Grondstruktuur
Onder grondstruktuur word die rangskikking van die vaste fase in die grondmassa verstaan. Soos bekend, bestaan grond uit vaste deeltjies en porieë wat met water, lug of waterdamp gevul is, meestal gedeeltelik met lug en gedeeltelik met water. Volgens die rangskikking van die vaste deeltjies in die grond word die struktuur daarvan bepaal. Die strukture van los en gebinde grond verskil wesenlik van mekaar.
Struktuur van los grond
Die struktuur van ongebonde grond vorm onder die werking van swaartekrag. Die vaste deeltjies van hierdie grond is groter en val afwaarts, en sak onder die werking van swaartekrag, terwyl intermolekulêre aantrekkingskragte van sulke deeltjies nie bestaan nie of gering is en deur swaartekrag oorkom word. Daarom rangskik die vaste deeltjies in ongebonde grond hulle langs mekaar en neem die vrye ruimte tussen die gerangskikte deeltjies in (fig. 1_a_). As die deeltjies van ongebonde grond ongeveer rond van vorm en ewe groot is, soos die geval kan wees met sand van eenvormige samestelling, dan kan die struktuur die digste wees (fig. 1_b_) of die ylste (fig. 1_c_), afhangende van die rangskikking van die vaste deeltjies in die grond. Die digste struktuur stem ooreen met die grootste moontlike verdigting van ongebonde grond en die porositeit daarvan is nmin=26%. Die ylste struktuur stem ooreen met die kleinste moontlike verdigting van ongebonde grond en die porositeit daarvan is nmax=48%. So het los duinsand byvoorbeeld n=47%.
Sl. 1 Struktuur van ongebinde grond
As die los grond korrels van verskillende groottes het, sodat die fyner deeltjies die holtes tussen die grofkorrels vul (fig. 2), is die porositeit van die grond aansienlik kleiner (n=20% en minder).
Fig. 2. Struktuur van ongebonde grond met verskillende korrelgroottes
Struktuur van gebonde grond
By kohesiewe grond is die struktuur anders as by niegebinde grond. By kohesiewe grond kom kohesiekagte voor, wat sterker is as die swaartekragkragte van klein deeltjies en hulle op kontakvlakke aan mekaar laat kleef. Daarom val hierdie deeltjies nie ordelik afwaarts nie, maar bly vasgekleef aan mekaar en langs mekaar (fig. 3_a_), en vorm so ’n kettingagtige netstruktuur (fig. 3_b_), ’n vlokkerige (fig. 3_c_) ens., wat hoër-orde strukture genoem word. Sulke strukture het ’n groot porositeit, wat tot 60-80% van die totale massa kan beloop, wat nie by niegebinde grond kan wees nie.
Fig. 3. Struktuur van gebonde grond
Poreusheid en die poreusheidskoëffisiënt
Grondporositeit word gedefinieer as die verhouding van die volume porieë tot die totale volume van die grond (fig. 4).
Fig. 4. Porositeit en porositeitskoëffisiënt van die grond
As ons aandui met
- Vp = die porievolume in die grond
- Vm = volume van vaste deeltjies
- V = die totale volume van die grond,
grondporositeit n is volgens definisie
n = VP / V = VP / (VP + Vm),
dit wil sê in % van die totale volume van die grond
n = 100 * VP / (VP + Vm) %.
Die porositeitskoëffisiënt van die grond word gedefinieer as die verhouding van die volume van die porieë tot die volume van die vaste deeltjies:
e = VP / Vm.
Uit die formule vir porositeit n het ons:
nVP + nVm = VP, waaruit Vm = VP(1-n) / n.
Deur hierdie waarde in die formule vir e te vervang, verkry ons
e = n / (1-n).
Uit hierdie vergelyking kry ons
e - ne = n; n = e / (1 + e).
Die porositeitskoëffisiënt dui die digtheid van die grond aan. Hoe groter die koëffisiënt e, hoe kleiner is die digtheid van die grond, en omgekeerd. As ’n sekere saamdrukbare grond onder las set, kan die hoeveelheid setting Δ_h_ bepaal word met behulp van die porositeitskoëffisiënt voor en ná die setting.
Laat ons ’n laag samendrukbare grond met ’n dikte h beskou (sl. 5_a_). As hierdie laag belas word, sal dit met die hoogte Δ_h_ set, sodat die dikte daarvan as gevolg van die belasting tot h1 verminder. Volgens dit
Δ_h_ = h – h1.
Aangesien die set van saamdrukbare grond plaasvind ten koste van die porieë, omdat die vaste deeltjies prakties onsamepersbaar is, en ook die water, as die grondporieë gedeeltelik of volledig daarmee gevul is, kan hierdie set skematies op fig. 5_b_ voorgestel word.
Fig. 5. Sakking Δh van ’n saamdrukbare grondlaag met ’n dikte h onder belasting
As ons met h0 die denkbeeldige hoogte van ’n laag vaste deeltjies sonder porieë, die sogenaamde gereduseerde hoogte, aandui, dan kan ons die setting Δ_h_ met betrekking tot die gereduseerde hoogte h0 uitdruk deur die verhouding:
As ons ’n grondlaag beskou met ’n breedte en lengte wat gelyk is aan eenheid, dan stel die hoogtes h, h1 en h0 volumes voor, en dus is
waar e die porositeitskoëffisiënt voor is, e1 na die set. Uit bogenoemde word die set verkry
Δ_h_ = h0 (e-e1).
Setteling kan uitgedruk word in verhouding tot die hoogte van die laag h vóór seteling as ons die waarde van die gereduseerde hoogte h0 vervang:
h0 = h – nh = h (1-n) = h / (1+e),
aangesien n = VP / V = VP / h_,_ waaruit VP = nh.
Volgens dit verkry mens
Sekere grondtipes het die volgende gemiddelde waardes van porositeit n en porositeitskoëffisiënt e:
Grondvog
Tipes water in die grond
Water in die grond kom voor in die vorm van water in die porieë tussen die vaste deeltjies, sogenaamde poriewater, daarna as geadsorbeerde water op die vaste deeltjies en as konstitusiewater.
Poriewater bestaan uit vrye water tussen vaste deeltjies, waarvan die beweging volgens Darcy se wet plaasvind, daarna gravitasiewater, wat onder invloed van swaartekrag van bo na onder in alle rigtings beweeg, maar waarvan die beweging nie volgens Darcy se wet plaasvind nie, kapillêre water wat onder invloed van kapillêre kragte beweeg, en water van oppervlak-spanning, wat deur oppervlakspanning in die hoeke tussen die vaste gronddeeltjies gehou word en ook hoekporiewater genoem word. Al hierdie water kan heeltemal verwyder word deur die grond by ’n temperatuur van 110oC te droog.
Geadsorbeerde water is dié wat die vaste deeltjies omhul, waaraan dit deur molekulêre kragte gebind is. Dit is die sogenaamde waterfilm, waarvan die dikte wissel van 6-80 µµ (1µµ=10-6 mm, milimikron). Die invloed van geadsorbeerde water by grofkorrelige deeltjies is gering; egter, hoe fyner die deeltjies is, hoe groter is die invloed daarvan, omdat die totale oppervlak van die deeltjies toeneem en daarmee ook die verhouding van geadsorbeerde water tot die vaste deeltjies in ’n eenheidsvolume grond. Hierdie water kan slegs gedeeltelik verwyder word deur droging by 110oC.
Konstitusiewater is chemies gebind in die kristalle van minerale van die vaste gronddeeltjies. Daar is baie min van hierdie water en dit kan nie deur droging van die grond verwyder word nie. Daarom kan hierdie water as ’n integrale deel van die vaste deeltjie beskou word.
Hoeveelheid water in die grond
Volgens definisie is die hoeveelheid water in die grond of grondvog die verhouding van die gewig van die water wat in die grond bevat is tot die gewig van sy vaste bestanddele. Volgens die hoeveelheid water in die grond word drie gevalle onderskei: grond heeltemal met water versadig, grond gedeeltelik met water versadig en grond heeltemal droog.
Grond volledig versadig met water
As ons die porositeit van die grond met n, die volumieke gewig van alle deeltjies met γs, en die volumieke gewig van water met γw aandui, kan die voginhoud van versadigde grond wZ deur die volgende vergelyking uitgedruk word
Grond gedeeltelik met water versadig
As ons Ww die gewig van die water wat in die grond vervat is, en Wd die gewig van die vaste deeltjies, dit wil sê die droë gewig van die grond, noem, dan is die grondvog w
w = Ww / Wd , dit wil sê in persentasies van die droë gewig van die grond: w = 100 Ww / Wd.
In hierdie geval kan grondvog uitgedruk word deur die voggraad Sr, wat die verhouding voorstel tussen die werklike gewig van die water in die grond en die gewig van die water in dieselfde grond wat sou wees as al die porieë met water gevul was, d.w.s. tot die gewig van die water van versadigde grond:
d.w.s. vir _γ_w = 1,00 Sr = w*γs / e.
Grenswaardes vir die humiditeitsgraad is:
- vir heeltemal droë grond w = 0; Sr = 0
- vir volledig versadigde grond w = e/γs; Sr = e/γs * γs / e = 1,0.
Sl. 6. Grondmonster gedeeltelik met water versadig
Die versadigingsgraad (wat soms ook versadiging of voggraad genoem word) word ook uitgedruk deur die verhouding van die volume porieë wat met water gevul is tot die totale volume porieë (fig. 6):
Sr = V2 / V1
waar V2 die volume van porieë gevul met water is, V1 die totale volume van porieë gevul met water, lug en gasse. As w die voginhoud van die grond in % van die droë gewig van die grond Wd, is, dan het ons
V2 * γW = w Wd, waaruit volg V2 = w Wd / γw.
Aan die ander kant het ons dat V1 = V – Vd, en omdat Vd * γs = Wd, is dit
Vd = Wd / γs en V1 = V – Wd / γs.
Daarvolgens sal die versadigingsgraad van die grond Sr wees
dit wil sê in persentasies van die droë gewig van die grond
Grond heeltemal droog
In hierdie geval is w = 0. Alle poriewater is verwyder, terwyl die geadsorbeerde water slegs gedeeltelik verwyder is, d.w.s. die waterfilm bestaan nog, maar sy dikte is verminder.