نکات فیزیک خاک

[hadis66]

نکته 1 : درصد وزنی ذرات تشکیل دهنده خاک را بافت خاک می گویند. بافت خاک یکی از مشخصات پایای خاک است و معمولا تغییر پذیر نیست.
نکته 2 : انواع بافت های خاک عبارتند از :
1) Sand : خاک های که حداقل 85 درصد شن داشته و مجموع ذرات سیلت و 1.5 برابر ذرات رس از 15 درصد کمتر است.
2) Loamy Sand : خاکهای که مقدار شن آن 70-90 درصد بوده و مقدار ذرات سیلت و 1.5 برابر ذرات رس از 15 درصد کمتر و از 30 درصد بیشتر نیست.
3) Sandy Loam : خاکهای که مقدار رس آن کمتر از 20 درصد بوده و یا مجموع درصد سیلت و دو برابر درصد رس از 30 درصد تجاوز می کند. و یا خاکهای که مقدار شن آنها 43-52 درصد، مقدار رس آن کمتر از 7 درصد و سیلت کمتر از 50 درصد است.
4) Loam : خاکی که مقدار رس آن بین 7-27 درصد وسیلت آن 28-50 رصد و شن آن کمتر از 52 درصد است.
5) Silt Loam : خاکی که مقدار سیلت آن بیش از 50 درصد و رس آن بین 12-27 درصد بوده و یا مقدار ذرات سیلت بین 50-80 درصد و مقدار رس آن کمتر از 12 درصد باشد.
6) Silt : خاکی که مقدار سیلت آن کمتر از 80 درصد و مقدار رس آن کمتر از 12 درصد است.
7) Sandy Clay Loam : خاک های که محتوی 20 تا 35 درصد رس بوده و مقدار سیلت آن از 28 درصد کمتر و مقدار شن آن از 45 درصد بیشتر باشد.
8) Clay Loam : خاک هایی که در آن مقدار رس بین 27-40 درصد و مقدار رس از 20 تا 45 درصد نوسان می کند.
9) Silty Clay Loam : خاک هایی که در آن مقدار رس بین 27 تا 40 درصد بوده و مقدار شن از 20 درصد کمتر است.
10) Sandy Clay : خاک هایی که در آن مقادیر رس و شن به ترتیب از 35 و 45 درصد بیشتر است.
11) Silty Clay : خاک هایی که در آن مقادیر هر یک از ذرات رس و سیلت از 40 درصد تجاوز می کند.
12) Clay : خاک هایی که در آن مقدار رس از 40 درصد بیشتر بوده و مقادیر شن و سیلت به ترتیب از 45 درصد و 40 درصد کمتر است.
نکته 3 : تغییرات بافت خاک در مرز بین کلاس ها ناگهانی نبوده، بلکه این تغییرات تدریجی است.
نکته 4: تعداد دفعات آبیاری و یا تناوب آن در خاکهای رسی ( Clay، Silty Clay Loam، Clay Loam، Silty Clay و Sandy Clay )، کمترین و در خاک های شنی، بیشترین است. از نظر زهکشی نیز هر قدر رس خاک بیشتر باشد کارایی زهكش های زیر زمینی کمتر است.
نکته 5 : رطوبت خاک های رسی ( خاک های که بیش از 28 درصد رس دارند ) در حد خمیرایی کمتر از رطوبت ظرفیت نگهداری است و برای شخم زدن ، لازم است که رطوبت تا حد خمیرایی کاهش یابد.

 

[hadis66]

نکته 7 : در خاک های مناطق گرم و خشک که نیمرخ خاک فقط از یک لایه یا یک افق تشکیل شده است، بافت خاک معمولا یکنواخت تر است.
نکته 8 : روش های تعیین بافت خاک :
جهت تعیین بافت خاک سه روش کلی وجود دارد
1) روش لمسی 2) روش هیدرومتر 3) روش پیپت
1) تعیین بافت خاک به روش لمسی :
در روش فوق برای تعیین بافت خاک، چون با دست و لمس کردن خاکها با دو انگشت (شست و سبابه) صورت می گیرد به اصطلاح روش لمسی می گویند. در این روش از خاک، گل یا خمیری که به حداکثر چسبندگی رسیده باشد تهیه کرده و آنرا بین دو انگشت دست قرار داده و خصوصیاتی نظیر زبری، نرمی، وجود ذرات شن، حالت چسبندگی یا لوله شدن، تشکیل نوار و شکل پذیری و ... را مورد بررسی قرار می دهند. به طور مثال اگر طول نوار تهیه شده از خاک مربوطه، کمتر از یک اینچ باشد بافت خاک Loam نامیده می شود و اگر طول نوار تهیه شده بین یک تا دو اینچ باشد بافت خاک Clay Loam می باشد و اگر طول نوار تهیه شده بین 2 تا 3 اینچ باشد بافت خاک Clay است. ( نکته : بافت های Sand، Loamy Sand و Silt تشکیل نوار نمی دهند)
2) تعیین بافت خاک به روش هیدرومتر :
مبنای تعیین بافت خاک در روش هیدرومتری و همینطور روش پیپت بر قانون استوکز (Stocks Low) استوار است. لذا لازم است ابتدا دید جامعی نسبت به قانون استوکز پیدا کنیم.
× قانون استوکز :
شرح کامل قانون استوکز به ما می گوید که سرعت یک ذره در حال ته نشینی در داخل یک سیال به طور مستقیم در ارتباط با نیروی ثقل (g)، تفاوت بین چگالی ذرات و چگالی آب (D1-D2) و توان دوم شعاع ذره می باشد. سرعت ته نشینی به طور عکس در ارتباط با گرانروی یا ضخامت سیال و یا همان ویسکوزیته مایع (η) می باشد. با این توصیفات قانون استوکز را می توان به صورت زیر نوشت


در این فرمول :
V : سرعت ته نشینی ذره بر حسب سانتی متر بر ثانیه
g : شتاب گرانش، که معادل 980 سانتی متر بر مجذور ثانیه در نظر گرفته می شود
r : شعاع ذره ای که در مایع ته نشین می شود بر حسب سانتی متر
D1 : وزن مخصوص حقیقی خاک، که 2.65 گرم بر سانتی متر مکعب در نظر گرفته می شود
D2 : چگالی آب، که برابر یک گرم بر سانتی متر مکعب است
η : ویسکوزیته مایع که برای آب معادل 0.01 پواز (0.01 g/cm.sec) در نظر گرفته می شود
در نهایت با قرار دادن مقادیر بالا در فرمول، معادله استوکز به صورت زیر خلاصه می شود.
V= 34700 r 2 Cm/Sec
برای اثبات قانون استوکز می بایست فرضیات زیر را در نظر گرفت، که عبارتند از :
1) ذرات باید کروی، سخت و جامد فرض شوند
2) اندازه ذرات نسبت به اندازه مولکول های مایع بایستی بزرگ باشد تا بتوان محیط را یک محیط همگن تلقی کرد. به عبارت دیگر، ذرات نباید از خود حرکت براونی نشان دهند. این پدیده عمدتا در ذرات کوچکتر از 0.0002 میلی متر اتفاق می افتد. لذا معادله استوکز می تواند فراوانی ذرات را از Very Fine Sand تا Coarse Clay تعیین کند.
3) سقوط ذرات بایستی آزاد باشد. اگر غلظت ذرات در حدود 3 تا 5 درصد باشد درنتیجه قطر استوانه محتوی مایع اقلا بایستی ده برابر قطر بزرگترین ذره خاک باشد تا امکان سقوط آزاد فراهم گردد.
4) ذرات خاک بایستی وزن مخصوص یکسانی داشته باشند.
5) ظرف محتوی مایع و ذرات معلق در آن، باید در حال سکون باشد. و جریان مایع غیر متلاطم باشد (ذرات بزرگتر از 0.4 میلی متر موجب تلاطم در محیط گردیده و قانون استوکز را غیر قابل استفاده می سازد)
و اما تعیین بافت خاک به روش هیدرومتری :
هیدرومتر یا چگالی سنج وسیله ای است که توسط آن می توان غلظت ذرات موجود در مایعات را تعیین نمود. و در خاکشناسی از هیدرومتر 152H-62 برای تعیین بافت خاک استفاده می گردد. در نهایت اعدادی که توسط هیدرومتر قرائت می شود احتیاج به دو تصحیح دارد که در زیر به علت این تصحیحات بسنده می کنیم و مطالعه مراحل آزمایش را به عهده شما می گذاریم.
الف) تصحیح حرارتی : چون هیدرومتر روی 20 درجه سانتیگراد استاندارد شده و نیز با توجه به اینکه با افزایش دما ویسکوزیته مایع کاهش یافته و هیدرومتر بیشتر در مایع فرو می رود در نتیجه غلظت ذرات معلق را کمتر از مقدار واقعی به ما نشان می دهد. لذا اگر در زمان قرائت عدد هیدرومتر، دمای سوسپانسیون از 20 درجه سانتیگراد بیشتر بود به ازای هر درجه 0.25 به عدد هیدرومتر اضافه و اگر دما از 20 درجه سانتیگراد کمتر بود به ازای هر درجه 0.25 از عدد هیدرومتر کم می کنیم.
ب) تصحیح کالگن : برای حذف خاصیت چسبندگی رسها از نمک کالگن (هگزا متا فسفات سدیم) استفاده می شود که این کالگن خود دارای غلظت مشخصی در سوسپانسیون است، پس سبب کمتر فرو رفتن هیدرومتر در مایع شده و عدد هیدرومتر بیشتر از مقدار واقعی نشان داده می شود. در این حالت باید غلظت کالگن را محاسبه نموده و از عدد هیدرومتر کسر نماییم.
3) تعیین بافت خاک به روش پیپت :
اساس روش پیپت نیز همانند روش هیدرومتری بر قانون استوکز استوار است. در اینجا ما قصد نداریم که روش پیپت را توضیح دهیم و فقط به برخی از مزیت های این روش نسبت به روش هیدرومتری بسنده می کنیم.
c در این روش دیگر خطای ناشی از رسوب ذرات بر روی شانه های هیدرومتر را نداریم و در کل دقت این روش از روش هیدرومتری بیشتر بوده و تبعا وقت گیر تر نیز می باشد
c در روش پیپت حجم خاک مصرفی کمتر از روش هیدرومتر است که این باعث کمتر شدن احتمال هماور شدن ذرات می گردد
c در روش پیپت عمق نمونه برداری و اندازه گیری را می توان از قبل تعیین کرد در صورتی که در روش هیدرومتری عمق براساس چگالی سوسپانسیون می باشد
c حداکثر عمق اندازه گیری بوسیله پیپت در سوسپانسیون های غلیظ بیش از هیدرومتر است
نهایتا با بدست آمدن درصد شن، سیلت و رس از طریق مثلث بافت خاک می توان بافت خاک مربوطه را تعیین نمود.

 

[hadis66]

نکته 9 : تعیین بافت خاک بوسیله مثلث جدید بافت خاک با همان مثلث بافت خاک شیرازی و بورسما :
در مثلث بافت خاک مشاهده می گردد که خاکها بطور کلی در 12 گروه قرار می گیرند که هر کدام محدوده ای را در داخل مثلث USDA در بر می گیرند. در واقع بی نهایت ترکیب خاک ممکن است وجود داشته باشد که همگی تحت عنوان یک نام اسم برده می شوند. مثلا خاکی با ترکیب 35 تا 55 درصد رس و 0 تا 20 درصد سیلت و 45 تا 65 درصد شن همگی بنام خاک Sandy Clay نامیده می شوند. از مشکلات دیگر مثلث USDA این است که نمی توان به لحاظ کلی مشخص کرد که متوسط اندازه ذرات خاک چقدر است. برای رفع این مشکل مثلث جدیدی توسط شیرازی و بورسما (Shirazi and Boersma) ارائه شده است که با داشتن درصد شن و سیلت و رس می توان متوسط اندازه ذرات خاک را بدست آورد. اساس بدست آوردن مثلث جدید بدین صورت است که برای تمام 66 نقطه مثلث بافت خاک USDA و مرز های 12 گانه داخل مثلث یک مختصات محاسبه شده است. که این مختصات عبارت است از میانگین هندسی اندازه ذرات و انحراف از معیار هندسی آن
حال اگر اعداد بدست آمده را در یک دستگاه مختصات نیمه لگاریتمی که محور افقی آن لگاریتمی و محور عمودی آن ساده باشد قرار دهیم شکلی مطابق زیر بدست می آید که مثلث جدید بافت خاک نام دارد


اکنون اگر مطابق با همان روش قبلی با داشتن مقادیر درصد رس، سیلت و شن نقطه مورد نظر را در داخل این مثلث مشخص کنیم، مختصات این نقطه روی محور های افقی و عمودی به ترتیب اندازه قطر ذرات خاک و انحراف از معیار آن خواهد بود.
در زیر قصد داریم نکاتی را پیرامون مثلث بافت خاک جدید، با توجه به شکل بالا ارائه کنیم
در این به اصطلاح مثلث، منحنی های q-b، z-q و b-z به ترتیب معرف فراوانی شن، سیلت و رس می باشند و زوایای z، q و b نیز مترادف گروههای رس، سیلت و شن می باشند که z دارای کمترین و b دارای بیشترین میانگین هندسی قطر می باشد.
نکته دیگر اینکه اگر اندازه ذرات در یک خاک کاملا یکنواخت باشد انحراف از معیار هندسی آن برابر یک خواهد شد. و در سایر موارد مقدار آن بیشتر از یک خواهد شد. و هرچه انحراف معیار هندسی خاکی کمتر باشد آن خاک از درجه یکنواختی بیشتری برخوردار است. همین جا لازم است متذکر شوم که؛ انحراف از معیار هندسی یک عدد بدون بعد می باشد که بر حسب تعریف عبارت است از نسبت اندازه ذرات با 84.1 درصد احتمال به میانگین اندازه ذرات که همان اندازه ذرات با 50 درصد احتمال می باشد.
نکته 10 : در عملیات کشاورزی تقسیم و قرار دادن ذرات خاک در سه گروه رس، سیلت و شن کفایت می کند ولی در کارهای مهندسی لازم است تصویر بهتری از نحوه توزیع اندازه های مختلف ذرات خاک داشته باشیم. برای اینکار اقدام به آنالیز مکانیکی ذرات خاک و تهیه منحنی توزیع اندازه ذرات خاک یا همان منحنی تجمعی می شود. نهایتاً نمودار منحنی شکلی ایجاد می گردد که بر روی محور ایکس های آن که لگاریتمی است اندازه ذرات مختلف و بر روی محور ایگرگها، درصد این ذرات در نمونه خاک قرار داده شده است. یکی از ساده ترین برداشت های که می توان از این نمودار کرد این است که به سهولت می توان گفت که چند درصد از ذرات خاک، قطری کمتر یا بیشتر از اندازه معینی دارند. از محاسن دیگر منحنی تجمعی بافت خاک این است که اگر دانه بندی دو خاک مشابه باشد، منحنی تجمعی آنها موازی خواهد بود که این پارامتر نیز به راحتی در نمودار قابل مشاهده است.
از روی این منحنی همچنین می توان برخی پارامتر های خاک را که در مهندسی کاربرد زیاد دارند بدست آورد. این پارامتر ها عبارتند از :
الف) اندازه موثر (D10) : قطر ذراتی از خاک است که فراوانی آنها از ده درصد کمتر است و یا به عبارتی دیگر، به عدد مربوط به ده درصد عبور در منحنی دانه بندی (بر حسب میلی متر) اندازه موثر ذرات آن خاک گفته می شود.
ب) اندازه میانه (D50) : به عدد مربوط به 50 درصد عبور در منحنی دانه بندی، اندازه میانه ذرات خاک گفته می شود.
ج) ضریب یکنواختی (Uniformity Coefficient) :
ضریب یکنواختی خاک (CU) حاصل تقسیم اندازه مربوط به D60 در منحنی دانه بندی به D10 می باشد.


(در این فرمول D60 و D10 به ترتیب قطر های ذراتی از خاک است که فراوانی آنها از 60 درصد و 10 درصد کمتر است)
ضریب یکنواختی در حقیقت عدم یکنواختی ذرات خاک را تعیین می کند. بطوریکه خاکهای که CU کمتر از 5 دارند را خاکهای خیلی یکنواخت و خاکهای که CU آنها بین 5 تا 15 باشد را خاکهای غیر یکنواخت می نامند و خاکهای با CU بیشتر از 15، جزء خاکهای خیلی غیر یکنواخت قرار می دهند. همچنین با استفاده از ضریب یکنواختی می توان پی به وضعیت پوکی و تراکم پذیری خاک برد. بدین صورت که خاکهای با CU بزرگتر از 10 دارای پوکی زیاد بوده و در نتیجه دارای ذرات با قطر های متفاوت می باشد که این خود نشان دهنده تراکم پذیری خوب این گونه خاکها است.
د) ضریب طبقه بندی (Classification Coefficient) :
علاوه بر ضریب یکنواختی گاهی اوقات ضریب دیگری بنام ضریب طبقه بندی نیز بکار برده می شود که حاصل تقسیم D75 به D25 می باشد. (CU=D75/D25) این ضریب نمایه ای از مشخصات و شکل ظاهری خلل و فرج خاک را به ما نشان می دهد.
و) ضریب انحناء (Coefficient of Curvature) :
ضریب انحناء منحنی دانه بندی خاک (CC) از روی ارقام مربوط به D30 ، D60 و D10 و با استفاده از فرمول زیر بدست می آید.

(D30 اندازه ایی است که قطر 30 درصد ذرات خاک به صورت وزنی از آن کمتر باشد)
چنانچه ضریب یکنواختی (CU) در خاکی بزرگتر از 5 بوده و ضریب انحناء منحنی دانه بندی بین 1 تا 3 باشد (CC=1 to 3) آن خاک را با دانه بندی خوب (Gradedwell) می نامند.
ز) تعیین ضریب آبگذری اشباع :
با استفاده از D10 بدست آمده از منحنی تجمعی بافت خاک، می توان ضریب آبگذری اشباع خاکهای شنی و فاقد ساختمان را مطابق فرمول زیر محاسبه کرد.

در این فرمول K نفوذپذیری بر حسب سانتی متر در ثانیه و D10 قطر ذرات خاک بر حسب سانتی متر و با احتمال وقوع ده درصد می باشد.
ح) محاسبه خیز موئینه ای :
خیز موئینه ای یا صعود شعریه ای نیز از منحنی تجمعی و با رابطه زیر، تخمین پذیر می باشد.

در این رابطه، h خیز موئینه ای برحسب سانتی متر، C ضریبی است که بین 0.1 تا 0.5 نوسان دارد و e نسبت پوکی یا نسبت حجم خلل و فرج به حجم ذرات جامد خاک می باشد.
ط) تعیین بهترین دانه بندی برای بدست آوردن حداکثر جرم مخصوص :
جهت تعیین بهترین دانه بندی برای بدست آوردن حداکثر جرم مخصوص می توان از رابطه زیر استفاده کرد :

در این فرمول؛ P درصد ذرات با قطر D و Dmax حداکثر قطر ذرات موجود در خاک بر حسب میلیمتر و n ضریب فولرو نام داشته و برابر 0.5 در نظر گرفته می شود.