آزمایش تعیین نفوذپذیری خاک با بارافتان
TXT
txt 13 f 2017
آزمایش تعیین نفوذپذیری خاک با بارافتان
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.
در حالت خاک های ریزدانه باید از آزمایش نفوذپذیری با ارتفاع افتان استفاده شود. در مورد خاک های ریزدانه معمولا آزمایش بر روی نمونه های دست نخورده انجام می شود و ممکن است که استوانه آزمایش عمان لوله نمونه گیر باشد. طول نمونه برابر l و سطح مقطع آن برابر A است. در طرفین نمونه خاک صفحات فلزی مشبک قرار داده می شود و لوله باریکی به سطح مقطع a به بالای استوانه متصل می شود. آب به داخل مخزنی با سطح آب ثابت جریان ÷یدا می کند لوله باریک را پر از آب کرده و مدت زمان لازم t1 که ارتفاع آب در این لوله از h0 به h1 کاهش پیدا میکند اندازه گرفته می شود. در هر لحظه t ارتفاع سطح آب در لوله برابر h و سرعت تغییرات آن برابر -dh/dyاست.
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 )
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 |
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 آزمایشگاهو روش بار آبی متغیر به کار برده شد.
لازم به ذکر است آزمایش نفوذپذیری با بار افتان به صورت استاندارد در ASTM وAASHTO شرح داده نشده است ولی به صورت مشابه در آزمایش استاندارد تعیین ضریب نفوذپذیری با بار ثابت با همان شمارهASTM مربوط به آن(با برخی اختلافات)درج شده است.
3- وسایل مورد نیاز آزمایش
I. دستگاه مخصوص تعیین ضریب نفوذپذیری با هد متغیر که شامل موارد زیر است:
1) سه پیزومتر با اقطار مختلف مقطع
2) نمونه اشباع استوانه‌ای
3) محل نگهداری نمونه استوانه‌ای که یک ظرف بزرگتر است که داخلش از آب پر شده.
4) خط‌کش
5) تخته که سه پیزومتر و خط‌کش روی آن نصب شده‌اند.
II. کرنومتر
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 متغیر می‌پردازیم:
این دستگاه از دو بخش اصلی تشکیل یافته یکی سیلندر محتوی نمونه اشباع که در ظرفی پر از آب قرار گرفته و حتی آب حاصل از زهکشی به آن وارد می‌شود و دیگری سه پیزومتر با قطر لوله‌های متفاوت که به قسمت فوقانی سیلندر نمونه متصل است و به تخته تکیه داده شده به دیوار که روی آن خط‌کش قرار دارد نصب گردیده است.
با این توضیح به شرح آنچه در آزمایشگاه انجام دادیم، می‌پردازیم:
ابتدا با باز کردن شیر اصلی که تغذیه پیزومترهای با پیچ بسته را به عهده دارد ارتفاع آب داخل پیزومترها را تا حد معینی بالا بردیم تا هد آب در ارتفاعی قابل قبول از خط‌کش قرار گیرد سپس این شیر را بستیم و پیچ لوله پیزومتر شماره 1 که دارای قطر d1 بود را باز کردیم (این عمل در حالی صورت گرفت که پیچ دو پیزومتر دیگر بسته بود و تنها آب از این پیزومتر وارد نمونه می‌شد). با این عمل آب ابتدا با سرعت و سپس با رسیدن به سرعت یکنواخت وارد نمونه می‌شد و ارتفاعش در لوله پیزومتر پایین می‌آمد.
در این حال یعنی در زمان رسیدن سرعت پایین آمدن ارتفاع آب در پیزومتر به سرعت یکنواخت و همچنین با در نظر گرفتن اندازه‌ای از خط‌کش (اندازه‌ای از خط‌کش که هنوز آب با سرعت ثابت به آن نرسیده است) گذاشتیم تا ارتفاع آب به آن اندازه‌ای که در نظر گرفته شده برسد و همزمان کرنومتر را روشن کردیم تا زمانی که ارتفاع آب به اندازه دلخواه دیگری از خط‌کش برسد . در این حالت اندازه‌گیری زمان را متوقف نمودیم و ارتفاع دلخواه را یادداشت کردیم (لازم به ذکر است که ارتفاع اولیه را نیز یادداشت کرده بودیم).
این عمل را برای دو پیزومتر دیگر نیز با در نظر گرفتن این نکته که باید در آزمایش با هر یک از پیزومترها با قطرهای متفاوت پیچ دو پیزومتر دیگر حتماً بسته و فقط پیچ پیزومتر مورد اندازه‌گیری باز باشد، انجام دادیم.
لازم به ذکر است که در انتهای هر مرحله آزمایش به دلیل پایین آمدن سطح آب داخل پیزومترها شیر اصلی تغذیه پیزومترها را قبل از شروع مرحله بعدی و در حالی که هر سه پیچ سه پیزومتر بسته بود باز می‌کردیم تا ارتفاع آب به حد قابل قبولی برسد و آن گاه مرحله بعد را آغاز می‌کردیم.
5- اندازه‌گیری‌ها
d3 = 4.5 mm پیزومتر (3) | d2 = 3 mm پیزومتر (2) | d1 = 1.5 mm پیزومتر (1) |
Δt = 244.59 (s) | Δt = 74.75 (s) | Δt = 66.53(s) |
= 87 Cm ارتفاع اولیه | = 95 Cm ارتفاع اولیه | = 80 Cm ارتفاع اولیه |
= 74 Cmارتفاع ثانویه | = 85Cmارتفاع ثانویه | = 70 Cmارتفاع ثانویه |
مشخصات نمونه:
D = 10 Cm
L = 13 Cm
طبق تقسیم‌بندی داریم:
10-3 > K > 10-5 . بنابراین خاک دارای درجه نفوذپذیری کم است.
7- خطاها
هیچکدام از آزمایشهای با بار ثابت و با بارافتان ضریب نفوذ پذیری دقیقی از خاک به دست نمی دهند که مهمتریت دلایل آن در زیر آمده است :
1 . خاکی که در دستگاه نفوذ پذیری قرار می گیرد دقیقا همان خاکی که در محل وجود داشته ، نمی باشد و اغلب دستخوش تغییراتی شده است .
2 . ممکن است جهت چینه ( لایه ) در محل را نتوان برای جریان آب به خوبی شبیه سازی کرد . در ماسه ها نسبت جریان افقی به عمودی 3 تا 4 برابر و حتی بیشتر می باشد (KH/KV>3) ، حتی اگر نسبت تخلخل در محل برای ماسه ها شبیه سازی شود ، نسب KH/KVممکن است تغییر نماید . اگر خاکهای رسی در لایه 15 تا 30 سانتیمتری روی هم قرار داده شده ، غلتک زده شوند ، اتصالات افقی در آنها ایجاد خواهد شد که در نتیجه می شود و لذا ساخت مجدد آنها در ازما یشگاه مشکل خواهد بود .
3 . شرایط مرزی در محل ، با شرایط مرزی در آزمایشگاه متفاوت است . دیواره های صاف قالب نفوذ پذیری نسبت به دیواره های زبر خاک ، مسیر بهتری برای جریان ایجاد می کنند . اگر خاک به صورت لایه های عمودی باشد ، جریان در لایه های متفاوت با یکدیگر تفاوت خواهد داشت . ممکن است ایجاد این شرایط مرزی در شبیه سازی امکان پذیر نباشد .
4 . ممکن است بار هیدرولیکی h در آزمایشگاه ، با آنچه که در واقعیت وجود دارد متفاوت باشد ( غالبا بزرگتر است ) و موجب شود که ذرات ریز با شسته شدن از مرزها خارج شوند .
مقدار شیب هیدرورلیکی در محل (i=h/L) در حدود 5 / 0 تا 5 / 1 می باشد ، در حالی که در آزمایشگاه ممکن است 5 یا بیشتر باشد . بعضی شواهد نشان می دهند کهV=k.i برای مقادیری از به صورت خطی نمیباشد ، بویزه مقادیر بزرگ آن از سوی دیگر ، شواهدی برای خاکهای ریز دانه ( رس ها ) نشان می دهد که ممکن است برای آنها شیب آستانه ای ( حدی ) وجود داشته باشد و زیر آن جریانی رخ ندهد .
5 . تاثیر وجود هوا در نمونه آزمایشگاهی حتی برای حبابهای ریز ، به دلیل کوچکی نمونه زیاد می باشد
نظرات شخصی:
در آزمایش بار آبی متغیر اگر سیستمی تعبیه شود که نسبت به عبور آب درپیزومتر از دو ارتفاع معین،بعد از رسیدن سرعت آب به یک مقدار ثابت،حساس بوده وهنگام گذر از این دو ارتفاع زمان را اندازه بگیرد،اختلاف درجه ی نفوذپذیری که از سه پیزومتر با قطر های مختلف به دست می آید بسیار کم و دقت آزمایش بسیار بالا می رود که به نظر می رسد استفاده از حسگرهای متصل به وسیله اندازه گیری زمان درمسیر عبور آب از لوله های پیزومتر در دو ارتفاع معین روش مناسبی باشد.
دیدگاه ها