ساختار خاک، تخلخل و رطوبت

ساختار خاک

منظور از ساختار خاک، آرایش فاز جامد در تودهٔ خاکی است. همان‌طور که معلوم است، خاک از ذرات جامد و حفره‌هایی پرشده با آب، هوا یا بخار آب تشکیل می‌شود، که اغلب بخشی از آن‌ها با هوا و بخشی با آب پر شده‌اند. ساختار خاک بر اساس آرایش ذرات جامد در آن تعیین می‌شود. ساختار خاک‌های غیرچسبنده و چسبنده به‌طور اساسی با یکدیگر تفاوت دارند.

ساختار خاک غیرچسبنده

ساختار خاک غیرپیوسته تحت تأثیر گرانش پدید می‌آید. ذرات جامد این خاک درشت‌تر هستند و به سمت پایین سقوط می‌کنند و تحت تأثیر گرانش رسوب می‌گذارند، در حالی‌که نیروهای جاذبهٔ بین‌مولکولی چنین ذراتی وجود ندارند یا ناچیزند و بر گرانش غلبه کرده‌اند. از این‌رو، در خاک غیرپیوسته ذرات جامد در کنار یکدیگر قرار می‌گیرند و فضای آزاد میان ذرات چیده‌شده را پر می‌کنند (شکل 1_a_). اگر ذرات خاک غیرپیوسته تقریباً کروی‌شکل و هم‌اندازه باشند، چنان‌که ممکن است در ماسه با دانه‌بندی یکنواخت چنین باشد، آنگاه ساختار می‌تواند متراکم‌ترین (شکل 1_b_) یا پراکنده‌ترین (شکل 1_c_) باشد که به آرایش ذرات جامد در خاک بستگی دارد. متراکم‌ترین ساختار با بیشترین امکان تراکم خاک غیرپیوسته متناظر است و تخلخل آن nmin=26% است. پراکنده‌ترین ساختار با کمترین تراکم ممکن خاک غیرپیوسته متناظر است و تخلخل آن nmax=48% است. بنابراین، برای نمونه، ماسهٔ سستِ تپه‌های شنی دارای n=47% است.

شکل. 1 ساختار خاکِ غیرپیوندی

اگر خاکِ غیرچسبنده دارای دانه‌بندی‌های متفاوت باشد، به‌گونه‌ای که ذرات ریزتر فضاهای خالی میان ذرات درشت‌تر را پر کنند (شکل 2), تخلخل خاک به‌مراتب کمتر است (n=20% و کمتر).

شکل 2. ساختار خاک غیرپیوسته با دانه‌بندی‌های مختلف

ساختار خاکِ پیوسته‌یافته

در خاک همبسته، ساختار با خاک غیرهمبسته متفاوت است. در خاک همبسته، نیروهای چسبندگی پدید می‌آیند که از نیروی گرانشِ ذرات ریز قوی‌ترند و آنها را در سطوح تماس به هم می‌چسبانند. به همین دلیل، این ذرات به‌صورت منظم به پایین سقوط نمی‌کنند، بلکه به هم و در کنار یکدیگر چسبیده می‌مانند (شکل 3_a_) و بدین ترتیب ساختاری زنجیره‌مانند و شبکه‌ای (شکل 3_b_)، پولکی (شکل 3_c_) و … ایجاد می‌کنند که ساختارهای مرتبهٔ بالاتر نامیده می‌شوند. چنین ساختارهایی تخلخل زیادی دارند که می‌تواند تا 60-80% از کل جرم برسد، امری که در خاک غیرهمبسته ممکن نیست.

شکل 3. ساختار خاک پیوسته

تخلخل و ضریب تخلخل

تخلخل خاک به‌صورت نسبت حجم حفره‌ها به حجم کل خاک تعریف می‌شود (شکل 4).

شکل 4. تخلخل و ضریب تخلخل خاک

اگر با این نماد نشان دهیم

• Vp = حجمِ حفره‌ها در خاک
• Vm = حجم ذرات جامد
• V = حجم کل خاک،

تخلخل خاک n بنا بر تعریف

n = VP / V = VP / (VP + Vm),

یعنی بر حسب درصد از حجم کل خاک

n = 100 * VP / (VP + Vm) %.

ضریب تخلخل خاک از نسبت حجم خلل‌وفرج به حجم ذرات جامد تعریف می‌شود:

e = VP / Vm.

از فرمولِ تخلخل n داریم:

nVP + nVm = VP, از این‌رو Vm = VP(1-n) / n.

با جایگزین کردن این مقدار در فرمولِ e به دست می‌آوریم

e = n / (1-n).

از این معادله به‌دست می‌آوریم

e - ne = n; n = e / (1 + e).

ضریب تخلخل، تراکم خاک را نشان می‌دهد. هرچه ضریب e بزرگ‌تر باشد، تراکم خاک کمتر است و برعکس. اگر خاکی فشرده زیر بار نشست کند، با استفاده از ضریب تخلخل پیش و پس از نشست می‌توان مقدار نشست Δ_h_ را تعیین کرد.

لایه‌ای از خاک تراکم‌پذیر به ضخامت h (شکل 5_a_) را در نظر بگیریم. اگر این لایه را بارگذاری کنیم، به اندازه ارتفاع Δ_h_ نشست خواهد کرد، به‌طوری‌که ضخامت آن بر اثر بارگذاری به h1 کاهش می‌یابد. بنابراین

Δ_h_ = h – h1.

از آنجا که نشستِ خاکِ تراکم‌پذیر به حسابِ منافذ انجام می‌شود، زیرا ذرات جامد عملاً تراکم‌ناپذیرند و نیز آب، اگر منافذ خاک به‌طور جزئی یا کامل با آن پر شده باشند، ازاین‌رو این نشست را می‌توان به‌طور شماتیک در شکل 5_b_ نشان داد.

شکل 5. نشست Δhِ لایهٔ تراکم‌پذیرِ خاک با ضخامت h تحت بار

اگر h0 را ارتفاع فرضی لایه ذرات جامد بدون حفره، موسوم به ارتفاع کاهش‌یافته، بنامیم، آنگاه می‌توان نشست Δ_h_ را نسبت به ارتفاع کاهش‌یافته h0 به‌صورت زیر بیان کرد:

اگر لایه‌ای از خاک با عرض و طول برابر با یک در نظر گرفته شود، آنگاه ارتفاع‌های h, h1 و h0 بیانگر حجم‌ها هستند، و در نتیجه

که در آن e ضریب تخلخل پیش از نشست و e1 پس از نشست است. از بیان بالا، نشست به‌دست می‌آید

Δ_h_ = h0 (e-e1).

نشست را می‌توان نسبت به ارتفاع لایه h پیش از نشست بیان کرد، اگر مقدار ارتفاع کاهش‌یافته h0 را جایگزین کنیم:

h0 = h – nh = h (1-n) = h / (1+e),

زیرا n = VP / V = VP / h_,_ از این‌رو VP = nh.

از این رو به‌دست می‌آید

انواع جداگانهٔ خاک دارای مقادیر متوسط زیر برای تخلخل n و ضریب تخلخل e هستند:

رطوبت خاک

انواع آب در خاک

آب موجود در خاک به‌صورت آبِ موجود در حفره‌های میان ذرات سخت، یعنی آب منفذی، سپس به‌صورت آب جذب‌شده بر ذرات سخت و نیز به‌صورت آب ساختاری ظاهر می‌شود.

آب منفذی از آب آزاد میان ذرات جامد تشکیل می‌شود که حرکت آن بر اساس قانون دارسی انجام می‌گیرد، سپس از آب ثقلی که تحت اثر جاذبه از بالا به پایین در همه جهات حرکت می‌کند، اما حرکت آن بر اساس قانون دارسی انجام نمی‌شود، از آب مویین که تحت اثر نیروهای مویین حرکت می‌کند و از آبِ ناشی از کشش سطحی که به‌وسیله کشش سطحی در گوشه‌های میان ذرات جامد خاک نگه داشته می‌شود و آن را آب منفذی گوشه‌ای نیز می‌نامند. همه این آب‌ها را می‌توان با خشک‌کردن خاک در دمای 110oC به‌طور کامل حذف کرد.

آب جذب‌شده آبی است که ذرات سخت را احاطه می‌کند و با نیروهای مولکولی به آن‌ها متصل است. این همان فیلم آبی است که ضخامت آن از 6-80 µµ (1µµ=10-6 mm, میلیمیکرون) متغیر است. تأثیر آب جذب‌شده در ذرات درشت ناچیز است، اما هرچه ذرات ریزتر باشند، تأثیر آن بیشتر است، زیرا سطح کل ذرات و در نتیجه نسبت آب جذب‌شده به ذرات سخت در واحد حجم خاک افزایش می‌یابد. این آب را فقط می‌توان تا حدی با خشک‌کردن در 110oC خارج کرد.

آب ساختاری به‌صورت شیمیایی در بلورهای کانیِ ذرات سخت خاک پیوند یافته است. مقدار این آب بسیار اندک است و با خشک‌کردن خاک نمی‌توان آن را خارج کرد. از این رو می‌توان این آب را جزئی از ذره سخت به شمار آورد.

مقدار آب در خاک

به تعریف، مقدار آب در خاک یا رطوبت خاک نسبت وزن آبی است که در خاک وجود دارد به وزن اجزای جامد آن. بر اساس مقدار آب در خاک، سه حالت از هم متمایز می‌شود: خاک کاملاً اشباع از آب، خاک تا حدی اشباع از آب، و خاک کاملاً خشک.

خاک کاملاً از آب اشباع شده

اگر با n تخلخل خاک، γs وزن حجمی همه ذرات، و γw وزن حجمی آب را نشان دهیم، آنگاه رطوبت خاک اشباع wZ را می‌توان با معادله زیر بیان کرد

خاک تا حدی اشباع از آب

اگر وزن آب موجود در خاک را با Ww و وزن ذرات سخت، یعنی وزن خشک خاک را با Wd نشان دهیم، آنگاه رطوبت خاک w

w = Ww / Wd , یعنی به درصد وزن خشک خاک: w = 100 Ww / Wd.

در این حالت، رطوبت خاک را می‌توان با درجهٔ اشباع Sr بیان کرد که نسبت وزن واقعی آب در خاک به وزن آبی است که در همان خاک وجود می‌داشت اگر همهٔ خلل‌وفرج با آب پر می‌شدند، یعنی به وزن آبِ خاکِ اشباع:

به‌عبارت دیگر، برای _γ_w = 1,00  Sr = w*γs / e.

مقادیر حدی برای درجه رطوبت عبارت‌اند از:

1. برای خاک کاملاً خشک w = 0؛ Sr = 0
2. برای خاک کاملاً اشباع w = e/γs; Sr = e/γs * γs / e = 1,0.

شکل 6. نمونهٔ خاک به‌طور جزئی اشباع از آب

درجهٔ اشباع (که گاهی اشباع‌شدگی یا درجهٔ رطوبت نیز نامیده می‌شود) همچنین با نسبتِ حجمِ حفره‌های پرشده از آب به حجمِ کلِ حفره‌ها بیان می‌شود (شکل 6):

Sr = V2 / V1

که در آن V2 حجمِ حفره‌های پرشده از آب، V1 حجمِ کلِ حفره‌های پرشده از آب، هوا و گازها است. اگر w رطوبت خاک بر حسب درصدِ وزن خشک خاک Wd باشد، آنگاه داریم

V2 * γW = w Wd, از این‌رو V2 = w Wd / γw.

از سوی دیگر، داریم که V1 = V – Vd, و از آنجا که Vd * γs = Wd, پس

Vd = Wd / γs و V1 = V – Wd / γs.

بنابراین، درجه اشباع خاک Sr خواهد بود

یعنی به درصدی از وزن خشک خاک

خاک کاملاً خشک

در این حالت w = 0. تمام آبِ منفذی حذف شده است، در حالی که آبِ جذب‌شده فقط به‌طور جزئی حذف شده است، یعنی فیلم آبی همچنان وجود دارد، اما ضخامت آن کاهش یافته است.