آزمایش لوفران

  تعيين نفوذپذيري صحرايي در خاك با آزمايش لوفران

آزمايش صحرايي لوفران يك آزمون درون چاهي است كه براي اندازه گيري نفوذپـذيري تـوده هـاي خاكي نظير آبرفتهاي رودخانه اي، تراسهاي آبرفتي قديمي، واريزه ها و خاك هاي برجا كـارائي دارد. بـا توجه به آن كه آزمون به صورت برجا و صحرايي انجام مي شـود و نتـايج آزمـون لـوفران در خـاك هـاي ريزدانه نسبت به نتايج نفوذپذيري آزمايش اغلب واقع بينانه تر است. در خاك هاي درشت دانـه هـم كـه عمدتاً تهيه نمونه دست نخورده براي آزمون هاي آزمایشگاهي مقدور نيست، آزمون صحرايي لـوفران بـه عنوان اصلي ترين روش تعيين ضريب نفوذپذيري تـوده كـارائي دارد. همچنـين در سـنگ هـاي شـديداً درزه دار امكان آب بندي مطمئن قطعه به روش هاي مختلفي براي انجام آزمايش لوفران وجـود دارد.كـه 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. دراين حالت آب به صورت افقي وارد لايه هاي زميني شده و لذا ضريب نفوذپذيري افقي توده تعيين مي شود. در دسته دوم آزمايش ها، آب صرفاً از انتهاي گمانه (كف گمانه) و به صورت قائم وارد محيط مي شود. بر همين اسـاس در آزمايش هاي اين دسته ضريب نفوذپذيري قائم توده تعيين مي شود. در روش اخيـر بـراي آن كـه آب صرفاً از انتهاي گمانه وارد زميني شود، لوله جدار (كيسينگ) را تا انتهاي گمانه در زمين فرو مي برنـد و لذا عمداً تنها راه خروج آب نقطه انتهاي گمانه است.

در مواردي كه جدار گمانه به علت دانه اي بودن خاك و يا سـاير مـوارد ريـزش مـي كنـد، معمـولاً اندازه گيري نفوذپذيري افقي امكان پذير نيست و لذا لوله جدار به انتهاي گمانه رانـده شـده و آزمـايش صرفاً براي تعيين نفوذپذيري قائم انجام مي شود. از سوي ديگر، بر حسب اينكه سطح آب داخـل گمانـه ثابت نگه داشته شده و دبي ورودي به زمين اندازه گيري شود و يا اينكه دبي ثابـت نگـه داشـته شـده و تغييرات سطح آب اندازه گيري شود، سه روش بار آبي ثابت، بار آبي افتان و بار آبي خيزان، بـراي انجـام آزمايش لوفران وجود دارد. بنابراين با وجود دو دسته آزمايش كه هر يك به سه روش انجام مـي شـوند، عملاً آزمايش لوفران به 6 روش زير امكان پذير است:  

1. آزمون بار آبي ثابت، به روش نقطه اي      
2. آزمون بار آبي ثابت، به روش قطعه اي
3. آزمون بار آبي افتان، به روش نقطه اي  
4.  آزمون بار آبي افتان، به روش قطعه اي    
5. آزمون بار آبي خيزان، به روش نقطه اي      
6. 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 كـاربرد دارنـد. در خاك هاي درشت دانه و به طور كلي خاك هايي كه نفوذپذيري بالايي دارند، تغييرات تراز سـطح آب به قدري سريع انجام می شود كه نميتوان آن را با دقت اندازه گيري نمود. از سوي ديگـر در خـاك هـاي 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 زمـين و در آزمـايش بار آبي خيزان از سوي زمين به درون گمانه است. بنابراين در آزمايش افتان خطر بـسته شـدن خلـل و فرج خاك در اثر ته نشيني 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 خـاك از گمانـه وجود دارد. در هر صورت براي انجام آزمايش بايد از آب زلال و بدون آلودگي استفاده شود، تا از تشكيل كيك گل بر روي ديوارهاي گمانه و بسته شدن خلل و فرج خاك جلـوگيري شـود. همچنـين گراديـان آزمايش و سرعت بالا آمدن آب بايد متناسب با شرايط محيط و كنترل شده باشد.  

اساس و روش انجام آزمايش لوفران   

اساس كار انجام آزمايش لوفران مشابه آزمايش لوژان است. در اين آزمايش آب با فشار وارد زمـين شده و يا از آن خارج مي گردد و ميزان تغييرات دبي و ارتفاع آب اندازه گيري مي شود. با اين حـال يكـي از تفاوت هاي اصلي آزمايش لوفران با آزمايش لوژان آن است كه در آزمايش لوفران سطح آب آزاد بـوده 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 ازپمـپ آب به عنوان يكي از وسايل مورد نياز براي انجام آزمايش لوفران ياد نمي شود.  

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

1. منبع آب، كه آب مورد نياز براي آزمايش را تأمين می كند و بهتر است حداقل چنـد مترمكعـب حجم داشته باشد.
2.  كنتور آب، كه براي اندازه گيري دبي مورد استفاده واقع مي شـود و بهتـر اسـت دقـت آن در حـد صدم ليتر باشد.
3.  ظرف مدرج آب، كه براي اضافه كردن آب به گمانه در جايي كـه نفوذپـذيري خيلـي كـم اسـت كاربرد دارد و بهتر است دقت آن در حد هزارم ليتر باشد.  
4. كُرنومتر، 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 اسـت دقـت آن در حد ميلي متر باشد.  

پس از آنكه حفاري گمانه توسط ادوات حفاري صورت پذیرفت و عمق گمانه بـه تـرازي رسـيد كـه لازم است آزمايش لوفران در آن انجام شود، بايدگمانه شستشو داده شده و براي شروع آزمـايش آمـاده شود. گمانه بايد به نحوي شستشو داده شود كه يك سطح پـاكيزه و بـدون گـل و لاي در قطعـه مـورد آزمايش و يا در ته گمانه به وجود آيد. در واقع براي اين منظور جريان آب به درون گمانه برقرار شـده 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 آزمايش معمولاً از گلوله های رسي استفاده مي كنند. براي اين كار وقتي عمليات حفاري به بالاي قطعه مورد نظر براي آزمايش رسيد گلولـه  هـاي رسـي يـا بنتـونيتي بـه انتهاي گمانه فرستاده شده و سپس ادامه حفاري تا انتهاي قطعه مـورد نظـر انجـام شـده و پـس از آن شستشو انجام مي شود. معمولاً تأكيد  مي گردد كه گمانه اي كه آزمايش لوفران در آن انجام مي شـود، بـه جز در طول قطعه مورد آزمايش، بايد به طوركامل لوله گذاري(كيـسينگ گـذاري) شـود. ايـن كـار بـه منظور اطمينان از عدم فرار آب و جلوگيري از ريزش جدار گمانه صورت مي پذيرد.  

از سوي ديگر براي پايداري جدارگمانه نبايد از گل حفاري استفاده شود. گل حفاري باعث مـسدود شدن منافذ خاك شده و محاسبه ضريب نفوذپذيري را با خطا مواجه مي سازد. قابل ذكر است كه غالبـاً پژوهشگران بيان مي كنند كه روابط و نتايج آزمايش 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 دليـل جـذب آب بـالا، نتـايج آزمايش 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 اثرگراديـان بـالاي جريان به درون گمانه و يا مسدود شدن منافذ خاك به دليل تشكيل  كيك گـل و لاي در جـدار گمانـه بايد مورد توجه و دقت قرار گيرد.  

  روش بار آبي ثابت  

در اين روش نظيرآزمايش ايستايي ثابت در آزمايشگاه، سطح آب در داخل گمانه با ريخـتن آب بـه داخل آن ثابت نگه داشته مي شود. در واقع ريختن آب به داخل گمانه به نحوي صورت مي پذيرد كه بـا رسيدن به يك دبي معين براي آب، سطح گمانه در نقطه اي بالاتر از سـطح آب زيرزمينـي و هم چنـين بالاتر از قطعه مورد آزمايش ثابت بماند.  

وقتي سطح آب درگمانه ثابت ماند، دبي آب ورودي به آن ( Q) و همچنين ارتفاع سـتون 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  و10 دقيقه ثبت مي گـردد. در صـورتي كه اختلاف بين دو قرائت متوالي ده دقيقه اي كمتر از 10% باشد، آزمايش خاتمـه مـي يابـد و از روابـط زيركه توسط نشريه شماره 188سازمان مديريت و برنامه ريزي ارائه شده مقادير نفوذپذيري قائم يا افقي محاسبه مي شود.  

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

 Kh=0.37Q/ LH log(L/r(  ( ضريب نفوذپذيري افقي )

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

      Kv= Q/5.5rH                        (ضريب نفوذپذيري قائم )  

در روابط بالا KH  و KV  به ترتيب ضريب نفوذپذيري افقي و قائم برحسب سانتي متر بر ثانيه  ،L و r  طول و شعاع قطعه مورد آزمايش ازگمانه بر حسب سانتي متر، Q دبي آب ورودي بر حسب سانتي متـر مكعب بر ثانيه و H  ارتفاع آب روي قطعه برحسب سانتي متر مي باشد. در محاسبه H بايـد دقـت شـود كه اين پارامتركمترين مقداردو عدد فاصله سطح آب گمانه از سطح آب زيرزميني و همچنـين فاصـله سطح آب گمانه از وسط قطعه مورد آزمايش است. از طرف ديگر در صورتي كـه آزمـايش تحـت فـشار انجام شود، لازم است فشار روي قطعه با توجه به اضافه فشار مـذكور محاسـبه گـردد .  

 آزمون 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 آبـي ثابـت و در همـان قطعـه مـورد مطالعـه انجـام مي شود. بلافاصله بعد از آزمايش بار آبي ثابت، جريان دبي ورودي به گمانه قطع شده و اجازه داده ميشود كه سطح آب داخل گمانه افت نمايد. در همين حال تغييرات سـطح آب گمانـه در فواصـل زمـاني مختلف اندازه گيري شده و يادداشت مي شود. معمولاً اندازه گيري سطح آب تا جايي ادامـه مـي يابـد كـه 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 روابـط زيـر قابل محاسبه است.

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

  k h=c/Δt log H/h , c = 2.64 r2L log L/r  

  ب)ضريب نفوذپذير ي قائم: (بر حسب سانتي متر بر ثانيه )

  kv =1.31r/Δt log H/h

  در روابط بالا C يك ضريب ثابت است كه براي هر گمانه بـا توجـه بـه طـول و شـعاع قطعـه مـورد آزمايش (r,L)، مقدار ثابتي داشته و از رابطه ارائه شده محاسبه مي شود.  

Δt، برحسب ثانيه محاسبه شده و مدت زماني است كه سـطح آب ازحالـت ثابـت  (سـطح 1) بـه سطح پاياني آزمايش (سطح2) برسد.  

H، فاصله وسط قطعه يا سطح آب زيرزمیني (هركدام كمتر باشند) تا سـطح آب ثابـت شـده در شروع آزمايش مي باشد.    

h، فاصله وسط قطعه يا سطح آب زيرزميني (هر كدام كمتر باشـند ) تـا سـطح آب بـاقي مانـده در گمانه پس از گذشت زمانΔΤ  است.  

به عبارت ديگر مي توان گفت كه H ارتفاع آب روي قطعه در شروع آزمـايش افتـان و  h ارتفـاع آب روي قطعه در پايان آزمايش افتان و يا پس از گذشت زمانΔΤ  از شروع آزمايش است. قاعدتاً براي هـر دو لحظه از آزمايش هم مي توان با جاگذاري ارتفاع آب و اختلاف زماني لحظات مذكور در روابـط فـوق مقدار ضريب نفوذپذيري را محاسبه نمود. در برخي مـوارد مقـدار ضـريب مـذكور بـراي تمـام لحظـات يكسان به دست مي آيد. با اين حال در برخي ديگر از موارد مقدار ضريب نفوذپذيري لحظات مختلف با همديگر فرق مي كند. اختلاف مذكور ممكن است ناشي از غيرخطي بودن رابطـه نفوذپـذيري و فـشار آب و يا تغييرات احتمالي در محيط خاكي باشد.

 قابل ذكر است كه  مشخصه هايL ،h ،H و r بر حـسب سـانتي متـر در روابـط مذكور قرار داده مي شوند.

                        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 اسـت، آزمـايش هـاي 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 بارآبي خيزان يا پمپاژ به دست مي آيد. در ايـن روش آب زيرزميني داخل گمانه، توسط پمپ از گمانه خارج شده و بدين طريـق سـطح آب درون گمانـه بـه اندازه كافي پايين فرستاده مي شود. پس از آن، با قطع پمپاژ اجازه داده مـي شـود كـه سـطح 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 ، ضريب نفوذپذيري افقي و قـائم محاسـبه مي شود. يادآوري مي گردد كه اين آزمايش براي محيط هـاي اشـباع كـاربرد دارد و همـواره قطعـه مـورد آزمايش در زير سطح آب زيرزميني واقع است. مشخـصه H بيانگر فاصله سطح آب زيرزميني تا سطح آب ثابت شده در شروع آزمايش و مشخـصه h بيـانگر فاصـله سطح آب زيرزميني تا سطح آب باقي مانده پس از گذشت زمانΔΤ  مي باشد.

شكل زیر روش انجام آزمايش و همچنين مقادير پارامترهاي مربوطه را براي آزمـايش بـار آبـي خيزان نشان مي دهد.  

در اين حالت مدت زمان (Δt ) درست پس از قطع پمپاژ شروع شده و تا پايان آزمايش ادامـه مـي 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 پايـان زمـان Δt اسـت. قرائـت سطح آب گمانه بايد تا جايي ادامه يابد كه افزايش سطح آب قابل صرف نظر باشد. فاصله زماني قرائت هـا تابع نفوذپذيري خاك است. قرائت ها بايد به اندازه اي باشد كه بتوان منحني تغیيرات لگاريتم ارتفاع آب را بر حسب زمان با دقت مناسبي ترسيم نمود. در هر صورت توصيه شده است كـه زمـان قرائـت هـا در هيچ شرايطي از 5 دقيقه كمتر نباشد (Witerkorn and Fang,1975).  

آزمون لوفران به روش بار آبي خيزان در دو حالت نقطه اي و قطعه اي