روش های تعیین نفوذپذیری خاک
نفوذپذیری خاک ها در بسیاری از مباحث مکانیک خاک از جمله سدسازی ، جانمایی چاه های جذبی فاضلاب ، آبدهی چاه ها و … کاربرد دارد.
از نفوذپذیری خاک ها در علوم مهندسی دیگر همچون راهسازی و هیدرولیک نیز استفاده می شود.
در این نوشتار کوتاه در پی آن هستیم که روش های مختلف تعیین نفوذپذیری خاک ها را معرفی نماییم.
تعریف نفوذپذیری خاک
نفوذپذیری پارامتری است که برای بیان تاثیر خلل و فرج موجود در خاک در نحوه حرکت آب در خاک تعریف می گردد.
این پارامتر را با k نمایش می دهیم.
هرچه حفرات موجود در خاک بیشتر باشد، نفوذپذیری خاک بیشتر است.
به عبارت دیگر هرچه نفوذپذیری خاک بیشتر باشد، حرکت آب درون خاک آسان تر و با سرعت بیشتری انجام می شود.
روش های تعیین نفوذپذیری
به دلیل ماهیت غیرقابل پیش بینی بودن چیدمان ذرات خاک در کنار یکدیگر، یکی از مشکل ترین امور در مهندسی، تعیین ضریب نفوذپذیری خاک هاست.
با این حال برای تخمین این پارامتر، از دو روش کلی استفاده می شود:
۱- استفاده از روش های تجربی
۲- استفاده از آزمایش
در این نوشتار به تشریح هریک از این دو روش می پردازیم.
۱- تعیین نفوذپذیری با استفاده از روابط تجربی
در این روش، برای تعیین نفوذپذیری خاک ها از پارامترهایی مثل درصد تخلخل و اندازه موثر استفاده شده است.
برخی از این روابط عبارتند از:
-
رابطه هازن ( Hazen )
این رابطه در سال ۱۸۹۵ برای خاک های ماسه ای با دانه بندی یکنواخت ارائه شده است.
در این رابطه k مطابق رابطه زیر به دست می آید:
k=0.01 × D10 × D10
در این رابطه k ضریب نفوذپذیری خاک بوده و واحد آن متر بر ثانیه است.
D10 اندازه موثر خاک ماسه ای و واحد آن میلی متر است.
-
رابطه کاساگرانده
این رابطه بر مبنای درصد تخلخل خاک تهیه شده است.
برای خاک های ماسه ای یکنواخت و تک سایز نتایج خوبی در پی خواهد داشت.
در متون علمی این رابطه به صورت زیر تعریف می شود:
k = 1.4 × e × e × k85
که در رابطه بالا k ضریب نفوذپذیری خاک بر حسب سانتی متر بر ثانیه
e درصد تخلخل خاک
k85 ضریب نفوذپذیری همان خاک در نشانه خلا e=0.85
-
رابطه کوزنی-کارمان
این رابطه برای به دست آوردن نفوذپذیری خاک های رسی عادی تحکیم یافته مناسب است و از رابطه زیر حاصل می گردد:
k = α × ( e ∧ β ) / ۱ + e
که در این رابطه:
k ضریب نفوذپذیری خاک بر حسب سانتی متر در ثانیه
e نشانه خلا خاک
α آلفا ضریبی که تابع مشخصات دانه بندی و مشخصات فیزیکی آب است.
واحد آلفا سانتی متر بر ثانیه می باشد.
β بتا پارامتری تجربی است که عمدتا مقدار آن ۳ می باشد.
۲- آزمایش نفوذپذیری خاک
روش دوم و روش دقیق تر برای تعیین نفوذپذیری خاک ها، استفاده از آزمایش های صحرایی و آزمایشگاهی است.
در ادامه این مطلب به برخی از این آزمایش ها اشاره می نماییم:
آزمایش بار ثابت
این آزمایش بر روی یک نمونه خاک دست نخورده یا بازسازی شده از خاک درشت دانه و در محل آزمایشگاه قابل انجام است.
اصول کار به این صورت است که نمونه خاک در بین دو مخزن آب قرار می گیرد که اختلاف تراز سطح آب بین این دو مخزن، ثابت نگه داشته می شود.
در این روش، حرکت آب با جریان آرام و با بار ثابت صورت می گیرد.
در این آزمایش، مقداری که برای ضریب نفوذپذیری به دست می آید بسیار به واقعیت نزدیک است.
برای محدود نمودن اثرات تحکیم، باید از خاک هایی استفاده کرد که مقدار رد شده از الک ۲۰۰ در آنها، کمتر از ۱۰ درصد باشد.
آزمایش بار افتان
از این آزمایش جهت تعیین میزان نفوذپذیری خاک های ریزدانه استفاده می شود.
اصول این آزمایش بدین ترتیب است که نمونه خاک در محفظه ای قرار می گیرد، که در بالادست آن یک لوله نازک و در پایین دست آن یک مخزن آب وجود دارد.
پس از شروع آزمایش، آب درون خاک جریان یافته و به تدریج سطح آب درون لوله بالایی، کاهش می یابد.
علت استفاده از این روش، نفوذپذیری بسیار کم خاک های رسی است.
لذا اگر از آزمیش بار ثابت برای خاک های ریزدانه استفاده کنیم، مدت زمان آزمایش بسیار طولانی می شد و ممکن بود در حین انجام آزمایش ها، مقداری از آب تبخیر شود.
پس در نتیجه آزمایش بار ثابت برای خاک های ریزدانه مناسب نیست و لازم است به جای آن از تست بار افتان استفاده شود.
آزمایش پمپاژ صحرایی
این آزمایش، از جمله آزمایش های صحرایی تعیین نفوذپذیری خاک هاست.
مراحل انجام این آزمایش عبارتند از:
- در ابتدا یک چاه مرکزی به نام چاه پمپاژ حفاری کرده و عمق آن را تا پایین تر از سطح آب زیرزمینی ادامه می دهند.
- در اطراف این چاه مرکزی دو چاه دیگر با قطر کم و در فواصل مختلف حفاری میکنند. اسم این چاه ها، چاهک مشاهده ای است.
- با استفاده از پمپ، آب درون چاه مرکزی پمپاژ می گردد. در اثر این پمپاژ، سطح آب در چاه مرکزی کاهش می یابد.
- به دلیل اختلاف پتانسیل، آب از چاهک های اطراف، به درون چاه مرکزی نفوذ می کند.
- هر چه نفوذپذیری خاک بیشتر باشد، آب با سرعت بیشتری به درون چاهک مرکزی منتقل می شود.
- پمپاژ آب از درون چاه مرکزی تا جایی ادامه می یابد که جریان آب از چاهک های اطراف به درون چاه اصلی به ثبات برسد
- دبی جریان آب از چاهک های اطراف به درون چاه اصلی قرائت گردیده و Q نامگذاری می شود.
- مقدار ضریب نفوذ پذیری با استفاده از رابطه زیر محاسبه می گردد:
(k = Q × ln (r1/r2) /( π × (h1² – h2²)
آزمایش لوژان
این آزمایش عمدتا برای سنجش نفوذپذیری سنگ ها به کار می رود.
در طی انجام این آزمایش، پس از حفر گمانه ، لوله ای داخل آن قرار می دهند که انتهای آن به میزان یک متر، سوراخ دار است.
اطراف این لوله با پکر محافظت می شود.
روش کار به این صورت است که آب از داخل لوله با فشار ۱۰ بار یا یک مگا پاسکال به درون سنگ تزریق می شود.
طبق تعریف، یک لوژان تزریق پذیری یک لیتر در ثانیه، تحت فشار ۱۰ بار در یک متر طول است.
هر لوژون به طور تقریبی معادل ۱۰ به توان منفی پنج سانتی متر در ثانیه است.
آزمایش لوفران
این آزمایش برای سنجش نفوذپذیری صحرایی خاک ها و آبرفت ها به کار می رود.
روش کار بدین صورت است که در محل زمین مورد نظر، گمانه ای حفاری می کنند.
در صورتی که خاک از نوع ریزشی باشد، داخل آنرا کیسینگ گذاری می کنند.
سپس داخل آن از آب پر می شود.
آزمایش لوفران به دو روش بار آبی ثابت و بار آبی افتان انجام می شود.
برای تعیین نفوذپذیری در هر کدام از دو روش، روابط و فرمول هایی وجود دارد.
برای کسب اطلاعات بیشتر، می توانید مقاله مربوط با آزمایش لوفران را مطالعه نمایید.
نفوذپذیری خاک های مختلف چند است؟
مقدار k در خاک های مختلف متفاوت است.
بهتر است برای تعیین دقیق نفوذپذیری هر خاک، آن را به یکی از روش های بالا مورد آزمایش قرار دهید.
یا از روابط تجربی استفاده کنید.
اما اگر فرصت انجام آمایش ندارید و در پی یک مقدار تقریبی برای نفوذپذیری هستید می توانید این مقدار را مطابق جدول زیر تخمین بزنید:
ضریب نفوذپذیری خاک های مختلف
عوامل موثر بر نفوذپذیری
نفوذپذیری خاک ها همواره ثابت نیست و تابع عوامل مختلفی است.
در شرایط مختلف نفوذپذیری می تواند تغییر کند.
در ویدئو زیر مهمترین عوامل تاثیر گذار بر نفوذپذیری خاک ها معرفی می گردد:
گزارش کار آزمایش نفوذپذیری خاک
اگر دانشجو رشته مهندسی عمران باشید، یک واحد درسی تحت عنوان آزمایشگاه خاک، خواهید داشت.
در این درس، پس از آنکه آزمایش نفوذپذیری خاک را انجام دادید، لازم است در گزارش کار همان آزمایش را تحویل استاد مربوطه دهید.
در این بخش یک نمونه گزارش کار آزمایش نفوذپذیری خاک برایتان تهیه کرده ایم.
می توانید روی لینک زیر کلیک کرده و آنرا دانلود نمایید.
در خصوص تعیین نفوذپذیری خاک سوالی دارید؟
در صورتی که در مورد انواع روش های تعیین نفوذ پذیری سوالی دارید و یا با خواندن مطالب بالا سوالی در ذهنتان ایجاد شده است، می توانید سوالات خود را در بخش نظرات، در انتهای همین مطلب بنویسید.
کارشناسان ما پس از چند دقیقه پاسخ شما را خواهند داد.
سلام و عرض ادب
میخواستم انواع مدل های تخمین نفوذ پذیری خاک مثل کاستیاکف نام ببرید .
سلام. موضوع بحث این وبسایت آزمایش های شهری در مکانیک خاک است. مدل های تخمین نفوذپذیری در حیطه کاری ما نیست و در خصوص آن اطلاعاتی نداریم.
سلام دکتر . ببخشید برای زمین ها و اراضی شیبدار روش اندازهگیری نفوذ به چه صورت است ؟ آیا روش دبل رینگ مناسب هست یا خیر؟
سلام. اگر تصمیم دارید نفوذپذیری را به روش صحرایی مثل پمپاژ آب به دست بیاورید، شیبدار بودن سطح زمین هیچ تاثیری روی نتیجه نهایی نخواهد داشت. چرا که سطح آب زیزمینی در هر صورت صاف خواهد بود و شیبدار نیست. عدد نفوذپذیری هم بستگی به سطح آب مشاهده شده تا سنگ بستر دارد و همچنین فاصله چاه تا مرکز پمپاژ. اگر هم تصمیم گرفتید نفوذپذیری را به روش آزمایشگاهی به دست آورید باز هم تفوتی نخواهد داشت. چرا که تحت هر شرایط نمونه داخل جعبه آزمایش به صورت قائم قرار خواهد گرفت.
سلام ،وقت بخیر برای محاسبات حجم چاه آب باران نیاز به واحد سانتی متر مربع بر ثانیه ( واحد دبی ) لطفا قطر و یا سطح آزمایش مشخص نمایید .
سلام. سوال شما ناواضح است. لطفا بیشتر توضیح دهید.
سلام
رابطه آقای hazen رو مثل اینکه اشتباه نوشتید
میشه ۱۰۰ نه ۰/۰۱
سلام. هر دو درست است. تبدیل واحد ها باعث میشه گاهی رابطه را با عدد ۱۰۰ بنویسند و گاهی با عدد ۰٫۰۱
چیزی که ما نوشتیم در حالتی است که D10 را بر حسب میلی متر در نظر بگیرید. طوری که ضریب نفوذپذیری خاک متر بر ثانیه شود.
سلام
ببخشید میشه ایین نامه های مربوط ب بار ثابت رو بگید
اگر astm داره اونو بگید اگه هم نداره ایین نامه های دیگه.ممنون
سلام.
آیین نامه آشتو : AASHTO 215-81
آیین نامه ارتش آمریکا : ASTM D 2434-87
با سلام
خسته نباشيد
اثبات رابطه تعيين نفوذپذيري بوسيله آزمايش پمپاژ رو از كجا ميتونم بدست بيارم؟
با تشكر و ممنون از مطلب مفيدتون
سلام. کتاب مکانیک خاک داس
سلام برای هر آزوایش نفوذ پذیری بارافتان چقد خاک لازمه؟
در آیین نامه مقدار خاصی برای خاک بیان نشده است. چرا که مقدار خاک مصرفی با توجه به قطر و اندازه استوانه متفاوت است. اما لازم است حجم نمونه تقریبا دوبرابر استوانه نفوذپذیری باشد.
سلام وقت بخیر
میفرمایید بار ثابت برای انجام نفوذ پذیری چگونه محاسبه میشود؟
سلام. اینکار عمدتا توسط بورت های مدرج صورت میگیرد.
سلام وقت بخیر نحوه ی اجرای ازمایش نفوذ پذیری بار ثابت رو میشه توضیح بدین مرسی
سلام. به زودی مقاله مفصلی در این خصوص منتشر خواهیم کرد.
سلام دکتر ی سوال من نمونه رسو گذاشتم ۲۴ ساعت تا حدی اشباع بشه بعد واس نفوذ پذیری تا چه بازه های زمانی اندازه گیری کنم از اون ساعتی ک وصل کردم نمونه رو؟
سلام. چون نمونه شما ریزدانه هست، باید از آزمایش بار افتان استفاده کنید. در این آزمایش هیچ تفاوتی نمی کند که شما در چه بازه ای از زمان قرائت داشته باشید. در رابطه تعیین میزان k صرفا از شما یک زمان t می خواهد. فرقی هم نمی کند این بازه زمانی t بزرگ باشد یا کوچک (چرا؟).