Структура глебы
Пад структурай грунту разумеецца размяшчэнне цвёрдай фазы ў зямляной масе. Як вядома, грунт складаецца з цвёрдых часціц і пор, запоўненых вадой, паветрам або вадзяной парай, найчасцей часткова паветрам, часткова вадой. Паводле размяшчэння цвёрдых часціц у грунце вызначаецца яго структура. Структуры няскрэпленага і скрэпленага грунту істотна адрозніваюцца адна ад адной.
Структура няскрэпленага грунту
Структура незвязанай грунту пад уздзеяннем гравітацыі змяняецца. Цвёрдыя часціцы гэтага грунту больш буйныя і падаюць уніз, асядаюць пад дзеяннем гравітацыі, тады як міжмалекулярныя сілы прыцягнення такіх часціц адсутнічаюць або нязначныя і пераадольваюцца гравітацыяй. Таму ў незвязаным грунце цвёрдыя часціцы кладуцца адна побач з другой, займаючы свабодную прастору паміж складзенымі часціцамі (рыс. 1_а_). Калі часціцы незвязанай грунту прыкладна круглай формы і аднолькавага памеру, як гэта можа быць у выпадку пяску аднароднага складу, тады структура можа быць найшчыльнейшая (рыс. 1_b_) або найрэдкая (рыс. 1_c_), што залежыць ад размяшчэння цвёрдых часціц у грунце. Найшчыльнейшая структура адпавядае найбольшай магчымай ушчыльненасці незвязанай грунту, і яе порыстасць складае nmin=26%. Найрэдкая структура адпавядае найменшай магчымай ушчыльненасці незвязанай грунту, і яе порыстасць складае nmax=48%. Так, напрыклад, рассыпісты пясок дзюнаў мае n=47%.
Рыс. 1 Структура несувязнай глебы
Калі несвязны грунт мае розную буйнасць зерняў, так што больш дробныя часціцы запаўняюць пустэчы паміж буйнейшымі (сл. 2), порыстасць грунту значна меншая (n=20% і менш).
Рыс. 2. Структура незвязанай грунту рознай буйнасці зерня
Структура звязанага грунту
У звязанай глебе структура адрозніваецца ад структуры незвязанай. У звязанай глебе ўзнікаюць сілы каэзіі, якія мацнейшыя за сілу цяжару дробных часціц і зляпляюць іх на паверхнях судакранання. Таму гэтыя часціцы не падаюць паслядоўна ўніз, а застаюцца зляпленымі адна з адной і адна да адной (мал. 3_a_), утвараючы такім чынам ланцужкова-сеткавую структуру (мал. 3_b_), шматкападобную (мал. 3_c_) і г.д., якія называюцца структурамі вышэйшага парадку. Такія структуры маюць вялікую порыстасць, якая можа дасягаць 60-80% агульнай масы, чаго не бывае ў незвязанай глебе.
Мал. 3. Структура звязанага грунту
Парастасць і каэфіцыент парастасці
Паразітнасць грунту вызначаецца суадносінамі аб’ёму пор да агульнага аб’ёму грунту (мал. 4).
Рыс. 4. Порыстасць і каэфіцыент порыстасці грунту
Калі абазначым праз
- Vp = аб’ём пор у грунце
- Vm = аб’ём цвёрдых часціц
- V = агульны аб’ём грунту,
паражністасць грунту n па вызначэнні
n = VP / V = VP / (VP + Vm),
то бок у % ад агульнага аб’ёму глебы
n = 100 * VP / (VP + Vm) %.
Каэфіцыент порыстасці грунту вызначаецца як суадносіны аб’ёму пор да аб’ёму цвёрдых часціц:
e = VP / Vm.
З формулы для порістасці n маем:
nVP + nVm = VP, адкуль Vm = VP(1-n) / n.
Падстаўляючы гэта значэнне ў формулу для e, атрымліваем
e = n / (1-n).
З гэтага раўнання атрымліваем
e - ne = n; n = e / (1 + e).
Каэфіцыент порыстасці паказвае шчыльнасць грунту. Чым большы каэфіцыент e, тым меншая шчыльнасць грунту і наадварот. Калі нейкі сціскальны грунт пад нагрузкай асядае, з дапамогай каэфіцыента порыстасці да і пасля асаджвання можна вызначыць велічыню асаджвання Δ_h_.
Разгледзім пласт сціскальнага грунту таўшчынёй h (сл. 5_a_). Калі гэты пласт нагрузіць, ён апусціцца на вышыню Δ_h_, так што яго таўшчыня пад уздзеяннем нагрузкі паменшыцца да h1. Такім чынам
Δ_h_ = h – h1.
Паколькі ўсаджванне сціскальнага грунту адбываецца за кошт пор, бо цвёрдыя часціцы практычна несціскальныя, а таксама і вада, калі поры грунту запоўнены ёю часткова або цалкам, то гэта ўсаджванне можна прадставіць схематычна на рыс. 5_b_.
Сл. 5. Асадка Δh сціскальнага слоя грунту таўшчынёй h пад нагрузкай
Калі пазначым праз h0 уяўную вышыню слоя цвёрдых часціц без пор, званую рэдукаванай вышынёй, тады можам выказаць асаджэнне Δ_h_ адносна рэдукаванай вышыні h0 суадносінамі:
Калі разглядаць пласт грунту шырынёй і даўжынёй, роўнымі адзінцы, то вышыні h, h1 і h0 прадстаўляюць аб’ёмы, і таму
дзе e — каэфіцыент порыстасці да, e1 пасля ўсадкі. З папярэдняга атрымліваецца ўсадка
Δ_h_ = h0 (e-e1).
Асадка можа быць выражана адносна вышыні слоя h да асадкі, калі замяніць значэнне зніжанай вышыні h0:
h0 = h – nh = h (1-n) = h / (1+e),
паколькі n = VP / V = VP / h_, адкуль VP = nh.
Такім чынам атрымліваецца
Асобныя віды грунту маюць наступныя сярэднія значэнні порістасці n і каэфіцыента порістасці e:
Вільготнасць грунту
Віды вады ў грунце
Вада ў глебе сустракаецца ў выглядзе вады ў порах паміж цвёрдымі часціцамі, так званай порнай вады, затым як адсарбаваная вада на цвёрдых часціцах і як канстытуцыйная вада.
Поравая вада складаецца з свабоднай вады паміж цвёрдымі часціцамі, рух якой адбываецца паводле закона Дарсі, затым з гравітацыйнай вады, якая рухаецца пад дзеяннем гравітацыі зверху ўніз ва ўсіх напрамках, але яе рух не адбываецца паводле закона Дарсі, капілярнай вады, якая рухаецца пад дзеяннем капілярных сіл, і вады паверхневага напружання, якая ўтрымліваецца паверхневым напружаннем у кутах паміж цвёрдымі часціцамі грунту і таксама называецца вуглавой поравай вадой. Усю гэтую ваду можна цалкам выдаліць сушкай грунту пры тэмпературы 110oC.
Адсарбаваная вада — гэта вада, якая ахінае цвёрдыя часціцы, з якімі яна звязаная малекулярнымі сіламі. Гэта так званы вадзяны фільм, таўшчыня якога змяняецца 6-80 µµ (1µµ=10-6 mm, мілімікрон). Уплыў адсарбаванай вады ў больш буйных часціц нязначны, аднак чым драбнейшыя часціцы, тым большы яе ўплыў, бо павялічваецца агульная паверхня часціц, а разам з тым і суадносіны адсарбаванай вады да цвёрдых часціц у адзінцы аб’ёму глебы. Гэтую ваду можна толькі часткова выдаліць высушваннем пры 110oC.
Канстытуцыйная вада хімічна злучана ў крышталы мінералаў цвёрдых часціц глебы. Гэтай вады вельмі мала, і яе нельга выдаліць высушваннем глебы. Таму гэтую ваду можна лічыць складовай часткай цвёрдай часціцы.
Колькасць вады ў грунце
Паводле азначэння, колькасць вады ў грунце або вільготнасць грунту — гэта адносіна вагі вады, якая змяшчаецца ў грунце, да вагі яго цвёрдых складнікаў. Паводле колькасці вады ў грунце адрозніваюць тры выпадкі: грунт цалкам насычаны вадой, грунт часткова насычаны вадой і грунт цалкам сухі.
Глеба цалкам насычаная вадой
Калі абазначыць праз n порыстасць грунту, γs аб’ёмную вагу ўсіх часціц, γw аб’ёмную вагу вады, то вільготнасць насычанага грунту wZ можна выразіць наступным ураўненнем
Глеба часткова насычаная вадой
Калі пазначыць Ww вагу вады, якая змяшчаецца ў грунце, а Wd — вагу цвёрдых часціц, г. зн. сухую вагу грунту, то вільготнасць грунту w
w = Ww / Wd , адпаведна ў працэнтах сухой масы грунту: w = 100 _Ww / Wd.
У гэтым выпадку вільготнасць грунту можна выказаць ступенню вільготнасці Sr, якая ўяўляе сабой адносіну сапраўднай вагі вады ў грунце да той вагі вады ў тым самым грунце, якая была б, калі б усе поры былі запоўнены вадой, г. зн. да вагі вады насычанага грунту:
адн. для _γ_w = 1,00 Sr = w*γs / e.
Прадзельныя значэнні для ступені вільготнасці:
- для цалкам сухога грунту w = 0; Sr = 0
- для цалкам насычанага грунту w = e/γs; Sr = e/γs * γs / e = 1,0.
Гл. 6. Узор грунту часткова насычаны вадой
Ступень насычэння (якая часам называецца таксама насычанасцю або ступенню вільготнасці) выражаецца таксама суадносінамі аб’ёму пор, запоўненых вадой, да агульнага аб’ёму пор (сл. 6):
Sr = V2 / V1
дзе V2 — аб’ём пор, запоўненых вадой, V1 — агульны аб’ём пор, запоўненых вадой, паветрам і газамі. Калі w — вільготнасць грунту ў % ад сухой масы грунту Wd, тады маем
V2 * γW = w Wd, адкуль V2 = w Wd / γw.
З другога боку, маем, што V1 = V – Vd, а паколькі Vd * γs = Wd, то
Vd = Wd / γs і V1 = V – Wd / γs.
Такім чынам, ступень насычэння глебы Sr будзе
адпаведна ў працэнтах сухой масы глебы
Глеба цалкам сухая
У гэтым выпадку w = 0. Уся паровая вада выдалена, а адсарбаваная вада толькі часткова выдалена, г. зн. водная плёнка ўсё яшчэ існуе, але яе таўшчыня паменшана.