روش های اندازه گیری فشار آب در توده خاک (فشار آب حفره ای) (Pore water pressure )

یکی از مسائل مهم در مکانیک خاک، فشار آب منفذی (حفره ای) می باشد. برای اندازه گیری فشار آب حفره ای، تراز آب زیرزمینی و فشار آب موجود در درزه ها از روش های مختلفی استفاده می شود. انواع پیزومتر ها، چاه های مشاهده ای و پیزومتر های لوله ایستا برای تعیین فشار آب در خاک استفاده می گردند. پیزومتر وسیله ای است که به تغییرات فشار آب اطراف خود عکس العمل نشان داده و در مقابل، تغییر فشار آب ترازهای دیگر واکنش نشان نمی دهد. چاه های مشاهده ای مربوط به هیچ تراز خاصی نبوده و یک ارتباط بین طبقات قائم ایجاد می کند. تراز آب اندازه گیری شده در چاه های مشاهده ای، متوسط رقوم آب در لایه نفوذپذیر می باشد.

پیزومتر ها برای دو هدف خاص به کار می روند. اولین کاربرد پیزومتر ها، رفتارنگاری خصوصیات جریان آب می باشد. به طور مثال، رفتارنگاری سطح جریان آب در طول آزمایش پمپاژ بزرگ مقیاس برای تعیین نفوذپذیری محلی و یا رفتارنگاری طولانی مدت تراواش در سد خاکی و همچنین بررسی فشار بالابرنده در زیر سدهای بتنی می باشد. کاربرد دیگر پیزومترها، بررسی مسائل مقاومتی خاک و سنگ همچون فشار آب حفره ای و فشار درزه برای تخمین مقدار فشار مؤثر جهت ارزیابی مقاومت مانند ارزیابی مقاومت یک شیب سنگی یا خاکی دارای پتانسیل گسیختگی و یا بررسی فشار آب حفره ای در هسته سدهای خاکی می باشد.

پیزومترهای اندازه گیری فشار آب حفره ای به دو نوع باز و بسته تقسیم می شوند. چاه های مشاهده ای و پیزومترهای لوله ایستا جزء نوع باز به شمار می روند. از جمله پیزومترهای نوع بسته نیز می توان به پیزومترهای پنوماتیکی، هیدرولیکی، تار مرتعش و مقاومت الکتریکی اشاره نمود.

پیزومتر چیست

پیزومتر یک وسیله ساده و کاربردی در مهندسی عمران است که برای اندازه‌گیری سطح آب زیرزمینی یا فشار آب داخل خاک استفاده می‌شود. این ابزار معمولاً یک لوله باریک است که داخل زمین یا پشت سازه‌هایی مثل سد یا دیوار حائل قرار می‌گیرد و نشان می‌دهد آب تا چه ارتفاعی بالا آمده است. دانستن این اطلاعات کمک می‌کند بفهمیم خاک چقدر اشباع است و آیا خطراتی مثل لغزش یا ناپایداری وجود دارد یا نه. پیزومتر در پروژه‌هایی مثل سدسازی تونل‌سازی و پایدارسازی شیب‌ها بسیار مهم هستند.

چاه های مشاهده ای (Observation Wells)

چاه های مشاهده ای از لوله ای با انتهای مشبک تشکیل گردیده است که برای جلوگیری از شستگی ذرات خاک به داخل چاه مشاهده ای اطراف لوله به وسیله شن و ماسه پر می شود. برای آب بند کردن قسمت بالای چاه از ملات سیمان یا مواد دیگر استفاده می شود.

چاه های مشاهده ای میانگین تراز آب در توده های مختلف مصالح را اندازه گیری می نماید. آب اندازه گیری شده می تواند از توده های مختلف سرچشمه گرفته و بدون آنکه آب بندی، آنها را تفکیک نماید تواماً جریان یابند. این چاه ها در نقاطی تعبیه می شوند که تراز پیزومتری یک توده خاص مورد نظر نباشد. کاربرد چاه های مشاهده ای بسیار محدود می باشد. معمولاً این چاه ها در مرحله مطالعاتی طرح جهت تعیین تراز آب زیرزمینی و نوسانات فصلی حفاری می شوند. کارایی عمده چاه های مشاهده ای با وجود ایجاد ارتباط قائم میان طبقات زمین، در زمین های با لایه های پیوسته نفوذپذیر می باشد. برای تعیین تراز آب در چاه از سوندهای مخصوصی استفاده می شود. لازم به توضیح می باشد که چاه های مشاهده ای نباید با چاه های رفتارسنجی (Monitoring Wells) اشتباه گرفته شوند. چاه های رفتارسنجی شبیه پیزومترهای لوله ایستا بوده و فقط نسبت به تغییرات فشار آب اطراف خود عکس العمل نشان می دهند.

پیزومتر لوله ایستا (Open Stand Pipe Piezometers)

پیزومتر لوله ایستا برای اندازه گیری فشار منفذی در یک نقطه خاص به کار می رود. به منظور اینکه پیزومتر به تغییرات فشار آب اطراف فیلتر واکنش نشان دهد، بالا و پایین فیلتر به وسیله مواد غیر قابل نفوذ مانند بنتونیت آب بند می شود. پیزومتر لوله ایستا دارای اجزای شبیه به چاه مشاهده ای همراه با یک قسمت آب بند می باشد. تراز آب لایه ای که پیزومتر در آن نصب شده است، پس از آن که به حالت ایستا رسید، قرائت می گردد.

پیزومترهای لوله ایستا به علت سادگی معمولاً قابل اطمینان تر از پیزومتر های دیگر بوده و می تواند به عنوان کنترل کننده عملکرد سایر پیزومتر ها به کار رود. پیزومترهای لوله ایستا دارای محدودیت هایی نیز می باشند که اصلی ترین محدودیت این نوع پیزومتر ها، واکنش آهسته به تغییرات فشار پیزومتریک می باشد. علت این امر به جهت وابسته بودن تغییرات تراز به جریان آب ورودی به لوله می باشد. دومین محدودیت پیزومترهای لوله ایستا، نصب آنها در خاکریزها و سدهای خاکی به علت احتمال آسیب دیدگی لوله در اثر تراکم خاک و یا جابجایی های افقی توده خاک می باشد.

پیزومتر لوله هیدرولیکی دو لوله ای (Twin-Tube Hydraulic Piezometers)

پیزومتر هیدرولیکی دو لوله ای در سدهای خاکی و پی ها در طول مراحل اجرا برای تعیین فشار منفذی نصب می شوند. این پیزومترها شامل فیلتر متخلخل با دو لوله پلاستیکی و فشارسنج لوله بوردون (Bourdon) در انتهای هر لوله می باشد. داخل لوله های پلاستیکی پر از مایع می باشد. زمانی که این پیزومتر تحت فشار آب قرار می گیرد، به علت پر بودن لوله های پلاستیکی و عدم تراکم مایع داخل فشار وارده به فشارسنج ها منتقل می شود. تراز پیزومتریک با اضافه کردن فشار قرائت شده به تراز نصب فشار سنج ها به دست می آید. فشارسنج های به کار رفته در این پیزومتر می بایستی در ترازی پایین تر از سطح قرارگیری پیزومتر نصب گردد. جهت افزایش دقت اندازه گیری این پیزومترها باید تمام حباب های هوایی داخل لوله های پلاستیکی تخلیه شود. کاربرد پیزومترهای هیدرولیکی به علت بالا بودن احتمال شکستگی و گرفتگی آنها محدود می باشد.

پیزومتر پنوماتیکی (Pneumatic Piezometers)

مبدل های پنوماتیکی برای اندازه گیری فشار منفذی به کار می روند. برای تبدیل مبدل پنوماتیکی به پیزومتریک، فیلتر متخلخل به صفحه قابل انعطاف مبدل اضافه می شود. زمانی که فشار آب در اطراف پیزومتر بالا می رود، آب از داخل فیلتر عبور کرده و به صفحه قابل انعطاف فشار اعمال می کند. مبدل های پنوماتیکی همچنین به وسیله ایجاد خلاء در لوله خروجی، قابلیت اندازه گیری فشار منفذی منفی را نیز دارند.

پیزومتر های تار مرتعش (Vibrating Wire Piezometers)

مبدل های تار مرتعش با صفحه فلزی ضد زنگ همراه یک فیلتر متخلخل به عنوان پیزومتر مورد استفاده قرار می گیرند. سیم فولادی هادی در زمان ساخت تحت یک کشش اولیه تثبیت می گردد. فشار وارده به صفحه باعث تغییر کشش سیم شده و به تبع آن، بسامد (فرکانس) سیم تغییر می کند. البته باید توجه نمود که دما نیز در تغییر بسامد سیم تأثیر می گذارد. از این رو، در زمان قرائت و ثبت بسامد سیم، دمای اطراف پیزومتر نیز توسط دماسنج اندازه گیری می شود.

پیزومتر های مقاومت الکتریکی (Electrical Resistance Piezometers)

پیزومترهای مقاومت الکتریکی از کرنش سنج مقاومت الکتریکی همراه با فیلتر متخلخل که جهت جلوگیری از نفوذ مصالح ریزدانه به داخل دستگاه استفاده می گردد، تشکیل شده است. آب از میان فیلتر متخلخل نفوذ کرده و بر صفحه داخلی تأثیر می گذارد. با تغییر مکان صفحه، سیم داخل مبدل الکتریکی تغییر طول داده و مقاومت الکتریکی آن تغییر می کند. تغییرات درجه حرارت نیز بر مقدار مقاومت اندازه گیری شده تأثیر می گذارد. برای به دست آوردن مقدار فشار منفذی از روی مقاومت و درجه حرارت اندازه گیری شده از نمودارهای واسنجی (کالیبراسیون) استفاده می شود.

لازم به توضیح است پیزومترهای مقاومت الکتریکی و تار مرتعش برای رفتارنگاری دراز مدت فشار آب حفره ای در خاکریزها و سدهای خاکی به طور وسیع مورد استفاده قرار می گیرند.

منابع

• فروزان فرد، فرزاد (1392)، “گزارش رفتارنگاری و ابزار دقیق بدنه سد مخزنی” ، وزارت نیرو

• tensar , Pore water pressure
• sciencedirect , Pore Water Pressure
• sciencedirect , Piezometer