Torpağın kapilyarlığı və sukeçiriciliyi

Kapillyarlıq

Kapillyarlıq hadisəsi

Dar bir şüşə borunu durğun, axını olmayan su ilə dolu qaba saldıqda, borudakı su qabdakı N səviyyəsindən hk hündürlüyünə qalxacaq və borudakı su səthi m meniskini əmələ gətirəcək (şək. 1_a_). Boru nə qədər dar olsa, suyun kapilyar qalxma hündürlüyü hk bir o qədər böyük olar.

Suyun kapilyar qalxması meniskin m qalxıcı qüvvəsinə aid edilir və su ilə şüşə molekulları arasındakı intermolekulyar cazibə qüvvələri, həmçinin dar borunun divarları ilə su səthi arasındakı səth gərginlikləri ilə izah olunur.

Şüşə borunun divarı ilə su səthi arasında təmasda meniskin m səthinə toxunan istiqamətdə təsir edən kapilyar qüvvə R yaranır; bu qüvvə uzunluq vahidinə düşən çəki vahidi ilə, p/cm ilə ifadə olunur. R qüvvəsini divar səthinə paralel J komponentinə və divara normal P komponentinə ayırdıqda, meniskin qaldırıcı qüvvəsini əldə edirik (şək. 1_a_): J = R cosα.

R qüvvəsinin divar səthi ilə əmələ gətirdiyi α bucağı kapillyarlıq bucağı adlanır və onun qiyməti 0 ilə 90O arasında dəyişir. Əgər kapilyar borudakı su və onun divarları tam təmizdirsə, onda α=0, menisk səthi yarımdairəvidir, qaldırıcı J = R qüvvəsi maksimumdur (şək. 1_b_). Əgər suda yağlar və ya üzvi turşular varsa, yaxud divarlar yağlıdırsa, onda α = 90°, menisk əmələ gəlmir və suyun kapillyar qalxması da baş vermir.

Şək. 1. Suyun kapilyar qalxması və kapilyar qüvvələrin təsiri

Qaldırıcı qüvvə J = R cos α tarazlıq şərtindən alınır; buna görə meniskin bütün çevrəsi üzrə, yəni radiusu r olan kapilyar boruda ümumi qaldırıcı qüvvə J, hündürlüyü h__ₖ olan su sütununu boruda saxlayır:

R cos α · 2π_r_ = π_r_² h__ₖ γ__w

burada γ__w suyun həcm çəkisidir.

Əvvəlki tənlikdən qaldırıcı kapilyar qüvvəni alırıq:

R cos α = (r · h__ₖ · γ__w) / 2

yəni kapilyar qalxma hündürlüyünü:

h__ₖ = (2_R_) / (r · γ__w) · cos α  [cm].

İsti kapilyar su, daha yüksək özlülüyə görə, kapilyar boruda soyuq sudan daha böyük hündürlüyə qalxır. Buna görə eyni kapillyar qalxma hündürlüyü h__ₖ üçün qaldırıcı qüvvə R cos α isti kapilyar su üçün soyuq suya nisbətən daha kiçikdir. Müxtəlif su temperaturu t üçün eyni şəraitdə aparılmış sınaqlara əsasən qaldırıcı qüvvənin R cos α aşağıdakı qiymətləri alınmışdır:

Kapilyar borudakı su dartılmaya məruz qalır, çünki R cos α qüvvəsi onu yuxarı qaldırır, cazibə qüvvəsi isə aşağı çəkir. Lakin kapilyar borunun divarları kapilyar R qüvvəsinin təsiri altında sıxılmaya məruz qalır.

Torpaqda kapillyarlıq

Kapilyarlıq torpaqda da mövcuddur; burada kapilyar borular məsamələri əmələ gətirir və onlar bütün istiqamətlərdə bir-biri ilə əlaqəlidir. Torpaq nə qədər xırda dənəli olarsa, məsamələr bir o qədər xırda və kapilyar qalxma hündürlüyü bir o qədər böyük olur. Bu hündürlük torpağın quruluşundan da asılıdır. Lakin torpaqdakı məsamələr müxtəlif ölçülü ola bilər və bu halda kapilyar qalxma hündürlüyü də fərqli olur. Kapilyar su qalxma zamanı “geniş yerlərə”, yəni çatdığı hündürlükdə dar məsamənin diametri üçün qaldırıcı qüvvəyə uyğun olduğundan daha böyük məsaməyə çatarsa, sonrakı kapilyar qalxma həmin daha böyük məsamənin ölçüsündən asılı olur. Bu halda bizdə ən böyük məsamələrdən asılı olan aktiv kapilyar qalxma hündürlüyü h__ₖₐ olur. Əksinə, yeraltı su səviyyəsi aşağı düşərkən kapilyar su yuxarıdan aşağı enərkən “dar yerlərlə” rastlaşarsa, həmin dərinlikdə qalacaq və daha aşağı enməyəcək. Bu halda isə ən kiçik məsamələrdən asılı olan passiv kapilyar hündürlük h__ₖₚ mövcuddur.

Torpağın məsaməliliyinə və quruluşuna görə qapalı və açıq kapilyar su fərqləndirilir.

Qapalı kapilyar su yeraltı su səthi ilə əlaqəlidir və qalxarkən qarşısındakı havanı torpağın yuxarı zonasına sıxışdırır. Bunun nəticəsində yuxarı zonada havanın miqdarı, deməli, həmin zonanın məsamələrində hava təzyiqi artır. Belə yaranan hava təzyiqi kapilyar qalxmaya qarşı durur və kapilyar qalxmanın hündürlüyü daha kiçik olur. Bu hal yeraltı su səviyyəsindən birbaşa yuxarıda, məsamələrin xırda olduğu və kapilyar qalxma zamanı suyun bütün məsamələri tam doldurduğu torpağın aşağı qatlarında baş verir.

Açıq kapillyar su da yeraltı su səviyyəsi ilə əlaqəlidir, lakin hava ilə dolu məsamələrin yanında yerləşir. Bu hal torpağın yuxarı hissəsində, məsamələrin müxtəlif ölçüdə olduğu yerdə baş verir; belə ki, su yalnız xırda məsamələri tam doldurur, qonşu iri məsamələrdə isə hava olur. Kapillyar qalxma zamanı su xırda məsamələrdəki havanı qonşu iri məsamələrə sıxışdırır, buna görə də kapillyarda su sütununun üstündəki yuxarı zonada hava təzyiqi əmələ gəlmir və açıq kapillyar su qapalı sudan daha böyük hündürlüyə qalxır.

Qapalı və ya açıq kapilyar suyun mövcud olduğu zona torpaqdakı su miqdarı w əsasında müəyyən edilir.

Qapalı kapilyar suda bütün məsamələr su ilə doludur, bu da torpaqdakı su miqdarının w = wZ, yəni doymuşluq dərəcəsinin S__ᵣ = 1,0 olduğunu bildirir.

Açıq kapilyar suda xırda məsamələr tamamilə su ilə doludur, böyük məsamələr isə qismən su ilə, yəni bərk hissəcikləri örtən su pərdəsi və bərk hissəciklərin təmas nöqtələrində bucaq suyu (şək. 2) ilə, qismən isə hava ilə doludur; buna görə də bu halda w < wZ, yəni S__ᵣ < 1,0.

Müxtəlif torpaq növləri üçün kapilyar qalxmanın h__ₖ hündürlükləri laboratoriya sınağı ilə müəyyən edilir. Müxtəlif torpaq növləri üçün orta h__ₖ hündürlükləri aşağıdakı hədlərdə dəyişir:

Şək. 2. Su filmi və bucaqlı səthi su

Torpaqda kapilyar qüvvə R bərk hissəciklərə təzyiqlə təsir edir və onlar arasında beləliklə görünən koheziya əmələ gəlir ki, bu da bərk hissəciklər arasında müəyyən yapışqanlıq kimi təsir göstərir. Lakin görünən koheziya yalnız torpağın məsamələrində suyun kapilyar qalxması mövcud olduqca mövcuddur. Torpağı suya batırdıqda məsamələr su ilə doyur və görünən koheziya mövcudluğunu itirir.

Görünən koheziya ilə belə bir hadisə izah olunur ki, quru halda dağılan xırda qum yaş halda müəyyən bağlayıcılıq qazanır və beləliklə, quru qumla mümkün olmayan şəkildə modelləşdirilə bilir.

Məlumdur ki, dəniz sahillərində dalğalarla isladılmış qum (əgər lil və ya toz deyilsə) o qədər yaxşı daşıma qabiliyyətinə malikdir ki, onun üzərində velosiped və ya avtomobillə sürmək mümkündür; bir qədər uzaqda, dalğaların çatmadığı yerdə isə həmin qum quru halda olur və təkərlər onun içinə batır, buna görə də hər cür hərəkət mümkün olmur.

KEÇİRİCİLİK

Suyun sukeçirici mühitdən axması

Birləşdirilmiş A, B, C, D, və E qablarına baxaq (şək. 3), onların a-dan b-yə qədər olan L uzunluqlu bir hissəsi keçirici kütlə, məsələn qumla doldurulmuşdur. Əgər birləşdirilmiş qabların bir ucuna suyu N₁ səviyyəsinədək töksək, onda birləşdirilmiş qablar içində suyun səviyyəsi müxtəlif olacaq, yəni suyun keçdiyi yolun uzunluğu artdıqca azalacaq.

Şək. 3. Su keçirici kütlə vasitəsilə suyun axması

Filterin qarşısında su sütununun h₁ hündürlüyü əldə edildiyi anda, filtrin arxasında h₂ olacaqdır. O zaman N₁ və N₂ səviyyələri arasındakı fərq belədir:

h = h₁ − h₂

h fərqi filtrdən suyun axmasına müqavimətin dəf olunmasına sərf edilmiş itirilmiş hidrostatik təzyiqi göstərir. Bu hadisəni fransız alimi Darcy hələ 1856. ildə müəyyən etmişdir. O, o zaman keçirici kütlə içindən suyun axma sürətinin hesablanması üçün aşağıdakı formulu da irəli sürmüşdür:

V = k × (dh/dL) = ki

haradadır:

• V = suyun keçirici kütlə vasitəsilə axma sürəti, [cm/sec],
• k = torpağın xüsusiyyətlərindən asılı olan keçiricilik əmsalı [cm/sec],
• dh = hündürlüyü h çox sayda nazik laylara bölməklə alınan uzunluq [cm],
• dL = uzunluğu L uzunluğunu h hündürlüyü ilə eyni sayda hissəyə böləndə alınan uzunluqdur, [cm].

dh/dL = i nisbəti ponorlama zamanı itirilən hündürlüyün suyun qət etdiyi yola nisbətidir və hidravlik düşüm, hidravlik gradient və ya başqa adla piezometrik meyil adlanır. Bu sonuncu ad B, C və D borularından gəlir; bunlara piezometrik borular deyilir. Birinci düstur isə filtrdən suyun hərəkəti üçün Darcy qanunu adlanır.

Müəyyən vaxt t ərzində A kəsik sahəli filtrdən keçən ümumi su miqdarı q belədir

q = kAti,

buradan

k = q / (Ati),  yəni k = qL / Ath,

burada i = h / L = L uzunluğunda hidravlik meyildir (əgər o, düzxətli olarsa).

k əmsalı 10°C temperaturunda torpağın keçiriciliyini ifadə edir.

k = V / i  [cm/sec]

Torpaqdan suyun axma sürəti düsturdan alınır

V = q / A  [cm/sec],

burada q = torpaqdan saniyədə cm³ ilə axan suyun miqdarı, 10°C temperaturunda, A = suyun axdığı torpağın kəsik sahəsi, [cm²].

Darcy qanunu suyun laminar hərəkətləri, yəni burulğansız, sakit və kiçik sürətli hərəkətləri üçün keçərlidir.

Filtr sürəti V torpaqdan suyun hərəkətinin orta sürətidir və bu, daha böyük olan suyun həqiqi axın sürətinə uyğun gəlmir. Suyun filtrdən keçməsi zamanı bərabər elementlərdən ibarət süzülmə dh çox vaxt su yolunun qeyri-bərabər uzunluqlarına dL sərf olunur, buna görə də hidravlik qradiyent torpağın bir nöqtəsindən digərinə dəyişkəndir.

Torpağın sukeçiriciliyi ondakı məsamələrin ölçüsündən asılıdır. Əgər torpağa yük tətbiq etsək, məsamələr azalır və sukeçiricilik də kiçilir. Deməli, eyni bir torpaq üçün sukeçiricilik əmsalı k məhz məsaməlilik ölçüsü ilə, yəni onun məsaməlilik əmsalı e ilə düz mütənasibdir. Lakin müxtəlif növ torpaqlar üçün e əmsalı ilə ifadə olunan məsaməlilik sukeçiricilik üçün meyar ola bilməz, çünki bu sukeçiricilik torpağın ümumi məsaməliliyindən daha çox ondakı məsamələrin ölçüsündən asılıdır. Məsələn, məsaməliliyi e = 0,25 olan çınqıllı qumun sukeçiriciliyi çox böyükdür, k = 2–3 cm/sec, halbuki məsaməliliyi 60%, məsaməlilik əmsalı e = 1,50 olan yumşaq gilın sukeçiriciliyi azdır, k = 10_⁻⁶-dan 10⁻_¹¹ cm/sec-ə qədərdir.

Keçiricilik əmsalı k hesabi yolla, laboratoriya və sahə sınaqları ilə müəyyən edilə bilər.

Əmsalın hesabi yolla təyini torpağın qranulometrik tərkibinə əsaslanır. k əmsalını təyin etmək üçün bərk torpaq hissəciklərinin sferik formada olması fərziyyəsi qəbul edilir ki, bu da xüsusilə koherent torpaqlarda reallığa uyğun deyil. Buna görə də bu yolla müəyyən edilən k əmsalının qiymətləri dəqiq hesab edilmir.

Laboratoriya sınaqları ilə k əmsalının təyini ən geniş yayılmış üsuldur və pozulmamış torpaq nümunələri üzərində aparılır. Lakin bu yolla müəyyən edilən k əmsalının dəqiqliyi bir sıra amillərdən asılıdır; məsələn, sınaq aparılan nümunənin torpaqda keçirici qatı nə dərəcədə və hansı ölçüdə təmsil etməsi, sonra nümunənin sınaq aparatında pozulmamış vəziyyəti və sınağın aparılma üsulu. Verilmiş torpağı təmsil edəcək kifayət qədər nümunənin yoxlanması, sahədən nümunənin sınaq aparatının öz silindrlərində götürülməsi və sınağın müvafiq şəkildə aparılması ilə, qənaətbəxş hesab edilə biləcək təxmini dəqiq k əmsalı qiymətləri əldə etmək olar.

k əmsalının sahə sınağı ilə müəyyən edilməsi ən dəqiq qiymətləri verir, çünki həmin əmsal torpağın yerləşdiyi tərkibə və laylı quruluşuna tam uyğun gəlir. Lakin k əmsalının bu üsulla müəyyən edilməsi çox vaxt və böyük xərc tələb edir, buna görə də bu üsul nadir hallarda aparılır və yalnız onun tam dəqiq qiymətinin mütləq lazım olduğu hallarda istifadə olunur.

Fundament qoyulması ilə bağlı qaydalarımıza əsasən, keçiricilik əmsalı olan torpaqlar:

• k < 10_⁻_¹¹ cm/sec — demək olar ki, keçirməz
• k < 10_⁻_⁹        — çox az sukeçirən
• k < 10_⁻_⁷        — az keçiricidir
• k < 10_⁻_⁵        — orta keçiricili
• k < 10_⁻_³        — daha keçiricidir
• k > 10_⁻_³        — çox keçiricidir