آزمایش لوژان (Lugeon Permeability Test Method)

مرسوم ترین روش اندازه گیری نفوذپذیری توده های سنگی درزه دار در صحرا، روش لوژان است. در این روش ابتدا میزان آب خوری توده تحت یک فشار ثابت اندازه گیری می شود و سپس با تغییر فشار آب منحنی تغییرات خورند آب در برابر فشار آب ترسیم می شود. از تفسیر این نمودار عدد لوژان به دست می آید.

عدد لوژان در واقع نماد غیرمستقیم نفوذپذیری توده های سنگ است و طبق تعریف یک واحد لوژان برابر نفوذ پذیری توده سنگی است که از یک متر طول گمانه حفاری شده  در آن، تحت فشار 10 بار، یک لیتر در دقیقه آب عبور کند.

 این آزمایش لوژان اولین بار در سال 1933 توسط موریس لوژان به منظور برآورد تزریق پذیری و نفوذ پذیری سنگها ارائه شد . این آزمایش اغلب بصورت 5 متری انجام می شود که در بعضی مواقع بصورت 4 و3 متر نیز گرفته می شود. بعد از حفر چاه و رسیدن به عمق مورد نظر آزمایش، ابتدا باید مقطع با آب زلال شسته شود سپس پکر را به اصطلاح پک کرده و این گونه گمانه آماده آزمایش می باشد. پکر یا از نوع مکانیکی است که با فشار هیدرولیک دستگاه حفاری انجام می گردد و یا از پکر پنوماتیک که با فشار آب یا انتقال هوا با شیلنگ پلاستیکی (نایلکس) بروی پکر انجام می شود سپس کنتوری که قبلا کالیبره شده بروی مسیر آب که می بایست آب زلال باشد بسته و با یک عدد سه راهی که دقیقا پشت کنتور است و یک عدد مانومتر (گیج فشار) جهت کنترل فشار مقطع بروی سه راهی بسته می شود. آزمایش لوژان معمولا 75 دقیقه گرفته می شود که با توجه به شرایط تغییر می کند، در مقاطع خشک  5 دقیقه برای پر آب کردن مقطع بدون اعمال فشار در نظر گرفته می شود (اشباع) و در گمانه های دارای سطح آب با 5 دقیقه پله اول رادها (های لوله حفاری) و شیلنگ ها تا سر مقطع انجام می شود.

باید توجه کرد میزان فشاری که برای تست در نظر گرفته می شود، ممکن است برای هر مقطع در یک گمانه متفاوت باشد. لذا هنگام انجام تست حتما باید به این مورد توجه گردد. بعد از اشباع ۴ مرحله دیگر باقی می مانند،که در ۲ مرحله فشار از حداقل به حداکثر می رسد (رفت) ودردو مرحله فشار از حداکثر به حداقل رسانده می شود.

لازم به تذکر می باشد که هر مرحله  میزان توقف،۲ بازه ۵ دقیقه ای می باشد (۱۰دقیقه)، به شرط اینکه حداکثر تغییر قرائت کنتور در ۵ دقیقه دوم (نسبت به ۵ دقیقه اول) کمتر از ۱۰درصد باشد. اگر تغییر بیشتر از ۱۰درصد باشد باید توقف در آن مرحله ادامه پیدا کند تا تغییر به کمتر از ۱۰درصد برسد، از این رو ممکن است یک ۵ دقیقه یا بیشتر به زمان توقف در آن مرحله افزوده شود .

هنگام ارزیابی نتایج باید دقت کرد که فشار واقعی در مقطع با لحاظ کردن اختلاف ارتفاع بین مانومتر و تراز آب زیرزمینی (یا وسط مقطع مورد آزمایش در نقاطی که آب زیر زمینی وجود نداشته باشد) بدست می آید از اینرو فشار در مرکز مقطع از فرمول روبر بدست می آید:

P=P_m+(H₁-H₂)/10

که در این فرمول P فشار در مرکز مقطع مورد آزمایش می باشد(atm)،  P_m فشار قرائت شده روی مانومتر(atm)، H₁ تراز مانومتر، H₂ تراز آب زیرزمینی( یا وسط مقطع مورد آزمایش) است. سپس با استفاده از فرمول روبرو مقدار لوژان بدست می آید:

N=10 Q/PLt

که در این فرمول، Q جریان آب در مقطع آزمایش بر حسب لیتر در دقیقه می باشد، L طول قطعه آزمایش به متر، t زمانی که درآن دبی Q جریان داشته است بر حسب دقیقه و P فشار آزمایش است.

آزمایش لوفران (Lefranc Permeability Test Method)

یکی از پارامترهای مهم مصالح ناپیوسته، ضریب تراوایی این مصالح در حالت برجا است که در طراحی سازه ها به ویژه سازه های آبی جزء پارامترهای اصلی به حساب می آید و در محاسبات نشت آب از پی ها و دیواره های آب بند به کار گرفته می شود. برای تعیین ضریب تراوایی مصالح یاد شده، از آزمایش لوفران یا آزمایش پمپاژ داخل گمانه استفاده می شود. در این آزمایش میزان آبخوری لایه های مورد نظر تحت فشار ثابت اندازه گیری شده و میزان تراوایی محاسبه می شود و در هر شرایطی صرف نظر از موقعیت سطح آب زیرزمینی قابل اجرا است. این آزمایش  پا به پای حفاری در فواصل 2 متر یکبار (تا حداکثر 3 متر) یا هر موقع که جنس مواد از نفوذ ناپذیر به نفوذپذیر تبدیل می شود باید انجام گردد. آزمايش نفوذپذيري لوفران در مورد مواد مختلف غير چسبنده و ساختگاه های هوازده و در شرايط مختلف هيدرئولوژيك مورد استفاده قرار مي گيرد. اين روش در خاكهاي چسبنده نيز بكار مي رود ولي نتايج كمتر مورد اعتماد خواهند بود.

مراحل آماده سازی:

برای انجام آزمایش ابتدا لازم است گمانه تا عمق مورد نظر برای آزمایش، حفاری و پوشش ­شود و پوشش بنحوی انجام شود که در تماس کامل با دیواره گمانه قرار گیرد. قسمت انتهائی گمانه باید آب بندی شود تا جریان آب از گمانه به آبرفت فقط از جدار قسمت مورد آزمایش و نیز ته گمانه صورت گیرد. بدین منظور، لوله پوشش 40 تا 50 سانتیمتر بالا کشیده می شود، سپس از ته گمانه بطرف بالا ارتفاع 80 تا 100 سانتیمتر با رس یا بنتونیت پر می شود. می توان از مخلوط رس – سیمان نیز بخصوص در زیر تراز آب زیرزمینی استفاده کرد. چنانچه سطح آب زیرزمینی پائین تر از قسمت مورد آزمایش باشد از رس که دارای رطوبت در حد پلاستیک باشد استفاده می شود. این مواد در سه تا پنج لایه باید ریخته شده و کوبیده گردد. چنانچه سطح آب زیرزمینی بالاتر از قسمت مورد آزمایش باشد از قطعات (کلوخه) بنتونیت استفاده شده و با وسائل مناسب متراکم می گردد.کیفیت آزمایش نفوذپذیری در آبرفت بستگی به نحوه اجرای موارد فوق الذکر داشته و دقت فراوانی در اجرای صحیح عملیات باید بعمل آید. زمانی که ستون رس یا بنتونیت تکمیل شد ، لوله 10 تا 20 سانتیمتر به پائین رانده می شود. در مرحله بعدی ، حفاری گمانه در داخل ستون آب بند زیر لایه زیر آبرفت به عمق 80 تا 100 سانتیمتر پائینتر از ستون آب بند انجام می شود. قطر حفاری 66 می­باشد البته بهتر است قطر حفاری 86 میلیمتر در نظر گرفته شود. دقت خاصی درتمام مراحل انسجام این عملیات و نیز مراحل بعدی کار ضروری است. بدیهی است ادامه حفاری جهت دستیابی به عمقهای پائین تر و انجام مراحل بعدی ، باهمان قطر اولیه حفاری صورت خواهد گرفت.

بهتر است قسمت مورد آزمایش با انجام پمپاژ تمیز شود تا برای آزمایش آماده گردد. بعد از این عملیات باید مدتی صبر کرد تا سطح آب زیر زمینی به حالت طبیعی و متعادل باز گردد. سه بار قرائت به فواصل 10 دقیقه برای حصول اطمینان ، ضروری است. آزمایش نفوذپذیری در دو یا سه روش بشرح زیر انجام خواهد شد تا بدین طریق نتایج اطمینان بخش و قابل مقایسه ای بدست آید.

روش آزمایش

این آزمایش را به دو صورت می توان انجام داد:

• آزمایش تعیین ضریب تراوایی افقی:

این آزمایش در خاکهایی امکان پذیر است که دیواره گمانه در طول قطعه مورد نظر ریزش نکند و در آن یک قطعه آزمایش می شود. در این روش، نتایج آزمایش زمانی قابل قبول است که طول قطعه بزرگتر یا مساوی 10 برابر شعاع گمانه باشد.

الف) بار آبی خیزان و افتان

K برابر ضریب تراوایی بر حسب سانتی متر بر ثانیه، C برابر ضریب ثابت برای قطعه مورد آزمایش، L طول قطعه مورد آزمایش بر حسب سانتی متر، H طول ستون آب تا وسط قطعه مورد آزمایش یا سطح ایستابی (هر کدام کوچکتر باشد) بر حسب سانتی متر و r شعاع گمانه در محل قطعه مورد آزمایش بر حسب سانتی متر، t برابر زمان افت و یا خیز آب بر حسب ثانیه و h برابر افت یا خیز سطح ایستابی در زمان t بر حسب سانتی متر.

ب) سطح آّب ثابت

K برابر ضریب تراوایی بر حسب سانتی متر بر ثانیه، Q شدت جریان ورودی آب بر حسب سانتی متر مکعب در ثانیه، L طول قطعه مورد آزمایش بر حسب سانتی متر، H طول ستون آب تا وسط قطعه مورد آزمایش یا سطح ایستابی (هر کدام کوچکتر باشد) بر حسب سانتی متر و r شعاع گمانه در محل قطعه مورد آزمایش بر حسب سانتی متر.

• آزمایش تعیین ضریب تراوایی قائم:

این آزمایش برای خاک هایی امکان پذیر است که جدار گمانه در طول مورد نظر ریزش می کند. در این موارد لوله جدار تا انتهای گمانه رانده می شود و فقط کف گمانه مورد آزمایش قرار می گیرد و به این دلیل آن را آزمایش نقطه ای هم می نامند.

از نقطه نظر شیوه پمپاژ آب، آزمایش لوفران به دو صورت زیر انجام می شود:

• ریختن آب به داخل گمانه برای گمانه هایی که سطح آب آنها پایین باشد، انجام می شود.
• تخلیه آب از گمانه برای گمانه هایی که انجام می شود که سطح آب آنها در نزدیکی سطح زمین باشد.

بر اساس نحوه افزودن و یا خارج کردن آب از گمانه نیز آزمایش لوفران به یکی از سه روش زیر انجام می شود:

• بار ثابت: بطور مداوم در طول آزمایش آب به سر لوله گمانه ریخته می شود تا سطح آب ثابت بماند. میزان آب افزوده در طول زمان اندازه گیری می شود. آزمایش، زمانی تکمیل است که میزان آب در سه قرائت 10 دقیقه ای با تفاوت 10%  ثابت بماند. در این حالت مقدار نفوذپذیری از رابطه زیر به دست می آید:

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

که در آن K برابر ضریب نفوذپذیری بر حسب سانتی متر بر ثانیه، r برابر شعاع داخلی لوله جداری در کف گمانه بر حسب سانتی متر، H برابر طول ستون آب تا نقطه مورد آزمایش یا تا سطح آب زیرزمینی بر حسب سانتی متر (هرکدام کوچک تر باشند) و t برابر زمان افت و یا خیز آب بر حسب ثانیه و h برابر افت یا خیز سطح ایستابی در زمان t بر حسب سانتی متر.

• بار افتان: لوله چاه پر از آب شده و سپس قطع می گردد. افت آب در لوله در زمانهای مختلف یادداشت می شود. هرگاه شرایط مذکور در روش الف حاصل شود آزمایش تمام است.

آزمایش لوفران به روش بار آبی افتان در حالت های قطعه ای (چپ و وسط) و نقطه ای (راست)

که در آن K برابر ضریب نفوذپذیری بر حسب سانتی متر بر ثانیه، r برابر شعاع داخلی لوله جداری در کف گمانه بر حسب سانتی متر، H برابر طول ستون آب تا نقطه مورد آزمایش یا تا سطح آب زیرزمینی بر حسب سانتی متر (هرکدام کوچک تر باشند) و t برابر زمان افت و یا خیز آب بر حسب ثانیه و h برابر افت یا خیز سطح ایستابی در زمان t بر حسب سانتی متر.

خیز یا افت آب در روشهای الف یا ج در زمانهای 1- 2-3 -4-5-10 دقیقه و حداقل دو قرائت دیگر هر یک به فواصل زمانی 10 دقیقه باید اندازه گیری شود.

در این روش، میزان جریان آب برای ثابت نگهداشتن سطح آب در دقایق 1- 2 – 3 – 4 -5-  10و دو قرائت دیگر بفواصل 10 دقیقه أندازه گیری می شود.

• بار خیزان: آب زیرزمینی با پمپ خارج می شود بنحوی که سطح آب 2 تا 3 متر افت نماید. سپس آب در زمانهای مختلف یادداشت می شود تا زمانی که به حالت تعادل برسد.