آزمایش نفوذ پذیری خاک (Permeability)

به طور کلی خاک به دلیل وجود فضاهای خالی مرتبط در داخل آن امکان جریان یافتن آب را از نقاط با هد بالا به نقاط با هد پایین فراهم می‌سازد. در مکانیک و آزمایش خاک، بررسی جریان آب در داخل خاک نفوذپذیر دارای اهمیت است. این موضوع برای تخمین مقدار تراوش زیرزمینی در شرایط هیدرولیکی مختلف، جهت بررسی مسائل مربوط به پمپاژ آب در عملیات ساختمانی زیرزمینی و برای تحلیل پایداری سدهای خاکی و سازه‌های نگهدارنده خاک تحت نیروهای تراوش ضرورت دارد. نفوذپذیری، امکان جریان آب از درون خاک اشباع است. نفوذپذیری زیاد بیانگر این است که آب با سرعت از درون حفرات خاک جریان می یابد. ضریب نفوذپذیری در آزمایشگاه با آزمایش هد ثابت (Constant Head) یا هد افتان (Falling Head) اندازه گیری می شود.

نفوذ پذیری یک خصوصیت مهم در خاک‌شناسی است که به امکان عبور جریان آب از درون خاک اشباع، اشاره دارد. نفوذ پذیری زیاد نشان‌دهنده این است که آب با سرعت از داخل حفرات خاک جریان پیدا می‌کند. برای آزمایش نفوذ پذیری (Permeability) از پارامترهایی چون ضریب نفوذ پذیری یا ضریب هدایت هیدرولیکی استفاده شده و این ضریب در آزمایشگاه با آزمایش‌های هد ثابت یا هد افتان اندازه‌گیری می‌شود.

همچنین، در محیط‌های صحرایی نیز می‌توان با استفاده از آزمایشات مخصوص، نفوذ پذیری خاک را اندازه‌گیری کرد. ضریب نفوذ پذیری ۱ سانتیمتر بر ثانیه مرز تقریبی جریان آرام و آشفته را نشان می‌دهد، درحالی‌که ضریب نفوذ پذیری ۴-^۱۰ سانتیمتر بر ثانیه مرز بین، خوب زهکشی شده و بد زهکشی شده را نمایان می‌سازد. به‌طورکلی، خاک‌های دانه‌بندی ریز مانند رس‌ها دارای کمترین نفوذ پذیری هستند. بر اساس این خصوصیت، ترازقی و پک خاک را بر اساس میزان نفوذ پذیری به شکل زیر توضیح می‌دهند.

نفوذ پذیری بالا، cm/s، 0.1 < k

متوسط، cm/s، 0.001 < k < 0.1

کم، cm/s، 10^-5 < k < 0.001

خیلی کم، cm/s، 10^-7 < k < 10^-5

عملاً نفوذناپذیر، 10^-7 > k

در ادامه بهتر است ابتدا نفوذ پذیری خاک، واحدهای اندازه‌گیری و کاربردهای آن را توضیح داده و سپس به توضیح بیشتر در مورد آزمایش نفوذ پذیری  (Permeability) خاک بپردازیم.

نفوذ پذیری چیست؟

این مفهوم به توانایی ماده در اجازه عبور مایع به داخل مواد متخلخل مانند سنگ یا خاک اطلاق می‌شود که موضوعی است که در حوزه‌های میان‌رشته‌ای مانند فیزیک و زمین‌شناسی جای می‌گیرد.

به‌عبارت‌دیگر، در علوم زمین‌شناسی، صنایع نفت و انرژی، تصفیه آب و همچنین کشاورزی کاربردهای گسترده‌ای دارد. نفوذ پذیری در درک و مدیریت جریان مواد مایع در داخل محیط‌های متخلخل نقشی حیاتی داشته و به‌تدریج اطلاعات اساسی را در حوزه‌های مختلف تحقیقات علمی و فرآیندهای صنعتی فراهم می‌کند. در زمین‌شناسی، این مفهوم در ارزیابی قابلیت بهره‌برداری از مخازن زیرزمینی کاربرد دارد.

همچنین در صنعت نفت، در فرایند استخراج و انتقال هیدروکربن‌ها استفاده می‌شود. در تصفیه آب نیز، به طراحی سیستم‌های فیلتراسیون مؤثر کمک کرده و در کشاورزی به بهینه‌سازی استراتژی‌های آبیاری می‌پردازد. طبیعت میان‌رشته‌ای نفوذ پذیری، اهمیت این مفهوم را به‌عنوان یک مبحث اساسی با تأثیرات گسترده در حوزه‌های علمی و صنعتی نشان می‌دهد.

واحد اندازه‌گیری نفوذ پذیری

پس از تعریف این عبارت، حالا به بررسی واحد و یکای اندازه‌گیری این مقدار که در آزمایش نفوذ پذیری (Permeability)کاربرد دارد، می‌پردازیم. این مفهوم یکی از ویژگی‌های مواد متخلخل مانند سنگ و خاک است. این مشخصه در سیستم بین‌المللی SI به‌صورت مترمربع اندازه‌گیری می‌شود. در مقیاس عملیاتی نیز، نفوذ پذیری دارای واحدی به نام “دارسی” بوده که این نام از یک مهندس فرانسوی گرفته شده است. هر دارسی معادل 13-10*9.869233 مترمربع است.

به‌این‌ترتیب، در زمان بررسی نفوذ پذیری، نه‌تنها مفهوم این خاصیت مورد بررسی قرار می‌گیرد بلکه واحد‌ها و یکای اندازه‌گیری نیز اهمیت دارند و از آن‌ها برای توصیف دقیق این ویژگی استفاده می‌شود.

نفوذ پذیری در انواع خاک

مرحله ابتدایی در شناخت مشکلات مرتبط با نفوذ پذیری نامناسب، توجه به چگونگی نفوذ آب در داخل خاک است. در لحظه شروع آبیاری، آب با سرعت بالا وارد خاک می‌شود زیرا خشکی خاک و وجود ترک‌ها و درزهای مختلف در آن، سرعت نفوذ آب را افزایش می‌دهد.

همان‌طور که خاک از سطح خود تا ریشه خیس می‌شود، سرعت نفوذ آب نیز افزایش پیدا می‌کند. با خیس شدن خاک، ذرات رس متورم شده و باعث مسدود شدن ترک‌های سطحی خاک می‌گردند.

این فرآیند باعث محدود شدن جریان آب به سمت لایه‌های خشک‌تر خاک می‌شود. پس از اتمام این مرحله، منافذ و ترک‌های ریز در خاک کمتر اهمیت یافته و سرعت نفوذ پذیری به‌شدت کاهش می‌یابد.

لازم به ذکر است که حرکت آب در داخل خاک ناشی از نیروی ثقل است و از طریق منافذ بزرگ اتفاق می‌افتد. با ادامه فرآیند آبیاری، ترکیب نمکی موجود در آب خاک به شوری آب آبیاری نزدیک‌تر می‌شود که معمولاً حاوی کمترین مقدار نمک است. این تغییرات شیمیایی باعث کاهش قابل‌توجه سرعت نفوذ پذیری در خاک خواهد شد.

روش تعیین نفوذ پذیری

تعیین نفوذ پذیری خاک به دلیل تنوع و غیرقابل‌پیش‌بینی بودن چیدمان ذرات خاک در کنار یکدیگر، یکی از چالش‌های اساسی در زمینه مهندسی است. بااین‌حال، برای تخمین این ویژگی، از دو روش کلی استفاده می‌شود:

1. استفاده از روش‌های تجربی: در این شیوه، نمونه‌های خاک از محیط واقعی جمع‌آوری شده و مورد تست قرار می‌گیرند. سپس، با اعمال فشارهای مختلف، میزان نفوذ آب اندازه‌گیری می‌شود. این تکنیک‌ها عبارت‌اند از آزمون‌های هد تغییراتی که به‌طور مداوم یا گام‌به‌گام بر روی نمونه اعمال می‌شوند و آزمون‌های تجمعی که فشارها در آن به‌صورت تدریجی افزایش می‌یابند.
2. استفاده از روش‌های تحلیلی (آزمایش): این متد از مدل‌ها و تئوری‌های ریاضی برای تخمین ضریب نفوذ پذیری استفاده می‌کند و معمولاً بر اساس خصوصیات فیزیکی و هندسی خاک، همچون اندازه ذرات، تراکم و توزیع فضای خالی، توسعه یافته‌اند. ازجمله مدل‌های رایج می‌توان به مدل‌های نظری کوزن-کرمپتون و کارمن-Burdine اشاره کرد.

هرکدام از این روش‌ها دارای مزایا و محدودیت‌های خود هستند و انتخاب بین آن‌ها بستگی به شرایط محیطی و اهداف مهندسی دارد.

تعیین نفوذ پذیری به‌صورت تجربی

تعیین نفوذ پذیری با استفاده از روابط تجربی به این صورت است که برای محاسبه این ویژگی مهم خاک‌ها، از پارامترهایی مانند درصد تخلخل و اندازه مؤثر استفاده می‌شود. در این روش، برخی از روابطی که مورد استفاده قرار می‌گیرند عبارت‌اند از:

رابطه هازن

رابطه هازن (Hazen) در سال ۱۸۹۵ برای خاک‌های ماسه‌ای با دانه‌بندی یکنواخت ارائه شد. این رابطه برای تخمین ضریب نفوذ پذیری خاک‌ها از پارامترهایی مانند اندازه مؤثر دانه‌ها استفاده می‌کند. در این رابطه، ضریب نفوذ پذیری خاک (K) به‌صورت زیر محاسبه می‌شود

K=0.01 × D10 × D10

که در اینجا:

K = ضریب نفوذ پذیری خاک است و واحد آن متر بر ثانیه تعریف می‌شود.

D10​ = اندازه مؤثر دانه‌های خاک ماسه‌ای و واحد آن میلی‌متر است.

این رابطه معمولاً برای شرایط ماسه‌ای و دانه‌بندی یکنواخت خاک‌ها به کار گرفته شده و امکان تخمین نفوذ پذیری را با توجه به ویژگی‌های دانه‌بندی فراهم می‌آورد.

رابطه کاساگرانده

این رابطه بر اساس درصد تخلخل خاک تدوین شده و برای خاک‌های ماسه‌ای با دانه‌بندی یکنواخت و تک سایز، نتایج مطلوبی ارائه می‌دهد. در ادبیات علمی، این رابطه به‌صورت زیر تعریف می‌شود:

K= 1.4 × e × e × K85

در اینجا:

 K= ضریب نفوذ پذیری خاک است و واحد آن سانتی‌متر بر ثانیه است.

e = درصد تخلخل خاک

K85 = ضریب نفوذ پذیری خاک در نشانه خلأ  e=0.85

به‌عبارت‌دیگر، با افزایش درصد تخلخل، مقدار ضریب نفوذ پذیری خاک افزایش می‌یابد. برای مثال، اگر درصد تخلخل خاک برابر با ۲۰.۸۵ باشد، ضریب نفوذ پذیری خاک با استفاده از این رابطه برابر با ۷۸۵ سانتی‌متر بر ثانیه خواهد بود.

رابطه کوزانی- کارمان

رابطه کوزنی-کارمن به شرح زیر تعریف می‌شود:

K= α × (e ^ β ) / 1 + e

در اینجا:

k = ضریب نفوذ پذیری خاک بوده و واحد آن سانتی‌متر در ثانیه است.

 e = نشان‌دهنده خلأ خاک

 α = آلفا، ضریبی که به تابع مشخصات دانه‌بندی و فیزیکی آب مرتبط بوده و واحد آن سانتی‌متر بر ثانیه است.

β = پارامتری تجربی بوده که مقدار آن معمولاً 3 است.

این رابطه به‌منظور به دست آوردن نفوذ پذیری خاک‌های رسی بکار رفته و از اطلاعات مربوط به خصوصیات دانه‌بندی و خصوصیات فیزیکی آب بهره‌ می‌برد.

Determination of permeability experimentally

روش تحلیلی یا آزمایش نفوذ پذیری خاک

آزمایش نفوذ پذیری (Permeability) خاک به‌عنوان یک روش دقیق‌تر برای تعیین خاصیت نفوذ پذیری خاک‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد. این روش شامل آزمایش‌های صحرایی و آزمایشگاهی است. در ادامه، به بررسی برخی از این آزمایش‌ها می‌پردازیم:

آزمایش پمپاژ صحرایی

این شیوه یک روش صحرایی دقیق برای آزمایش نفوذ پذیری (Permeability) خاک است. در این آزمایش، مراحل زیر اجرا می‌شوند:

یک چاه مرکزی به نام چاه پمپاژ حفاری شده و عمق آن به‌گونه‌ای است که تا پایین‌تر از سطح آب زیرزمینی ادامه یابد.

دو چاه دیگر به نام چاهک مشاهده‌ای با قطر کم و با فواصل مختلف، در اطراف چاه مرکزی حفاری می‌شوند. از یک پمپ آب درون چاه مرکزی برای پمپاژ آب استفاده شده که باعث کاهش سطح آب در چاه مرکزی می‌شوند. به دلیل اختلاف پتانسیل آب، آب از چاهک‌های اطراف به درون چاه مرکزی نفوذ می‌کند.

پمپاژ آب ادامه پیدا می‌کند تا جایی که جریان آب از چاهک‌های اطراف به درون چاه اصلی به ثبات برسد. دبی جریان آب از چاهک‌های اطراف به درون چاه اصلی قرائت گردیده و با نماد Q نشان داده می‌شود.

هرچه نفوذ پذیری خاک بیشتر باشد، آب با سرعت بیشتری به درون چاهک مرکزی منتقل می‌شود. مقدار ضریب نفوذ پذیری با استفاده از رابطه‌ای زیر محاسبه می‌گردد:

K= Q × In (r1/r2)/(π × (h1² –h2²))

آزمایش نفوذپذیری با هد ثابت:

این آزمایش برای تعیین ضریب نفوذپذیری ماسه ها و خاک های با نفوذپذیری زیاد به کار می رود. شکل زیر اصول آزمایش نفوذپذیری با هد ثابت را نشان می دهد. یک نمونه اشباع خاک در محل نمونه قرار گرفته و سپس اختلاف هد h∆ در طول آزمایش ثابت نگه داشته می شود. ضریب نفوذپذیری نمونه با رابطه زیر محاسبه می شود:

آزمایش بار افتان:

برای خاک های ریزدانه باید از آزمایش نفوذپذیری بار افتان استفاده شود. در مورد خاک های ریزدانه معمولا آزمایش بر روی نمونه های دست نخورده انجام می شود. البته ممکن است که استوانه آزمایش همان لوله نمونه گیر باشد. در طرفین نمونه خاک، صفحات فلزی مشبک قرار داده می شود و لوله باریکی به سطح مقطع a به بالای استوانه متصل می شود و آب به داخل مخزنی با سطح آب ثابت جریان پیدا می کند. لوله باریک را پر از آب کرده و مدت زمان لازم t که ارتفاع آب در این لوله از h0 به hf کاهش پیدا می کند اندازه گرفته می شود. در هر لحظه t ارتفاع سطح آب در لوله برابر h و سرعت تغییرات آن برابر dh/dy است. در لحظه t بار آبی بین بالا و پایین نمونه برابر h است و بنابر قانون دارسی نتیجه می دهد:

با توجه به این نکات، پیشنهاد می‌شود که آزمایش خاک را به گروه مهندسی سانا پی سپرده تا نتایج به‌دقت و به‌صورت صحیح حاصل شود. این شرکت از ابتدای تأسیس، با رعایت استانداردهای بروز و بهره‌گیری از تجهیزات پیشرفته، فعالیت خود را ارائه داده و همواره در جهت ارتقا کیفیت خدمات خود در تعامل با دانشگاه‌ها و نهادهای علمی کشور هستند.