تعریف جریان آب در خاک یا تراوش

جریان آب در خاک یا تراوش چیست؟
خاک، ماده ای است که فضای خالی بین ذرات آن معمولا توسط هوا یا آب پر می شود. آب تمایل دارد از نقطه ای با انرژی زیاد به نقطه ای با انرژی کم جریان پیدا کند.

بنابراین در صورت فراهم بودن مسیر جابه جایی، جریان آب یا تراوش در خاک رخ می دهد.

تراوش، کمیتی است که در اندازه گیری جریان آب زیرزمینی، زهکشی در حین ساخت ساختمان، تحکیم خاک های رسی، مطالعه پایداری سدهای خاکی و سازه های حایل کاربرد دارد.

تراوش معمولا به عنوان یک مشکل در مکانیک خاک و مهندسی ژئوتکنیک (مسائل مربوط به فونداسیون) مورد بررسی قرار می گیرد. این کمیت به نفوذپذیری خاک و شیب هیدرولیکی بستگی دارد. در ادامه، به معرفی مفاهیم مرتبط با تراوش در خاک می پردازیم.

هدایت هیدرولیکی خاک چیست؟
«هدایت هیدرولیکی» (Hydraulic Conductivity)، معیاری برای نمایش میزان جریان پذیری سیال در محیط متخلخل است. هدایت هیدرولیکی به خواص سیال از جمله درجه اشباع، ویسکوزیته، دما و چگالی بستگی دارد. این کمیت با استفاده از رابطه زیر محاسبه می شود:

• κ: ضریب نفوذپذیری خاک.
• γw: وزن مخصوص آب.
• μ: ویسکوزیته سیال.

ضریب نفوذپذیری خاک چیست؟
«نفوذپذیری» (Permeability)، توانایی ذاتی خاک در انتقال سیال (مایع و گاز) از درون خود است. هر چه نفوذپذیری خاک بیشتر باشد، تراوش نیز بیشتر خواهد بود.

نفوذپذیری بر خلاف هدایت هیدرولیکی به خواص خاک از جمله ابعاد حفره ها، پیچیدگی ساختار و سطح آزاد ذرات بستگی دارد.

رابطه زیر معمولا به منظور تعیین ضریب نفوذپذیری خاک مورد استفاده قرار می گیرد:

• κ: ضریب نفوذپذیری بر حسب متر بر ثانیه.
• K: هدایت هیدرولیکی.
• μ: ویسکوزیته.
• ρ: چگالی سیال.
• g: شتاب گرانش زمین.

جدول ضریب نفوذپذیری خاک:
نفوذپذیری خاک ها با افزایش ابعاد ذرات افزایش می یابد. جدول زیر، مقدار میانگین نفوذپذیری خاک های مختلف را نمایش می دهد.

نوع خاک و نفوذپذیری بر حسب سانتی متر بر ساعت:

• ماسه 5.
• لوم ماسه ای 2.5.
• لوم 1.3.
• لوم رسی 0.8.
• رس لای دار 0.25.
• رس 0.05.

در مکانیک خاک طبقه بندی ضریب نفوذپذیری خاک ها مطابق با جدول زیر است.

اصل برنولی چیست؟
اصل برنولی، نمایش ریاضی قانون بقای انرژی در سیالات است. مطابق این اصل، افزایش سرعت جریان با افزایش فشار استاتیک یا کاهش انرژی پتانسیل سیال رخ می دهد. طبق معادله برنولی داریم:

• v: سرعت سیال در نقطه مورد نظر.
• g: شتاب گرانش زمین.
• h: ارتفاع هد یا سطح جریان از یک سطح مبنا.
• P: فشار سیال در نقطه مورد نظر.
• ρ: چگالی سیال.
• b: ثابت برنولی.

شیب هیدرولیکی چیست؟
اختلاف ارتفاع سیال در دو نقطه با عنوان افت بار شناخته می شود. از تقسیم افت بار بر فاصله بین دو نقطه، شیب هیدرولیکی سیال در خاک به دست می آید.

• i: شیب هیدرولیکی.
• Δh: افت بار.
• L: فاصله افقی بین دو نقطه.

قانون دارسی چیست؟
قانون دارسی، معادله ای است که سرعت جریان سیال (مانند آب) درون محیط متخلخل (مانند خاک) را توصیف می کند.

این قانون، مبنای گرایش آب زمین شناسی است. قانون دارسی به صوت زیر تعریف می شود:

v=ki

• V: سرعت جریان.
• k: ضریب نفوذپذیری.
• i: شیب هیدرولیکی.

به این ترتیب، حجم آب خروجی از خاک در یک زمان مشخص (دبی جریان) برابر است با:

Q=Avt=A(ki)t

• Q: دبی جریان.
• A: سطح مقطع مورد نظر.
• v: سرعت جریان.
• t: زمان مورد نظر.

سرعت تراوش نیز به صورت زیر محاسبه می شود:

• Vs: سرعت تراوش.
• V: سرعت جریان.
• n: تخلخل.

تنش موثر خاک چیست؟
«تنش موثر» (Effective Stress)، یکی دیگر از مفاهیم مهم در مکانیک خاک است. این تنش، باعث کنار یکدیگر قرار گرفتن ذرات در توده خاک می شود.

افزایش رطوبت و محتوای آب خاک، میزان تنش موثر را کاهش می دهد. تراوش، پدیده ای است که می تواند با کاهش تنش موثر و جدایش ذرات، مقاومت خاک را کاهش دهد و باعث تخریب سازه شود.