Jordens struktur
Ved jordstruktur forstås fordelingen af fast fase i jordmassen. Som bekendt består jord af faste partikler og порer fyldt med vand, luft eller vanddamp, oftest delvist luft og delvist vand. Jordens struktur bestemmes af fordelingen af de faste partikler i jorden. Strukturen af løst og bundet jord adskiller sig væsentligt fra hinanden.
Strukturen af løst jord
Strukturen af ikke-sammenhængende jord dannes under påvirkning af tyngdekraften. De faste partikler i denne jord er grovere og falder nedad, de aflejres under tyngdekraftens virkning, mens de intermolekylære tiltrækningskræfter mellem sådanne partikler enten ikke findes eller er ubetydelige og overvindes af tyngdekraften. Derfor ligger de faste partikler i ikke-sammenhængende jord side om side og optager det frie rum mellem de sammenlagte partikler (fig. 1_a_). Hvis partiklerne i den ikke-sammenhængende jord er omtrent runde og af samme størrelse, som det kan være tilfældet for sand af ensartet sammensætning, kan strukturen være den tætteste (fig. 1_b_) eller den løseste (fig. 1_c_), afhængigt af de faste partiklers indbyrdes placering i jorden. Den tætteste struktur svarer til den største mulige komprimering af den ikke-sammenhængende jord, og dens porøsitet er nmin=26%. Den løseste struktur svarer til den mindste mulige komprimering af den ikke-sammenhængende jord, og dens porøsitet er nmax=48%. Således har for eksempel løst klitsand n=47%.
Fig. 1 Strukturen af ikke-bundet jord
Hvis den uforbundne jord har forskellige kornstørrelser, således at de finere partikler fylder hulrummene mellem de grovere (fig. 2), er jordens porøsitet betydeligt mindre (n=20% og mindre).
Fig. 2. Strukturen af ikke-sammenhængende jord med forskellig kornstørrelse
Strukturen af sammenbundet jord
I kohærent jord er strukturen anderledes end i løs jord. I kohærent jord optræder kohæsionskræfter, som er stærkere end tyngdekraften på de små partikler og binder dem sammen på kontaktfladerne. Derfor falder disse partikler ikke enkeltvis nedad, men forbliver klæbet fast til hinanden og ved siden af hinanden (fig. 3_a_), hvorved der dannes en kæde- og netstruktur (fig. 3_b_), en fnugget (fig. 3_c_) osv., som kaldes strukturer af højere orden. Sådanne strukturer har en stor porøsitet, som kan nå op til 60-80% af den samlede masse, hvilket ikke kan forekomme i løs jord.
Fig. 3. Strukturen af sammenbundet jord
Porøsitet og porøsitetskoefficient
Jordens porøsitet defineres som forholdet mellem porevolumen og det samlede jordvolumen (fig. 4).
Fig. 4. Jordens porøsitet og porøsitetskoefficient
Hvis vi betegner med
- Vp = porevolumen i jorden
- Vm = volumen af faste partikler
- V = den samlede jordvolumen,
jordens porøsitet n er per definition
n = VP / V = VP / (VP + Vm),
henholdsvis i % af jordens samlede volumen
n = 100 * VP / (VP + Vm) %.
Jordens porøsitetskoefficient defineres som forholdet mellem porevolumen og volumenet af de faste partikler:
e = VP / Vm.
Af formlen for porøsitet n har vi:
nVP + nVm = VP, hvoraf Vm = VP(1-n) / n.
Ved at indsætte denne værdi i formlen for e får vi
e = n / (1-n).
Af denne ligning får vi
e - ne = n; n = e / (1 + e).
Porøsitetskoefficienten viser jordens tæthed. Jo større koefficienten e er, desto mindre er jordens tæthed, og omvendt. Hvis en kompressibel jord sætter sig under belastning, kan sætningens størrelse Δ_h_ bestemmes ved hjælp af porøsitetskoefficienten før og efter sætningen.
Lad os betragte et lag kompressibel jord med tykkelsen h (fig. 5_a_). Hvis dette lag belastes, vil det sætte sig med højden Δ_h_, således at dets tykkelse som følge af belastningen reduceres til h1. Derfor
Δ_h_ = h – h1.
Da sætningen af komprimerbar jord sker på bekostning af porerne, idet de faste partikler praktisk talt er inkompressible, og ligeledes vandet, hvis jordens porer er delvist eller helt fyldt med det, kan denne sætning skematisk fremstilles på fig. 5_b_.
Fig. 5. Sætning Δh af et komprimerbart jordlag med tykkelsen h under belastning
Hvis vi betegner den tænkte højde af laget af faste partikler uden porer med h0, kaldet reduceret højde, kan vi udtrykke sætningen Δ_h_ i forhold til den reducerede højde h0 ved forholdet:
Hvis vi betragter et jordlag med en bredde og længde, der er lig én, så repræsenterer højderne h, h1 og h0 volumener, og derfor er
hvor e er porøsitetskoefficienten før, e1 efter sætning. Af det foregående fås sætningen
Δ_h_ = h0 (e-e1).
Sætningen kan udtrykkes i forhold til lagets højde h før sætning, hvis vi indsætter værdien af den reducerede højde h0:
h0 = h – nh = h (1-n) = h / (1+e),
da n = VP / V = VP / h_,_ hvoraf VP = nh.
Deraf fås
Enkelte jordarter har følgende gennemsnitlige værdier for porøsitet n og porøsitetskoefficient e:
Jordfugtighed
Typer af vand i jorden
Vand i jorden forekommer som vand i porerne mellem de faste partikler, det såkaldte porevand, derefter som adsorberet vand på de faste partikler og som konstitutionsvand.
Porevandet består af frit vand mellem de faste partikler, hvis bevægelse sker efter Darcy-loven, derefter gravitationsvand, som bevæger sig under tyngdekraftens virkning ovenfra og ned i alle retninger, men hvis bevægelse ikke sker efter Darcy-loven, kapillarvand, som bevæger sig under indflydelse af kapillarkræfter, og vand med overfladespænding, som holdes af overfladespændingen i hjørnerne mellem jordens faste partikler og også kaldes hjørneporevand. Alt dette vand kan fjernes helt ved tørring af jorden ved en temperatur på 110oC.
Adsorberet vand er det vand, som omgiver de faste partikler, som det er bundet til ved molekylære kræfter. Det er den såkaldte vandfilm, hvis tykkelse varierer 6-80 µµ (1µµ=10-6 mm, milimikron). Virkningen af adsorberet vand ved grovere partikler er ubetydelig, men jo finere partiklerne er, desto større er virkningen, fordi partiklernes samlede overflade og dermed forholdet mellem adsorberet vand og faste partikler i jordens volumenenhed øges. Dette vand kan kun delvist fjernes ved tørring ved 110oC.
Konstitutionsvand er kemisk bundet i mineralernes krystaller i jordens faste partikler. Der er meget lidt af dette vand, og det kan ikke fjernes ved tørring af jorden. Derfor kan dette vand betragtes som en integreret del af den faste partikel.
Vandmængden i jorden
Ifølge definitionen er vandindholdet i jorden eller jordens fugtighed forholdet mellem vægten af det vand, der er indeholdt i jorden, og vægten af dens faste bestanddele. Efter vandindholdet i jorden skelnes der mellem tre tilfælde: helt vandmættet jord, delvist vandmættet jord og helt tør jord.
Jord fuldstændigt vandmættet
Hvis vi betegner jordens porøsitet med n, γs rumvægten af alle partikler og γw vandets rumvægt, kan vandindholdet i mætte jord wZ udtrykkes ved følgende ligning
Jorden delvist vandmættet
Hvis vi betegner vandets vægt indeholdt i jorden med Ww, de faste partiklers vægt, dvs. jordens tørvægt, med Wd, så er jordens fugtighed w
w = Ww / Wd , henholdsvis i procent af tør jordvægt: w = 100 _Ww / Wd.
I dette tilfælde kan jordens fugtighed udtrykkes ved fugtighedsgraden Sr, som angiver forholdet mellem den faktiske vægt af vand i jorden og den vægt af vand i den samme jord, som ville være til stede, hvis alle porer var fyldt med vand, dvs. i forhold til vægten af vand i en vandmættet jord:
henv. for _γ_w = 1,00 Sr = w*γs / e.
Grænseværdierne for fugtighedsgraden er:
- for helt tørt jord w = 0; Sr = 0
- for fuldstændigt mættet jord w = e/γs; Sr = e/γs * γs / e = 1,0.
Sl. 6. Jordprøve delvist vandmættet
Mætningsgraden (som undertiden også kaldes mætning eller fugtighedsgrad) udtrykkes også ved forholdet mellem volumen af vandfyldte porer og det samlede porevolumen (fig. 6):
Sr = V2 / V1
hvor V2 er volumen af porer fyldt med vand, V1 den samlede volumen af porer fyldt med vand, luft og gasser. Hvis w er jordens fugtighed i % af jordens tørvægt Wd, så har vi
V2 * γW = w Wd, hvoraf V2 = w Wd / γw.
På den anden side har vi, at V1 = V – Vd, og da Vd * γs = Wd, er det
Vd = Wd / γs og V1 = V – Wd / γs.
Derfor vil jordens mætningsgrad Sr være
eller i procent af jordens tørvægt
Jorden helt tør
I dette tilfælde er w = 0. Alt porevand er fjernet, mens det adsorberede vand kun er delvist fjernet, dvs. vandfilmen findes stadig, men dens tykkelse er reduceret.