ضریب نفوذ پذیری خاک چیست؟

خاک ماده‌ای نفوذ پذیر و منحصر به فرد است که به تجمع سفره‌های آب موجود در  زیر زمین کمک می‌کند و آب باران را پس از هر بارندگی در خود دفن می‌کند. اگر قابلیت نفوذپذیری خاک وجود نداشت، پس از باران، آب همواره بر روی سطح زمین جاری بود و جنگل‌ها نیز عملاً با مشکل جدی مواجه می‌شدند. به همین علت، نفوذپذیری خاک در بسیاری از مباحث مکانیک خاک مانند جانمایی چاه‌های جذبی فاضلاب، آبدهی چاه‌ها، سدسازی و… اهمیت بالایی پیدا می‌کند. از این رو، در این مقاله قصد داریم به بررسی چند مورد مهم مانند روش‌های تعیین نفوذپذیری خاک، عوامل موثر بر نفوذپذیری و… بپردازیم.

خاک چیست و چه چگونه بوجود می‌آید؟

خاک و یا Soil ترکیبی از مواد آلی، گازها، موجودات زنده، مواد معدنی و مایعات است. این ماده منحصر به فرد در لایه رویی زمین تشکیل می‌شود. فرآیند تشکیل خاک که به آن هوازدگی گفته می‌شود، تحت تاثیر عوامل مختلفی مانند آب، باد، گرما و سرما قرار می‌گیرد. ذرات حاصل از هوازدگی سنگ‌ها، به مرور زمان با مواد آلی مانند بقایای گیاهان و یا حتی جانوران مخلوط شده و به تدریج به خاک تبدیل می‌شوند. خاک به عنوان یکی از عناصر مهم در طبیعت است و برای کشت محصولات کشاورزی،  تولید غذا و تامین نیازهای غذایی انسان استفاده می‌شود. فعالیت‌های انسانی مانند کشاورزی غیر پایدار، چرای بی رویه و آلودگی می‌تواند به خاک آسیب بزند و منجر به از  بین  رفتن این منبع طبیعی شود. از این رو، برای حفاظت از این ماده مهم باید اقدامات و راهکارهای اساسی در نظر گرفته شود.

تدریس خصوصی دروس دانشگاهی در کاراموز با بهترین هزینه

خاک چه خصوصیاتی دارد؟

خواص خاک به دو مورد مهم و اساسی یعنی خواص فیزیکی و شیمیایی تقسیم بندی می‌شود. در رشته عمران، خواص فیزیکی خاک بیشتر از خواص شیمیایی مورد بحث قرار می‌گیرد. این خواص عبارتند از:

• ساختار
• رنگ
• بافت
• دانه‌بندی
• تخلخل
• ظرفیت نگهداری آب
• وزن مخصوص
• درجه اشباع
• وزن حجمی
• روانی
• تراکم پذیری
• نفوذپذیری

یکی از فاکتورهای مهم خاک، نفوذپذیری آن است. نفوذپذیری خاک به بافت، ساختار و مواد آلی خاک بستگی دارد.

نفوذپذیری خاک چیست؟

نفوذپذیری خاک، به توانایی خاک در عبور دادن سیالات، به خصوص آب، از میان ذرات خود گفته می‌شود. در واقع، این خاصیت نشان می‌دهد که چه مقدار آب می‌تواند در یک بازه زمانی مشخص، از یک ستون خاک با سطح مقطع مشخص عبور کند. این اطلاعات کاربردی، برای هر سازه مهندسی واقع در، داخل یا زیر خاک مهم است. وجود آب بر خواص خاک تأثیر می‌گذارد و عبور آب به داخل آن بر روی استحکام و تنش آن تأثیر می گذارد.
توده خاک از یک مجموعه ذرات جامد تشکیل شده است که میان این ذرات تا حدودی فضای خالی وجود دارد و این فضای خالی با عنوان تخلخل شناخته می‌شود. حفره‌های تشکیل شده در درون خاک مانند یک شبکه به هم پیوسته و شبیه به سیستم لوله کشی هستند. با توجه به شرایط محیطی، این حفره‌ها با آب و هوا پر می‌شوند. در صورت وجود اختلاف پتانسیل، آب درون این حفره‌ها به حرکت در می‌آید. مسیر حرکت آب از نقطه دارای پتانسیل بالا به سمت نقطه دارای پتانسیل پایین است. اصطحکاک بین سطح ذرات خاک و آب، باعث مقاومت در برابر جریان می‌شود.
به هر میزانی که فاصله بین ذرات کمتر باشد، مقاومت خاک در برابر جریان، بیشتر خواهد بود. پس با این تفاسیر، جریان آب در خاک‌های متفاوت، با یکدیگر فرق می‌کند. برخی از خاک‌ها، به آب و هوا اجازه عبور از درون خود را می‌دهند. برخی دیگر از خاک‌ها، در برابر جریان آب و هوا مقاومت بیشتری دارند. به راحتی و یا سختی عبور سیالات درون خاک، نفوذپذیری گفته می‌شود.

ضریب نفوذپذیری خاک چیست؟

همانطور که در قسمت قبلی به این موضوع اشاره کردیم، به قابلیت عبور مواد مایع از جمله آب از داخل مواد متخلخل مثل سنگ یا خاک، نفوذپذیری یا Permeability گفته می‌شود. نفوذپذیری خاک با واحد متر در ثانیه یا سانتی‌متر در ساعت اندازه‌گیری می‌شود. هرچه این عدد بیشتر باشد، نشان‌دهنده نفوذپذیری بیشتر خاک و عبور سریع‌تر آب از آن است. اما ضریب نفوذپیری هر خاک متفاوت است. برای مثال؛ شن که نوعی خاک با ذرات بزرگ است، نفوذپذیری بیشتری نسبت به ماسه و رس دارد.

به هر میزانی که خاک دانه‌های درشت‌تری داشته باشد، فضای خالی میان ذرات آن بیشتر می‌شود و اتصال حفره‌ها به یکدیگر به شکل بهتری انجام می‌شود. پس در این شرایط، آب و هوا به راحتی درون خاک جریان پیدا می‌کند. به همین علت، خاک‌های دانه درشت مانند شن نفوذپذیرترین و ماسه، نفوذناپذیرترین خاک‌ها هستند.

روش‌های تعیین نفوذپذیری خاک

از آنجایی که چیدمان ذرات خاک در کنار یکدیگر غیر قابل پیش بینی است، یکی از دشوارترین کارها در امور مهندسی، تعیین نفوذپذیری خاک هاست. اما برای تعیین نفوذپذیری خاک دو روش کلی وجود دارد.

استفاده از روش‌های تجربی

در روش‌های تجربی، از پارامترهایی مانند درصد تخلخل و اندازه موثر کمک گرفته می‌شود. برخی از این روابط شامل رابطه هازن، رابطه کاساگرانده و رابطه کوزی-کارمان است.

رابطه هازن (Hazen)

رابطه هازن، اولین بار در سال 1895 برای خاک‌های ماسه‌ای با دانه‌بندی یکنواخت ارائه شد. در این رابطه، k ضریب نفوذپذیری خاک و واحد آن متر بر ثانیه است. همچنین، D10 در این رابطه، اندازه موثر خاک ماسه‌ای و واحد آن میلی متر است.

K=0.01 × D10 × D10

رابطه کاساگرانده

رابطه کاساگرانده، بر مبنای تخلخل خاک ارائه شده است. این رابطه، برای خاک‌های ماسه‌ای یکنواخت و تک سایز بسیار موثر عمل می‌کند. k در این رابطه ضریب نفوذپذیری خاک و واحد آن سانتی متر بر ثانیه است. همچنین، E در این رابطه، درصد تخلخل خاک و K85 ضریب نفوذپذیری همان خاک در نشانه خلا e=0.85 است.

K=1.4 × e × e × K85

رابطه کوزنی-کارمان

رابطه کوزنی، برای به دست آوردن نفوذپذیری خاک‌های رسی عادی تحکیم یافته، مناسب می‌باشد. در این رابطه k ضریب نفوذپذیری خاک و واحد آن سانتی متر بر ثانیه، e نشانه خلا خاک است. α ضریبی که تابع مشخصات دانه بندی و مشخصات فیزیکی آب است و واحد ان سانتی متر بر ثانیه است. Β هم پارامتری تجربی بوده و عملاً مقدار آن با عدد 3 برابر است.

K= α × (e ^ Β) / 1 + e

استفاده از آزمایش

روش دوم برای بررسی نفوذپذیری خاک، آزمایش‌های صحرایی و آزمایشگاهی هستند. آزمایش بار ثابت، آزمایش بار افتان، آزمایش پمپاژ صحرایی، آزمایش لوژان چند نمونه از این روش هستند که در ادامه به بررسی هر یک می‌پردازیم.

آزمایش بار ثابت

آزمایش بار ثابت یکی از روش‌های رایج برای تعیین ضریب نفوذپذیری خاک (K) است. این آزمایش برای خاک‌های دانه‌ای (درشت‌دانه) مناسب بوده و در آزمایشگاه انجام می‌شود.

مراحل انجام آزمایش:

• نمونه خاک دست‌نخورده یا بازسازی شده از خاک درشت‌دانه درون استوانه‌ای قرار می‌گیرد.
• استوانه بین دو مخزن آب قرار می‌گیرد.
• اختلاف سطح آب بین مخزن‌ها ثابت نگه داشته می‌شود.
• آب از مخزن بالایی به درون نمونه خاک نفوذ می‌کند و از زیر آن خارج می‌شود.
• حجم آب خروجی در طول زمان اندازه‌گیری می‌شود.

محاسبه ضریب نفوذپذیری:

ضریب نفوذپذیری (K) با استفاده از معادله زیر محاسبه می‌شود:

K = (V / At) * (L / h)

در این معادله:

• V: حجم آب خروجی در زمان t
• A: مساحت سطح مقطع نمونه خاک
• t: زمان
• L: طول نمونه خاک
• h: ارتفاع اختلاف سطح آب بین مخزن‌ها

آزمایش بار افتان

این آزمایش برای خاک‌های ریزدانه مانند سیلت و رس که سرعت نفوذ آب در آن‌ها پایین است، مناسب‌تر می‌باشد.

مراحل انجام آزمایش:

• آماده سازی نمونه
• نمونه خاک را در استوانه مدرج با ارتفاع مشخص (معمولاً 30 سانتی‌متر) قرار داده می‌شود.
• هموار کردن سطح خاک
• اطمینان از اشباع بودن کامل نمونه خاک
• ثابت کردن استوانه مدرج بر روی سه‌پایه
• استفاده از یک لوله استوانه‌ای با قطر کمی بزرگتر از استوانه مدرج به عنوان بار
• لوله را به آرامی و به طور عمودی روی سطح خاک قرار داده می‌شود تا به طور کامل در خاک فرو نرود.
• ثبت ارتفاع آب در لوله را به عنوان ارتفاع اولیه (h1)

محاسبه ضریب نفوذپذیری (K):

از رابطه زیر برای محاسبه ضریب نفوذپذیری (K) استفاده می‌شود.

K = (V / (A * t)) * ln(h1 / h2)

در این رابطه:

• K: ضریب نفوذپذیری خاک (سانتی‌متر بر ثانیه)
• V: حجم آب تخلیه شده از لوله (سانتی‌متر مکعب)
• A: مساحت سطح مقطع لوله (سانتی‌متر مربع)
• t: زمان اندازه‌گیری (ثانیه)
• h1: ارتفاع اولیه آب در لوله (سانتی‌متر)
• h2: ارتفاع آب در لوله در زمان t (سانتی‌متر)

آزمایش پمپاژ صحرایی

این آزمایش در دسته‌بندی آزمایش‌های صحرایی قرار می‌گیرد و به دلیل انجام آن در شرایط واقعی، نتایج دقیق‌تر و قابل‌اعتمادتری را نسبت به آزمایش‌های آزمایشگاهی ارائه می‌دهد.

مراحل انجام آزمایش پمپاژ صحرایی:

• حفر یک چاه با قطر بزرگ‌تر در مرکز محل مورد نظر
• حفر تعدادی چاه با قطر کم‌تر در فواصل مختلف (معمولاً در جهت شعاعی) از چاه پمپاژ
• در چاه پمپاژ نصب می‌شود تا آب را از آن خارج کند.
• در چاه‌های مشاهده نصب می‌شوند تا ارتفاع آب در هر چاه را اندازه‌گیری کنند.
• برای ثبت و ضبط تغییرات ارتفاع آب در طول زمان استفاده می‌شوند.
• آب از چاه پمپاژ با استفاده از پمپ تخلیه می‌شود تا سطح آب در چاه‌ها پایین بیاید.
• آب با نرخ ثابت از چاه پمپاژ برداشت می‌شود.
• ارتفاع آب در چاه‌های مشاهده در فواصل زمانی مشخص ثبت می‌شود.
• با استفاده از روابط ریاضی و مدل‌های مختلف، ضریب نفوذپذیری خاک (K) در محل مورد نظر محاسبه می‌شود.
• همچنین می‌توان از منحنی‌های تغییرات ارتفاع آب در طول زمان برای تعیین نوع جریان آب در خاک و شناسایی لایه‌های نفوذپذیر و غیرنفوذپذیر استفاده کرد.

آزمایش لوژان

آزمایش لوژان معمولاً برای بررسی نفوذپذیری سنگ‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد. برای این آزمایش، پس از حفر گمانه، یک لوله داخل آن قرار می‌دهند که انتهای آن به میزان یک متر، سوراخ ایجاد دار است. اطراف این لوله با پکر محافظت می‌شود. سپس، آب از داخل لوله با فشار 10 بار یا یک مگا پاسکال به داخل سنگ تزریق می‌شود. هر لوژون، تقریباً معادل 10 به توان منفی پنج سانتی متر در ثانیه است.

نفوذسنج چیست؟

نفوذسنج دستگاهی است که برای اندازه‌گیری میزان مقاومت مصالح، خاک یا سنگ در برابر نفوذ یک جسم نوک تیز به کار می‌رود. از این دستگاه در زمینه‌های مختلفی مانند مهندسی عمران، ژئوتکنیک، کشاورزی و علوم خاک استفاده می‌شود. این ابزار دارای انواع مختلفی است.

• نفوذسنج مخروطی دینامیکی (DCP): این نوع نفوذسنج از یک چکش برای فرو بردن یک مخروط فلزی نوک تیز در خاک استفاده می‌کند. تعداد ضربات چکش مورد نیاز برای نفوذ مخروط به عمق مشخص، مقاومت خاک را نشان می‌دهد. DCP برای ارزیابی سریع و آسان مقاومت خاک در محل استفاده می‌شود.
• نفوذسنج مخروطی ساکن (CPT): این نوع نفوذسنج از یک جک هیدرولیکی برای فرو بردن یک مخروط فلزی نوک تیز در خاک استفاده می‌کند. مقاومت نوک و اصطکاک جانبی مخروط در طول فرآیند نفوذ اندازه‌گیری می‌شود. CPT برای ارائه اطلاعات دقیق‌تر در مورد خواص خاک در اعماق مختلف استفاده می‌شود.
• نفوذسنج استاندارد نفوذ (SPT): این نوع نفوذسنج از یک چکش برای کوبیدن یک لوله فولادی توخالی در خاک استفاده می‌کند. تعداد ضربات چکش مورد نیاز برای نفوذ لوله به عمق 30 سانتی‌متر، مقاومت خاک را نشان می‌دهد. SPT یک روش قدیمی‌تر است که هنوز هم در برخی از پروژه‌ها استفاده می‌شود.
• نفوذسنج سیم: این نوع نفوذسنج از یک سیم نازک برای اندازه‌گیری مقاومت خاک در برابر نفوذ استفاده می‌کند. سیم به تدریج در خاک فرو برده می‌شود و مقاومت در برابر نفوذ در اعماق مختلف اندازه‌گیری می‌شود. نفوذسنج سیم برای بررسی تغییرات مقاومت خاک در اعماق کم استفاده می‌شود.

عوامل موثر بر نفوذپذیری خاک

• نوع بافت خاک: خاک‌های شنی با فضاهای بزرگ بین ذرات، نفوذپذیری بالاتری دارند، در حالی که خاک‌های رسی با ذرات ریز و فشرده، نفوذپذیری کمتری دارند.
• ساختار خاک: وجود حفره‌ها، درزها و لوله‌های خاکی، عبور آب را آسان‌تر می‌کند و نفوذپذیری آن را افزایش می‌دهد.
• مواد آلی خاک: بقایای گیاهی و مواد آلی، با افزایش فضای خالی خاک، به افزایش نفوذپذیری آن کمک می‌کنند.
• تراکم خاک: خاک‌های متراکم با فضاهای کمتر بین ذرات، نفوذپذیری کمتری دارند.
• شیب زمین: در زمین‌های شیب‌دار، آب سریع‌تر از زمین‌های مسطح نفوذ می‌کند.

تقسیم بندی خاک‌ها از نظر ضریب نفوذپذیری

تقسیم بندی خاک‌ها از نظر نفوذپذیری در حوزه‌های مختلف، متفاوت است. برای مثال در مهندسی عمران خاک‌ها از لحاظ نفوذپذیری در سه دسته‌بندی نفوذپذیر، نیمه‌نفوذپذیر و نفوذناپذیر قرار می‌گیرند.

در کشاورزی، خاک‌ها از لحاظ نفوذپذیری به گروه‌های زیادی تقسیم می‌شوند. جدول زیر، تقسیم‌‌بندی نرخ نفوذپذیری را بر حسب دو واحد سانتی‌متر بر ساعت و سانتی‌متر بر روز مشخص می‌کند.

دستگاه های استاندارد برای اجرای آزمایش نفوذپذیری خاک

آزمون‌های آزمایشگاهی برای بررسی نفوذپذیری خاک در ایران بر اساس استاندارد ملی «INSO ۱۱۷۰۸-۱۱» اجرا می‌شوند. این استاندارد، مطابق با استاندارد بین‌المللی «ISO ۱۷۸۹۲-۱۱» و بخشی از مجموعه استانداردهای «ISO ۱۷۸۹۲» با عنوان «بررسی و آزمون ژئوتکنیکی – آزمون آزمایشگاهی خاک» می‌باشد.

استاندارد ۱۱-۱۱۷۰۸، به بررسی روش‌های تعیین آزمایشگاهی ویژگی‌های جریان آب در خاک می‌پردازد. از استانداردهای پیش‌نیاز و مکمل استاندارد ۱۱-۱۱۷۰۸ موارد زیر را نام برد.

• استاندارد ۱-۱۱۷۰۸: تعیین درصد رطوبت خاک
• استاندارد ۲-۱۱۷۰۸: تعیین جرم مخصوص خاک
• استاندارد ۳-۱۱۷۰۸: تعیین وزن مخصوص واقعی خاک

کاربردهای ضریب نفوذپذیری

نفوذپذیری خاک، که به آن ضریب هدایت هیدرولیکی هم گفته می‌شود، معیاری برای سنجش توانایی خاک در عبور دادن سیالات از خود است. این خاصیت در بسیاری از شاخه‌های مهندسی از جمله موارد زیر حائز اهمیت است.

• طراحی فونداسیون: انتخاب نوع فونداسیون مناسب برای یک سازه به میزان نفوذپذیری خاک محل ارتباط نزدیکی دارد. باید توجه داشت که خاک‌هایی با نفوذپذیری بالا می‌توانند آب را به سرعت تخلیه کنند و در نتیجه احتمال نشست فونداسیون را کاهش می‌دهند.
• سیستم‌های زهکشی:  طراحی کارآمد سیستم‌های زهکشی برای جمع‌آوری و هدایت روان‌ آب‌ها و جلوگیری از سیلاب به درک صحیح از نفوذپذیری خاک نیاز بالایی دارد.
• جاده‌سازی: نفوذپذیری خاک بستر جاده بر پایداری و ظرفیت باربری آن تاثیرگذار است. خاک‌هایی با نفوذپذیری پایین، می‌توانند در اثر بار ترافیک اشباع شده و موجب خرابی جاده شوند.
• لوله‌های زیرزمینی:  انتخاب عمق و نوع لوله‌های زیرزمینی مانند لوله‌های فاضلاب و آب آشامیدنی به میزان نفوذپذیری خاک و سطح آب زیرزمینی بستگی دارد.
• آبیاری:  میزان و روش آبیاری بهینه برای مزارع به نوع خاک و نفوذپذیری آن بستگی دارد. در خاک‌های با نفوذپذیری بالا، باید از روش‌های آبیاری با شدت کم و تناوب بیشتر استفاده کرد تا از هدر رفتن آب جلوگیری شود.

تاثیر سطح ویژه بر ضریب نفوذپذیری خاک

سطح ویژه خاک به مساحت کل سطح ذرات خاک در واحد وزن اشاره دارد. این پارامتر نقش مهمی در تعیین بسیاری از خواص فیزیکی و شیمیایی خاک، از جمله ضریب نفوذپذیری، دارد. به طور کلی، با افزایش سطح ویژه خاک، ضریب نفوذپذیری آن کاهش می یابد. دلیل این امر این است که ذرات با سطح ویژه بالا، فضای خلل و فرج بیشتری بین خود ایجاد می کنند که منجر به پیچ و خم شدن مسیر حرکت آب و افزایش مقاومت در برابر جریان آن می شود.

تاثیر درجه اشباع بر ضریب نفوذپذیری خاک

ارتباط میان بین درجه اشباع و ضریب نفوذپذیری خاک موضوعی پیچیده است و تحت تاثیر عوامل مختلفی قرار می‌گیرد. اما به طور کلی، با افزایش درجه اشباع، ضریب نفوذپذیری خاک هم افزایش پیدا می‌کند. دلیل این موضوع این است که در خاک‌های اشباع، تمام حفره‌ها و فضاهای خالی بین ذرات خاک با آب پر شده‌اند و مسیرهای عبور آب بدون انسداد هستند. در مقابل، در خاک‌های نیمه‌اشباع، بخشی از این حفره‌ها و فضاها توسط هوا اشغال می‌شوند. هوای موجود در خاک، مانند یک مانع عمل می‌کند و جریان آب را کندتر می‌کند.

علاوه بر این، درجه اشباع می‌تواند بر روی ساختار خاک هم تاثیرگذار باشد. در خاک‌های اشباع، ذرات خاک به یکدیگر نزدیک‌تر می‌شوند و فضاهای بین آنها کوچکتر می‌شوند. این امر می‌تواند منجر به کاهش ضریب نفوذپذیری خاک شود.
با این حال، در برخی موارد، افزایش درجه اشباع می‌تواند منجر به کاهش ضریب نفوذپذیری خاک شود. این پدیده به عنوان “تراکم هیدرواستاتیکی” شناخته می‌شود.

سخن نهایی

نفوذپذیری خاک، به توانایی خاک در عبور دادن آب و هوا از میان ذرات آن اشاره دارد. روش‌های مختلفی برای ازمایش نفوذپذیری خاک مانند آزمایش‌های آزمایشگاهی، آزمایش‌های صحرایی وجود دارد که به طور مفصل در این مقاله به بررسی هریک پرداختیم. در نهایت، باید به این موضوع اشاره کرد که انتخاب روش مناسب برای اندازه‌گیری نفوذپذیری خاک، به عوامل مختلفی مانند نوع خاک، دقت مورد نیاز و تجهیزات موجود بستگی دارد.