معادلات حاکم بر جریان آب از خاک‌های غیر اشباع همان قانون حاکم بر جریان اشباع می‌باشد (قانون دارسی) تفاوت اساسی در ضریب نفوذ پذیری است که برای خاک‌های اشباع ثابت فرض می‌شود. در حالی که برای خاک‌های غیراشباع، ضریب نفوذپذیری تابعی از مکش، مقدار آب یا متغیرهای دیگری می‌باشد. همچنین فشار آب حفره‌ای به طور کلی در خاک‌های اشباع یک مقدار ثابتی است و برای خاک‌های غیر اشباع مقدارش منفی است. علیرغم این تفاوت، فرمول بندی تفاضل نسبی معادله جریان در هر دو حالت یکسان است. همچنین وقتی از حالت غیر اشباع به اشباع عبور می‌کنیم، یک انتقال یکنواختی وجود دارد[۱] (Fredlund et al, 1993)

( اینجا فقط تکه ای از متن درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. )

.

عبور جریان در خاکهای غیر اشباع، (a) جریان آب در نواحی اشباع و غیر اشباع در یک سد خاکی، (b) جریان آب عبوری از مرزهای یک شیب

• • ضریب نفوذپذیری خاک

آب در خاک از طریق مجاری به هم پیوسته حفرهای درون توده خاک جریان می­یابد. از این رو ضریب نفوذپذیری هر خاک بیانگر توانایی آن خاک برای هدایت سیال جهت عبور از آن خاک می‌باشد که این توانایی به نام ضریب هدایت هیدرولیکی و در اصطلاح مهندسی عمران ضریب نفوذپذیری نامیده می‌شود. مقدار ضریب نفوذپذیری خاک به عوامل متعددی بستگی دارد. این عوامل عبارتند از مشخصات سیال مانند ویسکوزیته و مشخصات خاک مانند اندازه و توزیع اندازه­ای حفر‌ها، منحنی دانه بندی، نسبت تخلخل، زبری سطح دانه‌ها و درجه اشباع و میزان درصد رطوبت خاک. ساختار خاک تأثیر بسیار مهمی بر ضریب نفوذپذیری دارد [۲] (Das, 2001). دانشمندان بر پایه نتایج آزمایشات مختلف، روابط تجربی متفاوتی برای ضریب نفوذپذیری خاک تعریف کرده‌اند. همچنین ضریب نفوذپذیری خاک‌ها را می‌توان با بهره گرفتن از آزمایش‌های صحرایی یا آزمایشگاهی اندازه گیری نمود.

• • تغییرات ضریب نفوذپذیری در فضا برای خاک‌های غیر اشباع

برای آنالیز تراوش حالت پایدار، ضریب نفوذپذیری در هر نقطه از خاک نسبت به زمان ثابت می‌باشد. اما در خاک‌های غیر اشباع، ضریب نفوذپذیری معمولاً از یک نقطه به نقطه دیگر تغییر می‌کند. یک تغییر ویژه در نفوذپذیری خاک اشباع می‌تواند به توزیع ناهمگن خاک نسبت داده شود. برای خاک‌های غیر اشباع، بسیار مناسب است که توزیع حجمی ناهمگن جریان حفره‌ای لحاظ گردد. این دلیل عمده برای یک تغییر ویژه در ضریب نفوذپذیری است. اگرچه توزیع خاک ممکن است همگن باشد، توزیع حجمی سیال حفره‌ای در اثر تغییرات در مکش ماتریک می‌تواند ناهمگن باشد. یک نقطه با مکش ماتریک بالا (یا یک مقدار آب کم) نسبت به یک نقطه با مکش پایین، ضریب نفوذپذیری پایین‌تری دارد.
چندین ارتباط تابعی بین ضریب نفوذپذیری و مکش ماتریک (u_a-u_w) یا مقدار آب حجمی وجود دارد. ضریب نفوذ پذیری برای نقاط مختلف در یک خاک از تابع نفوذپذیری بدست می‌آید. تغییرات ضریب نفوذپذیری بستگی به مکش ماتریک (یا مقدار آب) دارد. بعلاوه ضریب نفوذپذیری در یک نقطه ممکن است نسبت به راستای مختلف تفاوت کند، این شرایط را ناهمسانی می‌گویند ضریب نفوذپذیری بزرگ‌تر، ضریب نفوذپذیری اصلی نامیده می‌شود. کوچک‌ترین ضریب نفوذپذیری در راستای عمود بر بزرگ‌ترین ضریب نفوذپذیری می‌باشد و ضریب نفوذپذیری کوچک‌تر نامیده می‌شود[۱] (Fredlund et al, 1993).

• • • • 1. 1. تراوش حالت پایدار ایزوتروپیک ناهمگن

شرایط نفوذپذیری در خاک‌های غیر اشباع می‌تواند در سه گروه طبقه بندی شود همانگونه که در شکل ۲-۲ نشان داده شده است. این طبقه بندی بر اساس الگوی تغییرات نفوذپذیری می‌باشد. اگر ضریب نفوذپذیری در راستای x برابر ضریب نفوذپذیری در راستای y در هر نقطه از خاک باشد، آن را ایزوتروپیک گویند (k_x=k_y at A, k_x=k_y at B) (شکل ۲-۲ (a)). اما دامنه ضریب نفوذپذیری می‌تواند از نقطه A تا نقطه B بسته به مکش ماتریک در یک خاک تغییر کند. تغییر در ضریب نفوذپذیری نسبت به مکش ماتریک، اغلب فرض می‌شود که از یک ارتباط تابعی تبعیت می‌کند[۱] (Fredlund et al, 1993).

تغییرات ضریب نفوذپذیری در یک خاک غیر اشباع

• • • • 1. 1. تراوش حالت پایدار، غیر ایزوتروپیک و ناهمگن

شکل (۲-۲) (b) حالت غیر ایزوتروپیک و ناهمگن را تشریح می‌کند در این حالت نسبت ضریب نفوذپذیری در راستای x (K_x) نسبت به ضریب نفوذپذیری در راستای y (K_y) در هر نقطه ثابت است. (به عنوان مثال K_x/K_y در نقطه A برابر با مقدار آن در نقطه B ولی برابر یک نمی‌باشد) دامنه ضریب نفوذپذیری K_x و K_y همچنین می‌تواند با مکش ماتریک از یک موقعیت به یک موقعیت دیگر تغییر کند اما فرض می­ شود که نسبت آن‌ها ثابت می‌ماند. همچنین شرایط غیرایزوتروپیک می‌تواند در هر دو راستای عمود بر هم نیز باشد.
حالت کلی که هر جهتی برای ضریب نفوذپذیری جهت اصلی باشد در این فرمول بندی در نظر گرفته نشده است.
حالت سوم این است که یک متغییر پیوسته در ضریب نفوذپذیری داشته باشیم، شکل (۲-۲) ©. یعنی نسبت نفوذپذیری (K_x/K_y) ممکن است از یک موقعیت به یک موقعیت دیگر ثابت نباشد (مثلاً K_x/K_y در A وB ) و راستاهای مختلف ممکن است توابع نفوذپذیری مختلف داشته باشد. فرمول بندی تراوش حالت پایدار مرتبط با حالت ایزوتروپیک و ناهمگن، غیرایزوتروپیک و ناهمگن می‌باشد. حالتی که یک تغییر پیوسته در نفوذپذیری نسبت به فاصله باشد به مطالعه بیشتر نیاز دارد. در تمام آنالیزهای تراوش حالت پایدار فرض می شود که فشار حفره‌ای هوا یک مقدار متعادل ثابت است و معادل فشار حفره‌ای اتمسفریک هوا است، مقدار قدر مطلق تابع ضریب نفوذپذیری آب نسبت به مـکش ماتریک K_w(u_a-u_w) برابر تابع نفوذ پذیری نسبت به فشار حفره­ای است K_w(-u_w) [1] (Fredlund et al, 1993).

• • 1. جریان یک بعدی