کارشناسی ارشد مفاهیم علمی ۲۳ مهر ۱۳۹۶ زمان خواندن: ۶ دقیقه

معرفی آزمایش لوژان و نحوه انجام آن

در این پست می‌خوانید:

مرسوم ترين روش اندازه گيري نفوذ پذيري توده هاي سنگي درزه دار در صحرا، آزمایش لوژان شيوه ابداع شده توسط لوژان در سال 1933 است.

در اين روش كه به نام آزمايش لوژان موسوم است، ابتدا ميزان آب خوري توده تحت يك فشار ثابت اندازه گيري مي شود و سپس با تغيير فشار آب منحني تغييرات خورند در برابر فشار آب ترسيم مي شود.

از تفسير اين نمودار در آزمایش لوژان عدد لوژان به دست مي آيد.

عدد لوژان در واقع نماد غير مستقيم نفوذ پذيري توده هاي سنگ است و طبق تعريف يك واحد لوژان معادل نفوذ پذيري توده سنگي است كه از يك متر طول گمانه حفاري شده در آن، تحت فشار 10 بار، يك ليتر در دقيقه آب عبور كند.

با توجه به اينكه تعيين نفوذ پذيري زمين در اين روش با سيستم آب تحت فشار انجام مي شود اين آزمون را به نام آزمايش فشار آب نيز مي شناسد.

از زمان ابداع آزمایش لوژان در سال 1933 تاكنون محققين مختلف براي تفسير منحني هاي آن به اظهار نظر پرداخته اند و همچنان در اين زمينه كاوش هاي ارزشمندي در سطح جهان انجام مي شود.

توجه : برای آشنایی با انواع آزمایش های صحرایی در مکانیک خاک اینجا کلیک کنید.

روش و ابزارهای انجام آزمايش لوژان

آزمايش لوژان یا فشار آب يك آزمون درون چاهي است و بنابر اين لازم است براي انجام آن گمانه ای حفاري شود.

به همين دليل اين آزمون معمولاً در جريان حفاري گمانه هاي اكتشافي انجام مي شود.

معمولاً در طرح هاي آبي در حين حفاري گمانه هاي اكتشافي و مغزه گيري از سنگ، به موازات پيشروي گمانه آزمون فشار آب هم انجام مي شود.

پس از حفاري تا مقطع مورد نظر، سر مته ها و ادوات حفاري از چاه بيرون كشيده شده و جدار گمانه به طور كامل شستشو داده مي شود.

شستشوي گمانه در آزمایش لوژان تا جايي ادامه می يابد كه آب كاملاً زلال از گمانه خارج شود.

هدف از شستشوي گمانه تميز كردن جدار آن و خارج نمودن گل و لاي از ميان درزه هاي جدار است كه ممكن است به طور غير طبيعي راه نفوذ آب را به محيط اطراف ببندد.

پس از شستشو مطابق آنچه در شكل 1 نشان داده شده است، مسدود كننده هايي (Packer) در دو سر قطعه مورد نظر براي آزمايش نصب مي شود و بدين وسيله دوسر قطعه آب بندی مي گردد.

شکل 1 : تجهیزات آزمایش لوژان

بدين ترتيب جريان آب مي تواند صرفاً به صورت افقي از قطعه مورد نظر به زمين اطراف وارد شود.

بايد توجه شود كه مسدود كننده ها به خوبي راه عبور آب از داخل قطعه به بالا و پايين گمانه را بسته باشند.

در غير اين صورت فرار آب از پشت مسدود كننده ها نتايج حاصل از آزمايش را با خطا مواجه خواهد كرد.

پس از حصول اطمينان از عملكرد مسدود كننده ها آب تحت فشار وارد قطعه مورد نظر مي شود. اين كار معمولاً در 5 يا 7 پله فشار انجام مي شود.

سيستم و ابزارهاي آزمايش لوژان به قرار زير مي باشند:

پمپ آب، كه تأمين فشار آب را به عهده دارد.
مسدود كننده ها يا پكر كه وظيفه آب بند كردن دو سر قطعه مورد آزمايش را به عهده دارند.
كنتور آب، كه دبي آب را اندازه گيري مي كند.
فشارسنج، كه ميزان فشار آب را اندازه گيري مي نمايد.
منبع آب، كه براي تامين آب مورد نياز در طول آزمايش به كار گرفته مي شود.
سيستم توليد و انتقال فشار گاز براي باد كردن پكرها (در صورت نياز)

پله هاي فشار معمولاً در حالتي كه آزمون هفت پله ای انجام مي شود، به ترتيب معادل (از چپ به راست) 0.25p، 0.5p، 0.75p، p، 0.25p، 0.5p، 0.75p انتخاب می شود.

لازم به يادآوري است حداكثر فشاري كه آزمايش لوژان تحت آن انجام مي شود و در ارقام مذكور معادل p در نظر گرفته شده تابع حداكثر ارتفاع آب مخزن سد در دوران بهره برداري و مشخصات طرح است.

در شکل 2 به طور شماتيك روند افزايش فشار در يك آزمايش لوژان نشان داده شده است.

شکل 2 : نحوه افزایش فشار در آزمایش لوژان به روش 7 پله ای

قابل ذكر است كه در مرحله اول براي ارتقاء فشار از صفر به 0.25p روند افزايش فشار به آرامي صورت می پذیرد.

حجم آب نفوذ يافته به زمين در هر پله در فواصل زماني 5 دقيقه اي قرائت و ثبت مي شود.

در صورتي كه اختلاف بين دو قرائت از يك پله فشار كمتر از 10 % باشد آزمايش در پله فشار مذكور پايان يافته تلقي مي شود و افزايش فشار براي پله بعد صورت مي پذيرد.

بنابراين مشخص نيست كه هر پله فشار چه زماني را به خود اختصاص مي دهد و چه ميزان آب در طي آن به داخل زمين نفوذ مي يابد.

همچنين بايد توجه شود كه قبل از شروع آزمايش، قطعه مورد آزمايش از آب اشباع شود و حجم آبي كه براي اشباع شدن قطعه به كار مي رود در محاسبة نفوذپذيري زمين دخالت داده نشود.

براي اشباع نمودن معمولاً به مدت 10 دقيقه آب بدون فشار به صورت ثقلي به محيط تزريق مي شود.

براي هر پله فشار يك عدد لوژان به دست مي آيد.

بنابراين در سيستم پنج پله اي 5 عدد لوژان و در سيستم هفت پله اي، 7 عدد لوژان به دست مي آيد.

براي انتخاب عدد لوژان نهايي قطعه، محققين روش هاي متنوعي ارائه نموده اند كه در بخش بعدي اين پست مورد بحث واقع شده است.

در هر صورت عدد لوژان براي هر پله فشار از رابطه زير به دست مي آيد :

در رابطه بالا Q معادل حجم آب جذب شده در دقيقه براي هر پله فشار است و بر حسب ليتر در دقيقه اندازه گيري مي شود.

همچنين Pe فشار موثر آب در وسط قطعه مورد آزمايش برحسب اتمسفر و L طول قطعه مورد آزمايش بر حسب متر است.

در صورتي كه عدد لوژان براي پله هاي مختلف مساوي و يا نزديك به هم باشد، وضعیت جريان آب در توده سنگي آرام گزارش شده و عدد لوژان نهايي متوسط اعداد حاصله است.

در غير اين صورت بر حسب نظرات محققين نسبت به شناسائي وضعیت جريان آب در توده و انتخاب عدد لوژان نهايي اقدام می گردد.

در نشريه شماره 188 دفتر امور فني و تدوين معيار هاي سازمان مديريت و برنامه ريزي كشور كه تحت عنوان دستور العمل آزمايش هاي تراوايي در سال 1378 تهيه گرديده و بخشي از آن به توصيف و تشريح آزمايش لوژان اختصاص يافته است، شش حالت براي منحني هاي P-Q نمايش داده شده است .

حالت های مذکور در شکل 3 معرفي شده اند.

در اين منحني ها حالت (الف) معرف حالتي است كه جريان آب در ناپيوستگي هاي توده سنگ وضعيت غير آشفته دارد.

در اين شرايط مواد موجود در شكاف ها فرسايش نمي يابد و رابطه بين P-Q خطي است.

در حالت (ب) جريان در ناپيوستگي ها احتمالاً آشفته است.

در حالت (ج) درزه هاي توده سنگ در اثر افزايش فشار آب باز شده است.

در اين حالت فشار P به عنوان فشار شكست هيدروليكي گزارش شده و در اثر شكستگي هاي جديد در سنگ به وجود مي آيد.

در حالت (د) مواد پر كننده درزه ها در حين آزمايش شسته شده اند و بر همين اساس تراوايي، كه به افزايش فشار به طور نمايي منجر شده است، پس از كاهش فشار همچنان مقاديري بيش از منحني رفت خود را دارد.

در حالت (ه)، بر خلاف حالت (د)، ميزان خورند در منحني برگشت كمتر از منحني رفت بوده است.

به عبارت ديگر به علت پر شدن درزه ها ميزان نفوذپذيري محيط كاهش يافته است.

متاسفانه به اشتباه اين وضعيت در نشريه شماره 188 ، به عنوان شكست هيدروليكي معرفي شده است.

در حالت (و)، بر اساس نشريه شماره 188، در حين آزمايش مواد پر كننده درزه ها جابجا شده و كمي دورتر از مقطع آزمايش نهشته شده اند.