Struktura půdy
Pod strukturou půdy se rozumí uspořádání pevné fáze v zeminové hmotě. Jak je známo, půda se skládá z pevných částic a pórů vyplněných vodou, vzduchem nebo vodní párou, nejčastěji částečně vzduchem a částečně vodou. Podle uspořádání pevných částic v půdě je určena její struktura. Struktury nespojené a spojené zeminy se od sebe podstatně liší.
Struktura nespojené zeminy
Struktura nesoudržné půdy vzniká působením gravitace. Pevné částice této půdy jsou větší a padají dolů, usazují se vlivem gravitace, zatímco mezimolekulární přitažlivé síly takových částic neexistují nebo jsou nepatrné a gravitací překonané. Proto se u nesoudržné půdy pevné částice skládají vedle sebe a zaujímají volný prostor mezi uspořádanými částicemi (obr. 1_a_). Jsou-li částice nesoudržné půdy přibližně kulatého tvaru a stejné velikosti, jak tomu může být u písčité zeminy rovnoměrného složení, pak může být struktura nejhustší (obr. 1_b_) nebo nejřídkější (obr. 1_c_), což závisí na uspořádání pevných částic v půdě. Nejhustší struktura odpovídá největší možné hutnosti nesoudržné půdy a její pórovitost je nmin=26%. Nejřídkější struktura odpovídá nejmenší možné hutnosti nesoudržné půdy a její pórovitost je nmax=48%. Tak například sypký dюнový písek má n=47%.
Obr. 1 Struktura nesoudržné půdy
Je-li nesoudržná zemina různé zrnitosti tak, že jemnější částice vyplňují dutiny mezi hrubšími (obr. 2), je pórovitost zeminy výrazně menší (n=20% a méně).
Obr. 2. Struktura nesoudržné půdy různé zrnitosti
Struktura vázané půdy
U vázané půdy je struktura odlišná než u nevázané. U vázané půdy se objevují kohezní síly, které jsou silnější než gravitační síly drobných částic a slepují je na dotykových plochách. Proto tyto částice nepropadají postupně dolů, ale zůstávají slepené jedna na druhé a jedna vedle druhé (obr. 3_a_), čímž vytvářejí řetězovitě síťovou strukturu (obr. 3_b_), vločkovitou (obr. 3_c_) atd., které se nazývají struktury vyššího řádu. Takové struktury mají velkou pórovitost, která může dosahovat 60-80% celkové hmoty, což u nevázané půdy možné není.
Obr. 3. Struktura vázané půdy
Pórovitost a koeficient pórovitosti
Pórovitost zeminy se definuje poměrem objemu pórů k celkovému objemu zeminy (obr. 4).
Obr. 4. Pórovitost a součinitel pórovitosti půdy
Pokud označíme
- Vp = objem pórů v půdě
- Vm = objem pevných částic
- V = celkový objem půdy,
Pórovitost půdy n je podle definice
n = VP / V = VP / (VP + Vm),
tedy v % celkového objemu půdy
n = 100 * VP / (VP + Vm) %.
Součinitel pórovitosti zeminy se definuje jako poměr objemu pórů k objemu pevných částic:
e = VP / Vm.
Z vzorce pro pórovitost n máme:
nVP + nVm = VP, odtud Vm = VP(1-n) / n.
Dosazením této hodnoty do vzorce pro e dostaneme
e = n / (1-n).
Z této rovnice dostáváme
e - ne = n; n = e / (1 + e).
Koeficient pórovitosti ukazuje hustotu zeminy. Čím je koeficient e větší, tím je hustota zeminy menší, a naopak. Jestliže se nějaká stlačitelná zemina pod zatížením sedá, lze pomocí koeficientu pórovitosti před a po sedání určit velikost sedání Δ_h_.
Uvažujme vrstvu stlačitelné zeminy o tloušťce h (obr. 5_a_). Pokud tuto vrstvu zatížíme, sedne si o výšku Δ_h_, takže se její tloušťka vlivem zatížení zmenší na h1. Z toho plyne
Δ_h_ = h – h1.
Jelikož sedání stlačitelné zeminy probíhá na úkor pórů, protože pevné částice jsou prakticky nestlačitelné, a také voda, jsou-li póry zeminy jí částečně nebo úplně vyplněny, lze toto sedání schematicky znázornit na obr. 5_b_.
Obr. 5. Sedání Δh stlačitelné vrstvy půdy tloušťky h pod zatížením
Označíme-li h0 myšlenou výšku vrstvy pevných částic bez pórů, nazývanou redukovaná výška, pak můžeme sedání Δ_h_ vzhledem k redukované výšce h0 vyjádřit poměrem:
Uvažujeme-li vrstvu zeminy o šířce a délce rovné jedné jednotce, pak výšky h, h1 a h0 představují objemy, a tedy
kde e je součinitel pórovitosti před, e1 po sednutí. Z předchozího dostaneme sednutí
Δ_h_ = h0 (e-e1).
Sedání lze vyjádřit ve vztahu k výšce vrstvy h před sedáním, pokud nahradíme hodnotu redukované výšky h0:
h0 = h – nh = h (1-n) = h / (1+e),
protože n = VP / V = VP / h_,_ odkud je VP = nh.
Podle toho dostaneme
Jednotlivé druhy zeminy mají následující průměrné hodnoty pórovitosti n a koeficientu pórovitosti e:
Vlhkost půdy
Druhy vody v půdě
Voda v půdě se vyskytuje ve formě vody v pórech mezi pevnými částicemi, tzv. pórové vody, dále jako adsorbované vody na pevných částicích a jako konstituční vody.
Pórová voda se skládá z volné vody mezi pevnými částicemi, jejíž pohyb se řídí Darcyho zákonem, dále z gravitační vody, která se pohybuje působením gravitace shora dolů ve všech směrech, ale její pohyb se neřídí Darcyho zákonem, kapilární vody, která se pohybuje působením kapilárních sil, a vody povrchového napětí, která se zadržuje povrchovým napětím v rozích mezi pevnými částicemi zeminy a nazývá se též úhlová pórová voda. Veškerá tato voda může být z půdy zcela odstraněna sušením při teplotě 110oC.
Adsorbovaná voda je ta, která obaluje pevné částice, k nimž je vázána molekulárními silami. Jde o tzv. vodní film, jehož tloušťka se pohybuje 6-80 µµ (1µµ=10-6 mm, milimikron). Vliv adsorbované vody u hrubších částic je nepatrný, avšak čím jsou částice jemnější, tím je její vliv větší, protože se zvětšuje celkový povrch částic a tím i poměr adsorbované vody k pevným částicím v jednotce objemu půdy. Tuto vodu lze jen částečně odstranit sušením při 110oC.
Konstituční voda je chemicky vázána v krystalech minerálů pevných částic půdy. Tato vody je velmi málo a nelze ji odstranit vysušením půdy. Proto lze tuto vodu považovat za součást pevné částice.
Množství vody v půdě
Podle definice je množství vody v půdě neboli vlhkost půdy poměr hmotnosti vody obsažené v půdě k hmotnosti jejích pevných složek. Podle množství vody v půdě rozlišujeme tři případy: půda zcela nasycená vodou, půda částečně nasycená vodou a půda zcela suchá.
Půda zcela nasycená vodou
Označíme-li n pórovitost půdy, γs objemovou tíhu všech částic, γw objemovou tíhu vody, pak lze vlhkost nasycené půdy wZ vyjádřit následující rovnicí
Půda částečně nasycená vodou
Označíme-li Ww hmotnost vody obsažené v zemině, Wd hmotnost pevných částic, tedy suchou hmotnost zeminy, pak je vlhkost zeminy w
w = Ww / Wd , tedy v procentech suché hmotnosti půdy: w = 100 Ww / Wd.
V tomto případě lze vlhkost půdy vyjádřit stupněm nasycení Sr, který představuje poměr skutečné hmotnosti vody v půdě k hmotnosti vody ve stejné půdě, jež by tam byla, kdyby byly všechny póry vyplněny vodou, resp. k hmotnosti vody nasycené půdy:
resp. pro _γ_w = 1,00 Sr = w*γs / e.
Mezní hodnoty pro stupeň vlhkosti jsou:
- pro zcela suchou půdu w = 0; Sr = 0
- pro plně nasycenou půdu w = e/γs; Sr = e/γs * γs / e = 1,0.
Sl. 6. Vzorek půdy částečně nasycený vodou
Stupeň nasycení (který se někdy nazývá také nasycenost nebo stupeň vlhkosti) se vyjadřuje i poměrem objemu pórů vyplněných vodou k celkovému objemu pórů (obr. 6):
Sr = V2 / V1
kde V2 je objem pórů vyplněných vodou, V1 celkový objem pórů vyplněných vodou, vzduchem a plyny. Pokud je w vlhkost zeminy v % suché hmotnosti zeminy Wd, pak máme
V2 * γW = w Wd, odtud V2 = w Wd / γw.
Na druhé straně platí, že V1 = V – Vd, a protože Vd * γs = Wd, je to
Vd = Wd / γs a V1 = V – Wd / γs.
Podle toho bude stupeň nasycení půdy Sr
tedy v procentech suché hmotnosti půdy
Půda zcela suchá
V tomto případě je w = 0. Veškerá pórová voda je odstraněna, zatímco adsorbovaná voda je odstraněna jen částečně, tj. vodní film stále existuje, ale jeho tloušťka se zmenšila.