بنية التربة
ويقصد ببنية التربة ترتيب الطور الصلب في الكتلة الترابية. وكما هو معلوم، تتكون التربة من جزيئات صلبة وفراغات مملوءة بالماء أو الهواء أو بخار الماء، وغالبًا تكون مملوءة جزئيًا بالهواء وجزئيًا بالماء. وبحسب ترتيب الجزيئات الصلبة في التربة تتحدد بنيتها. وتختلف بنية التربة غير المتماسكة وبنية التربة المتماسكة اختلافًا جوهريًا فيما بينهما.
بنية التربة غير المتماسكة
تتكون بنية التربة غير المتماسكة تحت تأثير الجاذبية. فجزيئات هذه التربة الصلبة أكبر حجمًا وتهبط إلى الأسفل، وتترسب بفعل الجاذبية، بينما لا توجد قوى تجاذب بين جزيئية لهذه الجزيئات أو تكون ضئيلة وتغلبها الجاذبية. ولذلك تصطف الجزيئات الصلبة في التربة غير المتماسكة جنبًا إلى جنب، وتشغل الفراغ الحر بين الجزيئات المرتبة (الشكل 1_a_). وإذا كانت جزيئات التربة غير المتماسكة شبه دائرية ومتساوية الحجم، كما قد يكون الحال في الرمل المتجانس، فإن البنية قد تكون الأكثر تراصًا (الشكل 1_b_) أو الأكثر تفككًا (الشكل 1_c_)، وذلك تبعًا لترتيب الجزيئات الصلبة في التربة. وتوافق البنية الأكثر تراصًا أكبر إمكانية لتكثف التربة غير المتماسكة، وتكون مساميتها nmin=26%. أما البنية الأكثر تفككًا فتوافق أصغر درجة ممكنة من تكثف التربة غير المتماسكة، وتكون مساميتها nmax=48%. وهكذا مثلًا فإن الرمل المفكك للكثبان له n=47%.
شكل 1 بنية التربة غير المربوطة
إذا كانت التربة غير المتماسكة ذات أحجام حبيبية مختلفة، بحيث تملأ الجسيمات الأدق الفراغات بين الجسيمات الأكبر (الشكل 2), فإن مسامية التربة تكون أصغر بكثير (n=20% وأقل).
الشكل 2. بنية التربة غير المتماسكة ذات الأحجام الحبيبية المختلفة
بنية التربة المترابطة
في التربة المتماسكة تكون البنية مختلفة عنها في التربة غير المتماسكة. ففي التربة المتماسكة تظهر قوى التماسك، وهي أقوى من قوة الجاذبية للجزيئات الدقيقة وتلصقها عند أسطح التلامس. ولهذا لا تسقط هذه الجزيئات تباعًا إلى الأسفل، بل تبقى ملتصقة بعضها ببعض وبجانب بعضها (الشكل 3_a_)، فتكوّن بذلك بنية شبكية متسلسلة (الشكل 3_b_)، ورقائقية (الشكل 3_c_)، إلخ، وتُسمّى هذه البنى بنى من الرتبة العليا. وتمتلك هذه البنى مسامية كبيرة يمكن أن تصل إلى 60-80% من الكتلة الكلية، وهو ما لا يمكن أن يحدث في التربة غير المتماسكة.
شكل 3. بنية التربة المترابطة
المسامية ومعامل المسامية
مسامية التربة تُعرَّف بنسبة حجم المسام إلى الحجم الكلي للتربة (الشكل 4).
الشكل 4. المسامية ومعامل مسامية التربة
إذا رمزنا بـ
- Vp = حجم المسام في التربة
- Vm = حجم الجسيمات الصلبة
- V = الحجم الكلي للتربة،
مسامية التربة n هي، بحسب التعريف
n = VP / V = VP / (VP + Vm),
أي بنسبة % من الحجم الكلي للتربة
n = 100 * VP / (VP + Vm) %.
يُعرَّف معامل المسامية للتربة بنسبة حجم الفراغات إلى حجم الجسيمات الصلبة:
e = VP / Vm.
من صيغة المسامية n لدينا:
nVP + nVm = VP, ومنه فإن Vm = VP(1-n) / n.
وباستبدال هذه القيمة في صيغة e نحصل على
e = n / (1-n).
من هذه المعادلة نحصل على
e - ne = n; n = e / (1 + e).
يُظهر معامل المسامية كثافة التربة. كلما كان معامل e أكبر كانت كثافة التربة أقل، والعكس صحيح. وإذا هبطت تربة قابلة للانضغاط تحت تأثير الحمل، فيمكن باستخدام معامل المسامية قبل الهبوط وبعده تحديد مقدار الهبوط Δ_h_.
لِننظر إلى طبقة من تربة قابلة للانضغاط بسماكة h (شكل 5_a_). إذا حمّلنا هذه الطبقة، فإنها ستهبط بمقدار Δ_h_، بحيث تنخفض سماكتها بسبب الحمل إلى h1. وعليه
Δ_h_ = h – h1.
ولما كان هبوط التربة القابلة للانضغاط يحدث على حساب الفراغات، لأن الحبيبات الصلبة عمليًا غير قابلة للانضغاط، وكذلك الماء إذا كانت مسام التربة مملوءة به جزئيًا أو كليًا، فيمكن تمثيل هذا الهبوط تخطيطيًا كما في الشكل 5_b_.
الشكل 5. هبوط طبقة تربة قابلة للانضغاط بسماكة h بمقدار Δh تحت الحمل
إذا رمزنا بـ h0 إلى الارتفاع المتخيل لطبقة الجسيمات الصلبة من دون فراغات، ويسمى الارتفاع المخفّض، فيمكننا التعبير عن الهبوط Δ_h_ بالنسبة إلى الارتفاع المخفّض h0 بالعلاقة:
إذا اعتبرنا طبقة تربة بعرض وطول يساويان الواحد، فإن الارتفاعات h, h1 و h0 تمثل أحجاماً، ومن ثم فإن
حيث إن e هو معامل المسامية قبل، و e1 بعد الهبوط. ومن السابق يُحصل على الهبوط
Δ_h_ = h0 (e-e1).
يمكن التعبير عن الهبوط بالنسبة إلى ارتفاع الطبقة h قبل الهبوط إذا استبدلنا قيمة الارتفاع المخفض h0:
h0 = h – nh = h (1-n) = h / (1+e),
لأن n = VP / V = VP / h_,_ ومن هنا فإن VP = nh.
وبناءً على ذلك نحصل على
تتمتع بعض أنواع التربة بالقيم المتوسطة الآتية للمسامية n ولمعامل المسامية e:
رطوبة التربة
أنواع المياه في التربة
يظهر ماء التربة في صورة ماء في المسام بين الجسيمات الصلبة، ويُسمّى ذلك ماء المسام، ثم كـ ماء ممتزّ على الجسيمات الصلبة، وكذلك كـ ماء بنيوي.
يتكون ماء المسام من الماء الحر بين الجسيمات الصلبة، الذي تتحرك كميته وفق قانون دارسي، ثم ماء الجاذبية، الذي يتحرك بفعل الجاذبية من الأعلى إلى الأسفل في جميع الاتجاهات، إلا أن حركته لا تتم وفق قانون دارسي، و_الماء الشعري_ الذي يتحرك بفعل القوى الشعرية، و_ماء_ الشد السطحي، الذي تحتفظ به قوة الشد السطحي في الزوايا بين الجسيمات الصلبة للتربة ويُسمى أيضًا ماء المسام الزاوي. ويمكن إزالة كل هذا الماء بالكامل بتجفيف التربة عند درجة حرارة 110oC.
الماء الممتزّ هو الماء الذي يحيط بالجسيمات الصلبة، ويرتبط بها بقوى جزيئية. وهذا ما يُسمّى الغشاء المائي، وتبلغ سماكته 6-80 µµ (1µµ=10-6 mm, milimikron). ويكون تأثير الماء الممتزّ في الجسيمات الأكبر حجمًا غير مهم، غير أن هذا التأثير يزداد كلما صغرت الجسيمات، لأن المساحة الكلية للجسيمات تزداد، وبالتالي تزداد نسبة الماء الممتزّ إلى الجسيمات الصلبة في وحدة حجم التربة. ولا يمكن إزالة هذا الماء إلا جزئيًا بالتجفيف عند 110oC.
الماء البنيوي هو الماء المرتبط كيميائيًا في بلورات المعادن الموجودة في الجسيمات الصلبة للتربة. وهذا الماء يوجد بكمية قليلة جدًا ولا يمكن إزالته بتجفيف التربة. لذلك يمكن اعتبار هذا الماء جزءًا مكوّنًا من الجسيمة الصلبة.
كمية الماء في التربة
بحسب التعريف، فإن كمية الماء في التربة أو رطوبة التربة هي نسبة وزن الماء الموجود في التربة إلى وزن مكوناتها الصلبة. وبحسب كمية الماء في التربة تميَّز ثلاث حالات: تربة مشبعة تمامًا بالماء، وتربة مشبعة جزئيًا بالماء، وتربة جافة تمامًا.
تربة مشبعة بالماء تماماً
إذا رمزنا بـ n إلى مسامية التربة، وبـ γs إلى الوزن الحجمي لجميع الحبيبات، وبـ γw إلى الوزن الحجمي للماء، فإن رطوبة التربة المشبعة wZ يمكن التعبير عنها بالمعادلة التالية
تربة مشبعة جزئياً بالماء
إذا رمزنا بـ Ww إلى وزن الماء الموجود في التربة، وبـ Wd إلى وزن الجسيمات الصلبة، أي الوزن الجاف للتربة، فإن رطوبة التربة w
w = Ww / Wd , أي بالنسبة المئوية لوزن التربة الجافة: w = 100 Ww / Wd.
في هذه الحالة يمكن التعبير عن رطوبة التربة بـ درجة الرطوبة Sr التي تمثل نسبة الوزن الفعلي للماء في التربة إلى وزن الماء في التربة نفسها لو كانت جميع المسام ممتلئة بالماء، أي إلى وزن ماء التربة المشبعة:
أي بالنسبة إلى _γ_w = 1,00 Sr = w*γs / e.
القيم الحدّية لدرجة الرطوبة هي:
- للتربة الجافة تمامًا w = 0؛ Sr = 0
- للتربة المشبعة تمامًا w = e/γs; Sr = e/γs * γs / e = 1,0.
الشكل 6. عينة تربة مشبعة بالماء جزئيًا
ويُعبَّر عن درجة الإشباع (التي تُسمّى أحيانًا أيضًا الإشباع أو درجة الرطوبة) كذلك بنسبة حجم المسام المملوءة بالماء إلى الحجم الكلي للمسام (الشكل 6):
Sr = V2 / V1
حيث إن V2 هو حجم المسام المملوءة بالماء، و_V1_ هو الحجم الكلي للمسام المملوءة بالماء والهواء والغازات. وإذا كانت w رطوبة التربة بنسبة % من وزن التربة الجافة Wd, فلدينا
V2 * γW = w Wd, ومنه فإن V2 = w Wd / γw.
ومن جهة أخرى، لدينا أن V1 = V – Vd, وبما أن Vd * γs = Wd, فإن
Vd = Wd / γs و V1 = V – Wd / γs.
وعليه، فإن درجة تشبع التربة Sr ستكون
أي بنسبة مئوية من الوزن الجاف للتربة
التربة جافة تماماً
في هذه الحالة يكون w = 0. وقد أزيلت جميع مياه المسام، بينما أُزيلت المياه الممتزة جزئيًا فقط، أي إن الغشاء المائي ما يزال موجودًا، لكن سُمكه قد انخفض.