب تا جايي ادامه مي يابد كه سطح آب داخل گمانه به نزديكي سطح آب زيرزميني و يا بالاي قطعه مورد آزمايش برسد.

پس از انجام آزمايش بسته به اينكه آزمايش به صورت قطعه اي يا نقطه اي انجام شده باشد، بر مبناي روابط ارائه شده توسط نشريه 188 سازمان مديريت و برنامه ريزي، يكي از ضرائب نفوذپذيري افقي و قائم از روابط زير قابل محاسبه است.

الف) ضريب نفوذپذيري افقي: (بر حسب سانتي متر بر ثانيه)

رابطه 3

ب) ضريب نفوذپذيري قائم: (بر حسب سانتي متر بر ثانيه )

رابطه 4

در روابط بالا C يك ضريب ثابت است كه براي هر گمانه با توجه به طول و شعاع قطعه مورد آزمايش (r،L)، مقدار ثابتي داشته و از رابطه ارائه شده محاسبه مي شود.

Δt بر حسب ثانيه محاسبه شده و مدت زماني است كه سطح آب از حالت ثابت (سطح 1) به سطح پاياني آزمايش (سطح 2) برسد.

H فاصله وسط قطعه يا سطح آب زيرزميني (هر كدام كمتر باشند) تا سطح آب ثابت شده در شروع آزمايش مي باشد.

h فاصله وسط قطعه يا سطح آب زيرزميني (هر كدام كمتر باشند) تا سطح آب باقيمانده در گمانه پس از گذشت زمان ΔΤ است.

به عبارت ديگر مي توان گفت كه H ارتفاع آب روي قطعه در شروع آزمايش افتان و h ارتفاع آب روي قطعه در پايان آزمايش افتان و يا پس از گذشت زمان ΔΤ از شروع آزمايش است.

قاعدتاً براي هر دو لحظه از آزمايش هم مي توان با جاگذاري ارتفاع آب و اختلاف زماني لحظات مذكور در روابط فوق مقدار ضريب نفوذپذيري را محاسبه نمود.

در برخي موارد مقدار ضريب مذكور براي تمام لحظات يكسان به دست مي آيد.

با اين حال در برخي ديگر از موارد مقدار ضريب نفوذپذيري لحظات مختلف با همديگر فرق مي كنند.

اختلاف مذكور ممكن است ناشي از غير خطي بودن رابطه نفوذپذيري و فشار آب و يا تغييرات احتمالي در محيط خاكي باشد.

نحوه محاسبه پارامترهاي مذكور در شكل 2 نیز نمايش داده شده است. قابل ذكر است كه مشخصه هاي r و L ،h ،H بر حسب سانتي متر در روابط مذكور قرار داده مي شوند.

شکل 2- آزمايش افتان در حالت هاي قطعه اي (چپ و وسط) و نقطه اي (راست)

آزمايش بار آبي خيزان

براي گمانه هايي كه سطح آب زيرزميني در آنها تقريباً در حوالي سطح زمين است، آزمايش هاي افتان و بار آبي ثابت نمي توانند ارتفاع آبي مناسبي روي قطعه مورد نظر ايجاد كنند.

بر همين اساس در اين گمانه ها معمولاً ضريب نفوذپذيري از آزمايش بار آبي خيزان يا پمپاژ به دست مي آيد.

در اين روش آب زيرزميني داخل گمانه، توسط پمپ از گمانه خارج شده و بدين طريق سطح آب درون گمانه به اندازه كافي پايين فرستاده مي شود.

پس از آن، با قطع پمپاژ اجازه داده مي شود كه سطح آب درون گمانه بالا بيايد.

تغييرات سطح آب در فواصل زماني مختلف اندازه گيري شده و با استفاده از روابط ارائه شده براي آزمايش افتان در روابط 3 و 4 ضريب نفوذ پذيري افقي و قائم محاسبه مي شود.

يادآوري مي گردد كه اين آزمايش براي محيط هاي اشباع كاربرد دارد و همواره قطعه مورد آزمايش در زير سطح آب زيرزميني واقع است.

بر همين اساس در روابط 3 و 4 مشخصه H بيانگر فاصله سطح آب زيرزميني تا سطح آب ثابت شده در شروع آزمايش و مشخصه h بيانگر فاصله سطح آب زيرزميني تا سطح آب باقي مانده پس از گذشت زمان ΔΤ می باشد.

شكل 3 روش انجام آزمايش و همچنين مقادير پارامترهاي مربوطه را براي آزمايش بار آبي خيزان نشان مي دهد.

در اين حالت مدت زمان Δt درست پس از قطع پمپاژ شروع شده و تا پايان آزمايش ادامه مي يابد.

همچنين H فاصله سطح آب زيرزميني تا سطح آب گمانه در لحظه قطع پمپاژ و يا به عبارت ديگر شروع زمان Δt است و h فاصله سطح آب زيرزميني تا سطح گمانه در پايان زمان Δt است.

قرائت سطح آب گمانه بايد تا جايي ادامه يابد كه افزايش سطح آب قابل صرف نظر باشد.

فاصله زماني قرائت ها تابع نفوذپذيري خاك است.

قرائت ها بايد به اندازه اي باشد كه بتوان منحني تغييرات لگاريتم ارتفاع آب را بر حسب زمان با دقت مناسبي ترسيم نمود.

در هر صورت توصيه شده است كه زمان قرائت ها در هيچ شرايطي از 5 دقيقه كمتر نباشد.

شکل 3- آزمایش لوفران به روش بار آبي خيزان در دو حالت نقطه اي و قطعه اي