Στη μηχανική εδάφους διακρίνονται τρεις κύριοι τύποι εδαφών: μη συνεκτικά, συνεκτικά και εδάφη οργανικής προέλευσης. Επιπλέον υπάρχουν και τα πετρώματα, αλλά αυτά δεν μελετώνται στη μηχανική εδάφους, παρά στην επιστημονική κλάδο της μηχανικής πετρωμάτων.
Ασύνδετα εδάφη
_Τα μη συνεκτικά ή ασυνεκτικά εδάφη είναι εκείνα των οποίων τα συστατικά δεν συνδέονται με κανένα συνδετικό μέσο. Σε ξηρή κατάσταση, όταν δεν επηρεάζονται από υγρασία, τα στερεά συστατικά του μη συνεκτικού εδάφους είναι εντελώς ελεύθερα στη γήινη μάζα και μεταξύ τους υπάρχει μόνο τριβή, η λεγόμενη εσωτερική τριβή. Στα μη συνεκτικά εδάφη ανήκουν:
- Τεμάχια, μέγεθος κόκκων 200 – 2000 mm
- Σπασμένη πέτρα, μέγεθος κόκκων 60 – 200 mm
- Χαλίκι, μέγ. μέγεθος κόκκων 2 – 60 mm
- Άμμος, μέγεθος κόκκων 0,02 – 2 mm
- Σκόνη, μέγ. κόκκου 0,002 – 0,02 mm.
Σημειώνεται ότι η κλάση της σκόνης μερικές φορές ονομάζεται ιλύς (αγγλ. silt, γερμ. Schluff). Ωστόσο, επειδή σε εμάς η ιλύς σημαίνει συγκεκριμένο είδος εδάφους οργανικής προέλευσης, αυτή η ονομασία για τη συγκεκριμένη κλάση θα μπορούσε να προκαλέσει παρεξήγηση.
Σχ. 1 - Αμμώδες έδαφος
Συνδεδεμένα εδάφη
Τα συνεκτικά ή κοherentικά εδάφη είναι εκείνα των οποίων τα στερεά συστατικά συνδέονται μεταξύ τους με συνοχή. Τα συνεκτικά εδάφη μπορούν να έχουν πολύ ασταθείς φυσικές ιδιότητες, οι οποίες αλλάζουν εύκολα υπό την επίδραση του νερού. Στα συνεκτικά εδάφη ανήκουν εκείνα που περιέχουν στερεά συστατικά μεγέθους κάτω από 0,002 mm. Το έδαφος που περιέχει κυρίως συστατικά μεγέθους 0,002 – 0,0002 mm ονομάζεται άργιλος, και αν αυτά τα συστατικά έχουν μέγεθος 0,0002 – 0,00002 mm, τότε ονομάζεται κολλοειδής άργιλος.
Στη φύση ο καθαρός πηλός σπάνια απαντάται, αλλά συνήθως είναι αναμεμειγμένος με άλλα συστατικά, όπως άμμος και σκόνη, κάτι που ονομάζεται αμμοπηλός; ο πηλός με ασβεστόλιθο ονομάζεται μαργαϊκός πηλός (μάργα), ενώ ο πηλός με μαγνήσιο είναι η ούμα. Συνήθως γίνεται αποδεκτό ότι το έδαφος που περιέχει πάνω από 50% αργιλώδη συστατικά ονομάζεται λιπαρός πηλός ή απλώς πηλός, ενώ το έδαφος με λιγότερο από 50% αργιλώδη συστατικά ονομάζεται αργιλώδες έδαφος. Το έδαφος που περιέχει λιγότερο από 5% αργιλώδη συστατικά θεωρείται ότι έχει τις ιδιότητες του μη συνεκτικού εδάφους.
Ο ταχύτερος και απλούστερος τρόπος για να εκτιμηθεί σε ποια ομάδα ανήκει κάποιο έδαφος είναι να στεγνώσει το δείγμα και να προσπαθήσει να θρυμματιστεί ανάμεσα στα δάχτυλα. Τα μη συνεκτικά εδάφη διαλύονται αμέσως. Τα αργιλώδη εδάφη θρυμματίζονται στα δάχτυλα σε μικρότερα κομμάτια, ενώ ο πηλός γίνεται σκληρός σχεδόν σαν πέτρα.
Σχ. 2 - Αργιλώδες έδαφος
Εδάφη οργανικής προέλευσης
Αυτά τα εδάφη αποτελούνται σε μεγάλο βαθμό από οργανικά ή φυτικά υλικά, με αργιλώδη και άλλα συστατικά. Λόγω της περιεκτικότητας σε οργανικά συστατικά, τα εδάφη αυτά είναι πολύ ασταθή και απορροφούν έντονα το νερό, γι’ αυτό και είναι ασταθή και δεν μπορούν να χρησιμεύσουν ούτε ως έδαφος έδρασης ούτε ως υλικό για την κατασκευή χωμάτινων έργων. Στα εδάφη αυτά ανήκουν ο χούμος, η ιλύς και η τύρφη.
Ο χούμος είναι γόνιμο έδαφος, το οποίο βρίσκεται στο επιφανειακό στρώμα του φλοιού της γης, με πάχος συνήθως μερικών δεκατόμετρων. Αποτελείται από μείγμα οργανικών και ανόργανων ουσιών με πολλά βακτήρια. Κατά την κατασκευή χωμάτινων επιχωμάτων, οδοστρωμάτων σε δρόμους και παρόμοιων εργασιών στο έδαφος, καθώς και κατά την εκσκαφή σε δανειοθαλάμους υλικού για την κατασκευή χωμάτινων έργων, πρέπει να εκσκαφθεί και να απομακρυνθεί ολόκληρο το στρώμα του χούμου, το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί μόνο για την προστασία των χωμάτινων πρανών από την έκπλυση από το νερό.
Σχ. 3 - Χούμος
Η ιλύς αποτελείται από μίγμα οργανικών ουσιών σε μορφή πολύ λεπτών σωματιδίων με ανόργανες ουσίες όπως ο άργιλος, η σκόνη και η άμμος. Βρίσκεται στον πυθμένα παλαιότερων ποταμών και λιμνών.
Η τύρφη αποτελείται από μεγάλη ποσότητα φυτικών και οργανικών ουσιών σε μορφή ινών, με μικρότερη περιεκτικότητα σε ανόργανες ουσίες.
Γένεση του εδάφους
Αν κάναμε μια τομή μέσα από τον φλοιό της γης, θα διαπιστώναμε ότι αυτός αποτελείται συνήθως από επιφανειακό έδαφος – χούμο μικρού πάχους στρώσης, έπειτα από υπόεδαφος που αποτελείται από μία ή περισσότερες στρώσεις διαφορετικής σύστασης και διαφόρων παχών, και τέλος από σκληρό πέτρωμα. Το επιφανειακό έδαφος σχηματίστηκε κυρίως από τη διάσπαση φυτικών και οργανικών υλών, ενώ το υπόεδαφος σχηματίστηκε από τη διάσπαση του σκληρού πετρώματος.
Η αποσάθρωση του στερεού πετρώματος προκαλείται από ατμοσφαιρικές επιδράσεις ή από ηφαιστειακή δράση. Οι ατμοσφαιρικές επιδράσεις μπορεί να είναι μηχανικές ή χημικές. Αν η διαδικασία αποσάθρωσης του στερεού πετρώματος είναι ένωση των ορυκτών με το οξυγόνο, τότε πρόκειται για αποσάθρωση με οξείδωση, και αν είναι ένωση με το νερό, τότε πρόκειται για αποσάθρωση με ενυδάτωση. Η ηφαιστειακή δράση είναι χημική. Λόγω της μεγάλης θερμότητας το στερεό πέτρωμα μετατρέπεται σε ηφαιστειακή τέφρα.
Η διαδικασία αποσάθρωσης του στερεού βράχου και η μετατροπή του σε έδαφος μπορεί να γίνει επιτόπου «in situ» ή με μεταφορά. Η μεταφορά των αποσαθρωμένων τμημάτων γίνεται με νερό, οπότε δημιουργούνται αλλουβιακά εδάφη, με άνεμο, οπότε γίνονται αιολικά εδάφη, ή με πάγο, οπότε σχηματίζονται παγετώδη εδάφη. Κατά τη μεταφορά των αποσπασμένων κομματιών και θραυσμάτων του στερεού βράχου γίνεται η περαιτέρω κονιορτοποίησή τους λόγω κρούσης, τριβής και έκπλυσης, στις οποίες εκτίθενται κατά τη μεταφορά. Λόγω αυτής της δράσης, οι ακμές των σπασμένων κομματιών στρογγυλεύονται, τα νέα θραύσματα θρυμματίζονται, οι ακμές τους στρογγυλεύονται ξανά και ούτω καθεξής, όσο διαρκεί η μεταφορά. Το μέγεθος και το σχήμα των στερεών συστατικών εξαρτώνται από τη συνοχή του βράχου, το μήκος της μεταφοράς, το είδος της μεταφοράς κ.λπ. Γι’ αυτό το σχήμα των στερεών σωματιδίων στο έδαφος είναι πολύ ποικίλο: στρογγυλό, ωοειδές, με αιχμηρές ή στρογγυλεμένες ακμές, τριγωνικό κ.λπ. Τα στερεά συστατικά μεγέθους 0,02 – 0,002 mm, η οποία κλασματική κατηγορία στη μηχανική εδαφών ονομάζεται σκόνη, είναι κατά κανόνα στρογγυλού ή ωοειδούς σχήματος. Τέτοια συστατικά μεγέθους μικρότερου από 0,002 mm, η οποία κλασματική κατηγορία ονομάζεται άργιλος, έχουν απολεπισμένο σχήμα. Τα χονδρότερα σωματίδια άμμου, χαλικιού και κροκάλων μπορούν να έχουν διάφορα σχήματα: κυβικά, στρογγυλεμένα, πλακώδη κ.λπ. Τα κυβικά σωματίδια αλλάζουν δυσκολότερα το σχήμα τους, τα πλακώδη ευκολότερα. Γι’ αυτό τα εδάφη που αποτελούνται κυρίως από πλακώδη σωματίδια μπορούν εύκολα να αλλάξουν τη σύστασή τους.
Σημειώνεται ότι ορισμένα εδάφη, των οποίων ο σχηματισμός έχει ολοκληρωθεί πλήρως, μερικές φορές καλύπτονται μεταγενέστερα από νέες αποθέσεις, έτσι ώστε το παλαιότερα σχηματισμένο έδαφος να παραμείνει σε βάθος, ενώ πάνω στη νέα απόθεση σχηματίζεται άλλο έδαφος που δεν χρειάζεται να έχει καμία σχέση με το προηγούμενο. Ένα τέτοιο παλαιότερα σχηματισμένο έδαφος που καλύφθηκε μεταγενέστερα από νέα απόθεση ονομάζεται θαμμένο έδαφος. Πρόκειται συνήθως για καλλιεργημένες γαίες, οι οποίες είχαν κατεργαστεί και στη συνέχεια καλύφθηκαν από αποθέσεις αιολικής λόσσας, αλλά οι αποθέσεις μπορεί να είναι και ποτάμιες. Το θαμμένο έδαφος αναγνωρίζεται από το σκούρο χρώμα του και τέτοιες στρώσεις εδάφους μπορεί να είναι περισσότερες, αν η διαδικασία αυτή επαναλήφθηκε πολλές φορές.
Προσχωσιγενή εδάφη
Τα αλλουβιακά εδάφη σχηματίζονται με απόθεση στερεών σωματιδίων κατά τη μεταφορά με το νερό. Η απόθεση εξαρτάται από πολλούς παράγοντες, μεταξύ των οποίων σημαντικότεροι είναι η ταχύτητα της ροής του νερού, η κοκκομετρία των μεταφερόμενων συστατικών και η περιεκτικότητα σε άλλα συστατικά όπως άλατα, ασβέστης κ.λπ. Σε μεγάλες ταχύτητες ροής του νερού αποτίθενται μόνο τα χονδρόκοκκα συστατικά, ενώ τα λεπτόκοκκα δεν αποτίθενται αλλά μεταφέρονται παραπέρα. Γι’ αυτό τα μεγαλύτερα στερεά συστατικά αποτίθενται στο ανώτερο τμήμα της ροής του νερού, πιο κοντά στην πηγή, όπου η ταχύτητα της ροής είναι μεγάλη. Με τη μείωση της ταχύτητας της ροής αποτίθενται ολοένα και λεπτότερα συστατικά. Σε ακίνητο νερό, χωρίς ροή, αποτίθενται κατά κανόνα τα λεπτότερα στερεά συστατικά. Όπου κι αν υπάρχει επιβράδυνση της ροής του νερού, δημιουργούνται μεγάλες αποθέσεις, όπως συμβαίνει στην πλημμυρισμένη περιοχή κατά την υπερχείλιση του νερού από την κοίτη του ποταμού, στη συνέχεια στις εκβολές των ποταμών, μπροστά από φράγματα κ.λπ.
Η καθίζηση πολύ λεπτών σωματιδίων κολλοειδούς αργίλου μπορεί να διαρκέσει απεριόριστα πολύ χρόνο λόγω της ηλεκτροχημικής δράσης που δημιουργείται μεταξύ σωματιδίων μεγέθους κάτω από 0,0002 mm, όταν αυτά είναι βυθισμένα στο νερό. Στην περίπτωση αυτή τα στερεά σωματίδια φέρουν πάνω τους ηλεκτρικό φορτίο του ίδιου πρόσημου (αρνητικό), γι’ αυτό απωθούνται μεταξύ τους και κινούνται μέσα στη ρευστή μάζα με ταχύτερες ταχύτητες όσο μικρότερα είναι. Πρόκειται για τις κινήσεις Brown. Εξαιτίας αυτών των κινήσεων η καθίζηση των στερεών σωματιδίων στο νερό επιβραδύνεται σημαντικά και μπορεί να διαρκέσει απεριόριστα πολύ χρόνο.
Σχ. 4 - Αλλουβιακό έδαφος
Αιολικά εδάφη
Τα αιολικά εδάφη σχηματίζονται με απόθεση στερεών σωματιδίων από τον άνεμο. Διακρίνονται δύο είδη αιολικού εδάφους, loess και θίνες. Ο loess αποτελείται από στερεά σωματίδια μεγέθους περίπου 0,05 mm ή λίγο μικρότερα, συγκολλημένα μεταξύ τους με ανθρακικό ασβέστιο. Γι’ αυτό, όταν βρίσκεται σε ξηρή κατάσταση, ο loess έχει μεγάλη αντοχή. Οι εκσκαφές σε loess μπορούν να διατηρούνται με κατακόρυφα πρανή σε πολύ μεγάλα ύψη. Ωστόσο, αν ο loess διαβραχεί περισσότερο, χάνει την αντοχή του και μετακινείται εύκολα. Είναι γνωστές οι περιπτώσεις των loess αποθέσεων της Bežanijska kosa κοντά στο Βελιγράδι, που διατηρούνται με κατακόρυφα πρανή σε ύψη πάνω από 20m. Ωστόσο, σε τμήματα όπου έχουν ανεγερθεί οικισμοί κοντά στα άκρα, όπως είναι η περίπτωση της οδού Čunarska στο Zemun, όπου παρατηρείται συνεχής διαβροχή δίπλα ακριβώς στην κλίση του loess οροπεδίου λόγω διάχυσης των χρησιμοποιημένων νερών, τα loess πρανή καταρρέουν και η ευστάθεια του loess εδάφους κοντά στο άκρο τίθεται σε κίνδυνο.
Οι θίνες είναι κινητοί λόφοι από χαλαρή άμμο που έχει αποτεθεί από τον άνεμο. Οι λόφοι αυτοί, υπό την επίδραση του ανέμου, διασκορπίζονται γρήγορα και ξανασχηματίζονται, γι’ αυτό αποτελούν κίνδυνο επιχωμάτωσης και κατάρρευσης σπιτιών και μεταφορικών μέσων.
Σχ. 5 - Αιολικό έδαφος
Παγετώδη εδάφη
Τα παγετωνικά εδάφη σχηματίζονται από τη μεταφορά στερεών σωματιδίων του εδάφους με τον πάγο. Τα παγετωνικά εδάφη έχουν διαφορετική σύσταση από τα αλλουβιακά, επειδή αποτελούνται από στερεά σωματίδια περίπου παρόμοιας κοκκομετρίας, δηλαδή κροκάλες, χαλίκια (μορίνη) ή άμμο που έμειναν μετά την τήξη του πάγου. Στα στρώματα των πρώην παγετωνικών λιμνών υπάρχει παγετωνική αργιλώδης ιλύς.
Σχ. 6 - Παγετωνικό έδαφος