آزمایش تعیین نفوذپذیری خاک های دانه ای (بار ثابت) و ریز دانه (بار افتان)

آزمایش تعیین نفوذپذیری خاک های دانه ای (بار ثابت) و ریز دانه (بار افتان)

آزمایش تعیین نفوذپذیری خاک برای تعیین ضریب نفوذپذیری با استفاده از روش هد ثابت برای جریان لایه ای آب از طریق خاک های دانه ای کاربرد دارد. در واقع، هدف این روش، تعیین مقادیر معرف ضریب نفوذپذیری خاک های دانه ای است که ممکن است در لایه های رسوبات طبیعی موجود در خاکریز ها یا هنگام استفاده از این خاکها در لایه های اساس واقع در زیر روسازی ها رخ دهد. به منظور محدود کردن اثرات تحکیم در طول آزمایش، این روش به خاک های دانه ای دست خورده ای محدود می شود که درصد عبوری آنها از الک ۷۵ میکرون (الک نمره ۲۰۰)، حداکثر ۱۰ درصد است.

تعاریف

الف) جریان لایه ای یا آرام: اگر فشار منفذی با گذشت زمان تغییر نکند، سرعت جریان، ثابت بوده و جریان آرام یا پایدار نامیده می شود.
ب) جریان گذرا: اگر فشار منفذی با گذشت زمان تغییر پیدا کند، سرعت جریان، ثابت نبوده و جریان گذرا یا نشت” نامیده می شود. خاک، تغییر شکل می دهد و تنش مؤثر تغییر می کند.

ج) نیروی نشت (زه یا تراوش، Fs): این نیرو، نتیجه افت انرژی (پتانسیل) در طول مسیر بوده و نیروی مؤثر در جهت جریان است و با رابطه زیر تعریف می شود.

Fs = γw . i . V0

در رابطه فوق

• γw: وزن مخصوص آب
• i: گرادیان (شيب) هیدرولیکی و
• V0: حجم قطعه

د) فشار تراوش: اگر آب موجود در یک توده خاک، حرکت داشته باشد (نشت)، تنش مؤثر، در نقاط مختلف تغییر خواهد کرد.

بر حسب امتداد حرکت آب، این تنش، ممکن است کم یا زیاد شود. مقداری که به این تنش افزوده یا از آن کاسته می شود را فشار نفوذ یا فشار تراوش می گویند و از رابطه زیر به دست می آید.

P = iZγw

در رابطه فوق:

• P: فشار نفوذ با فشار تراوش
• γw: وزن مخصوص آب
• Z: عمق نقطه موردنظر از سطح خاک
• i: گرادیان هیدرولیکی در توده خاک

حال اگر حرکت آب در توده خاک به سمت بالا باشد، از مقدار تنش مؤثر کاسته خواهد شد. به عبارت دیگر، علامت فشار تراوش، منفی خواهد شد. ولی اگر حرکت آب به سمت پایین باشد، به مقدار تنش مؤثر افزوده می شود و علامت فشار تراوش مثبت خواهد بود.

شرح مختصری از روش آزمون

یک تودۂ خاک، از ذرات جامد با اندازه های مختلف و با فضاهای خالی بهم پیوسته تشکیل شده است. وجود فضاهای خالی بهم پیوسته در خاک، موجب جریان یافتن آب، از نقطه ای با انرژی بالا به نقطه ای با انرژی پایین می شود. نفوذپذیری، به عنوان ویژگی خاصی از خاک تعریف می شود که امکان نشت سیالات از طریق فضاهای خالی به هم پیوسته آن را فراهم می سازد.

متداول ترین روش های آزمایشگاهی برای تعیین ضریب نفوذپذیری خاکها، عبارتند از

• آزمون تعیین ضریب نفوذپذیری با بار ثابت
• آزمون تعیین ضریب نفوذ پذیری با بار افتان و
• تعيين ضریب نفوذپذیری به طور غیرمستقیم، از نتایج آزمایش تحکیم

آزمون تعیین ضریب نفوذپذیری با بار ثابت. برای مصالح دانهای نفوذپذیر مناسب است. برای تعیین ضریب نفوذپذیری خاک های ریزدانه، از آزمون تعیین ضریب نفوذپذیری با بار افتان استفاده می شود.

تعیین ضریب نفوذپذیری خاک های دانه ای به روش بار ثابت

خاک های دانه ای (شن و ماسه) که درصد عبوری آنها از الک نمره ۲۰۰، کمتر از ۱۰ درصد باشد، با این روش آزمایش می شوند.

از جدول بسیار مهم موجود در استاندارد، بر اساس دانه بندی نمونه خاک آزمایش، مشخصات قالب نفوذپذیری و قطر نمونه آزمایش آن تعیین می گردد.

خاک را بر اساس وزن مخصوص و شرایط تراکمی موردنظر، در قالب های آزمایش جای داده، به نحوی که تراز فوقانی نمونه داخل قالب، از آکس بالاترین خروجی فشارسنج (پیزومتریک) بدنة قالب، ۲ سانتیمتر بالاتر باشد.

فنر مربوطه را جهت کنترل تغییرات حجمی نصب کرده و مراتب آب بندی قالب را انجام می دهیم.

در رابطه با اطمینان از شرایط اشباع کامل، با توجه به نکات فنی و کارشناسی اقدام می کنیم.

برای یک نمونه خاک، حداقل باید 3 گرادیان هیدرولیکی را در محدوده مجاز 0.2 تا 0.5 ایجاد ایجاد کرده و میانگین ۳ نتیجه را گزارش نماییم.

محاسبه ضریب نفوذپذیری، بر اساس رابطه ارائه شده در بخش محاسبات انجام می شود.

استفاده از آب گرم در مدارات آبرسانی، نتایج بهتری حاصل می کند.

تعیین ضریب نفوذپذیری خاک های ریزدانه به روش بار افتان بر اساس دستورالعمل ارائه شده توسط Bowles

نمونه خاک، میتواند به صورت دست نخورده، یا با داشتن وزن مخصوص و درصد رطوبت، به صورت دست خورده آزمایش شود.

در نمونه گیری و شرایط اشباع کردن، بخش نکات فنی و کارشناسی را با دقت مرور کنید.

به علت زمان بر بودن اشباع نمونه، استفاده از پمپ خلا (مکش) الزامی می باشد.

محاسبه ضریب نفوذپذیری، بر اساس رابطه ارائه شده در بخش محاسبات انجام می شود.

محاسبات آزمایش تعیین نفوذپذیری خاک

محاسبه ضریب نفوذپذیری خاک های دانه ای به روش بار ثابت

رابطه مورد استفاده برای تعیین ضریب نفوذپذیری در این روش عبارت است از:

K=QL/Aht

در رابطه فوق

• Q: مقدار آب خارج شده (حجم آب جمع شده در ظرف)
• L: فاصله بین فشارسنجها (طول نمونه مورد آزمایش)
• A: سطح مقطع نمونه خاک
• h: اختلاف ارتفاع در فشارسنجها (اختلاف بار آبی بین ابتدا و انتهای نمونه)
• t: زمان كل تخلیه آب (مدت زمان جمع آوری آب)

با ضرب نمودن ضریب نفوذپذیری (k)، در نسبت ویسکوزیته آب در دمای آزمایش، به ویسکوزیته آب در دمای ۲۰ درجه سانتیگراد (۶۸ درجه فارنهایت)، آن را برای دمای ۲۰ درجه سانتی گراد تصحیح کنید.

روش گزارش کردن ضریب نفوذپذیری در دمای ۲۰ درجه سانتی گراد.

در رابطه فوق

• ηt: ویسکوزیته آب در دمای t
• η20: ویسکوزیته آب در دمای ۲۰ درجه سانتیگراد

ضریب تبدیل حرارتی برای گزارش کردن ضریب نفوذپذیری مطابق جدول زیر می باشد.

محاسبه ضریب نفوذپذیری خاک های ریزدانه به روش بار افتان بر اساس دستورالعمل ارائه شده توسط Bowles

رابطه مورد استفاده برای تعیین ضریب نفوذپذیری در این روش مطابق شکل فوق عبارت است از

در رابطه فوق

• q:دبی جریان
• k: ضریب نفوذپذیری
• i: گرادیان هیدرولیکی
• h: اختلاف هد (ارتفاع هیدرولیکی) در زمان t
• A: مساحت نمونه
• a: مساحت پیزومتر (لوله شیه ای فشارسنج)
• L: طول نمونه

با توجه به معادله فوق ضریب نفوذپذیری به صورت زیر تعریف می شود.

• h1: ارتفاع بار آبی، از بالای تابلو در زمان شروع آزمایش
• h2: ارتفاع بار آبی، از پایین تابلو در زمان خاتمه آزمایش

مقادیر a، L، A و t در بالا تعریف شده است.

گزارش آزمایش تعیین نفوذپذیری خاک

گزارش باید حاوی اطلاعات زیر باشد.

• پروژه، تاریخ تعداد آزمایش، محل، عمق و سایر اطلاعات مربوطه
• دانه بندی، طبقه بندی، اندازه حداکثر ذرات و درصد مصالح بزرگ سایزی که استفاده نمی شوند.
• وزن مخصوص خشک، نسبت تخلخل، تراکم نسبی در محل و چگالی های حداکثر و حداکثر
• بیان هرگونه انحراف از شرایط آزمون به گونه ای که بتوان نتایج را ارزیابی نموده و مورد استفاده قرار گیرد.
• تکمیل داده های آزمایش به صورتی که در فرم آزمایشگاه نشان داده شده است.
• منحنی های آزمایش برای ترسیم سرعت Q/At در مقابل گرادیان هیدرولیکی h/L برای پوشش محدوده های مشخصات خاک و تراکم های نسبی

منابع

راهنمای جامع آزمایشگاه مکانیک خاک ، مهندسی خاک و ژئوتکنیک نوشته مهندس داریوش مرادی

استاندارد ASTM D2423

استاندارد AASHTO T215