Strukturo de la grundo
Per la strukturo de la grundo oni komprenas la aranĝon de la solida fazo en la teramaso. Kiel konate, la grundo konsistas el solidaj partikloj kaj poroj plenigitaj per akvo, aero aŭ akvovaporo, plej ofte parte per aero, parte per akvo. Laŭ la aranĝo de la solidaj partikloj en la grundo estas difinita ĝia strukturo. La strukturoj de nefiksita kaj fiksita grundo signife diferencas inter si.
Strukturo de nefiksita grundo
La strukturo de nekohera grundo formiĝas sub la influo de gravito. La solidaj eroj de ĉi tiu grundo estas pli grandaj kaj falas malsupren, sedimentiĝas sub la influo de gravito, dum intermolaj allogaj fortoj de tiaj eroj aŭ ne ekzistas aŭ estas bagatelaj kaj venkitaj de gravito. Pro tio, ĉe nekohera grundo la solidaj eroj kuŝiĝas unu apud la alia, okupante la liberan spacon inter la kuŝantaj eroj (fig. 1_a_). Se la eroj de nekohera grundo estas proksimume rondformaj kaj samgrandaj, kiel povas esti la kazo ĉe sablo de uniforma konsisto, tiam la strukturo povas esti plej densa (fig. 1_b_) aŭ plej maldensa (fig. 1_c_), depende de la aranĝo de la solidaj eroj en la grundo. La plej densa strukturo respondas al la plej granda eblo de densigo de la nekohera grundo kaj ĝia porozeco estas nmin=26%. La plej maldensa strukturo respondas al la plej malgranda ebla densigo de la nekohera grundo kaj ĝia porozeco estas nmax=48%. Tiel ekzemple malstrikta sablo de dunoj havas n=47%.
Fig. 1 Strukturo de nekunliga grundo
Se la neligata grundo havas malsaman grajngrandecon, tiel ke pli malgrandaj partikloj plenigas la interspacojn inter la pli grandaj (fig. 2), la poreco de la grundo estas signife pli malgranda (n=20% kaj malpli).
Fig. 2. Strukturo de nekohera grundo de malsama grajnogrando
Strukturo de ligita grundo
Ĉe kohera grundo la strukturo estas malsama ol ĉe nekohera. Ĉe kohera grundo aperas koheziaj fortoj, kiuj estas pli fortaj ol la gravita forto de la etaj partikloj kaj algluas ilin sur la kontaktaj surfacoj. Pro tio ĉi tiuj partikloj ne falas sinsekve malsupren, sed restas algluitaj unu al la alia kaj unu apud la alia (fig. 3_a_), tiel kreante ĉeno-retan strukturon (fig. 3_b_), flokecan (fig. 3_c_) ktp., kiuj nomiĝas strukturoj de pli alta ordo. Tiaj strukturoj havas grandan porecon, kiu povas atingi 60-80% de la tuta maso, kio ne povas okazi ĉe nekohera grundo.
Fig. 3. Strukturo de kohera grundo
Poreco kaj poreca koeficiento
Porozeco de la grundo estas difinata per la rilato de la volumo de poroj al la tuta volumo de la grundo (fig. 4).
Fig. 4. Poreco kaj poreckoeficiento de la grundo
Se ni markas per
- Vp = volumeno de la poroj en la grundo
- Vm = volumeno de solidaj partikloj
- V = la tutan volumon de la grundo,
la porozeco de la grundo n laŭ difino estas
n = VP / V = VP / (VP + Vm),
respektive en % de la tuta volumeno de la grundo
n = 100 * VP / (VP + Vm) %.
La porozeca koeficiento de la grundo difiniĝas per la rilato inter la volumeno de poroj kaj la volumeno de la solidaj partikloj:
e = VP / Vm.
El la formulo por la poreco n ni havas:
nVP + nVm = VP, de kie Vm = VP(1-n) / n.
Anstataŭigante ĉi tiun valoron en la formulo por e ni ricevas
e = n / (1-n).
El ĉi tiu ekvacio ni ricevas
e - ne = n; n = e / (1 + e).
La porzeca koeficiento montras la densecon de la grundo. Ju pli granda estas la koeficiento e, des pli malgranda estas la denseco de la grundo kaj inverse. Se iu kompresebla grundo sub ŝarĝo sidiĝas, per la porzeca koeficiento antaŭ kaj post la sidiĝo oni povas determini la grandecon de la sidiĝo Δ_h_.
Ni konsideru tavolon de kunpremebla grundo kun dikeco h (fig. 5_a_). Se ni ŝarĝas ĉi tiun tavolon, ĝi sidiĝos je la alteco Δ_h_, tiel ke ĝia dikeco pro la ŝarĝo malpliiĝos ĝis h1. Sekve
Δ_h_ = h – h1.
Ĉar la setliĝo de kunpremebla grundo okazas je la konto de la poroj, ĉar la solidaj partikloj estas praktike nekunpremeblaj, kaj ankaŭ la akvo, se la poroj de la grundo estas per ĝi parte aŭ tute plenigitaj, tial ĉi tiu setliĝo povas esti skeme prezentita en fig. 5_b_.
Fig. 5. Setliĝo Δh de kunpremebla tavolo de grundo dika h sub ŝarĝo
Se ni markas per h0 la imagitan altecon de tavolo de solidoj sen poroj, nomatan reduktita alto, tiam ni povas esprimi la setliĝon Δ_h_ rilate al la reduktita alto h0 per la rilato:
Se ni konsideras tavolon de grundo kun larĝo kaj longo egalaj al unu, tiam la altoj h, h1 kaj h0 prezentas volumojn, do estas
kie e estas la koeficiento de poreco antaŭe, e1 post la ŝrumpo. El la supre dirita oni ricevas la ŝrumpon
Δ_h_ = h0 (e-e1).
Setlado povas esti esprimita rilate al la alto de la tavolo h antaŭ la setlado, se ni anstataŭigas la valoron de la reduktita alto h0:
h0 = h – nh = h (1-n) = h / (1+e),
ĉar n = VP / V = VP / h_, de kie VP = nh.
Tiel oni ricevas
Certaj grundtipoj havas jenajn mezajn valorojn de porozeco n kaj de la porozeca koeficiento e:
Grunda humideco
Tipoj de akvo en la grundo
Akvo en la grundo aperas en la formo de akvo en la poroj inter la solidaj partikloj, tiel nomata pora akvo, poste kiel adsorbita akvo sur la solidaj partikloj kaj kiel konstitucia akvo.
Pora akvo konsistas el libera akvo inter la solidaj eroj, kies moviĝo okazas laŭ la leĝo de Darcy, poste el gravita akvo, kiu moviĝas sub la ago de gravito de supre malsupren en ĉiuj direktoj, sed ĝia moviĝo ne okazas laŭ la leĝo de Darcy, el kapilara akvo, kiu moviĝas sub la ago de kapilaraj fortoj, kaj el akvo de surfaca streĉo, kiu teniĝas per surfaca streĉo en la anguloj inter la solidaj eroj de la grundo kaj estas ankaŭ nomata angula pora akvo. Ĉi tiu tuta akvo povas esti tute forigita per sekigado de la grundo je temperaturo de 110oC.
Adsorbita akvo estas tiu, kiu envolvas la solidajn partiklojn, al kiuj ĝi estas ligita per molekulaj fortoj. Tio estas la tiel nomata akva filmo, kies dikeco varias 6-80 µµ (1µµ=10-6 mm, milimikrono). La efiko de adsorbita akvo ĉe pli grandaj partikloj estas negrava; tamen, ju pli fajnoj estas la partikloj, des pli granda estas ĝia efiko, ĉar la totala surfaco de la partikloj kreskas kaj tiel ankaŭ la rilatumo de adsorbita akvo al la solidaj partikloj en unu volumo de la grundo. Ĉi tiu akvo povas esti nur parte forigita per sekigado je 110oC.
Konstitucia akvo estas kemie kunligita en la kristalojn de la mineraloj de la solidaj grundaj partikloj. De ĉi tiu akvo estas tre malmulte, kaj ĝi ne povas esti forigita per sekigado de la grundo. Tial ĉi tiu akvo povas esti konsiderata kiel integra parto de la solida partiklo.
Kvanto de akvo en la grundo
Laŭ difino la kvanto de akvo en la grundo aŭ grundhumido estas la rilatumo de la pezo de la akvo enhavita en la grundo al la pezo de ĝiaj solidaj komponantoj. Laŭ la akvokvanto en la grundo oni distingas tri kazojn: grundo tute saturita per akvo, grundo parte saturita per akvo kaj grundo tute seka.
Tero plene saturita per akvo
Se ni markas per n la porecon de la grundo, γs la volumena pezo de ĉiuj partikloj, γw la volumena pezo de akvo, tiam la humideco de saturita grundo wZ povas esti esprimita per la sekva ekvacio
La grundo parte saturita per akvo
Se ni markas per Ww la pezon de la akvo enhavita en la grundo, per Wd la pezon de la solidaj eroj, respektive la sekan pezon de la grundo, tiam la humideco de la grundo w
w = Ww / Wd , respektive en procentoj de la seka pezo de la grundo: w = 100 Ww / Wd.
En ĉi tiu kazo la grundhumido povas esti esprimita per la grado de humideco Sr kiu prezentas la rilatumon de la efektiva pezo de la akvo en la grundo al tiu pezo de akvo en la sama grundo, kiu ekzistus se ĉiuj poroj estus plenigitaj per akvo, t.e. al la pezo de la akvo de saturita grundo:
respektive por _γ_w = 1,00 Sr = w*γs / e.
La limvaloroj por la grado de humideco estas:
- por tute seka grundo w = 0; Sr = 0
- por plene saturita grundo w = e/γs; Sr = e/γs * γs / e = 1,0.
Fig. 6. Grundospecimeno parte saturita per akvo
La grado de saturiĝo (kiu iam ankaŭ nomiĝas saturiteco aŭ grado de humideco) estas ankaŭ esprimata per la rilato inter la volumeno de poroj plenigitaj per akvo kaj la tuta volumeno de poroj (fig. 6):
Sr = V2 / V1
kie V2 estas la volumeno de poroj plenigitaj per akvo, V1 la totala volumeno de poroj plenigitaj per akvo, aero kaj gasoj. Se w estas la humideco de la grundo en % de la seka pezo de la grundo Wd, tiam ni havas
V2 * γW = w Wd, do V2 = w Wd / γw.
Aliflanke, ni havas ke V1 = V – Vd, do ĉar Vd * γs = Wd, tio estas
Vd = Wd / γs kaj V1 = V – Wd / γs.
Sekve, la grado de saturiĝo de la grundo Sr estos
aŭ en procentoj de la seka pezo de la grundo
La grundo tute seka
En ĉi tiu kazo w = 0. La tuta pora akvo estas forigita, dum la adsorbita akvo estas nur parte forigita, t.e. la akva filmo ankoraŭ ekzistas, sed ĝia dikeco estas reduktita.