Maan rakenne
Maaperän rakenteella tarkoitetaan kiinteän faasin sijoittumista maa-aineksessa. Kuten tunnettua, maaperä koostuu kiinteistä hiukkasista ja huokosista, jotka ovat täyttyneet vedellä, ilmalla tai vesihöyryllä, useimmiten osittain ilmalla ja osittain vedellä. Maaperän rakenne määräytyy kiinteiden hiukkasten sijoittumisen mukaan. Sitoutumattoman ja sitoutuneen maan rakenteet eroavat toisistaan olennaisesti.
Rakenneettoman maan rakenne
Lajittelemattoman maan rakenne muodostuu painovoiman vaikutuksesta. Tämän maan kiinteät hiukkaset ovat suurempia ja putoavat alaspäin, laskeutuvat painovoiman vaikutuksesta, kun taas tällaisten hiukkasten välisiä molekyylien välisiä vetovoimia ei ole tai ne ovat merkityksettömiä ja painovoiman voittamia. Siksi lajittelemattomassa maassa kiinteät hiukkaset asettuvat vierekkäin täyttäen niiden välisen vapaan tilan (kuv. 1_a_). Jos lajittelemattoman maan hiukkaset ovat likimain pyöreitä ja saman kokoisia, kuten tasakoosteisessa hiekassa voi olla, rakenne voi olla tihein (kuv. 1_b_) tai harvinaisin (kuv. 1_c_), riippuen kiinteiden hiukkasten järjestyksestä maassa. Tihein rakenne vastaa lajittelemattoman maan suurinta mahdollisinta tiiviyttä ja sen huokoisuus on nmin=26%. Harvinaisin rakenne vastaa lajittelemattoman maan pienintä mahdollista tiiviyttä ja sen huokoisuus on nmax=48%. Esimerkiksi dyynien löyhä hiekka on n=47%.
Kuva 1 Sitoutumattoman maan rakenne
Jos sitomaton maaperä koostuu eri raekokoisista rakeista siten, että hienommat hiukkaset täyttävät suurempien väliin jäävät ontelot (kuva 2), maaperän huokoisuus on huomattavasti pienempi (n=20% ja vähemmän).
Sl. 2. Hienorakeisen lajittelemattoman maan rakenne eri raekokoilla
Sidotun maan rakenne
Sidotussa maassa rakenne on erilainen kuin sitomattomassa. Sidotussa maassa esiintyy koheesiovoimia, jotka ovat voimakkaampia kuin pienten hiukkasten painovoima ja liimaavat ne yhteen kosketuspinnoilla. Tämän vuoksi nämä hiukkaset eivät putoa järjestyksessä alaspäin, vaan pysyvät kiinni toisissaan ja vierekkäin (kuv. 3_a_), muodostaen näin ketjumaisen verkkorakenteen (kuv. 3_b_), hiutalemaisen (kuv. 3_c_) jne., joita kutsutaan korkeamman asteen rakenteiksi. Tällaisilla rakenteilla on suuri huokoisuus, joka voi olla jopa 60-80% kokonaismassasta, mikä ei ole mahdollista sitomattomassa maassa.
Kuva 3. Sitoutuneen maan rakenne
Huokoisuus ja huokoisuuskerroin
Maaperän huokoisuus määritellään huokostilavuuden suhteena maaperän kokonaistilavuuteen (kuv. 4).
Kuva 4. Maaperän huokoisuus ja huokoisuuskerroin
Jos merkitsemme
- Vp = maaperän huokostilavuus
- Vm = kiinteiden hiukkasten tilavuus
- V = maaperän kokonaistilavuus,
maaperän huokoisuus n on määritelmän mukaan
n = VP / V = VP / (VP + Vm),
eli %:na maan kokonaistilavuudesta
n = 100 * VP / (VP + Vm) %.
Maaperän huokoisuuskerroin määritellään huokostilavuuden ja kiinteiden hiukkasten tilavuuden suhteena:
e = VP / Vm.
Huokoisuuden n kaavasta saadaan:
nVP + nVm = VP, mistä saadaan Vm = VP(1-n) / n.
Korvaamalla tämä arvo kaavassa e saadaan
e = n / (1-n).
Tästä yhtälöstä saamme
e - ne = n; n = e / (1 + e).
Huokoisuuskerroin osoittaa maan tiheyden. Mitä suurempi kerroin e on, sitä pienempi on maan tiheys, ja päinvastoin. Jos jokin kokoonpuristuva maa painuu kuormituksen vaikutuksesta, huokoisuusluvun avulla ennen painumaa ja painuman jälkeen voidaan määrittää painuman suuruus Δ_h_.
Tarkastellaan kokoonpuristuvan maakerroksen paksuutta h (kuva 5_a_). Jos tätä kerrosta kuormitetaan, se painuu korkeudeltaan Δ_h_, niin että sen paksuus kuormituksen vaikutuksesta pienenee arvoon h1. Tämän mukaan
Δ_h_ = h – h1.
Koska puristuvan maan painuminen tapahtuu huokosten kustannuksella, sillä kiinteät hiukkaset ovat käytännössä puristumattomia, samoin vesi, jos maan huokoset ovat sillä osittain tai täysin täyttyneet, voidaan tämä painuma esittää kaavamaisesti kuvassa 5_b_.
Kuv. 5. Puristuvan maakerroksen, jonka paksuus on h, painuma Δh kuormituksen vaikutuksesta
Jos merkitsemme h0:lla kuvitteellisen, huokosettoman kiinteiden hiukkasten kerroksen korkeuden, jota kutsutaan redusoiduksi korkeudeksi, voimme ilmaista painuman Δ_h_ suhteessa redusointikorkeuteen h0 suhteella:
Jos tarkastellaan maakerrosta, jonka leveys ja pituus ovat yksikköä, niin korkeudet h, h1 ja h0 esittävät tilavuuksia, ja siten
missä e on ennen painumista oleva huokoisuuskerroin, e1 painumisen jälkeen. Edellä olevasta saadaan painuma
Δ_h_ = h0 (e-e1).
Painuma voidaan ilmaista kerroksen korkeuteen h ennen painumaa nähden, jos korvaamme redusoidun korkeuden h0 arvon:
h0 = h – nh = h (1-n) = h / (1+e),
koska n = VP / V = VP / h_,_ josta VP = nh.
Siitä saadaan
Eri maatyypeillä on seuraavat keskimääräiset huokoisuusasteen n ja huokoisuuskertoimen e arvot:
Maaperän kosteus
Maan veden eri muodot
Maaperässä vesi esiintyy huokosissa kiinteiden hiukkasten välissä eli niin sanottuna huokosvetenä, sitten adsorboituneena vetenä kiinteiden hiukkasten pinnalla ja konstituutiovetenä.
Huokosvesi koostuu vapaasta vedestä kiinteiden hiukkasten välissä, jonka liike tapahtuu Darcy’n lain mukaan, sitten painovoimavedestä, joka liikkuu painovoiman vaikutuksesta ylhäältä alas kaikkiin suuntiin, mutta jonka liike ei tapahdu Darcy’n lain mukaan, kapillaarivedestä, joka liikkuu kapillaarivoimien vaikutuksesta, sekä pintajännityksen vedestä, joka pysyy pintajännityksen avulla maahiukkasten välisissä kulmissa ja jota kutsutaan myös kulmahuokosvedeksi. Kaikki tämä vesi voidaan poistaa kokonaan kuivaamalla maata lämpötilassa 110oC.
Adsorboitunut vesi on vettä, joka ympäröi kiinteitä hiukkasia ja johon se on sitoutunut molekyylivoimin. Tämä on niin sanottu vesikalvo, jonka paksuus vaihtelee 6-80 µµ (1µµ=10-6 mm, milimikroni). Adsorboituneen veden vaikutus suurempien hiukkasten kohdalla on vähäinen, mutta mitä hienompia hiukkaset ovat, sitä suurempi sen vaikutus on, koska hiukkasten kokonaispinta-ala kasvaa ja siten myös adsorboituneen veden suhde kiinteisiin hiukkasiin maan tilavuusyksikköä kohti. Tämä vesi voidaan poistaa vain osittain kuivaamalla 110oC:ssa.
Konstituutiovesi on kemiallisesti sitoutunut maan kiinteiden hiukkasten mineraalikiteisiin. Tätä vettä on hyvin vähän, eikä sitä voida poistaa kuivaamalla maata. Siksi tätä vettä voidaan pitää kiinteän hiukkasen olennaisena osana.
Veden määrä maassa
Määritelmän mukaan veden määrä maassa eli maalajin kosteus on maassa olevan veden painon suhde sen kiinteiden ainesosien painoon. Maaperän vesipitoisuuden mukaan erotetaan kolme tapausta: täysin vedellä kyllästynyt maaperä, osittain vedellä kyllästynyt maaperä ja täysin kuiva maaperä.
Täysin vedellä kyllästynyt maaperä
Jos merkitsemme n:llä maaperän huokoisuutta, γs:llä kaikkien hiukkasten tilavuuspainoa ja γw:llä veden tilavuuspainoa, kyllästyneen maaperän kosteus wZ voidaan ilmaista seuraavalla yhtälöllä
Maa osittain vedellä kyllästetty
Jos merkitsemme Ww:llä maaperässä olevan veden painoa ja Wd:llä kiinteiden hiukkasten painoa eli maaperän kuivapainoa, niin maaperän kosteuspitoisuus w
w = Ww / Wd , eli prosentteina maan kuivapainosta: w = 100 Ww / Wd.
Tässä tapauksessa maaperän kosteus voidaan ilmaista kosteusasteella Sr, joka tarkoittaa maassa olevan todellisen vesimäärän suhdetta siihen vesimäärään samassa maassa, joka olisi, jos kaikki huokoset olisivat vedellä täytetyt, eli kyllästyneen maan veden painoon:
vastaavasti _γ_w = 1,00 Sr = w*γs / e.
Kosteusasteen raja-arvot ovat:
- täysin kuivalle maalle w = 0; Sr = 0
- täysin kyllästetylle maalle w = e/γs; Sr = e/γs * γs / e = 1,0.
Sl. 6. Maaperänäyte, osittain vedellä kyllästetty
Kyllästysaste (jota joskus kutsutaan myös kylläisyydeksi tai kosteuspitoisuudeksi) ilmaistaan myös veden täyttämien huokosten tilavuuden suhteena huokosten kokonaistilavuuteen (kuv. 6):
Sr = V2 / V1
missä V2 on vedellä täyttyneiden huokosten tilavuus, V1 on vedellä, ilmalla ja kaasuilla täyttyneiden huokosten kokonaistilavuus. Jos w on maaperän kosteus % maaperän kuivan painon Wd, mukaan, niin meillä on
V2 * γW = w Wd, josta V2 = w Wd / γw.
Toisaalta meillä on, että V1 = V – Vd, joten koska Vd * γs = Wd, niin
Vd = Wd / γs ja V1 = V – Wd / γs.
Siispä maaperän kyllästysaste Sr on
tai prosentteina maaperän kuivapainosta
Maa täysin kuiva
Tässä tapauksessa w = 0. Kaikki huokosvesi on poistettu, kun taas adsorboitunut vesi on poistunut vain osittain, eli vesikalvo on edelleen olemassa, mutta sen paksuus on pienentynyt.