بخشی از مقاله
چکیده
ساختمان خاک از ویژگیهای پویای خاک است که فرآیند تشکیل و پایداری آن پیچیده و به عواملی گوناگون وابسته میباشد. توصیف ساختمان خاک به علت تأثیر اندازه، شکل و مقاومت ذرات ثانویه بر کشاورزی و محیطزیست، اهمیت فراوانی دارد. بهمنظور سنجش میزان پایداری ساختمانهای مختلف، بهکمّیسازی ساختمان خاک نیاز است. هدف از این پژوهش استفاده از بُعد فرکتالیدر کمّیسازی ساختمان خاک بود. بدین منظور، تعداد 30 نمونه خاک جمعآوری و برای انجام آزمایشهای مورد نظر به آزمایشگاه ارسال وسپس بُعد فرکتالی خاکدانهها محاسبه گردید.
نتایج نشان داد که دامنه بُعد فرکتالی محاسبه شده در حالت خشک از 2/53 تا 2/78 و در حالت تر از 2/24 تا 2/55 متغیر است. نتایج همچنین نشان داد که با افزایشاختلاف بُعد خشک و تر، پایداری خاکدانهها کاهش و ناپایداری آنها افزایش مییابد.
مقدمه
حساسیت یک خاک در مقابل تخریب ساختمان، معیاری برای تعیین استعداد زراعی خاک است. این حساسیت، با مفهوم پایداری ساختمان فیزیکی خاک مشخص میگردد که استعداد در پایداری یا دوام اجزای ساختمانی را نشان میدهد
توصیف ساختمان خاک به علت تأثیر اندازه، شکل و مقاومت ذرات ثانویه - خاکدانه، پدون و کلوخه - بر کشاورزی و محیطزیست، اهمیت فراوانی دارد
پایداری خاکدانه بیانگر مقاومت خاک در برابر عوامل تخریب کننده از قبیل مرطوب شدن، انرژی جنبشی قطرات باران و کشت و کار است. از این رو مقدار خاکدانههای تخریب شده به استحکام نیروهای چسبنده و نگهدارنده ذرات به یکدیگر و بزرگی نیروهای تخریب کننده بستگی دارد
امروزه استفاده از هندسه فرکتالی و بُعد فرکتالی، در شناخت غیریکنواختی موجود در محیطهای طبیعی رایج شده است
با کمک مدل عددی و آنالیز فرکتالی به تعیین توزیع اندازه ذرات خاک در منطقه آمبریای ایتالیا پرداختند و بیان کردند، استفاده از مدلهای فرکتالی میتواند راهکار مناسبی برای درک پدیدههای پیچیده خاک باشد. در این پژوهش از مدلهای فرکتالی - 1986 - Turcotte و Tyler و - 1992 - Wheatcraft استفاده شده است. Xu و - 2004 - Dong نشان دادند که توزیع اندازه ذرات و توزیع اندازه منافذ خاک، از مدل فرکتالی تبعیت کرده و بُعد فرکتالی در هر دو آنها یکسان است.
پس اگر توزیع اندازه منافذ اندازهگیری نشده باشد، توانمی از بُعد فرکتالی توزیع اندازه ذرات به جای بُعد فرکتالی توزیع اندازه منافذ استفاده کرد. بنابراین با توجه به اهمیت دانستن میزان پایداری خاکدانهها در برنامهریزی طرحهای مدیریتی، هدف از این پژوهش تعیین پایداری خاکدانهها با مدل فرکتالی Tyler و - 1992 - Wheatcraftبود تا با کمّی کردن میزان پایداری، خاکدانهها از نظر مقاومت به راحتی قابل مقایسه گردند.
مواد و روشها
30 نمونه خاک از عمق 0-30 سانتیمتری، به صورت نمونههای دست خورده و دست نخورده تهیه و به آزمایشگاه منتقل گردید. سپس جرم ویژه ظاهری و رطوبت نمونهها تعیین گردید. آنگاه با استفاده از روش الکتر و خشک و با کمک مدل فرکتالی Tyler و Wheatcraft، بُعد فرکتالی خاکدانهها تعیین شد. در نهایت با تعیین درصد پایداری و درصد ناپایداری خاکدانهها، نمونهها با یکدیگر مقایسه شدند. مدل فرکتالی Tyler و Wheatcraft با استفاده از رابطه - 1 - محاسبه می گردد:
که در آن Dmبُعد فرکتال جرمی، M - r<R - جرم تجمعی خاکدانهها بر روی الک با اندازههای کوچکتر از - g - R، Mt جرم خاکدانهها - g - ، RL بالاترین اندازه منفذ غربال - mm - ، R قطر الک در هر کلاس و r میانگین قطر خاکدانهها در هر کلاس - mm - میباشد.
برای تعیین درصد پایداری خاکدانهها در مدلهای فرکتالی،نسبت بُعد بدست آمده در حالت تر به بُعد بدست آمده در حالت خشک با استفاده از رابطه - 2 - محاسبه گردید:
که در آن - Aggregate Stability - AS درصد پایداری خاکدانهها، Dwبُعد فرکتالی در حالت الک تر و DDبُعد فرکتالی در حالت الک خشک میباشد.
برای تعیین درصد ناپایداری خاکدانهها، نسبت اختلاف حالت تر و خشک بر مقدار بدست آمده در حالت خشک با استفاده از رابطه - 3 - محاسبه گردید:
که در آن nS درصد ناپایداری خاکدانهها، Dwبُعد فرکتالی در حالت الک تر و DDبُعد فرکتالی در حالت الک خشک میباشد.
نتایج و بحث
شکل 1بُعدهای بدست آمده در حالت سری الک خشک و تر را نشان میدهد. کمترین و بیشترین مقدار بُعد فرکتالی در حالت خشک به ترتیب مربوط به نمونهای ششم و نوزدهم با مقدار بُعد 2/52 و 2/78 و براساس الک تر کمترین و بیشترین بُعد به ترتیب مربوط به نمونههای چهاردهم و بیستوهفتمبا مقدار بُعد 2/24 و 2/55بود. مقادیر بُعدهای بدست آمده در حالت تر و خشک زیر 3 بوده که نشاندهنده قابلیت مناسب این مدل در بیان پایداری خاکدانههای مورد بررسی میباشد.
شکل -1بُعد فرکتالی نمونههای مورد آزمون در دو حالت خشک و تر
سپس به منظور تعیین میزان پایداری خاکدانه ها براساس این مدل، اختلاف بُعد در حالت خشک و تر بدست آمد که نتایج در شکل 2ارائه شده است. براساس این شکل، نمونه پنجم کمترین اختلاف بُعد و نمونه بیستم شترینبی اختلاف بُعد را داشته است. بنابراین نمونه پنجم پایدارترین نمونه میباشد.
شکل -2اختلاف بُعد فرکتالی نمونههای مورد آزمون در دو حالت خشک و تر
با محاسبه درصد پایداری و ناپایداری نمونهها با استفاده از روابط 2 و 3 مشخص گردید نمونههایی که دارای درصد پایداری بیشتری بودند، بُعد فرکتالی کمتر و بدنبال آن درصد ناپایداری کمتری داشتند. بنابراین میتوان نتیجه گرفت با کاهشبُعد فرکتالی جرم-اندازه، درصد پایداری خاکدانهها افزایش مییابد و خاک از ساختمان بهتری برخوردار است.
این یافته با پژوهش - 2011 - Ahmadi et al. که به بررسی توانایی بُعد فرکتالی در تعیین شاخص فرسایشپذیری خاک پرداختند همخوانی دارد. این موضوع در شکل 3 که در آن درصدهای پایداری و ناپایداری نمونهها نشان داده شده، بخوبی آشکار است. براساس این شکل، در قسمتهایی که منحنی درصد پایداری زیاد شده، منحنی درصد ناپایداری کم شده است. نمونه پنجم در این شکل نیز با شکل 2 مطابقت داشته و بیشترین درصد پایداری با مقدار 98/69 را به خود اختصاص داده است و تأکیدی بر افزایش پایداری با کاهش بُعد میباشد.
