پاورپوینت نفوذپذیری خاک

بخشی از پاورپوینت

اسلاید 1 :

نفوذپذیری

مقدمه

خاک ها را نفوذپذیر گویند به دلیل فضاهای خالی بین ذرات آن ها که آب می تواند در آن ها از نقطه ای با انرژی بالاتر به نقطه ای با انرژی کمتر حرکت کند. مطالعه جریان آب در خاک های نفوذپذیر در مکانیک خاک مهم است. برای مثال، می توان به تخمین مقدار نشت زیرزمینی تحت شرایط هیدرولیکی مختلف، بررسی مشکلات ناشی از پمپاژ آب در سازه های زیرزمینی و تحلیل پایداری در سدهای خاکی و سازه های حفاظتی خاکی که در معرض نیروهای ناشی از نشت هستند، اشاره کرد. یکی از فاکتورهای فیزیکی مهم یک خاک که میزان نشت را کنترل می کند هدایت هیدرولیکی است که تحت عنوان ضریب نفوذپذیری نیز شناخته می شود.

معادله برنولی
در مکانیک سیالات دیدیم که براساس معادله برنولی، هد کل در یک نقطه در آب در حال حرکت از جمع هدهای فشار، سرعت و ارتفاع به دست می آید:

که h هد کل، u فشار، v سرعت، g شتاب ثقل و ɣw وزن مخصوص آب است.

اسلاید 2 :

نکته: هد ارتفاع، z، فاصله عمودی یک نقطه مشخص در بالا یا پایین یک سطح تراز می باشد. هد فشار برابر است با فشار آب، u، در نقطه مورد نظر تقسیم بر وزن واحد حجم آب، ɣw.

نکته: اگر معادله برنولی را برای جریان آب در یک محیط خاک با تخلخل متوسط بنویسیم، ترم شامل هد سرعت را می توان نادیده گرفت، زیرا سرعت نشت در خاک ناچیز است. بنابراین هد کل را در هر نقطه می توان به صورت زیر نمایش داد:

شکل اسلاید بعد، رابطه بین فشار، ارتفاع و هد کل را برای جریان آب عبوری از داخل خاک نشان می دهد. در نقاط A و B، لوله های قائم دو سر باز (پیزومترها) نصب شده اند. آب در لوله های پیزومتری بالا می رود و در ترازهایی قرار می گیرد که به ترتیب تراز پیزومتریک A و B نامیده می شود. هد فشار در یک نقطه ارتفاع ستون عمودی آب در پیزومتر نصب شده در آن نقطه است. افت هد بین دو نقطه A و B را می توان به صورت زیر محاسبه کرد:

افت هد، h∆، بی بعد را می توان به صورت زیرنشان داد:

اسلاید 3 :

که i، گرادیان هیدرولیکی و L فاصله بین نقاط A و B یعنی طولی که جریان طی می کند و افت هد اتفاق می افتد.
در حالت کلی تغییرات سرعت در برابر گرادیان هیدرولیکی مطابق شکل زیر است. همان طور که مشخص است این شکل به سه ناحیه تقسیم شده است:

1- ناحیه جریان آرام (ناحیه I)
2- ناحیه بینابینی (ناحیه II)
3- ناحیه متلاطم (ناحیه III)

اسلاید 4 :

هنگامیکه گرادیان هیدرولیکی به تدریج افزایش پیدا می کند، جریان در ناحیه I و II آرام باقی می ماند و رابطه سرعت با گرادیان هیدرولیکی خطی است. به ازای مقادیر بالاتر گرادیان هیدرولیکی جریان متلاطم (ناحیه III) خواهد بود. با کاهش گرادیان هیدرولیکی شرایط جریان آرام (ناحیه I) خواهد شد.
در بیشتر خاک ها، جریان آب در فضاهای خالی آرام است، بنابراین

در تخته سنگ های شکسته، سنگ ها، شن ها و ماسه های خیلی درشت ممکن است جریان متلاطم وجود داشته باشد، بنابراین رابطه فوق برقرار نیست.

اسلاید 5 :

قانون دارسی
در سال 1856، رابطه زیر را برای سرعت جریان آب عبوری از خاک های اشباع ارائه داد:

که v سرعت جریان یا مقدار جریان عبوری در واحد زمان در واحد سطح مقطع (ناخالص) عمود بر جهت جریان و k هدایت هیدرولیکی (ضریب نفوذپذیری) است.

این معادله براساس مشاهدات دارسی برای جریان عبوری از داخل ماسه تمیز به دست آمد. همچنین از آن می توان برای جریان آرام و محدوده وسیعی از خاک ها استفاده کرد.

در معادله فوق، v، سرعت جریان عبوری از مساحت ناخالص است. اما سرعت واقعی آب (یعنی سرعت نشت) که از فضاهای خالی عبور می کند بزرگتر از v است. رابطه بین سرعت جریان و سرعت نشت (vs) را می توان به صورت زیر نوشت:
vs=v/n
در این رابطه n، تخلخل است.

اسلاید 6 :

هدایت هیدرولیکی

به طور کلی، واحد هدایت هیدرولیکی در سیستم SI، cm/sec یا m/sec است. هدایت هیدرولیکی خاک ها به پارامترهایی از قبیل: ویسکوزیته سیال، توزیع و اندازه خلل و فرج، توزیع اندازه ذرات، نسبت تخلخل، زبری کانی های معدنی و درجه اشباع خاک وابسته است. در خاک های رسی، ساختمان تاثیر زیادی بر هدایت هیدرولیکی دارد. فاکتورهای موثر دیگر در نفوذپذیری رس ها عبارتند از : تمرکز یون ها و ضخامت لایه های آب اطراف ذرات رس ها.
مقدار هدایت هیدرولیکی (k) در محدوده وسیعی برای خاک های مختلف تغییر می کند. مقادیر استاندارد هدایت هیدرولیکی برای خاک های اشباع در جدول زیر ارائه شده است. هدایت هیدرولیکی خاک های غیر اشباع کمتر است و با افزایش درجه اشباع به سرعت افزایش می یابد.

اسلاید 7 :

معمولا مقدار k را در دمای 20 درجه سانتیگراد بیان کرده و استفاده می کنند. با مشخص بودن مقدار k در دماهای دیگر و با فرض اینکه در محدوده وسیعی از دماهای آزمایشی، است، با استفاده از رابطه زیر می توان مقدار k در دمای 20 درجه سانتیگراد را حساب کرد:

در رابطه فوق، ƞ، ویسکوزیته آب و k هدایت هیدرولیکی است. تغییرات نسبت
در برابر دما (T) برای محدوده 15 تا 30 درجه سانتیگراد در جدول زیر ارائه شده است.

اسلاید 8 :

روش های آزمایشگاهی تعیین هدایت هیدرولیکی
با استفاده از دو روش استاندارد بار ثابت و بار افتان می توان هدایت هیدرولیکی را در آزمایشگاه تعیین کرد.

1- روش بار ثابت
شکل زیر طرح شماتیک آزمایش بار ثابت را نشان می دهد. در این آزمایش منبع تامین در ورودی طوری تنظیم می شود که اختلاف هد بین ورودی و خروجی در زمان های مختلف ثابت است. پس از ثابت شدن دبی جریان، آب عبوری از میان نمونه خاک در یک زمان مشخص توسط استوانه مدرج اندازه گیری می شود.

اسلاید 9 :

حجم کل آب جمع آوری شده را به صورت زیر می توان حساب کرد:
(1)

که Q حجم آب جمع آوری شده، A مساحت مقطع عرضی نمونه خاک و t زمان جمع آوری آب است. با توجه به تعریف گرادیان هیدرولیکی داریم:
(2)

که L طول نمونه است. با جایگذاری رابطه 2 در رابطه 1 خواهیم داشت:

اسلاید 10 :

روش بار افتان

شکل زیر طرح شماتیک آزمایش بار افتان را نشان می دهد. آب از یک لوله عمودی به داخل خاک جریان می یابد. اختلاف هد اولیه h1 در زمان t=0 ثبت می شود، سپس جریان آب در داخل نمونه برقرار شده و اختلاف هد نهایی h2 در t=t2 اندازه گیری می شود.

اسلاید 11 :

دبی جریان آب عبوری از داخل نمونه را در زمان t می توان به صورت زیر محاسبه کرد:

q دبی جریان، a سطح مقطع لوله قائم و A سطح مقطع نمونه خاک است. با مرتب سازی دوباره معادله 3 داریم:

اگر از طرفین معادله فوق از زمان 0 تا t و برای اختلاف هد h1 تا h2 انتگرال بگیریم، خواهیم داشت:

اسلاید 12 :

مثال: مطابق شکل مربوط به یک آزمایش بار ثابت داده های زیر به دست آمده است. مطلوبست محاسبه هدایت هیدرولیکی برحسب cm/sec.
L=30 cm، A=177 cm2، h=50 cm اختلاف هد ثابت، 350 cm3=حجم آب جمع آوری شده در 5 دقیقه.

اسلاید 13 :

مثال: مطابق شکل زیر یک لایه خاک نفوذپذیر بر روی یک لایه خاک غیرقابل نفوذ قرار گرفته است. با توجه به هدایت هیدرولیکی لایه نفوذ پذیر، ، دبی نشت عبوری از آن را برای H=3 m و α=8˚ برحسب حساب کنید.