Struktura zemljišta
Pod strukturom tla podrazumijeva se raspored čvrste faze u zemljanoj masi. Kao što je poznato, tlo se sastoji od čvrstih čestica i pora ispunjenih vodom, zrakom ili vodenom parom, najčešće djelimično zrakom, djelimično vodom. Prema rasporedu čvrstih čestica u tlu određena je njegova struktura. Strukture nevezanog i vezanog tla bitno se razlikuju među sobom.
Struktura nevezanog zemljišta
Struktura nevezanog tla postaje pod djelovanjem gravitacije. Čvrste čestice ovog tla su krupnije i padaju naniže, talože se pod djelovanjem gravitacije, dok međumolekularne privlačne sile takvih čestica ne postoje ili su neznatne i savladane gravitacijom. Zbog toga se kod nevezanog tla čvrste čestice slažu jedna pored druge, zauzimajući slobodan prostor između složenih čestica (sl. 1_a_). Ako su čestice nevezanog tla približno okruglog oblika i iste veličine, kao što može biti slučaj pijeska ravnomjernog sastava, onda struktura može biti najgušća (sl. 1_b_) ili najrjeđa (sl. 1_c_), što zavisi od rasporeda čvrstih čestica u tlu. Najgušća struktura odgovara najvećoj mogućnosti zbijenosti nevezanog tla i njegova poroznost je nmin=26%. Najrjeđa struktura odgovara najmanjoj mogućoj zbijenosti nevezanog tla i njegova poroznost je nmax=48%. Tako na primjer rastresiti pijesak dina ima n=47%.
Slika 1 Struktura nevezanog tla
Ako je nevezano tlo različite granulacije, tako da sitnije čestice popunjavaju praznine između krupnijih (sl. 2), poroznost tla je znatno manja (n=20% i manje).
Sl. 2. Struktura nevezanog tla s različitim veličinama zrna
Struktura vezane podloge
Kod vezanog tla struktura je drugačija nego kod nevezanog. Kod vezanog tla pojavljuju se sile kohezije, koje su jače od sile gravitacije sitnih čestica i sljepljuju ih na dodirnim površinama. Zbog toga ove čestice ne padaju redom naniže, već ostaju sljepljene jedna na drugoj i jedna do druge (sl. 3_a_), stvarajući tako lančano mrežastu strukturu (sl. 3_b_), pahuljastu (sl. 3_c_) itd., koje se nazivaju strukture višeg reda. Ovakve strukture imaju veliku poroznost, koja može ići do 60-80% ukupne mase, što ne može biti kod nevezanog tla.
Sl. 3. Konstrukcija vezanog tla
Poroznost i poroznosni koeficijent
Poroznost tla se definiše kao odnos zapremine pora i ukupne zapremine tla (sl. 4).
Sl. 4. Poroznost te koeficijent poroznosti tla
Ako označimo kao
- Vp znači zapreminu pora u tlu
- Vm = volumen čvrstih čestica
- V = ukupni volumen tla,
po definiciji, poroznost tla n
n = VP / V = VP / (VP + Vm),
tj. u procentima ukupne zapremine tla
n = 100 * VP / (VP + Vm) %.
Koeficijent poroznosti tla određuje se kao odnos zapremine pora i zapremine čvrstih čestica:
e = VP / Vm.
Iz obrasca za poroznost n dobijamo:
nVP + nVm = VP, pa je Vm = VP(1-n) / n.
Zamjenjujući ovu vrijednost u obrascu za e dobijamo
e = n / (1-n).
Iz ove jednadžbe možemo dobiti
e - ne = n; n = e / (1 + e).
Koeficijent poroznosti pokazuje gustinu tla. Ukoliko je koeficijent e veći, utoliko je gustina tla manja i obrnuto. Ako se neko stišljivo tlo pod opterećenjem slegne, pomoću koeficijenta poroznosti prije i poslije slijeganja može se odrediti veličina slijeganja Δ_h_.
Posmatrajmo sloj stišljivog tla debljine h (sl. 5_a_). Ako ovaj sloj opteretimo, on će se slegnuti za visinu Δ_h_, tako da će se njegova debljina usljed opterećenja smanjiti na h1. Prema tome
Δ_h_ = h – h1.
Pošto se slijeganje stišljivog tla vrši na račun pora, jer su čvrste čestice praktično nestišljive, a takođe i voda, ako su pore tla njome ispunjene djelimično ili potpuno, to se ovo slijeganje može šematski predstaviti na sl. 5_b_.
Sl. 5. Slijeganje Δh stišljivog sloja tla debljine h pod opterećenjem
Ako označimo sa h0 zamišljenu visinu sloja čvrstih čestica bez pora, zvanu redukovana visina, onda možemo izraziti slijeganje Δ_h_ u odnosu na redukovanu visinu h0 odnosom:
Ako posmatramo sloj tla širine i dužine koje su jednake jedinici, tada visine h, h1 i h0 predstavljaju zapremine, pa je
gdje je e koeficijent poroznosti prije, e1 nakon slijeganja. Iz prethodnog dobije se slijeganje
Δ_h_ = h0 (e-e1).
Sleganje se može izraziti u odnosu na visinu sloja h prije sleganja ako zamijenimo vrijednost reducirane visine h0:
h0 = h – nh = h (1-n) = h / (1+e),
budući da je n = VP / V = VP / h_, odakle slijedi da je VP = nh.
Na osnovu toga se dobija
Pojedine vrste tla imaju sljedeće prosječne vrijednosti poroznosti n i koeficijenta poroznosti e:
Vlaga tla
Vrste vode u zemljištu
Voda u tlu javlja se u obliku vode u porama između čvrstih čestica, tzv. porna voda, zatim kao adsorbovana voda na čvrstim česticama i kao konstituciona voda.
Porna voda sastoji se od slobodne vode između čvrstih čestica, čije se kretanje vrši po Darcy-evom zakonu, zatim gravitacione vode, koja se kreće pod djelovanjem gravitacije odozgo naniže u svim pravcima, ali se njeno kretanje ne vrši po Darcy-evom zakonu, kapilarne vode koja se kreće pod dejstvom kapilarnih sila i vode površinskog napona, koja se zadržava površinskim naponom u uglovima između čvrstih čestica tla i naziva se još ugaona porna voda. Sva ova voda može se potpuno ukloniti sušenjem tla na temperaturi od 110oC.
Adsorbovana voda je ona koja obavija čvrste čestice, za koje je vezana molekularnim silama. To je tzv. vodeni film, čija debljina se kreće 6-80 µµ (1µµ=10-6 mm, milimikron). Uticaj adsorbovane vode kod krupnijih čestica je neznatan, međutim ukoliko su čestice sitnije utoliko je njen uticaj veći, jer se povećava opšta površina čestica a time i odnos adsorbovane vode prema čvrstim česticama u jedinici zapremine tla. Ova voda može se samo djelimično ukloniti sušenjem na 110oC.
Konstituciona voda je hemijski sjedinjena u kristale minerala čvrstih čestica tla. Ove vode ima vrlo malo i ona se ne može ukloniti sušenjem tla. Stoga se ova voda može smatrati kao sastavni dio čvrste čestice.
Sadržaj vode u tlu
Po definiciji, količina vode u tlu ili vlažnost tla predstavlja odnos težine vode sadržane u tlu prema težini njegovih čvrstih sastojaka. Prema količini vode u tlu razlikuju se tri slučaja: tlo potpuno zasićeno vodom, tlo djelimično zasićeno vodom i tlo potpuno suho.
Tlo u potpunosti zasićeno vodom
Ako označimo sa n poroznost tla, γs zapreminsku težinu svih čestica, γw zapreminsku težinu vode, onda se vlažnost zasićenog tla wZ može izraziti sljedećom jednačinom
Tlo djelimično zasićeno vodom
Ako označimo sa Ww težinu vode sadržane u tlu, a sa Wd težinu čvrstih čestica, odnosno suhu težinu tla, onda je vlažnost tla w
w = _Ww / Wd , odnosno u procentima suhe težine tla: w = 100 _Ww / Wd.
U ovom slučaju vlažnost tla se može izraziti stepenom vlažnosti Sr koji predstavlja odnos stvarne težine vode u tlu prema težini vode u istom tlu koja bi bila kada bi sve pore bile ispunjene vodom, odnosno prema težini vode zasićenog tla:
tj. za _γ_w = 1,00 Sr = w*γs / e.
Granične vrijednosti za stepen vlažnosti su:
- za potpuno suho tlo w = 0; Sr = 0
- za tlo potpuno zasićeno w = e/γs; Sr = e/γs * γs / e = 1,0.
Sl. 6. Uzorak tla djelimično zasićen vodom
Stepen zasićenja (koji se ponekad naziva i zasićenost ili stepen vlažnosti) izražava se također odnosom zapremine pora ispunjenih vodom prema ukupnoj zapremini pora (sl. 6):
Sr = V2 / V1
gdje je V2 zapremina pora ispunjenih vodom, V1 ukupna zapremina pora ispunjenih vodom, vazduhom i gasovima. Ako je w vlažnost tla u % suve težine tla Wd, onda imamo
V2 * γW = w Wd, iz čega slijedi da je V2 = w Wd / γw.
S druge strane, važi da je V1 = V – Vd, pa kako je Vd * γs = Wd, to je
Vd = Wd / γs te V1 = V – Wd / γs.
Prema tome, stepen zasićenja tla Sr će biti
odnosno u procentima suhe težine tla
Tlo potpuno suho
U ovom slučaju je w = 0. Sva porna voda je uklonjena, dok je adsorbovana voda samo djelimično uklonjena, tj. vodeni film i dalje postoji, ali je njegova debljina smanjena.