מבנה הקרקע
במונח מבנה הקרקע הכוונה היא לסידור השלב המוצק במסת האדמה. כידוע, הקרקע מורכבת מחלקיקים מוצקים ומנקבוביות הממולאות במים, באוויר או באדי מים, בדרך כלל בחלקן באוויר ובחלקן במים. לפי סידור החלקיקים המוצקים בקרקע נקבע מבנה שלה. המבנים של קרקע לא־מלוכדת ושל קרקע מלוכדת נבדלים זה מזה באופן מהותי.
מבנה קרקע לא־מלוכדת
מבנה הקרקע הלא מלוכדת משתנה תחת השפעת הכבידה. החלקיקים המוצקים של קרקע זו גסים יותר ונופלים כלפי מטה, שוקעים תחת השפעת הכבידה, בעוד שכוחות המשיכה הבין־מולקולריים של חלקיקים כאלה אינם קיימים או שהם זניחים ומובסים על ידי הכבידה. לכן בקרקע לא מלוכדת החלקיקים המוצקים מסתדרים זה לצד זה, ותופסים את המרחב הפנוי בין החלקיקים הערוכים (איור 1_a_). אם חלקיקי הקרקע הלא מלוכדת הם בעלי צורה כמעט עגולה ובגודל זהה, כפי שיכול להיות במקרה של חול בהרכב אחיד, אז המבנה יכול להיות הצפוף ביותר (איור 1_b_) או הדליל ביותר (איור 1_c_), בהתאם לסידור החלקיקים המוצקים בקרקע. המבנה הצפוף ביותר מתאים לאפשרות המרבית של דחיסות הקרקע הלא מלוכדת, ונקבוביותו היא nmin=26%. המבנה הדליל ביותר מתאים לדחיסות המינימלית האפשרית של הקרקע הלא מלוכדת, ונקבוביותו היא nmax=48%. כך למשל חול דיונות רופף הוא בעל n=47%.
אי. 1 מבנה קרקע לא מלוכדת
אם קרקע לא קשורה היא בעלת גרעיניות שונה, כך שהחלקיקים הדקים יותר ממלאים את החללים בין הגסים יותר (איור 2), נקבוביות הקרקע קטנה בהרבה (n=20% ופחות).
איור 2. מבנה קרקע לא מלוכדת בגדלי גרגרים שונים
מבנה של קרקע קשורה
בקרקע מלוכדת המבנה שונה מאשר בקרקע לא מלוכדת. בקרקע מלוכדת מופיעים כוחות קוהזיה, החזקים מכוח הכבידה של החלקיקים הזעירים ומדביקים אותם במשטחי המגע. משום כך חלקיקים אלה אינם נופלים בסדר כלפי מטה, אלא נשארים דבוקים זה לזה וזה לצד זה (איור 3_a_), וכך נוצרים מבנים שרשרתיים-רשתיים (איור 3_b_), דמויי פתיתים (איור 3_c_) וכדומה, הנקראים מבנים מסדר גבוה יותר. למבנים כאלה יש נקבוביות רבה, שיכולה להגיע ל-60-80% מן המסה הכוללת, דבר שאינו אפשרי בקרקע לא מלוכדת.
איור 3. מבנה של קרקע קשורה
נקבוביות ומקדם הנקבוביות
נקבוביות הקרקע מוגדרת כיחס בין נפח הנקבים לבין הנפח הכולל של הקרקע (איור 4).
איור 4. נקבוביות ומקדם הנקבוביות של הקרקע
אם נסמן ב־
- Vp = נפח הנקבוביות בקרקע
- Vm = לנפח החלקיקים המוצקים
- V = הנפח הכולל של הקרקע,
נקבוביות הקרקע n היא לפי ההגדרה
n = VP / V = VP / (VP + Vm),
כלומר ב-% מנפח הקרקע הכולל
n = 100 * VP / (VP + Vm) %.
מקדם הנקבוביות של הקרקע מוגדר כיחס בין נפח הנקבים לבין נפח החלקיקים המוצקים:
e = VP / Vm.
מן הנוסחה לנקבוביות n מתקבל:
nVP + nVm = VP, ומכאן Vm = VP(1-n) / n.
בהצבת ערך זה בנוסחה עבור e מתקבל
e = n / (1-n).
מן המשוואה הזו אנו מקבלים
e - ne = n; n = e / (1 + e).
מקדם הנקבוביות מצביע על צפיפות הקרקע. ככל שמקדם e גדול יותר, כך צפיפות הקרקע קטנה יותר, ולהפך. אם קרקע דחיסה כלשהי שוקעת תחת עומס, אפשר לקבוע באמצעות מקדם הנקבוביות לפני השקיעה ואחריה את גודל השקיעה Δ_h_.
נבחן שכבה של קרקע דחיסה בעובי h (איור 5_a_). אם נעמיס שכבה זו, היא תשקע בגובה Δ_h_, כך שעובייה יקטן עקב העומס ל-h1. לפיכך
Δ_h_ = h – h1.
מאחר ששקיעת קרקע דחיסה מתרחשת על חשבון הנקבוביות, משום שהחלקיקים המוצקים כמעט שאינם דחיסים, וגם המים, אם נקבוביות הקרקע ממולאות בהם חלקית או במלואן, ניתן להציג שקיעה זו באופן סכמטי באיור 5_b_.
איור 5. שקיעת Δh של שכבת קרקע דחיסה בעובי h תחת עומס
אם נסמן ב-h0 את הגובה המדומה של שכבת חלקיקים מוצקים ללא נקבוביות, הנקרא גובה מופחת, נוכל לבטא את השקיעה Δ_h_ ביחס לגובה המופחת h0 באמצעות היחס הבא:
אם נבחן שכבת קרקע ברוחב ובאורך השווים לאחד, אזי הגבהים h, h1 ו-h0 מייצגים נפחים, ולכן
כאשר e הוא מקדם הנקבוביות לפני, e1 אחרי ההתיישבות. מן האמור לעיל מתקבלת ההתיישבות
Δ_h_ = h0 (e-e1).
ניתן להביע את השקיעה ביחס לגובה השכבה h לפני השקיעה אם נחליף את ערך הגובה המופחת h0:
h0 = h – nh = h (1-n) = h / (1+e),
כיוון ש־n = VP / V = VP / h_,_ ומכאן ש־VP = nh.
מכאן מתקבל
סוגי קרקע מסוימים הם בעלי הערכים הממוצעים הבאים של הנקבוביות n ושל מקדם הנקבוביות e:
לחות הקרקע
סוגי המים בקרקע
מים בקרקע מופיעים בצורה של מים בנקבוביות שבין החלקיקים המוצקים, מה שנקרא מי נקבוביות, אחר כך כ-מים נספחים על החלקיקים המוצקים וכ-מי קונסטיטוציה.
מי המנקב מורכבים מ-מים חופשיים בין חלקיקים מוצקים, שתנועתם מתבצעת לפי חוק דארסי, לאחר מכן מי כבידה, הנעים תחת השפעת הכבידה מלמעלה כלפי מטה בכל הכיוונים, אך תנועתם אינה מתבצעת לפי חוק דארסי, מים קפילריים הנעים תחת השפעת כוחות קפילריים, ו-מים של מתח פנים, הנאחזים במתח הפנים בזוויות שבין חלקיקי הקרקע המוצקים ונקראים גם מי נקבובית זוויתיים. ניתן לסלק את כל המים הללו לחלוטין על ידי ייבוש הקרקע בטמפרטורה של 110oC.
מים נספחים הם אלה העוטפים את החלקיקים המוצקים, שאליהם הם קשורים בכוחות מולקולריים. זהו מה שמכונה סרט מים, שעוביו נע בין 6-80 µµ (1µµ=10-6 mm, מילימיקרון). השפעת המים הנספחים על חלקיקים גדולים יותר היא זניחה; אולם ככל שהחלקיקים עדינים יותר, כך השפעתם גדולה יותר, משום ששטח הפנים הכולל של החלקיקים גדל, וממילא גם היחס בין המים הנספחים לבין החלקיקים המוצקים בנפח יחידת קרקע. מים אלה ניתן להסיר רק באופן חלקי בייבוש ב-110oC.
מי קונסטיטוציה הם מים הקשורים כימית אל גבישי המינרלים של חלקיקי הקרקע המוצקים. כמות מים זו קטנה מאוד ואי אפשר לסלקה באמצעות ייבוש הקרקע. לכן ניתן לראות במים אלה חלק בלתי נפרד מן החלקיק המוצק.
כמות המים בקרקע
לפי ההגדרה, כמות המים בקרקע או לחות הקרקע היא היחס בין משקל המים המצויים בקרקע לבין משקל מרכיביה המוצקים. לפי כמות המים בקרקע מבחינים בשלושה מצבים: קרקע רוויה לחלוטין במים, קרקע רוויה חלקית במים וקרקע יבשה לחלוטין.
קרקע רוויה במים לחלוטין
אם נסמן ב-n את נקבוביות הקרקע, ב-γs את המשקל הנפחי של כל החלקיקים, וב-γw את המשקל הנפחי של המים, אזי ניתן לבטא את לחות הקרקע הרוויה wZ באמצעות המשוואה הבאה
הקרקע רוויה חלקית במים
אם נסמן ב-Ww את משקל המים המצויים בקרקע, וב-Wd את משקל החלקיקים המוצקים, כלומר את משקל הקרקע היבשה, אזי לחות הקרקע w
w = Ww / Wd , כלומר באחוזים של משקל יבש של הקרקע: w = 100 Ww / Wd.
במקרה זה ניתן לבטא את לחות הקרקע באמצעות דרגת הרוויה Sr המייצגת את היחס בין משקל המים בפועל בקרקע לבין משקל המים באותה קרקע אילו כל הנקבוביות היו מלאות מים, כלומר ביחס למשקל המים של קרקע רוויה:
כלומר, עבור _γ_w = 1,00 Sr = w*γs / e.
ערכי הגבול של דרגת הלחות הם:
- עבור קרקע יבשה לחלוטין w = 0; Sr = 0
- לקרקע רוויה לחלוטין w = e/γs; Sr = e/γs * γs / e = 1,0.
איור 6. דוגמת קרקע רוויה חלקית במים
דרגת הרוויה (הנקראת לעיתים גם רוויה או דרגת לחות) מבוטאת גם באמצעות היחס בין נפח הנקבוביות המלאות במים לבין נפח הנקבוביות הכולל (איור 6):
Sr = V2 / V1
כאשר V2 הוא נפח הנקבוביות המלאות במים, V1 הנפח הכולל של הנקבוביות המלאות במים, באוויר ובגזים. אם w הוא לחות הקרקע באחוזים ממשקל היבש של הקרקע Wd, אז יש לנו
V2 * γW = w Wd, ומכאן V2 = w Wd / γw.
מן הצד השני, מתקבל כי V1 = V – Vd, וכיוון ש-Vd * γs = Wd, הרי ש
Vd = Wd / γs ו-V1 = V – Wd / γs.
לפיכך, מידת רוויה של הקרקע Sr תהיה
כלומר באחוזים ממשקל הקרקע היבש
הקרקע יבשה לחלוטין
במקרה זה w = 0. כל מי המנקבוביות הוסרו, בעוד שהמים הנספחים הוסרו רק בחלקם, כלומר שכבת המים עדיין קיימת, אך עובייה קטן יותר.