تجربة نفاذية التربة بطريقة الرأس الثابت (Constant Head Permeability Test)

السهولة التي يمكن أن تتدفق بها المياه من خلال تربة تسمى النفاذية أو التوصيل الهيدروليكي، ومن المهم لحساب التسرب عبر السدود الأرضية أو تحت الجدران، وحساب معدل التسرب من مرافق تخزين النفايات وتسوية الرواسب الطينية في التربة.

اختبار الرأس الثابت لفحص النفاذية في الرمل هو عبارة عن تجربة مختبرية أجريت لتحديد نفاذية التربة. والتربة المناسبة لهذه الاختبارات هي الرمل والحصى. لا يمكن اختبار التربة ذات محتوى الطمي باستخدام هذه الطريقة.

بالنسبة للرمال الخشنة، قد تختلف قيمة معامل النفاذية من 1 إلى 0.01 سم / ثانية، وبالنسبة للرمل الناعم، يمكن أن تتراوح في نطاق 0.01 إلى 0.001 سم / ثانية.

جهاز النفاذية ثابت الجهد (Constant Head Permeameter)

يوضح الشكل أدناه رسم بياني تخطيطي لجهاز النفاذية. يمكن تجميع هذا الجهاز في المختبر بتكلفة منخفضة للغاية. وهي تتكون أساسًا من أسطوانة عينة من التربة البلاستيكية، وحجرتين مساميتين، وسدادين مطاطيين، ونابضًا واحدًا، وحجرة رأس ثابتة، ومسندًا كبيرًا، وحاملًا، ومقياسًا، وثلاثة مشابك، وبعض الأنابيب البلاستيكية.

قد يكون قطر الإسطوانة البلاستيكية في الداخل 2.5 بوصة (63.5 مم). ويرجع ذلك إلى أن الأحجار المسامية التي يبلغ قطرها 2.5 بوصة (63.5 مم) تتوفر عادة في معظم مختبرات التربة. وقد يكون طول أنبوب العينة حوالي 12 بوصة (304.8 ملم).

تجربة نفاذية التربة بطريقة الرأس الثابت (Constant Head)

1. الغرض من التجربة

الغرض من هذا الاختبار هو تحديد النفاذية (التوصيل الهيدروليكي) للتربة الرملية بطريقة اختبار الرأس الثابت. هناك نوعان عامان من طرق اختبار النفاذية التي يتم إجراؤها بشكل روتيني في المختبر:

• طريقة اختبار الرأس الثابت (constant head)، و (2) طريقة اختبار الرأس الساقط (falling head). يتم استخدام طريقة اختبار الرأس الثابت للتربة القابلة للنفاذ (k>10^-4 cm/s) و،
• يستخدم اختبار الرأس الساقط بشكل أساسي في التربة الأقل نفاذية ((k<10^-4 cm/s).

2. مرجع قياسي

ASTM D 2434 – طريقة الاختبار القياسية لنفاذية التربة الحبيبية (الرأس الثابت) (ملاحظة: طريقة اختبار الرأس المتساقطة غير موحدة)

3. الأهمية

تشير النفاذية (أو التوصيل الهيدروليكي) إلى السهولة التي يمكن أن تتدفق بها المياه عبر التربة. هذه الخاصية ضرورية لحساب التسرب من خلال السدود الترابية أو تحت جدران الخوازيق، وحساب معدل التسرب من مرافق تخزين النفايات (مدافن النفايات، والبرك، وما إلى ذلك)، وحساب معدل تسوية رواسب التربة الطينية.

4. الادوات

• خلية النفاذية (Constant head permeameter)
• اسطوانة متدرجة (250 cc أو 500 cc)
• ميزان حساس بدقة 0.1 غ
• محرار بدقة 0.1 °C
• انبوب مطاطي
• ساعة إيقاف.

5. نضرية التجربة

1. يتم حساب الفجوات بإستخدام القانون التالي:

2. نحسب k كالتالي:

حيث:-

• K:- نفاذية التربة
• Q:- تصريف المياه
• L:- ارتفاع عينة التربة
• t:- الزمن المستغرق للتصريف
• A:- مساحة الأنبوب A = D²π∕4 (cm²)

3. لحساب K_20°C:

6. طريقة العمل

1. نأخذ وزن كل من انبوب العينة البلاستيكي والجهاز والنابض والسدادين المطاطيين وليكن (W₁).
2. إختيار عينة من التربة لإجراء الفحص عليها وتحديد معامل النفاذية.
3. قياس القطر الداخلي للإسطوانة بواسطة المسطرة لحساب المساحة.
4. نضع عينة التربة في الاسطوانة ويتم وضعها اما بطبقة واحدة أو عدة طبقات مع اختلاف في درجة دك العينة للحصول على كثافة جافة مختلفة. ثم يسوى السطح العلوي للعينة، ويتم حساب طول العينة (L).
5. نضع الحجم المسامي على السطح العلوي للعينة، ثم يتم اغلاق الاسطوانة بواسطة السداد المطاطي ويتم تفريغ الهواء من العينة، ثم يسمح للماء بالدخول الى الاسطوانة وذلك لإشباع العينة ويكون دخول الماء من الاسفل الى الاعلى. بعد مرور بعض الوقت فإن المياه تتدفق من داخل الاسطوانة الى الحوض من خلال منفذ في غرفة الرأس الثابت. في حين أن ارتفاع الماء يبقى ثابتاً داخل الاسطوانة ولكن يسمح للتدفق أن يستمر لمدة (10 دقيقة) لتتشبع العينة.

7. الحسابات

في البداية ، يكون التدفق بطيئًا جدًا. يزداد لاحقا وسيصبح ثابت. اختبار النفاذية هو الأفضل للتربة المتعسرة (cohesion less soils).

8. المناقشة

تستخدم هذه المعدات في التربة الحبيبية وتسمح للماء بالتحرك خلال التربة تحت حالة مستقرة، في حين يتم قياس كمية (حجم) المياه المتدفقة خلال عينة التربة على مدى فترة من الزمن من خلال معرفة كمية المياه المقاسة والطول من العينة، ومنطقة مستعرضة من العينة ووقت تفريغ المياه.

إن الأهمية العلمية لدراسة نفاذية التربة، يمكن تلخيصها في النقاط الآتية:

1. تحديد سرعة ترشح وتصرف الماء (Seepage) عبر التربة. وتحديد ضغط الارتشاح.
2. تفادي حصول ضواهر غير مستحبة بل خطيرة، مثل ضاهرة غليان الرمل (Sand Boiling) والتي يضهر فيها الرمل وكأنه يغلي بسبب تجاوز الميل الهيدروليكي.
3. حساب مخزون المياه الجوفية.
4. المساعدة في تصميم نظم التصريف حول أساسات المباني. وغير ذلك من المجالات…

• الأخطاء: قد تحدث بعض الأخطاء أثناء إجراء التجربة وتشتمل على الأخطاء التي تؤثر على قيمة التصريف وبالتالي على معامل النفاذية (K_d) وتكون هذه الأخطاء نابعة عن الفشل في ضبط ساعة الإيقاف جيداً في الغالب.
• ضمان الجودة / مراقبة الجودة: يجب تشغيل جميع الأجهزة وفقًا لتعليمات الشركة الصانعة. يجب إجراء فحص المعدات وأنشطة المعايرة. ينبغي توثيق جميع البيانات في دفاتر المختبرات.
• الصحة و السلامة: يجب اتباع ممارسات السلامة العامة للمختبر. ﻳﺠﺐ اﻟﺘﻌﺎﻣﻞ ﻣﻊ ﻋﻴﻨﺎت اﻟﻨﻔﺎﻳﺎت ﺑﺤﺬر ﺑﺴﺒﺐ ﻋﺪم اﻟﺘﻴﻘﻦ اﻟﺨﺎص ﺑﺎﻟﻤﻤﺘﻠﻜﺎت واﻟﻤﺤﺘﻮﻳﺎت اﻟﻤﺘﻀﻤﻨﺔ. يجب التخلص من جميع العينات الزائدة، والعينات المستخدمة، ومواد النفايات الناتجة أثناء التحليل.