آزمایش نفوذ پذیری با بارثابت

- مقدمه

به طور کلی خاک که به دلیل وجود فضاهای خالی مرتبط در داخل آن امکان جریان یافتن آب را از نقاط با انرژی بالا به نقاط با انرژی پایین فراهم می‌سازد، نفوذپذیر است. در مکانیک خاک بررسی جریان آب در داخل خاک نفوذپذیر دارای اهمیت است. این موضوع برای تخمین مقدار تراوش زیرزمینی در شرایط هیدرولیکی مختلف، جهت بررسی مسائل مربوط به پمپاژ آب در عملیات ساختمانی زیرزمینی و برای تحلیل پایداری سدهای خاکی و سازه‌های نگهدارنده خاک تحت نیروهای تراوش ضرورت دارد.

ضریب تراوایی خاک های درشت دانه را می توان با آزمایش نفوذ پذیری با بار ثابت به دست آورد. در این حالت خاک با تراکم مناسب در داخل استوانه مخصوص که دارای سطح مقطع A می باشد قرار داده شده است و زیر آن هم صفحه مشبکی قرار دارد. این خاک تحت جریان یکنواخت قائمی که فشار ثابت دارد قرار می گیرد, حجم آب چریان یافته و از خاک رد شده در واحد زمان یا Q تعریف می شود. با اندازه گیری اختلاف ارتفاع سطح آب در لوله هایی که به جداره استوانه متصل می باشند می توان شیب آبی H/l را به دست آورد و با به کار بردن قانون دارسی به نتیجه زیر رسید:

ضریب نفوذپذیری خاک همگن و ایزوتروپیک به عوامل متعددی بستگی دارد که مهمترین آنها عبارتند از:

1-       اندازه دانه های خاک

2-      خواص سیال

3-     نسبت منافذ خاک(e ):

برای خاکهایی که K به صفر نزدیک است در نسبت تخلخل 0.15 داریم:

4-شکل و ترکیب قرارگیری منافذ

5-درجه اشباع خاک

جهت تعیین سرعت جریان آب در خاکهای اشباع طبق قانون دارسی داریم:

V = K i                                                                                                      

که در این رابطه:

V = سرعت جریان یعنی مقدار آب جاری در واحد زمان از طریق سطح مقطع ناخالص عمود بر جهت جریان

K = ضریب هدایت آب یا ضریب نفوذپذیری

i = گرادیان هیدرولیکی

می‌باشددر خاکهای رسی، ساختار نقش مهمی در ضریب نفوذپذیری دارد. دیگر عوامل مهم تاثیرگذار بر نفوذپذیری رسها عبارتند از: تمرکز یونی و ضخامت لایه آبی که توسط ذرات رس نگهداری می‌شود.

لازم به ذکر است که ضریب نفوذپذیری (K) در خاکهای مختلف بسیار متفاوت است. ضریب نفوذپذیری خاکهای غیراشباع پایین‌تر است و با درجه اشباع به سرعت افزایش می‌یابد.

گذری کوتاه بر روشهای تعیین ضریب نفوذپذیری عبارتند از:

1) روش دانه‌بندی که براساس معادلات تجربی می‌توان به این ضریب دست یافت از جمله برای خاکهای ماسه که cu آنها کمتر یا مساوی 5 باشد و قطر 10% از دانه‌های آن بین 1/0 تا 3 میلیمتر باشد، داریم:

K = 0.01 D210                                                                                                       

که در آن K بر حسب m/s بیان می شود.

2) روش تحکیم که هم در آزمایشگاه با روشهای (الف) بار آبی ثابت و (ب) بار آبی متغیر و هم در محل با حفر چاه و انجام آزمایش پمپاژ به دست می‌آید. در پایان می‌توان طبق یک تقسیم‌بندی درجه نفوذپذیری خاک را به شرح زیر تعیین نمود.

K (m/s)	درجه نفوذپذیری
K > 10-1	خیلی زیاد
10-1 > K > 10-3	متوسط
10-3 > K > 10-5	کم
10-5 > K > 10-7	خیلی کم
K < 10-7	عملاً غیرقابل نفوذ

آزمایشگاه مکانیک خاک- محمد حسین بازیار

2-هدف آزمایش و شماره‌ی ASTM

در این آزمایش هدف تعیین ضریب نفوذپذیری خاک (K) جهت تعیین امکان و میزان جریان یافتن آب از نقاط با انرژی بالا به نقاط با انرژی پایین در یک نمونه خاک اشباع مورد نظر است.در این آزمایش تعیین ضریب نفوذپذیری K طبق روش مستقیم در آزمایشگاه، به  روش بار آبی ثابت کار برده شد.

شماره  ASTM  D2434-68برای بار آبی ثابت می‌باشد.

3- وسایل مورد نیاز آزمایش

I. دستگاه مخصوص تعیین ضریب نفوذپذیری که شامل موارد زیر است:

1) سه پیزومتر

2) نمونه اشباع استوانه‌ای  

3) مخزن آب

4) لوله‌های رابط جهت زهکشی و یا انتقال آب به مخزن

5) خط ‌کش

6)  تخته که سه پیزومتر و خط‌کش روی آن نصب شده‌اند.

II. سطل پلاستیکی جهت ریختن شدن آب زهکشی شده‌ی نمونه و نیز جهت نگهداری آب داخل مخزن در یک لِوِل ثابت

III. استوانه مدرج جهت اندازه‌گیری حجم

IV. کرنومتر جهت اندازه‌گیری زمان

4- گزارش نحوه‌ی تهیه‌ی نمونه و اجرا

قبل از توضیح کامل آنچه در آزمایشگاه انجام دادیم به شرح مختصری در ارتباط با دستگاه مخصوص تعیین ضریب نفوذپذیری با هد ثابت می‌پردازیم:

این دستگاه از سه بخش اصلی سیلندر محتوی نمونه اشباع، سه پیزومتر که در ارتفاع‌های مختلف به نمونه سیلندری متصل واز طرفی روی تخته‌ای نصب است که خط‌کشی جهت اندازه‌گیری ارتفاع آب در آنها تعبیه شده است و درنهایت مخزن آبی که در ارتفاعی، بالاتر سیلندر نمونه قرار گرفته و سه شلنگ که یکی مربوط به ورود آب به مخزن و یکی جهت انتقال آب به نمونه و دیگری نقش سرریز را بر عهده دارد و به آن متصل است تشکیل شده است. لازم به ذکر است که در بخش انتهایی سیلندر نمونه لوله پلاستیکی جهت زهکشی و بیرون ریختن آب اضافی داخل نمونه قرار دارد که شیری در ابتدای آن تعبیه شده است.

با این توضیح به شرح آنچه در آزمایشگاه انجام دادیم، می‌پردازیم:

ابتدا شیر مخصوص ورود آب به مخزن را باز نمودیم. این عمل را برای ثابت ماندن هد آب در مخزن در یک ارتفاع معین و ثابت انجام دادیم. مسلماً برای بیشتر نشدن ارتفاع آب در مخزن از لوله مخصوص خارج کردن آب اضافی، آب مازاد خارج می‌شد. در این حال ارتفاع آب در پیزومترهایی که هر کدام در ارتفاعات مختلف سیلندر نمونه نصب شده بودند شروع به تغییر کرد. در این حالت گذاشتیم تا ارتفاع آب در هر 3 پیزومتر نصب شده به سیلندر که یکی در بالا و دیگری در وسط و آخری در پایین سیلندر نمونه نصب شده بود ثابت شود. ارتفاع آب در سه پیزومتر را با منطبق کردن آن با خط‌کش نصب شده روی تخته نصب پیزومترها قرائت و آن را یادداشت نمودیم. در این زمان شیر مخصوص لوله زهکشی نمونه را باز نمودیم و سر آن را داخل ظرف استوانه‌ای مدرج جهت اندازه‌گیری حجم قرار دادیم و همزمان کرنومتر را جهت اندازه‌گیری زمان روشن نمودیم. این عمل را تا رسیدن به حجم مشخصی از ظرف استوانه‌ای مدرج انجام داده و پس از رسیدن به حجم مشخص، همزمان شلنگ محتوی زهکشی آب اضافه‌ی سیلندر را از ظرف استوانه‌ای مدرج خارج نموده کرنومتر را خاموش کردیم.

این عمل را تا سه بار با حجم‌های مختلف (می‌توان هر بار حجم معینی را پر کرد ولی در آزمایشی که ما انجام دادیم، حجم‌های مختلف را در نظر گرفتیم) و مشخصاً با اندازه‌گیری زمان در هر قسمت انجام دادیم. از آنجا که محل تعبیه پیزومترها روی سیلندر نمونه مشخص بود با دانستن فاصله هر کدام از پیزومترها از یکدیگر و با اطلاعات مربوط به حجم خروجی و زمان توانستیم K ضریب نفوذپذیری را محاسبه کنیم که در بخشهای بعدی به روش محاسبه پرداخته شده.

لازم به ذکر است در تمام طول آزمایش شیر تغذیه مخزن آب باز بود.  

5-اندازه‌گیری‌ها

مشخصات نمونه:

D = 7.5 Cm

L1 = 7 Cm

L2 = 7 Cm

L3 = 7 Cm

87 Cm = ارتفاع آب در پیزومتر پایینی

  = 64 Cm ارتفاع آب در پیزومتر وسطی

=33 Cm ارتفاع آب در پیزومتر بالایی

Δt1 = 30 (s)

Δt2 = 60 (s)

V1 = 180 (ml)

V2 = 360 (ml)

6- محاسبات و نتیجه‌گیری

1) 

           

                                   

                

 

                                                                

2)

به علت برابری دبی Q آب خروجی در دو اندازه گیری انجام شده از محاسبات مجدد صرف نظر می‌شود.

طبق تقسیم‌بندی داریم:

10-1 > K > 10-3 . بنابراین خاک دارای درجه نفوذپذیری متوسط است.

7- خطاها

1) خطای قرائت ارتفاع آب پیزومترها

2) خطا در عدم همزمانی زدن کرنومتر و قرار دادن شلنگ زهکشی در ظرف استوانه مدرج در ابتدای هر مرحله و همچنین عدم همزمانی کامل در پایان هر مرحله جهت خاموش کردن کرنومتر و بیرون آوردن سر شلنگ زهکشی از داخل ظرف استوانه‌ای مدرج.

3) خطای قرائت حجم آب داخل ظرف استوانه‌ای مدرج

4)خطای ثابت و یکجا نبودن لوله ی حاوی آب خروجی از نمونه به دلیل نگهداری آن با دست

5)خطای درجه بندی خط کش

6)خطای ناشی از اختلاف دمای آزمایشگاه(عدم کاربرد ضریب تصحیح حرارتی در ضریب نفوذپذیری)

7)خطای ناشی از عدم اشباع کامل و عدم رعایت زمان لازم جهت اشباع کامل نمونه خاک و خروج هوا

8)خطای ناشی از به هم خوردن شرایط آزمایش (مانند به وجود آمدن جریان ناپایدار و متلاطم (بحرانی و...)که کاربرد قانون دارسی در آن شرایط نادرست است.

9)خطای ناشی از همگن نبودن نمونه خاک مورد استفاده در آزمایش

10)خطای ناشی از تبخیر رطوبت نمونه یا تبخیر بخشی از دبی ورودی و دبی خروجی در مخزن

7- خطاها

1) خطای قرائت ارتفاع آب پیزومترها

2) خطا در عدم همزمانی زدن کرنومتر و رسیدن سطح آب به ارتفاع مورد نظر و به وجود آمدن همین خطا در انتهای هر مرحله یعنی عدم همزمانی بین خاموش کردن کرنومتر در رسیدن سطح آب داخل پیزومتر به ارتفاع مورد نظر.

3)افزایش خطای قرائت با افزایش قطر پیزومتر ها

4)خطای دستگاهی مانند عدم کارکرد مناسب دستگاه نفوذپذیر یا درجه بندی خط کش و...

5)خطای ناشی از اختلاف دمای آزمایشگاه و دمای آب (عدم کاربرد ضریب تصحیح حرارتی در ضریب نفوذپذیری)

6)خطای ناشی از عدم اشباع کامل و عدم رعایت زمان انتظار جهت اشباع کامل نمونه خاک و خروج هوا

7)خطای ناشی از عدم رعایت دانه بندی مورد نیاز آزمایش،همچنین همگن و یکسان نبودن کلیه لایه های نمونه تهیه شده

8)خطای ناشی از تلاطم و به هم خوردگی نمونه خاک به هنگام افزودن آب به آن

9)خطای ناشی از تغییرات زیاد سرعت جریان آب در نمونه نسبت به زمان (افت سریع ارتفاع آب) که سبب به هم خوردن نمونه خاک و عدم حصول نتایج مطلوب و قابل اعتماد می شود.

8-نظرات شخصی

محدودیت هایی در آزمایش نفوذپذیری با بار ثابت وجود دارد که با توجه به آنها می توان روشهایی جهت بهینه کردن و نیز اقتصادی نمودن آن پیشنهاد داد .از جمله این محدودیت ها طولانی بودن زمان آزمایش بخصوص در خاکهای ریز دانه است که خود مشکل کنترل تبخیر آب در مخزن و لوله های مسیر آب را به وجود می آورد.جهت رفع این مشکل می توان مخزن آب را در اتاقک تحت فشار قرار داد تا در اثر فشار هوای بالای مخزن آب، عمل تبخیر به تعویق افتد.از دیگر مشکلات این آزمایش صرف مقدار زیادی آب است تا سطح آب مخزن در طول مدت آزمایش ثابت بماند که از نظر اقتصادی به صرف نبوده آب زیادی به هدر میرود .برای بهبود این وضع می توان سیستمی تعبیه کرد تا آب خروجی از سر ریز مخزن دوباره به مخزن پمپ شود.

اما با در نظر گرفتن تمامی جوانب برای خاکهای ریز دانه اغلب روش بارآبی متغیر ترجیح داده می شود وبرای خاکهای دانه درشتر از آزمایش بار آبی ثابت استفاده می شود . در پایان با در نظر گرفتن امکانات در دسترس وحساسیت ودقتی که در عمل به آن نیاز است ،می توان گفت روشهای آزمایشی بارآبی ثابت و متغیر کارایی خوبی در تعیین درجه نفوذ پذیری خاک دارند.