Mulla struktuur
Mulla struktuuri all mõeldakse tahke faasi paigutust pinnases. Nagu teada, koosneb muld tahketest osakestest ja pooridest, mis on täidetud vee, õhu või veeauruga, enamasti osaliselt õhu ja osaliselt veega. Tahkete osakeste paigutuse järgi määratakse mulla struktuur. Lahtise ja seotud pinnase struktuurid erinevad teineteisest oluliselt.
Lahtise pinnase struktuur
Liitsumata pinnase struktuur kujuneb gravitatsiooni mõjul. Selle pinnase tahked osakesed on suuremad ja vajuvad allapoole, ladestuvad gravitatsiooni toimel, samal ajal kui selliste osakeste vahel puuduvad molekulidevahelised tõmbejõud või on need tühised ning gravitatsioon ületab need. Seetõttu paiknevad liitsumata pinnase tahked osakesed üksteise kõrval, hõivates ruumi osakeste vahel (joon. 1_a_). Kui liitsumata pinnase osakesed on ligikaudu ümmargused ja sama suurusega, nagu võib olla ühtlase koostisega liiva puhul, siis võib struktuur olla kõige tihedam (joon. 1_b_) või kõige hõredam (joon. 1_c_), sõltuvalt tahkete osakeste paigutusest pinnases. Kõige tihedam struktuur vastab liitsumata pinnase suurimale võimalikule tihendusele ja selle poorusus on nmin=26%. Kõige hõredam struktuur vastab liitsumata pinnase vähimale võimalikule tihendusele ja selle poorusus on nmax=48%. Näiteks luidete lahtine liiv on n=47%.
Joon. 1 Koondamata pinnase struktuur
Kui sidumata pinnasel on erineva tera suurusega koostis, nii et peenemad osakesed täidavad suuremate vahelisi tühimikke (joon. 2), on pinnase poorsus märksa väiksem (n=20% ja vähem).
Joon. 2. Liitsumata pinnase struktuur erineva terasuurusega
Seotud pinnase struktuur
Kohesiivmullas on struktuur erinev kui mittekohesiivmullas. Kohesiivmullas avalduvad koesioonijõud, mis on tugevamad kui väikeste osakeste raskusjõud ja liidavad need kokkupuutepindadel kokku. Seetõttu ei lange need osakesed järjest allapoole, vaid jäävad üksteise külge ja üksteise kõrvale liitunult (joon. 3_a_), moodustades nii ahelvõrgulise struktuuri (joon. 3_b_), helbelise (joon. 3_c_) jne, mida nimetatakse kõrgema järgu struktuurideks. Sellistel struktuuridel on suur poorsus, mis võib ulatuda 60-80% kogumassist, mida mittekohesiivmullas ei saa olla.
Joon. 3. Seotud pinnase struktuur
Poorsus ja poorsustegur
Pinnase poorsus määratletakse pooride mahu ja pinnase kogumahu suhtena (joon. 4).
Joon. 4. Mulla poorsus ja poorsustegur
Kui tähistame
- Vp = poori maht pinnases
- Vm = tahkete osakeste maht
- V = kogu pinnase maht,
pinnase poorsus n on definitsiooni järgi
n = VP / V = VP / (VP + Vm),
ehk % mulla kogu mahust
n = 100 * VP / (VP + Vm) %.
Pinnase poorsuskoefitsient määratakse pooride mahu ja tahkete osakeste mahu suhtega:
e = VP / Vm.
Poroossuse n valemist saame:
nVP + nVm = VP, millest Vm = VP(1-n) / n.
Asendades selle väärtuse valemis e jaoks saame
e = n / (1-n).
Sellest võrrandist saame
e - ne = n; n = e / (1 + e).
Porsuskoefitsient näitab pinnase tihedust. Mida suurem on koefitsient e, seda väiksem on pinnase tihedus ja vastupidi. Kui mingi kokkusurutav pinnas koormuse all vajub, saab porsuskoefitsiendi abil enne ja pärast vajumist määrata vajumise Δ_h_ suuruse.
Vaatleme kokkusurutava pinnase kihti paksusega h (joon. 5_a_). Kui see kiht koormata, vajub see kokku kõrguse Δ_h_ võrra, nii et koormuse toimel väheneb selle paksus väärtuseni h1. Seega
Δ_h_ = h – h1.
Kuna kokkusurutava pinnase vajumine toimub pooride arvelt, sest tahked osakesed on praktiliselt kokkusurumatud, samuti vesi, kui pinnase poorid on sellega osaliselt või täielikult täidetud, siis võib seda vajumist skemaatiliselt kujutada joon. 5_b_.
Joon. 5. Surutava kihiga pinnase vajumine Δh paksusega h koormuse toimel
Kui tähistame h0-ga mõttelist poorideta tahkete osakeste kihi kõrgust, mida nimetatakse vähendatud kõrguseks, siis võime vajumise Δ_h_ vähendatud kõrguse h0 suhtes väljendada järgmise seosega:
Kui käsitleda pinnasekihti, mille laius ja pikkus on ühikud, siis kõrgused h, h1 ja h0 kujutavad endast mahte, ning seega on
kus e on poorsuskoefitsient enne, e1 pärast vajumist. Eelnevast saadakse vajumine
Δ_h_ = h0 (e-e1).
Vajumine võib väljenduda kihi kõrguse h suhtes enne vajumist, kui asendame vähendatud kõrguse h0 väärtuse:
h0 = h – nh = h (1-n) = h / (1+e),
kuna n = VP / V = VP / h_,_ kust VP = nh.
Seega saadakse
Mõnel pinnasetüübil on järgmised keskmised poorisuse n ja poorisuskoefitsiendi e väärtused:
Pinnase niiskus
Pinnases oleva vee liigid
Vesi pinnases esineb tahkete osakeste vaheliste pooride veena, nn pooriveena, seejärel adsorbeerunud veena tahketel osakestel ja konstitutsiooniveena.
Poorvesi koosneb vabast veest tahkete osakeste vahel, mille liikumine toimub Darcy seaduse järgi, seejärel gravitatsiooniveest, mis liigub raskusjõu mõjul ülalt alla kõigis suundades, kuid selle liikumine ei toimu Darcy seaduse järgi, kapillaarveest, mis liigub kapillaarjõudude toimel, ja pinnaspinge veest, mida hoiab pinnapinge mulla tahkete osakeste vahelistes nurkades ning mida nimetatakse ka nurkseks pooriveeks. Kogu selle vee võib pinnasest täielikult eemaldada selle kuivatamisel temperatuuril 110oC.
Adsorbeerunud vesi on see, mis ümbritseb tahkeid osakesi, millega see on seotud molekulaarjõududega. See on niinimetatud veekile, mille paksus jääb vahemikku 6-80 µµ (1µµ=10-6 mm, milimikron). Adsorbeerunud vee mõju jämedamate osakeste puhul on ebaoluline, kuid mida väiksemad on osakesed, seda suurem on selle mõju, sest osakeste kogupindala suureneb ning seega ka adsorbeerunud vee ja tahkete osakeste suhe pinnase ruumalaühikus. Seda vett saab vaid osaliselt eemaldada kuivatamisel temperatuuril 110oC.
Konstitutsioonivesi on keemiliselt seotud mineraalide kristallidesse pinnase tahketes osakestes. Seda vett on väga vähe ja seda ei saa pinnase kuivatamisega eemaldada. Seetõttu võib seda vett käsitada tahke osakese koostisosana.
Vee kogus mullas
Definitsiooni järgi on vee sisaldus pinnases ehk pinnase niiskus pinnases sisalduva vee kaalu ja selle tahkete koostisosade kaalu suhe. Pinnases oleva vee koguse järgi eristatakse kolme juhtumit: täielikult veega küllastunud pinnas, osaliselt veega küllastunud pinnas ja täiesti kuiv pinnas.
Muld täielikult veega küllastunud
Kui tähistame n-ga pinnase poorsuse, γs-ga kõigi osakeste ruumraskuse ja γw-ga vee ruumraskuse, siis küllastunud pinnase niiskuse wZ saab väljendada järgmise võrrandiga
Vesi osaliselt veega küllastunud pinnas
Kui tähistame Ww ga pinnases sisalduva vee kaalu ning Wd ga tahkete osakeste ehk pinnase kuiva kaalu, siis on pinnase niiskus w
w = Ww / Wd , ehk kuiva pinnase kaalu protsentides: w = 100 Ww / Wd.
Sel juhul saab pinnase niiskust väljendada niiskusastmega Sr, mis näitab pinnases tegelikult oleva vee kaalu suhet sama pinnase vee kaalusse, mis oleks siis, kui kõik poorid oleksid veega täidetud, s.o. küllastunud pinnase vee kaaluga:
vastavalt _γ_w = 1,00 Sr = w*γs / e.
Niiskusastme piirväärtused on järgmised:
- täiesti kuiva pinnase puhul w = 0; Sr = 0
- täielikult küllastunud mulla puhul w = e/γs; Sr = e/γs * γs / e = 1,0.
Joon. 6. Veega osaliselt küllastunud pinnaseproov
Küllastusaste (mida mõnikord nimetatakse ka küllastuseks või niiskusastmeks) väljendatakse samuti vee poolt täidetud pooride mahu ja kogu pooride mahu suhtena (joon. 6):
Sr = V2 / V1
kus V2 on veega täitunud pooride maht, V1 vee, õhu ja gaasidega täitunud pooride kogumaht. Kui w on pinnase niiskus % pinnase kuiva kaalu Wd suhtes, siis on meil
V2 * γW = w Wd, millest V2 = w Wd / γw.
Teisest küljest on meil, et V1 = V – Vd, ja kuna Vd * γs = Wd, siis
Vd = Wd / γs ja V1 = V – Wd / γs.
Seega on pinnase küllastusaste Sr järgmine
ehk protsentides mulla kuivkaalust
Tla täielikult kuiv
Sel juhul on w = 0. Kogu poorivesi on eemaldatud, samal ajal kui adsorbeerunud vesi on eemaldatud vaid osaliselt, s.t. veekile on endiselt olemas, kuid selle paksus on vähenenud.