Estructura del terreny
Per estructura del sòl s’entén la disposició de la fase sòlida dins la massa terrosa. Com és sabut, el sòl es compon de partícules sòlides i porus omplerts d’aigua, aire o vapor d’aigua, habitualment parcialment amb aire i parcialment amb aigua. La seva estructura ve determinada per la disposició de les partícules sòlides al sòl. Les estructures del sòl no cohesiu i del sòl cohesiu difereixen substancialment entre si.
Estructura del sòl no cohesiu
L’estructura del sòl no cohesionat es modifica sota l’acció de la gravetat. Les partícules sòlides d’aquest sòl són més grans i cauen cap avall, es dipositen sota l’acció de la gravetat, mentre que les forces intermoleculars d’atracció d’aquestes partícules no existeixen o són insignificants i són vençudes per la gravetat. Per això, en el sòl no cohesionat les partícules sòlides s’ordenen una al costat de l’altra, ocupant l’espai lliure entre les partícules col·locades (fig. 1_a_). Si les partícules del sòl no cohesionat són aproximadament de forma rodona i de la mateixa mida, com pot passar en un sorra de granulometria uniforme, aleshores l’estructura pot ser la més densa (fig. 1_b_) o la més solta (fig. 1_c_), cosa que depèn de la disposició de les partícules sòlides al sòl. L’estructura més densa correspon a la màxima compactabilitat possible del sòl no cohesionat i la seva porositat és nmin=26%. L’estructura més solta correspon a la mínima compactabilitat possible del sòl no cohesionat i la seva porositat és nmax=48%. Així, per exemple, la sorra solta de les dunes té n=47%.
Fig. 1 Estructura del sòl no lligat
Si el sòl no cohesiu és de diferent grandària de gra, de manera que les partícules més fines omplen els buits entre les més grosses (fig. 2), la porositat del sòl és considerablement menor (n=20% i menys).
Fig. 2. Estructura del sòl no cohesionat de diferent mida de gra
Estructura del sòl cohesiu
En el sòl cohesiu, l’estructura és diferent de la del no cohesiu. En el sòl cohesiu apareixen forces de cohesió, que són més fortes que la força de gravetat de les partícules fines i les enganxen en les superfícies de contacte. Per això aquestes partícules no cauen ordenadament cap avall, sinó que romanen adherides unes sobre les altres i unes al costat de les altres (fig. 3_a_), creant així una estructura en forma de cadena i xarxa (fig. 3_b_), floculenta (fig. 3_c_), etc., que s’anomenen estructures d’ordre superior. Aquestes estructures tenen una gran porositat, que pot arribar al 60-80% de la massa total, cosa que no pot donar-se en el sòl no cohesiu.
Fig. 3. Estructura del sòl cohesiu
Porositat i coeficient de porositat
La porositat del sòl es defineix com la relació entre el volum dels porus i el volum total del sòl (fig. 4).
Fig. 4. Porositat i coeficient de porositat del sòl
Si designem amb
- Vp = volum de porus al sòl
- Vm = volum de les partícules sòlides
- V = el volum total del sòl,
la porositat del sòl n és, per definició
n = VP / V = VP / (VP + Vm),
és a dir, en % del volum total del sòl
n = 100 * VP / (VP + Vm) %.
El coeficient de porositat del terreny es defineix com la relació entre el volum dels porus i el volum de les partícules sòlides:
e = VP / Vm.
De la fórmula per a la porositat n tenim:
nVP + nVm = VP, d’on Vm = VP(1-n) / n.
Substituint aquest valor en la fórmula per a e obtenim
e = n / (1-n).
D’aquesta equació obtenim
e - ne = n; n = e / (1 + e).
El coeficient de porositat mostra la densitat del sòl. Com més gran és el coeficient e, més petita és la densitat del sòl i viceversa. Si un sòl compressible s’assenta sota càrrega, mitjançant el coeficient de porositat abans i després de l’assentament es pot determinar la magnitud de l’assentament Δ_h_.
Considerem una capa de sòl compressible de gruix h (fig. 5_a_). Si carreguem aquesta capa, s’assentarà una alçada Δ_h_, de manera que el seu gruix es reduirà fins a h1 a causa de la càrrega. Per tant
Δ_h_ = h – h1.
Com que l’assentament del sòl compressible es produeix a costa dels porus, ja que les partícules sòlides són pràcticament incompressibles, i també l’aigua, si els porus del sòl n’estan parcialment o totalment plens, aquest assentament es pot representar esquemàticament a la fig. 5_b_.
Fig. 5. Assentament Δh d’una capa de sòl compressible de gruix h sota càrrega
Si designem amb h0 l’alçada imaginada de la capa de partícules sòlides sense porus, anomenada alçada reduïda, aleshores podem expressar l’assentament Δ_h_ en relació amb l’alçada reduïda h0 mitjançant la relació:
Si considerem una capa de terreny d’amplada i longitud iguals a la unitat, aleshores les alçades h, h1 i h0 representen volums, i per tant
on e és el coeficient de porositat abans, e1 després de l’assentament. De l’anterior s’obté l’assentament
Δ_h_ = h0 (e-e1).
L’assentament es pot expressar en relació amb l’alçada de la capa h abans de l’assentament si substituïm el valor de l’alçada reduïda h0:
h0 = h – nh = h (1-n) = h / (1+e),
ja que n = VP / V = VP / h_,_ d’on VP = nh.
Així s’obté
Diferents tipus de sòl tenen els valors mitjans següents de porositat n i de coeficient de porositat e:
Humitat del sòl
Tipus d’aigua al sòl
L’aigua del sòl apareix en forma d’aigua als porus entre les partícules sòlides, l’anomenada aigua poral, després com a aigua adsorbida sobre les partícules sòlides i com a aigua de constitució.
L’aigua porosa consta de l’aigua lliure entre les partícules sòlides, el moviment de la qual es regeix per la llei de Darcy; després, de l’aigua gravitacional, que es mou sota l’acció de la gravetat de dalt cap avall en totes les direccions, però el seu moviment no es regeix per la llei de Darcy; de l’aigua capil·lar, que es mou sota l’acció de les forces capil·lars, i de l’aigua de tensió superficial, que es manté per la tensió superficial en els angles entre les partícules sòlides del sòl i també s’anomena aigua porosa angular. Tota aquesta aigua es pot eliminar completament assecant el sòl a una temperatura de 110oC.
L’aigua adsorbida és la que envolta les partícules sòlides, a les quals està unida per forces moleculars. És l’anomenada pel·lícula d’aigua, el gruix de la qual oscil·la 6-80 µµ (1µµ=10-6 mm, mil·limicró). La influència de l’aigua adsorbida en les partícules més grosses és insignificant; no obstant això, com més fines són les partícules, més gran és la seva influència, perquè augmenta la superfície total de les partícules i, amb això, la relació d’aigua adsorbida respecte de les partícules sòlides en la unitat de volum del sòl. Aquesta aigua només es pot eliminar parcialment assecant a 110oC.
L’aigua de constitució és la que està unida químicament als cristalls dels minerals de les partícules sòlides del sòl. N’hi ha molt poca i no es pot eliminar assecant el sòl. Per això aquesta aigua es pot considerar com a part constitutiva de la partícula sòlida.
Quantitat d’aigua al sòl
Per definició, la quantitat d’aigua en el sòl o la humitat del sòl és la relació entre el pes de l’aigua continguda al sòl i el pes dels seus components sòlids. Segons la quantitat d’aigua al sòl es distingeixen tres casos: sòl completament saturat d’aigua, sòl parcialment saturat d’aigua i sòl completament sec.
Sòl completament saturat d’aigua
Si designem amb n la porositat del sòl, amb γs el pes específic de totes les partícules i amb γw el pes específic de l’aigua, aleshores la humitat del sòl saturat wZ es pot expressar amb l’equació següent
Terra parcialment saturada d’aigua
Si designem amb Ww el pes de l’aigua continguda al sòl, i amb Wd el pes de les partícules sòlides, és a dir, el pes sec del sòl, llavors la humitat del sòl w
w = Ww / Wd , és a dir, en percentatge del pes sec del sòl: w = 100 _Ww / Wd.
En aquest cas, la humitat del sòl es pot expressar mitjançant el grau d’humitat Sr, que representa la relació entre el pes real de l’aigua al sòl i el pes de l’aigua en aquest mateix sòl si tots els porus estiguessin plens d’aigua, és a dir, respecte al pes de l’aigua del sòl saturat:
és a dir, per a _γ_w = 1,00 Sr = w*γs / e.
Els valors límit del grau d’humitat són:
- per a sòl completament sec w = 0; Sr = 0
- per a sòl completament saturat w = e/γs; Sr = e/γs * γs / e = 1,0.
Fig. 6. Mostra de sòl parcialment saturada d’aigua
El grau de saturació (que de vegades també s’anomena saturació o grau d’humitat) s’expressa també com la relació entre el volum de porus plens d’aigua i el volum total de porus (fig. 6):
Sr = V2 / V1
on V2 és el volum dels porus omplerts d’aigua, V1 el volum total dels porus omplerts d’aigua, aire i gasos. Si w és la humitat del sòl en % del pes sec del sòl Wd, aleshores tenim
V2 * γW = w Wd, d’on resulta que V2 = w Wd / γw.
D’altra banda, tenim que V1 = V – Vd, i com que Vd * γs = Wd, aleshores
V1 = V – Wd / γs i Vd = Wd / γs.
Per tant, el grau de saturació del sòl Sr serà
és a dir, en percentatges del pes sec del sòl
Terra completament seca
En aquest cas, w = 0. Tota l’aigua dels porus s’ha eliminat, mentre que l’aigua adsorbida només s’ha eliminat parcialment, és a dir, la pel·lícula d’aigua encara existeix, però el seu gruix s’ha reduït.