ضریب نفوذپذیری خاک چیست؟ — تعریف و آزمایش به زبان ساده

نفوذپذیری خاک، معیاری است که ظرفیت عبور سیالات از درون محیط‌های خاکی را نمایش می‌دهد. این معیار معمولا به صورت ضریب k در معادله قانون دارسی ظاهر می‌شود. در برخی از موارد، به ضریب نفوذپذیری خاک، ضریب هدایت هیدرولیکی نیز می‌گویند. این ضریب، اهمیت بالایی در مسائل ژئوتکنیکی و تحلیل رفتار مکانیکی خاک دارد. طراحی سازه‌های خاکی (خاکریز، سد، فونداسیون) و سازه‌های روی لایه‌های خاکی، با در نظر گرفتن ضریب نفوذپذیری انجام می‌گیرد. در این مقاله، به ارائه مباحث مرتبط با ضریب نفوذپذیری خاک و روش‌های تعیین آن به کمک آزمون‌های استاندارد می‌پردازیم.

خاک چیست و چه چگونه بوجود می‌آید؟

«خاک» (Soil یا Earth)، ترکیبی از مواد آلی، مواد معدنی، گازها، مایعات و موجودات زنده است. این ماده، معمولا لایه بالایی سطح زمین را تشکیل می‌دهد.

فیلم مجموعه آموزش مهندسی عمران – از دروس دانشگاهی تا کاربردی در فرادرس

کلیک کنید

به دلیل وجود ذرات جامد، گاز و مایع، خاک، به عنوان یک ماده سه‌فازی شناخته می‌شود. هوازدگی سنگ‌ها، عامل اصلی تشکیل خاک است.

کاربرد خاک چیست ؟

خاک در کشاورزی، عمران، خدمات اکوسیستم، صنایع دستی، پزشکی و تولید محصولات آرایشی کاربرد دارد. در مهندسی عمران، این ماده به عنوان یکی از مصالح ساختمانی و محیط اجرای فونداسیون مورد استفاده قرار می‌گیرد.

خصوصیات خاک چه هستند؟

خواص خاک به دو دسته خواص فیزیکی و شیمیایی تقسیم می‌شوند. در مهندسی عمران، خواص فیزیکی بیشتر از خواص شیمیایی (ترکیب شیمیایی و pH) مورد مطالعه قرار می‌گیرند. این خواص عبارت هستند از:

• دانه‌بندی
• رنگ
• تخلخل
• محتوای آب
• درجه اشباع
• وزن مخصوص
• وزن حجمی
• روانی
• حدود اتربرگ
• بافت
• ساختمان
• نفوذپذیری
• تراکم‌پذیری
• تحکیم

یکی از مهم‌ترین ویژگی‌های فیزیکی خاک، نفوذپذیری آن است. این ویژگی بر روی رفتار مکانیکی خاک در هنگام بارگذاری‌های مختلف تاثیر مستقیم می‌گذارد.

نفوذپذیری خاک چیست ؟

به توانایی خاک در انتقال مایعات و گازها از درون خود، «نفوذپذیری» (Permeability) می‌گویند. توده خاک، مجموعه‌ای از ذرات جامد است. هنگام قرارگیری این ذرات در کنار یکدیگر، مقداری فضای خاکی در بین آن‌ها باقی می‌ماند.

فیلم آموزش مکانیک خاک – مرور و تست کنکور ارشد در فرادرس

کلیک کنید

فضاهای خالی بین ذرات خاک، با عنوان تخلخل شناخته می‌شوند.

حفره‌های درون خاک، شبکه به‌هم‌پیوسته‌‌‌ای را تشکیل می‌دهند که مانند یک سیستم لوله‌کشی پیچیده و نامنظم عمل می‌کند. با توجه به شرایط محیطی، این حفره‌ها با آب و هوا پر می‌شوند. در صورت وجود اختلاف پتانسیل، آب درون حفره‌ها به جریان درمی‌آید. جهت حرکت آب از نقطه دارای پتانسیل بالا به سمت نقطه دارای پتانسیل پایین است. اصطکاک بین سطح ذرات خاک و آب، باعث مقاومت در برابر جریان می‌شود.

هرچه تخلخل خاک پیچیده‌تر و فاصله بین ذرات کمتر باشد، مقاومت در برابر جریان بیشتر خواهد بود. به عبارت دیگر، آب در خاک‌های دارای حفره‌های بزرگ، راحت‌تر جریان می‌یابد. بنابراین، جریان آب در خاک‌های مختلف، با یکدیگر تفاوت دارد. برخی از خاک‌ها، به آب و هوا اجازه می‌دهند تا به راحتی از درونشان جریان پیدا کنند. برخی دیگر، در برابر جریان آب و هوا از خود مقاومت نشان می‌دهد. راحتی یا سختی عبور سیالات از درون محیط‌های خاکی، با عنوان نفوذپذیری خاک شناخته می‌شود.

ضریب نفوذپذیری خاک چیست؟

«ضریب نفوذپذیری» (Coefficient of Permeability)، شاخصی برای بیان میزان نفوذپذیری است. در ادامه، به معرفی یکای نفوذپذیری و مقادیر تقریبی این کمیت برای انواع خاک‌ها می‌پردازیم.

واحد نفوذپذیری خاک چیست ؟

نفوذپذیری خاک، معمولا به صورت نرخ نفوذپذیری با یکای سانتی‌متر بر ساعت (cm/h)، میلی‌متر بر ساعت (mm/h) و سانتی‌متر بر روز (cm/d) یا به صورت ضریب نفوذپذیری (k) با یکای متر بر ثانیه (m/s) و سانتی‌متر بر ثانیه (cm/s) بیان می‌شود.

نفوذپذیری انواع خاک

مقادیر نفوذپذیری خاک‌هامختلف، تفاوت قابل‌توجهی با یکدیگر دارند. جدول زیر، نفوذپذیری انواع خاک را نمایش می‌دهد. شن، نوعی خاک با ذرات نسبتا بزرگ (بین ۲ تا ۶۳ میلی‌متر) است. این خاک، نفوذپذیری بیشتری نسبت به خاک‌های ریزتر (ماسه، سیلت و رس) دارد.

هر چه دانه‌بندی خاک درشت‌تر باشد، حجم فضای خالی (تخلخل) بین آن‌ها افزایش می‌‌یابد. به این ترتیب، حفره‌ها به شکل بهتری به یکدیگر وصل می‌شوند. در نتیجه، آب و هوا به راحتی و با جریان بالاتری درون خاک حرکت می‌کنند. از این‌رو، خاک‌های دانه‌درشت، نفوذپذیرتر از خاک‌های دانه‌ریز هستند. شن، به عنوان نفوذپذیرترین خاک و رس، به عنوان نفوذناپذیرترین خاک شناخته می‌شود.

دلیل پایین بودن ضریب نفوذپذیری خاک رس چیست ؟

خاک‌های رسی، ساختمان نامنظمی دارند. به همین دلیل، این خاک‌ها، بسیار متخلخل هستند. تصویر زیر، نمای نزدیک نحوه آرایش ذرات رس در کنار یکدیگر را نمایش می‌دهد. همان‌طور که مشاهده می‌کنید، حجم حفره‌های خاک رس نسبت به حجم ذرات جامد آن بسیار بالا است. با این حال، هیچ راه ارتباطی بین این حفره‌ها وجود ندارد.

ساختار حفره‌های خاک رس، اجازه جریان یافتن سیال را نمی‌دهد. به همین دلیل، نفوذپذیری این خاک، بسیار پایین است. به خاک‌های دارای نفوذپذیری پایین، «خاک نفوذناپذیر» (Impervious Soil) می‌گویند.

تقسیم بندی خاک ها از نظر ضریب نفوذپذیری

تقسیم‌بندی خاک‌ها از نظر نفوذپذیری در حوزه‌های مختلف متفاوت است. به عنوان مثال، در مهندسی عمران، خاک‌ها از نظر نفوذپذیری به سه دسته نفوذپذیر، نیمه‌نفوذپذیر و نفوذناپذیر تقسیم می‌شوند. جدول زیر، حد بالایی و پایینی این تقسیم‌بندی را نمایش می‌دهد.

در علوم کشاورزی، خاک‌ها از نظر نفوذپذیری به گروه‌های بیشتری تقسیم می‌شوند. تصویر زیر، تقسیم‌‌بندی نرخ نفوذپذیری را بر حسب دو واحد سانتی‌متر بر ساعت و سانتی‌متر بر روز نمایش می‌دهد.

کاربرد ضریب نفوذپذیری چیست ؟

نفوذپذیری، در بسیاری از مسائل مهندسی مورد استفاده قرار می‌گیرد. برخی از این مسائل عبارت هستند از:

• سدهای خاکی
  • در سدهای خاکی، میزان تراوش آب از درون بدنه سد و زمین زیر آن تخمین زده می‌شود.
• فونداسیون
  • تخمین نرخ نشست فونداسیون یا ساختمان‌ها با در نظر گرفتن میزان نفوذپذیری خاک مورد محاسبه قرار می‌گیرد.
• سد باطله
  • به‌منظور نگهداری مواد سمی در پشت سدهای باطله یا دریاچه‌های جمع‌آوری باطله، نیاز به محاسبه نفوذپذیری خاک اطراف است تا از رسیدن این مواد به سطح آب زیرزمینی جلوگیری شود.

عوامل موثر بر ضریب نفوذپذیری خاک چه هستند ؟

عوامل متعددی بر روی ضریب نفوذپذیری خاک تاثیر می‌گذارند. برخی از این عوامل عبارت هستند از:

فیلم آموزش مکانیک خاک – مرور و حل مساله در فرادرس

کلیک کنید

• ابعاد ذرات خاک
• سطح ویژه ذرات خاک
• شکل ذرات خاک
• نسبت تخلخل
• ساختمان خاک
• درجه اشباع
• خصوصیات آب
• دما
• آب سطحی
• مواد آلی

در ادامه به معرفی هر یک از موارد بالا می‌پردازیم.

تاثیر ابعاد ذرات بر ضریب نفوذپذیری خاک چیست ؟