کاربرد و اهمیت آزمایش لوژان در مهندسی عمران

آزمایش لوژان یکی از آزمایش‌ بررسی خاک رایج و لازم‌الاجرا برای استارت زدن پروژه‌های عمرانی است. این آزمایش مرسوم برای به دست آوردن ضریب نفوذپذیری و تزریق پذیری توده‌های سنگی درزدار مورد استفاده قرار می‌گیرد. برای انجام دادن این آزمایش به مقداری سنگ نمونه از صحرا نیاز داریم تا با تحت فشار قرار دادن آن توسط فشار آب و بررسی منحنی تغییرات در اثر تغییر فشار آب، ضریب تزریق پذیری و نفوذپذیری سنگ نمونه را به‌دست بیاوریم. نتیجه نهایی آزمایش لوژان یک عدد خواهد بود. این عدد واحد تغییرات میزان نفوذپذیری توده سنگ بر اساس تغییرات فشار و مقدار آبی است که در دقیقه بتواند از سنگ رد شود. برای آشنایی بیشتر با آزمایش لوژان تا انتهای این مطلب ما را همراهی کنید.

عدد لوژان

موریس لوژان در سال ۱۹۳۳ برای اولین بار این آزمایش را طراحی و اجرا کرد. در این آزمایش پس از حفر چاه و رسیدن به عمق مورد نظر (غالباً عمق ۵ متری و در برخی موارد، عمق ۴ یا ۳ متری) گمانه وارد توده سنگ شده و با آب زلال شسته می‌شود.

برای انجام این آزمایش به یک کنتور آب نیاز خواهیم داشت که بر روی مسیر آب ورودی به گمانه بسته شده است. همچنین یک گیج فشار (مانومتر) نیز برروی کنتور بسته می‌شود تا فشار دبی آب ورودی محاسبه و کنترل شود. آزمایش لوژان معمولاً به کمی بیشتر از یک ساعت نیاز دارد تا به نتیجه رسیده و نمودارهای لوژان ظاهر شوند. این آزمایش در ۵ مرحله انجام می‌شود که مرحله اول آن اشباع کردن کف گمانه خواهد بود.

۴ مرحله بعدی نیز خود در ۲ فاز جداگانه انجام می‌شود. در فاز اول که شامل ۲ مرحله دوم و سوم آزمایش است، فشار آب ورودی به گمانه به بیشینه مقدار خود می‌رسد تا پیک مثبت نمودارهای لوژان ظاهر شوند. سپس وارد فاز دوم می‌شویم که شامل مرحله چهارم و پنجم آزمایش است. در این فاز فشار آب ورودی به گمانه از بیشینه مقدار خود شروع به کاهش کرده و به مقدار مینیمم یا کمینه خود می‌رسد. با رسیدن فشار به مقدار کمینه، پیک منفی نمودارهای لوژان ظاهر شده و عدد لوژان از روی نمودارهای قابل محاسبه خواهد بود.

درباره انواع روش های بهسازی خاک اعم از میکروپایل و ریزشمع، تزریق با فشار بالا یا جت گروتینگ، تراکم دینامیکی بیشتر بدانید.

پس از به اتمام رسیدن آزمایش، برای اینکه عدد به‌دست‌آمده به‌عنوان عدد لوژان و فشار واقعی، دقیق‌ترین مقدار ممکن بوده و درصد خطا به کمترین مقدار خود برسد، باید اختلاف ارتفاع بین مانومتر و تراز آب زیرزمینی نیز در نتیجه نهایی وارد شود. فشار در مرکز مقطع گمانه با استفاده از رابطه زیر به دست می‌آید:

• P: فشار در مرکز مقطع مورد آزمایش
• Pm: فشار قرائت‌شده روی مانومتر
• H1: تراز مانومتر
• H2: تراز آب زیرزمینی یا وسط مقطع مورد آزمایش

عدد لوژان با استفاده از رابطه زیر محاسبه‌شده و به دست می‌آید:

• • Q: جریان آب در مقطع آزمایش بر حسب لیتر در دقیقه
  • L: طول قطعه آزمایش به متر
  • T: زمانی که در آن دبی Q بر حسب دقیقه جریان داشته است
  • P: فشار آزمایش

بیشتر بخوانید: میکروپایل چیست؟

تجهیزات مورد نیاز برای انجام آزمایش لوژان

همان‌طور که تاکنون متوجه شده‌اید، آزمایش لوژان از دسته آزمایش‌های درون‌چاهی است که بر روی سنگ‌ها کاربرد دارد و برای انجام آن، به حفر گمانه نیاز داریم. انجام این آزمایش در طرح‌های آبی که نیاز به حفاری خاک‌ها و سنگ‌های زیرزمینی دارند لازم و ضروری خواهد بود. در حین حفاری گمانه‌های اکتشافی و مغزه گیری از سنگ، هم‌زمان با پیشروی گمانه آزمون فشار آب هم انجام می‌شود.

حفاری به کمک سرمته و تجهیزات سنگین حفاری انجام می‌شود. پس از رسیدن به سطح مقطع مورد نظر، ادوات حفاری از چاه بیرون کشیده می‌شوند و جدار گمانه حفرشده، با آب زلال مورد شستشو قرار می‌گیرد تا نتایج آزمایش را تحت تأثیر خود قرار ندهد.

شستشوی گمانه مهم و ضروری است. این شستشو تا زمانی ادامه پیدا می‌کند که آب زلال از سمت دیگر گمانه خروج شود. اگر گل‌ولای گمانه به‌خوبی شسته نشود، ممکن است مسیر آب ورودی به گمانه و اطراف را بسته و ناخواسته نتایج آزمایش را با خطا همراه کند.

پس از شستشوی کامل، گمانه آماده شروع آزمایش است. به این منظور دو طرف گمانه با تجهیزاتی به نام پکر (Packer) برای مسدود کردن بالا و پایین گمانه در دو سمت آن نصب می‌شوند. وظیفه پگرها، آب‌بندی کامل دو سر گمانه است، به‌گونه‌ای که آب از گمانه به سمت اطراف آن نفوذ نکند. به کمک این پکرها می‌توانیم به هدف خودمان که تزریق افقی آب به اطراف گمانه است، برسیم.

فرار آب از پکرها به سمت بالا یا پایین گمانه منجر به بروز خطا در نتایج نهایی آزمایش لوژان خواهد شد. پس از تست کردن پکرها می‌توانیم آزمایش ۵ مرحله‌ای خود را آغاز کنیم. برای این کار به تجهیزات و ابزار زیر نیاز پیدا خواهیم کرد:

• پمپ آبی که وظیفه تأمین فشار آب را بر عهده بگیرد.
• مسدودکننده یا پکری که وظیفه آب‌بندی کردن دو سر قطعه مورد آزمایش را بر عهده بگیرد.
• کنتور آبی که دبی آب تزریقی به گمانه را اندازه‌گیری کند.
• فشارسنج یا مانومتری که میزان فشار آب داخل گمانه را اندازه‌گیری کند.
• منبع آبی که وظیفه تزریق آب مورد نیاز به پمپ آزمایش را بر عهده بگیرد.
• سیستم تولید و انتقال فشار گاز برای باد کردن پکرها

فشار آب در آزمایش لوژان به‌صورت پله‌ای افزایش پیدا می‌کند. این افزایش فشار معمولاً در ۷ پله مجزا اتفاق می‌افتد. فشار از صفر پاسکال شروع‌شده و با افزایش‌های ۰.۲۵ درصدی به فشار بیشینه یعنی یک پاسکال می‌رسد. سپس همین مسیر را طی کرده و با کاهش‌های ۰.۲۵ درصدی به فشار کمینه یعنی فشار صفر پاسکال می‌رسد.

0.25P، 0.5P، 0.75P، P، 0.75P، 0.5P و 0.25P

شروع آزمایش و نحوه افزایش فشار از صفر پاسکال به ۰.۲۵ پاسکال بسیار مهم بوده و در نتیجه آزمایش تأثیرگذار است. بنابراین این کار را به‌آرامی و تحت کنترل کامل انجام دهید. مقدار آب نفوذ کرده به زمین در هر پله از آزمایش، با فاصله‌های منظم ۵ دقیقه‌ای خوانده و یادداشت می‌شوند. اگر اختلاف بین دو عدد خوانده‌شده متوالی در یک پله فشار ثابت کمتر از ۱۰ درصد باشد، آزمایش در پله مربوطه خاتمه پیدا کرده و با افزایش فشار به پله بعدی آزمایش می‌رویم.

قبل از شروع آزمایش، آب بدون فشار به  وارد قطعه آزمایش می‌شود تا اشباع شود. این کار به حدود ۱۰ دقیقه زمان نیاز دارد. مقدار آبی که برای اشباع کردن قطعه مورد آزمایش مصرف می‌شود در نتیجه نهایی آزمایش دخالت داده نخواهد شد.

برای هر پله فشار یا هر مرحله از آزمایش، یک عدد لوژان متفاوت و مستقل به دست می‌آید. بنابراین ما در نهایت با ۵ یا ۷ عدد لوژان مختلف روبرو خواهیم شد. عدد لوژان برای هر پله فشار از رابطه زیر به دست می‌آید:

گام های آزمایش لوژان

Q: معادل حجم آب جذب‌شده در دقیقه برای هر پله فشار بر حسب لیتر در دقیقه

Pe: فشار مؤثر آب در وسط قطعه مورد آزمایش برحسب اتمسفر

L: طول قطعه مورد آزمایش بر حسب متر

اگر اعدادی که تحت عنوان عدد لوژان برای هر پله به دست می‌آید، با عدد لوژان پله‌های دیگر برابر یا بسیار نزدیک باشد، وضعیت جریان آب در توده سنگی، آرام شمرده می‌شود. در این صورت، عدد لوژان نهایی برای آزمایش ما، میانگین ۷ عدد لوژان به‌دست‌آمده خواهد بود.

بیشتر بخوانید: میخکوبی و یا نیلینگ چیست؟

سخن پایانی

در این مقاله شما را کم و کیف آزمایش لوژان آشنا کردیم. آزمایش لوژان برای به دست آوردن ضریب نفوذپذیری یا تزریق پذیری آب در توده‌های سنگی مورد استفاده قرار می‌گیرد و شامل ۷ پله یا ۵ مرحله است.