Građa tla
Pod strukturom tla podrazumijeva se raspored čvrste faze u zemljanoj masi. Kao što je poznato, tlo se sastoji od čvrstih čestica i pora ispunjenih vodom, zrakom ili vodenom parom, najčešće djelomično zrakom, djelomično vodom. Prema rasporedu čvrstih čestica u tlu određena je njegova struktura. Strukture nevezanog i vezanog tla bitno se razlikuju među sobom.
Struktura rastresitog tla
Struktura nevezanog tla nastaje pod djelovanjem gravitacije. Čvrste čestice ovog tla krupnije su i padaju naniže, talože se pod djelovanjem gravitacije, dok međumolekularne privlačne sile takvih čestica ne postoje ili su neznatne i savladane gravitacijom. Zbog toga se kod nevezanog tla čvrste čestice slažu jedna pored druge, zauzimajući slobodan prostor između složenih čestica (sl. 1_a_). Ako su čestice nevezanog tla približno okruglog oblika i iste veličine, kao što može biti slučaj pijeska jednoličnog sastava, onda struktura može biti najgušća (sl. 1_b_) ili najrjeđa (sl. 1_c_), što ovisi o rasporedu čvrstih čestica u tlu. Najgušća struktura odgovara najvećoj mogućoj zbijenosti nevezanog tla i njegova poroznost je nmin=26%. Najrjeđa struktura odgovara najmanjoj mogućoj zbijenosti nevezanog tla i njegova poroznost je nmax=48%. Tako, na primjer, rastresiti pijesak dina ima n=47%.
Sl. 1 Struktura rastresitog tla
Ako je nevezano tlo različite krupnoće zrna, tako da sitnije čestice ispunjavaju šupljine između krupnijih (sl. 2), poroznost tla znatno je manja (n=20% i manje).
Sl. 2. Struktura nevezanog tla različite veličine zrna
Struktura vezanoga tla
Kod vezanog tla struktura je drukčija nego kod nevezanog. Kod vezanog tla pojavljuju se sile kohezije, koje su jače od sile gravitacije sitnih čestica i sljepljuju ih na dodirnim površinama. Zbog toga te čestice ne padaju redom naniže, nego ostaju sljepljene jedna na drugoj i jedna uz drugu (sl. 3_a_), stvarajući tako lančano mrežastu strukturu (sl. 3_b_), pahuljastu (sl. 3_c_) itd., koje se nazivaju strukture višeg reda. Takve strukture imaju veliku poroznost, koja može ići do 60-80% ukupne mase, što ne može biti kod nevezanog tla.
Sl. 3. Struktura kohezivnog tla
Poroznost i faktor poroznosti
Poroznost tla definira se odnosom zapremine pora prema ukupnoj zapremini tla (sl. 4).
Sl. 4. Poroznost tla te koeficijent poroznosti
Ako označimo kao
- Vp = volumen pora u tlu
- Vm = obujam čvrstih čestica
- V = ukupni volumen tla,
Poroznost tla n definira se po definiciji
n = VP / V = VP / (VP + Vm),
odnosno u % ukupnog volumena tla
n = 100 * VP / (VP + Vm) %.
Koeficijent poroznosti tla definira se odnosom volumena pora prema volumenu čvrstih čestica:
e = VP / Vm.
Iz obrasca za poroznost n dobivamo:
nVP + nVm = VP, iz čega slijedi Vm = VP(1-n) / n.
Zamjenjujući ovu vrijednost u obrascu za e dobivamo
e = n / (1-n).
Iz ove jednadžbe dobivamo
e - ne = n; n = e / (1 + e).
Koeficijent poroznosti pokazuje gustoću tla. Što je koeficijent e veći, to je gustoća tla manja i obrnuto. Ako se neko stišljivo tlo pod opterećenjem slijegne, pomoću koeficijenta poroznosti prije i poslije slijeganja može se odrediti veličina slijeganja Δ_h_.
Promotrimo sloj stišljivog tla debljine h (sl. 5_a_). Ako ovaj sloj opteretimo, on će se slijegati za visinu Δ_h_, tako da će se njegova debljina uslijed opterećenja smanjiti na h1. Prema tome
Δ_h_ = h – h1.
Pošto se slijeganje stišljivog tla vrši na račun pora, jer su čvrste čestice praktično nestišljive, a također i voda, ako su pore tla njome ispunjene djelomično ili potpuno, to se ovo slijeganje može shematski prikazati na sl. 5_b_.
Sl. 5. Slijeganje Δh stišljivog sloja tla debljine h pod opterećenjem
Ako označimo s h0 zamišljenu visinu sloja čvrstih čestica bez pora, zvanu redukovana visina, tada možemo izraziti slijeganje Δ_h_ u odnosu na reduciranu visinu h0 odnosom:
Ako promatramo sloj tla širine i duljine koje su jednake jedinici, onda visine h, h1 i h0 predstavljaju volumene, te je
gdje je e koeficijent poroznosti prije, e1 nakon slijeganja. Iz prethodnog dobiva se slijeganje
Δ_h_ = h0 (e-e1).
Slijeganje se može izraziti u odnosu na visinu sloja h prije slijeganja ako zamijenimo vrijednost reducirane visine h0:
h0 = h – nh = h (1-n) = h / (1+e),
budući da je n = VP / V = VP / h_,_ odakle je VP = nh.
Prema tome se dobiva
Pojedine vrste tla imaju sljedeće prosječne vrijednosti poroznosti n i koeficijenta poroznosti e:
Vlažnost zemlje
Oblici vode u tlu
Voda u tlu pojavljuje se u obliku vode u porama između čvrstih čestica, tzv. porna voda, zatim kao adsorbirana voda na čvrstim česticama i kao konstituciona voda.
Porna voda sastoji se od slobodne vode između čvrstih čestica, čije se kretanje odvija po Darcyjevom zakonu, zatim gravitacijske vode, koja se kreće pod djelovanjem gravitacije odozgo prema dolje u svim smjerovima, ali se njezino kretanje ne odvija po Darcyjevom zakonu, kapilarne vode koja se kreće pod djelovanjem kapilarnih sila i vode površinskog napona, koja se zadržava površinskim naponom u kutovima između čvrstih čestica tla i naziva se još ugaona porna voda. Sva se ta voda može potpuno ukloniti sušenjem tla na temperaturi od 110oC.
Adsorbirana voda je ona koja obavija čvrste čestice, za koje je vezana molekularnim silama. To je tzv. vodeni film, čija debljina se kreće 6-80 µµ (1µµ=10-6 mm, milimikron). Utjecaj adsorbirane vode kod krupnijih čestica je neznatan, međutim, ukoliko su čestice sitnije, utoliko je njezin utjecaj veći, jer se povećava ukupna površina čestica, a time i odnos adsorbirane vode prema čvrstim česticama u jedinici volumena tla. Ova se voda može samo djelomično ukloniti sušenjem na 110oC.
Konstituciona voda je kemijski sjedinjena u kristale minerala čvrstih čestica tla. Ove vode ima vrlo malo i ona se ne može ukloniti sušenjem tla. Stoga se ova voda može smatrati sastavnim dijelom čvrste čestice.
Sadržaj vode u tlu
Po definiciji količina vode u tlu ili vlažnost tla jest odnos težine vode sadržane u tlu prema težini njegovih čvrstih sastojaka. Prema količini vode u tlu razlikuju se tri slučaja: tlo potpuno zasićeno vodom, tlo djelomično zasićeno vodom i tlo potpuno suho.
Tlo potpuno natopljeno vodom
Ako označimo s n poroznost tla, γs volumensku težinu svih čestica, γw volumensku težinu vode, tada se vlažnost zasićenog tla wZ može izraziti sljedećom jednadžbom
Tlo djelomično zasićeno vodom
Ako označimo sa Ww težinu vode sadržane u tlu, sa Wd težinu čvrstih čestica odnosno suhu težinu tla, onda je vlažnost tla w
w = Ww / Wd , odnosno u postotku suhe težine tla: w = 100 _Ww / Wd.
U ovom slučaju vlažnost tla može se izraziti stupnjem vlažnosti Sr koji predstavlja odnos stvarne težine vode u tlu prema onoj težini vode u istom tlu koja bi, kada bi sve pore bile ispunjene vodom, odnosno prema težini vode zasićenog tla:
odnosno za _γ_w = 1,00 Sr = w*γs / e.
Granične vrijednosti za stupanj vlažnosti su:
- za potpuno suho tlo w = 0; Sr = 0
- za tlo koje je potpuno zasićeno w = e/γs; Sr = e/γs * γs / e = 1,0.
Sl. 6. Uzorak tla djelomično zasićen vodom
Stupanj zasićenja (koji se ponekad naziva također zasićenost ili stupanj vlažnosti) izražava se još i odnosom volumena pora ispunjenih vodom prema ukupnom volumenu pora (sl. 6):
Sr = V2 / V1
gdje je V2 zapremina pora ispunjenih vodom, V1 ukupna zapremina pora ispunjenih vodom, zrakom i plinovima. Ako je w vlažnost tla u % suhe težine tla Wd, onda imamo
V2 * γW = w Wd, gdje je V2 = w Wd / γw.
S druge strane, vrijedi da je V1 = V – Vd, pa kako je Vd * γs = Wd, to je
Vd = Wd / γs te V1 = V – Wd / γs.
Prema tome, stupanj zasićenja tla Sr bit će
odnosno u postocima suhe težine tla
Tlo potpuno suho
U ovom slučaju je w = 0. Sva porna voda je uklonjena, dok je adsorbirana voda samo djelomično uklonjena, tj. vodeni film i dalje postoji, ali je njegova debljina smanjena.