Bodenstruktur
Unter der Bodenstruktur versteht man die Anordnung der festen Phase in der Erdmasse. Bekanntlich besteht der Boden aus festen Partikeln und Poren, die mit Wasser, Luft oder Wasserdampf gefüllt sind, meist teilweise mit Luft, teilweise mit Wasser. Nach der Anordnung der festen Partikel im Boden wird seine Struktur bestimmt. Die Strukturen von nichtbindigem und bindigem Boden unterscheiden sich wesentlich voneinander.
Struktur des nichtbindigen Bodens
Die Struktur des ungebundenen Bodens unterliegt der Wirkung der Schwerkraft. Die festen Partikel dieses Bodens sind gröber und sinken nach unten, sie lagern sich unter dem Einfluss der Schwerkraft ab, während zwischenmolekulare Anziehungskräfte solcher Partikel nicht vorhanden oder nur gering und von der Schwerkraft überwunden sind. Deshalb ordnen sich bei ungebundenem Boden die festen Partikel nebeneinander an und füllen den freien Raum zwischen den angeordneten Partikeln aus (Abb. 1_a_). Wenn die Partikel des ungebundenen Bodens annähernd kugelförmig und gleich groß sind, wie es bei gleichkörnigem Sand der Fall sein kann, dann kann die Struktur am dichtesten (Abb. 1_b_) oder am lockersten (Abb. 1_c_) sein, je nach Anordnung der festen Partikel im Boden. Die dichteste Struktur entspricht der größten möglichen Verdichtung des ungebundenen Bodens, und seine Porosität ist nmin=26%. Die lockerste Struktur entspricht der kleinsten möglichen Verdichtung des ungebundenen Bodens, und seine Porosität ist nmax=48%. So hat beispielsweise lockerer Dünensand n=47%.
Abb. 1 Struktur des nicht gebundenen Bodens
Wenn der nichtbindige Boden eine unterschiedliche Korngröße aufweist, sodass feinere Partikel die Hohlräume zwischen den gröberen ausfüllen (Abb. 2), ist die Porosität des Bodens deutlich geringer (n=20% und weniger).
Abb. 2. Struktur des ungebundenen Bodens unterschiedlicher Korngrößen
Struktur des gebundenen Bodens
Bei bindigem Boden ist die Struktur anders als bei nichtbindigem. Bei bindigem Boden treten Kohäsionskräfte auf, die stärker sind als die Schwerkraft der feinen Partikel und sie an den Kontaktflächen zusammenhalten. Deshalb fallen diese Partikel nicht der Reihe nach nach unten, sondern bleiben aneinander und nebeneinander haften (Abb. 3_a_), wodurch eine kettenförmig-netzartige Struktur entsteht (Abb. 3_b_), eine flockenartige (Abb. 3_c_) usw., die als Strukturen höheren Ranges bezeichnet werden. Solche Strukturen weisen eine große Porosität auf, die bis zu 60-80% der Gesamtmasse betragen kann, was bei nichtbindigem Boden nicht möglich ist.
Abb. 3. Struktur des bindigen Bodens
Porosität und Porositätskoeffizient
Bodenporosität wird definiert als das Verhältnis des Porenvolumens zum Gesamtvolumen des Bodens (Abb. 4).
Abb. 4. Porosität und Porositätskoeffizient des Bodens
Wenn wir bezeichnen mit
- Vp = das Porenvolumen im Boden
- Vm = Volumen der festen Partikel
- V = das Gesamtvolumen des Bodens,
Die Bodenporosität n ist per Definition
n = VP / V = VP / (VP + Vm),
bzw. in % des gesamten Bodenvolumens
n = 100 * VP / (VP + Vm) %.
Der Porositätskoeffizient des Bodens wird als Verhältnis des Porenvolumens zum Volumen der festen Teilchen definiert:
e = VP / Vm.
Aus der Formel für die Porosität n haben wir:
nVP + nVm = VP, woraus Vm = VP(1-n) / n.
Durch Einsetzen dieses Wertes in die Formel für e erhalten wir
e = n / (1-n).
Aus dieser Gleichung erhalten wir
e - ne = n; n = e / (1 + e).
Der Porositätskoeffizient zeigt die Dichte des Bodens an. Je größer der Koeffizient e ist, desto geringer ist die Bodendichte, und umgekehrt. Wenn sich ein zusammendrückbarer Boden unter Belastung setzt, kann anhand des Porositätskoeffizienten vor und nach der Setzung das Ausmaß der Setzung Δ_h_ bestimmt werden.
Betrachten wir eine Schicht zusammendrückbaren Bodens mit der Dicke h (Abb. 5_a_). Wird diese Schicht belastet, so setzt sie sich um die Höhe Δ_h_, sodass sich ihre Dicke infolge der Belastung auf h1 verringert. Demnach
Δ_h_ = h – h1.
Da sich die Setzung eines kompressiblen Bodens auf Kosten der Poren vollzieht, weil die festen Teilchen praktisch nicht zusammendrückbar sind, ebenso wie Wasser, wenn die Bodenporen damit teilweise oder vollständig gefüllt sind, kann diese Setzung schematisch in Abb. 5_b_ dargestellt werden.
Abb. 5. Setzung Δh einer kompressiblen Bodenschicht der Dicke h unter Belastung
Bezeichnen wir mit h0 die gedachte Höhe einer Schicht fester Teilchen ohne Poren, die reduzierte Höhe, so können wir die Setzung Δ_h_ im Verhältnis zur reduzierten Höhe h0 durch folgende Beziehung ausdrücken:
Wenn wir eine Bodenschicht betrachten, deren Breite und Länge jeweils einer Einheit entsprechen, dann stellen die Höhen h, h1 und h0 Volumina dar, und somit gilt
wobei e der Porositätskoeffizient vor, e1 nach der Setzung ist. Aus dem Vorhergehenden erhält man die Setzung
Δ_h_ = h0 (e-e1).
Die Setzung kann im Verhältnis zur Höhe der Schicht h vor der Setzung ausgedrückt werden, wenn wir den Wert der reduzierten Höhe h0 ersetzen:
h0 = h – nh = h (1-n) = h / (1+e),
da n = VP / V = VP / h_, woraus VP = nh. folgt
Daraus ergibt sich
Die einzelnen Bodenarten haben folgende mittlere Werte der Porosität n und des Porenverhältnisses e:
Bodenfeuchtigkeit
Wasserarten im Boden
Wasser im Boden tritt in Form von Wasser in den Poren zwischen den festen Partikeln, dem sogenannten Porenwasser, ferner als adsorbiertes Wasser an den festen Partikeln und als Konstitutionswasser auf.
Porenwasser besteht aus freiem Wasser zwischen festen Partikeln, dessen Bewegung nach dem Darcy-Gesetz erfolgt, dann aus Gravitationswasser, das sich unter dem Einfluss der Schwerkraft von oben nach unten in allen Richtungen bewegt, dessen Bewegung jedoch nicht nach dem Darcy-Gesetz erfolgt, aus Kapillarwasser, das sich unter dem Einfluss kapillarer Kräfte bewegt, und aus Wasser der Oberflächen-spannung, das durch die Oberflächenspannung in den Winkeln zwischen den festen Bodenpartikeln gehalten wird und auch eckiges Porenwasser genannt wird. All dieses Wasser kann durch Trocknen des Bodens bei einer Temperatur von 110oC vollständig entfernt werden.
Adsorbiertes Wasser ist das Wasser, das die festen Partikel umhüllt, an die es durch molekulare Kräfte gebunden ist. Es handelt sich um den sogenannten Wasserfilm, dessen Dicke sich zwischen 6-80 µµ (1µµ=10-6 mm, Millimikron). Der Einfluss des adsorbierten Wassers bei gröberen Partikeln ist gering; je feiner die Partikel jedoch sind, desto größer ist sein Einfluss, da die Gesamtoberfläche der Partikel zunimmt und damit auch das Verhältnis des adsorbierten Wassers zu den festen Partikeln in der Volumeneinheit des Bodens. Dieses Wasser kann nur teilweise durch Trocknen bei 110oC entfernt werden.
Konstitutionswasser ist chemisch in die Kristalle der Minerale der festen Bodenpartikel eingebunden. Dieses Wasser ist nur in sehr geringer Menge vorhanden und kann durch Trocknen des Bodens nicht entfernt werden. Daher kann dieses Wasser als Bestandteil der festen Partikel angesehen werden.
Wassermenge im Boden
Nach Definition ist der Wassergehalt im Boden oder die Bodenfeuchte das Verhältnis des Gewichts des im Boden enthaltenen Wassers zum Gewicht seiner festen Bestandteile. Nach dem Wassergehalt im Boden unterscheidet man drei Fälle: vollständig wassergesättigter Boden, teilweise wassergesättigter Boden und völlig trockener Boden.
Vollständig mit Wasser gesättigter Boden
Wenn wir mit n die Porosität des Bodens, mit γs das Raumgewicht aller Partikel und mit γw das Raumgewicht des Wassers bezeichnen, dann lässt sich die Wassersättigung des Bodens wZ durch folgende Gleichung ausdrücken
Boden teilweise wassergesättigt
Wenn wir mit Ww das Gewicht des im Boden enthaltenen Wassers und mit Wd das Gewicht der festen Teilchen bzw. das Trockengewicht des Bodens bezeichnen, dann ist die Bodenfeuchte w
w = Ww / Wd , bzw. in Prozent des Trockengewichts des Bodens: w = 100 Ww / Wd.
In diesem Fall kann die Bodenfeuchte durch den Feuchtegrad Sr ausgedrückt werden, der das Verhältnis des tatsächlichen Wassergewichts im Boden zu dem Wassergewicht in demselben Boden darstellt, das vorhanden wäre, wenn alle Poren mit Wasser gefüllt wären, bzw. zum Gewicht des Wassers des gesättigten Bodens:
bzw. für _γ_w = 1,00 Sr = w*γs / e.
Die Grenzwerte für den Feuchtigkeitsgrad sind:
- für vollständig trockenen Boden w = 0; Sr = 0
- für vollständig gesättigten Boden w = e/γs; Sr = e/γs * γs / e = 1,0.
Sl. 6. Teilweise wassergesättigte Bodenprobe
Der Sättigungsgrad (der manchmal auch Sättigung oder Feuchtigkeitsgrad genannt wird) wird auch als Verhältnis des mit Wasser gefüllten Porenvolumens zum gesamten Porenvolumen ausgedrückt (Abb. 6):
Sr = V2 / V1
wobei V2 das Volumen der mit Wasser gefüllten Poren, V1 das Gesamtvolumen der mit Wasser, Luft und Gasen gefüllten Poren ist. Wenn w die Bodenfeuchte in % des Trockengewichts des Bodens Wd, ist, dann haben wir
V2 * γW = w Wd, woraus V2 = w Wd / γw.
Andererseits gilt V1 = V – Vd, und da Vd * γs = Wd, ist es
Vd = Wd / γs und V1 = V – Wd / γs.
Demnach wird der Sättigungsgrad des Bodens Sr sein
bzw. in Prozent des Trockengewichts des Bodens
Der Boden völlig trocken
In diesem Fall ist w = 0. Das gesamte Porenwasser ist entfernt, während das adsorbierte Wasser nur teilweise entfernt ist, d. h. der Wasserfilm besteht weiterhin, seine Dicke ist jedoch verringert.