نفوذپذیری در خاک

به درجه سهولت حركت يك سيال در داخل يك ماده متخلخل، اصطلاحا نفوذپذيري مي گويند؛ به عبارت ديگر، نفوذپذيري يك ماده عبارت است از قدرت عبوردهي آن ماده نسبت به سيالات مختلف. پس اين خاصيت ماده عبارت است از خواص ماده متخلخل سيال.ظرفيت خاك براي عبوردادن آب از داخل حفره هاي آن به نام نفوذپذيري ناميده مي شود. عواملي كه در نفوذپذيري يك نمونه خاك مؤثر است عبارتند از:
1- دانه بندي خاك
2- تخلخل

3- تركيب كاني شناسي بخش جامد خاك و نوع كاتيونهاي جذب شده
4- درجه حرارت آب كه بر ويسكوزيته آن به طور محسوس مؤثر است.

 

براي مواد دانه اي، نفوذپذيري عموما با عكس سطح مخصوص ذرات بستگي دارد. در رسهاي اشباع شده نفوذپذيري به سرعت با مقدار رطوبت خاك تغيير مي كند.بايد توجه داشت كه به علت تراكم طبقات خاك در عمق، نفوذپذيري آن با افزايش عمق كاهش مي يابد  نيز به علت فرم لايه بندي و طرز تشكيل طبقات رسوبي، نفوذپذيري لايه ها در امتداد موازي يا عمود بر لايه كاملا متفاوت است.با توجه به رابطه دارسي مي توان پذيرفت كه پارامترهاي مؤثر در نفوذپذيري خاك را مي توان به صورت ضريب نفوذپذيري ( يا ضريب هدايت هيدروليكي) آن، k نشان داد. بطوري كه با معلوم بودن مشخصات ديگر خاك و جريان آب و با داشتن k مي توان دبي سيال را همواره محاسبه نمود و بالعكس با معلوم بودن مشخصات جريان مي توان k را در آزمايشگاه يا در زمين بدست آورد.براي محاسبه تقريبي ضريب نفوذپذيري مي توان از رابطه k=C(d10)2 استفاده نمود كه در آن k ضريب نفوذپذيري و C ضريبي است تجربي كه براي ماسه هاي با دانه بندي يكنواخت بين 8 تا 11، براي ماسه هاي لاي و رس و از بين 6 تا 8 به دست آمده است. و D10 اندازه مؤثر دانه ها بر حسب ميليمتر است. اين رابطه عملا براي ماسه هايي با مشخصات دانه بندي d10= 0.1 – 0.3 ميليمتر و U≤5 قابل استفاده است. چنانچه حدود كاربرد اين رابطه براي ماسه هاي با دانه بندي هاي غير از آنچه ذكر شد توسعه يابد مقدار c نيز تا حدودي با مقادير ذكر شده متفاوت خواهد بود و بايد به طور تدريجي تعيين گردد. همچنين رابطه تجربي ديگري بين ضريب نفوذپذيري و درصد پوكي (e) خاك به صورت k = C1e2 كه در آن C1 ضريب تجربي است.غالبا مي توان براي خاكها رابطه اي خطي بين e و log10k  به دست آورد. اين رابطه كاربرد عملي دارد زيرا چنانچه اين رابطه براي نوعي از خاك مشخص گردد، با اندازه گيري e از نمونه خاكي در زمين ناحيه مي توان با محاسبه، ضريب نفوذپذيري مربوط به آن ناحيه را بدست آورد.همچنان كه ذكر شد به علت تغيير لزجت (ويسكوزيته) آب با درجه حرارت، ضريب نفوذپذيري تابعي از درجه حرارت خواهد بود.اگر در اين درجه حرارت ضريب  نفوذپذيري را k بگيريم چون درجه حرارت معمولي آزمايشگاه حدود 10 درجه است، رابطه زير پيشنهاد شده است.
K = 0.86k27= 1.31 k10

رابطه تجربي پيشنهادي براي اين ارتباط بر مبناي درجه حرارت 10 درجه سانتيگراد كه درجه حرارت متوسط معمولي طبقات كم عمق  زمين است به صورت رابطه زير است:

Kt = k10(07,0.03t)

كه در اين رابطه، t درجه حرارت محيطي است كه kt اندازه گيري شده بديهي است كه اين رابطه، مقدار kt را برحسب k10 و بالعكس تعيين مي كند.از آنجا كه بين ضريب نفوذپذيري و درصد پوكي يك نمونه خاك رابطه وجود دارد، بنابراين مي توان بين ضريب نفوذپذيريو دانسيته خشك خاك رابطه اي در جهت عكس تصور نمود.در عمليات راهسازي در كاربرد ماسه ها لازم است ضريب نفوذپذيري مينيمم كه متناظر با دانسيته خشك ماكزيمم است به كار گرفته شود.

روشهاي تعيين ضريب نفوذپذيري:

الف) روشهاي مستقيم:
1- روش آزمايشگاهي:
– روش هد ثابت
– روش هد متغير

2-روشهاي صحرايي:
– نتايج آزمايش پمپاژ
– حفر چاههاي نظاره
– دستگاه نفوذ1پذيري

ب) روشهاي غيرمستقيم:
1- استفاده از نتايج آزمايش تحكيم و سه محوري
2- استفاده از فرمولهاي تجربي با استفاده از ساير خواص خاك e n D10 مانند و غيره.

   از آنجا ييكه نتايج حاصل از اين روابط براي خاكهاي مختلف متفاوت مي باشند، بنابراين مي بايست در استفاده از آنها براي خاكهايي با شرايط تقريبًا مشابه دقت بيشتري بعمل آورد . اين امر بدليل عدم شناخت كافي و تعيين مدلهاي رياضي براي مقدار تأثير فاكتورهايي غير از تخلخل نظير ن وع كاني، ساختار و دانه بندي خاك بر ميزان نفوذپذيري مي باشد.
به دليل تأثير عوامل متعدد بين مقدار نفوذپذيري، تعيين اين ضريب شده در آزمايشگاه و مقدار نفوذپذيري درمحل مشكل بوده و نيازمند مطالعات بيشتري مي باشد.رابطه حاكم بر تغييرات نفوذپذيري و تخلخل حاصل از نتايج آزمايشگاه، امكان تعيين  ضريب نفوذپذيري خاك و با تعيين نسبت تخلخل خاك درمحل  )با داشتن درصد رطوبت و وزن مخصوص خاك(، مي توان بطور تقريبي مقدار نفوذپذيري را درمحل تعيين نمود . البته تعيين دقيق اين مقدار بدليل تأثير عوامل متعدد بين مقدار نفوذپذيري تعيين شده در آزمايشگاه و مقدار نفوذپذيري درمحل مشكل بوده و نيازمند مطالعات بيشتري مي باشد.
اين روابط تنها رابطه بين نفوذپذيري و نسبت تخلخل را در شرايطي كه فاكتورهاي تأثيرگذار ديگر ثابت باشند بيان مي كنند و در مورد تأثير دقيق ديگر فاكتورها بر مقدار نفوذپذيري و تعيين روابط رياضي براي محاسبه اين تأثيرات مي بايد مطالعات بيشتري صورت پذيرد.
در مجموع مي توان گفت كه اگرچه روابط تجربي بين نفوذپذيري و تخلخل براي يك خاك ريزدانه قابل تعميم به همه خاكهاي ريزدانه نمي باشد ولي با روشهاي ذكرشده مي توان اين رابطه را براي خاك هر منطقه بطور جداگانه تعيين نمود. برخی روابط تجربی بین نفوذپذیری و تخلخل نظیر روابط e-logk, k-(en/(1+e)) و k – (1+e)n که توسط محققین مطرح شده, برای خاکهای ریزدانه مناسب بوده و نتایج خطی مناسبی بوجود می آورند. یعنی:
k = 43.451 × 10-8 × e4.6149/1+e   cm/s
Log k = (2.7152).e – 9.2373     cm/s

رابطه  k – (1+e)n  بعنوان بهترین رابطه جهت تعیین مقادیر نفوذپذیری (برحسب تخلخل), برای خاک مورد مطالعه انتخاب گردید.