Δομή του εδάφους
Με τον όρο δομή του εδάφους εννοείται η διάταξη της στερεής φάσης στη γαιώδη μάζα. Όπως είναι γνωστό, το έδαφος αποτελείται από στερεά σωματίδια και πόρους γεμάτους με νερό, αέρα ή υδρατμούς, συνήθως εν μέρει με αέρα και εν μέρει με νερό. Σύμφωνα με τη διάταξη των στερεών σωματιδίων στο έδαφος καθορίζεται η δομή του. Οι δομές των μη συνεκτικών και των συνεκτικών εδαφών διαφέρουν ουσιωδώς μεταξύ τους.
Δομή του μη συνεκτικού εδάφους
Η δομή του μη συνεκτικού εδάφους σχηματίζεται υπό την επίδραση της βαρύτητας. Τα στερεά σωματίδια αυτού του εδάφους είναι μεγαλύτερα και κατέρχονται προς τα κάτω, καθιζάνουν υπό την επίδραση της βαρύτητας, ενώ οι διαμοριακές ελκτικές δυνάμεις τέτοιων σωματιδίων είτε δεν υπάρχουν είτε είναι αμελητέες και υπερνικώνται από τη βαρύτητα. Γι’ αυτό, στο μη συνεκτικό έδαφος τα στερεά σωματίδια τοποθετούνται το ένα δίπλα στο άλλο, καταλαμβάνοντας τον ελεύθερο χώρο μεταξύ των διατεταγμένων σωματιδίων (σχ. 1_a_). Αν τα σωματίδια του μη συνεκτικού εδάφους έχουν περίπου σφαιρικό σχήμα και ίδιο μέγεθος, όπως μπορεί να συμβαίνει στην περίπτωση άμμου ομοιόμορφης κοκκομετρικής σύστασης, τότε η δομή μπορεί να είναι πυκνότερη (σχ. 1_b_) ή αραιότερη (σχ. 1_c_), ανάλογα με τη διάταξη των στερεών σωματιδίων στο έδαφος. Η πυκνότερη δομή αντιστοιχεί στη μέγιστη δυνατή συμπύκνωση του μη συνεκτικού εδάφους και το πορώδες του είναι nmin=26%. Η αραιότερη δομή αντιστοιχεί στη μικρότερη δυνατή συμπύκνωση του μη συνεκτικού εδάφους και το πορώδες του είναι nmax=48%. Έτσι, για παράδειγμα, η χαλαρή άμμος των αμμόλοφων έχει n=47%.
Σχ. 1 Δομή μη συνεκτικού εδάφους
Αν το ασύνδετο έδαφος έχει διαφορετικό μέγεθος κόκκων, έτσι ώστε τα λεπτότερα σωματίδια να γεμίζουν τα κενά μεταξύ των μεγαλύτερων (σχ. 2), το πορώδες του εδάφους είναι σημαντικά μικρότερο (n=20% και λιγότερο).
Σχ. 2. Δομή μη συνεκτικού εδάφους διαφόρων μεγεθών κόκκων
Δομή του δεμένου εδάφους
Στο συνεκτικό έδαφος η δομή είναι διαφορετική από ό,τι στο μη συνεκτικό. Στο συνεκτικό έδαφος εμφανίζονται δυνάμεις συνοχής, οι οποίες είναι ισχυρότερες από τη δύναμη βαρύτητας των μικρών σωματιδίων και τα συγκολλούν στις επιφάνειες επαφής. Γι’ αυτό τα σωματίδια αυτά δεν πέφτουν διαδοχικά προς τα κάτω, αλλά παραμένουν κολλημένα το ένα πάνω στο άλλο και το ένα δίπλα στο άλλο (σχ. 3_a_), δημιουργώντας έτσι αλυσιδωτή δικτυωτή δομή (σχ. 3_b_), φλοκώδη (σχ. 3_c_) κ.λπ., που ονομάζονται δομές υψηλότερης τάξης. Τέτοιες δομές έχουν μεγάλη πορώδητητα, η οποία μπορεί να φτάσει το 60-80% της συνολικής μάζας, κάτι που δεν μπορεί να συμβεί στο μη συνεκτικό έδαφος.
Σχ. 3. Δομή του συνεκτικού εδάφους
Πορώδες και συντελεστής πορώδους
Η πορώδες του εδάφους ορίζεται ως ο λόγος του όγκου των πόρων προς τον συνολικό όγκο του εδάφους (σχ. 4).
Σχ. 4. Πορώδες και συντελεστής πορώδους του εδάφους
Αν συμβολίσουμε με
- Vp = ο όγκος των πόρων στο έδαφος
- Vm = τον όγκο των στερεών σωματιδίων
- V = ο συνολικός όγκος του εδάφους,
η πορώδης του εδάφους n είναι εξ ορισμού
n = VP / V = VP / (VP + Vm),
δηλαδή σε % του συνολικού όγκου του εδάφους
n = 100 * VP / (VP + Vm) %.
Ο συντελεστής πορώδους του εδάφους ορίζεται ως η αναλογία του όγκου των πόρων προς τον όγκο των στερεών σωματιδίων:
e = VP / Vm.
Από τον τύπο για το πορώδες n έχουμε:
nVP + nVm = VP, από όπου προκύπτει Vm = VP(1-n) / n.
Αντικαθιστώντας αυτή την τιμή στο τύπο για το e παίρνουμε
e = n / (1-n).
Από αυτή την εξίσωση παίρνουμε
e - ne = n; n = e / (1 + e).
Ο συντελεστής πορώδους δείχνει την πυκνότητα του εδάφους. Όσο μεγαλύτερος είναι ο συντελεστής e, τόσο μικρότερη είναι η πυκνότητα του εδάφους και αντίστροφα. Αν κάποιο συμπιεστό έδαφος καθιζάνει υπό φορτίο, με τη βοήθεια του συντελεστή πορώδους πριν και μετά την καθίζηση μπορεί να προσδιοριστεί το μέγεθος της καθίζησης Δ_h_.
Ας εξετάσουμε στρώμα συμπιεστού εδάφους πάχους h (σχ. 5_a_). Αν επιβαρύνουμε αυτό το στρώμα, θα καθιζήσει κατά ύψος Δ_h_, έτσι ώστε το πάχος του λόγω του φορτίου να μειωθεί σε h1. Επομένως
Δ_h_ = h – h1.
Εφόσον η καθίζηση του συμπιεστού εδάφους πραγματοποιείται σε βάρος των πόρων, επειδή τα στερεά σωματίδια είναι πρακτικά ασυμπίεστα, καθώς επίσης και το νερό, αν οι πόροι του εδάφους είναι από αυτόν γεμάτοι εν μέρει ή πλήρως, αυτή η καθίζηση μπορεί να παρασταθεί σχηματικά στο σχ. 5_b_.
Σχ. 5. Καθίζηση Δh συμπιεστού στρώματος εδάφους πάχους h υπό φορτίο
Αν συμβολίσουμε με h0 το νοητό ύψος στρώσης στερεών σωματιδίων χωρίς πόρους, που ονομάζεται μειωμένο ύψος, τότε μπορούμε να εκφράσουμε την καθίζηση Δ_h_ σε σχέση με το μειωμένο ύψος h0 με τον λόγο:
Αν εξετάσουμε στρώμα εδάφους πλάτους και μήκους ίσων με τη μονάδα, τότε τα ύψη h, h1 και h0 αντιπροσωπεύουν όγκους, και επομένως
όπου e είναι ο συντελεστής πορώδους πριν, e1 μετά την καθίζηση. Από τα παραπάνω προκύπτει η καθίζηση
Δ_h_ = h0 (e-e1).
Η καθίζηση μπορεί να εκφραστεί σε σχέση με το ύψος του στρώματος h πριν από την καθίζηση, αν αντικαταστήσουμε την τιμή του μειωμένου ύψους h0:
h0 = h – nh = h (1-n) = h / (1+e),
αφού n = VP / V = VP / h_,_ από όπου VP = nh.
Από αυτό προκύπτει
Ορισμένα είδη εδάφους έχουν τις ακόλουθες μέσες τιμές του πορώδους n και του συντελεστή πόρων e:
Υγρασία του εδάφους
Είδη νερού στο έδαφος
Το νερό στο έδαφος εμφανίζεται με τη μορφή νερού στους πόρους μεταξύ των στερεών σωματιδίων, του λεγόμενου νερού πόρων, στη συνέχεια ως προσροφημένο νερό πάνω στα στερεά σωματίδια και ως συνταγματικό νερό.
Το νερό των πόρων αποτελείται από το ελεύθερο νερό ανάμεσα στα στερεά σωματίδια, η κίνησή του οποίου γίνεται σύμφωνα με τον νόμο του Darcy, κατόπιν από το νερό της βαρύτητας, το οποίο κινείται υπό την επίδραση της βαρύτητας από πάνω προς τα κάτω προς όλες τις κατευθύνσεις, αλλά η κίνησή του δεν γίνεται σύμφωνα με τον νόμο του Darcy, από το τριχοειδές νερό που κινείται υπό την επίδραση τριχοειδών δυνάμεων και από το νερό της επιφανειακής τάσης, το οποίο συγκρατείται από την επιφανειακή τάση στις γωνίες μεταξύ των στερεών σωματιδίων του εδάφους και ονομάζεται επίσης γωνιακό νερό των πόρων. Όλο αυτό το νερό μπορεί να απομακρυνθεί πλήρως με ξήρανση του εδάφους σε θερμοκρασία 110oC.
Προσροφημένο νερό είναι εκείνο που περιβάλλει τα στερεά σωματίδια, με τα οποία συνδέεται με μοριακές δυνάμεις. Πρόκειται για τη λεγόμενη υδάτινη μεμβράνη, το πάχος της οποίας κυμαίνεται 6-80 µµ (1µµ=10-6 mm, milimikron). Η επίδραση του προσροφημένου νερού στα χονδρότερα σωματίδια είναι αμελητέα· ωστόσο όσο λεπτότερα είναι τα σωματίδια, τόσο μεγαλύτερη είναι η επίδρασή του, επειδή αυξάνεται η συνολική επιφάνεια των σωματιδίων και συνεπώς και η αναλογία του προσροφημένου νερού προς τα στερεά σωματίδια στη μονάδα όγκου του εδάφους. Το νερό αυτό μπορεί να απομακρυνθεί μόνο μερικώς με ξήρανση στους 110oC.
Συνταγματικό νερό είναι το χημικά ενωμένο νερό στους κρυστάλλους των ορυκτών των στερεών σωματιδίων του εδάφους. Αυτό το νερό υπάρχει σε πολύ μικρή ποσότητα και δεν μπορεί να απομακρυνθεί με ξήρανση του εδάφους. Επομένως το νερό αυτό μπορεί να θεωρηθεί ως αναπόσπαστο μέρος του στερεού σωματιδίου.
Ποσότητα νερού στο έδαφος
Κατά τον ορισμό, η ποσότητα νερού στο έδαφος ή υγρασία εδάφους είναι η αναλογία του βάρους του νερού που περιέχεται στο έδαφος προς το βάρος των στερεών συστατικών του. Ανάλογα με την περιεκτικότητα σε νερό στο έδαφος διακρίνονται τρεις περιπτώσεις: έδαφος πλήρως κορεσμένο με νερό, έδαφος μερικώς κορεσμένο με νερό και έδαφος εντελώς ξηρό.
Έδαφος πλήρως κορεσμένο με νερό
Αν συμβολίσουμε με n το πορώδες του εδάφους, γs το μοναδιαίο βάρος όλων των κόκκων, γw το μοναδιαίο βάρος του νερού, τότε η υγρασία του κορεσμένου εδάφους wZ μπορεί να εκφραστεί με την ακόλουθη εξίσωση
Το έδαφος μερικώς κορεσμένο με νερό
Αν συμβολίσουμε με Ww το βάρος του νερού που περιέχεται στο έδαφος, με Wd το βάρος των στερεών σωματιδίων, δηλαδή το ξηρό βάρος του εδάφους, τότε η υγρασία του εδάφους w
w = Ww / Wd , δηλαδή σε ποσοστά του ξηρού βάρους του εδάφους: w = 100 _Ww / Wd.
Σε αυτή την περίπτωση η υγρασία του εδάφους μπορεί να εκφραστεί με τον βαθμό υγρασίας Sr ο οποίος αντιπροσωπεύει τον λόγο του πραγματικού βάρους του νερού στο έδαφος προς το βάρος του νερού στο ίδιο έδαφος που θα υπήρχε αν όλοι οι πόροι ήταν γεμάτοι με νερό, δηλ. προς το βάρος του νερού του κορεσμένου εδάφους:
αντ. για _γ_w = 1,00 Sr = w*γs / e.
Τα όρια τιμών για τον βαθμό υγρασίας είναι:
- για εντελώς ξηρό έδαφος w = 0; Sr = 0
- για πλήρως κορεσμένο έδαφος w = e/γs; Sr = e/γs * γs / e = 1,0.
Σχ. 6. Δείγμα εδάφους μερικώς κορεσμένο με νερό
Ο βαθμός κορεσμού (ο οποίος μερικές φορές ονομάζεται επίσης κορεστότητα ή βαθμός υγρασίας) εκφράζεται επίσης ως ο λόγος του όγκου των πόρων που είναι γεμάτοι με νερό προς τον συνολικό όγκο των πόρων (σχ. 6):
Sr = V2 / V1
όπου V2 ο όγκος των πόρων που είναι γεμάτοι με νερό, V1 ο συνολικός όγκος των πόρων που είναι γεμάτοι με νερό, αέρα και αέρια. Αν η w είναι η υγρασία του εδάφους σε % του ξηρού βάρους του εδάφους Wd, τότε έχουμε
V2 * γW = w Wd, από όπου V2 = w Wd / γw.
Από την άλλη πλευρά, έχουμε ότι V1 = V – Vd, και αφού Vd * γs = Wd, τότε
Vd = Wd / γs και V1 = V – Wd / γs.
Επομένως, ο βαθμός κορεσμού του εδάφους Sr θα είναι
δηλαδή σε ποσοστά του ξηρού βάρους του εδάφους
Το έδαφος εντελώς ξηρό
Σε αυτήν την περίπτωση το w = 0. Όλο το νερό των πόρων έχει απομακρυνθεί, ενώ το προσροφημένο νερό έχει απομακρυνθεί μόνο εν μέρει, δηλαδή η υδατική μεμβράνη εξακολουθεί να υπάρχει, αλλά το πάχους της έχει μειωθεί.