A talaj szerkezete
A talajszerkezeten a szilárd fázisnak a földtömegben való elrendezését értjük. Mint ismeretes, a talaj szilárd részecskékből és vízzel, levegővel vagy vízgőzzel kitöltött pórusokból áll, többnyire részben levegővel, részben vízzel. A talaj szerkezetét a szilárd részecskék elrendeződése határozza meg. A kötés nélküli és a kötött talaj szerkezetei egymástól lényegesen különböznek.
A szemcsés talaj szerkezete
A nem kötött talaj szerkezete a gravitáció hatására alakul ki. E talaj szilárd szemcséi nagyobbak és lefelé hullanak, a gravitáció hatására leülepednek, miközben az ilyen szemcsék közötti molekulák közötti vonzóerők nem léteznek vagy jelentéktelenek, és a gravitáció legyőzi őket. Ezért a nem kötött talajnál a szilárd szemcsék egymás mellé rendeződnek, kitöltve a szemcsék közötti szabad teret (ábra 1_a_). Ha a nem kötött talaj szemcséi megközelítőleg gömb alakúak és azonos méretűek, amint ez egy egyenletes összetételű homok esetében előfordulhat, akkor a szerkezet lehet legsűrűbb (ábra 1_b_) vagy legritkább (ábra 1_c_), attól függően, hogyan rendeződnek el a szilárd szemcsék a talajban. A legsűrűbb szerkezet a nem kötött talaj legnagyobb tömöríthetőségének felel meg, és porozitása nmin=26%. A legritkább szerkezet a nem kötött talaj legkisebb lehetséges tömörségét jelenti, és porozitása nmax=48%. Így például a dűnék laza homokjának n=47%.
Ábra. 1 A nem kötött talaj szerkezete
Ha a kötött talaj szemcséi különböző nagyságúak, úgy hogy a finomabb részecskék kitöltik a nagyobbak közötti üregeket (á. 2), a talaj porozitása jóval kisebb (n=20% és kevesebb).
Ábra 2. Különböző szemcseméretű, nem kötött talaj szerkezete
A kötött talaj szerkezete
A kötött talajnál a szerkezet más, mint a szemcsés talajnál. A kötött talajban kohéziós erők lépnek fel, amelyek erősebbek a finom részecskék gravitációs erejénél, és az érintkezési felületeken összetapasztják őket. Ezért ezek a részecskék nem esnek egymás után lefelé, hanem egymáson és egymás mellett maradnak összetapadva (a 3_a_ ábra), így láncszerű, hálós szerkezetet alkotva (a 3_b_ ábra), pehelyszerűt (a 3_c_ ábra) stb., amelyeket magasabb rendű szerkezeteknek nevezünk. Az ilyen szerkezetek nagy porozitással rendelkeznek, amely elérheti a 60-80%-ot az össztömegből, ami szemcsés talajnál nem fordulhat elő.
Ábra 3. Kötött talaj szerkezete
Porozitás és porozitási tényező
A talaj porozitása a pórustérfogat és a talaj teljes térfogata közötti aránnyal definiálható (ábr. 4).
Ábr. 4. A talaj porozitása és porozitási együtthatója
Ha megjelöljük
- Vp = a talaj pórustérfogatát
- Vm = a szilárd részecskék térfogatát
- V = a talaj teljes térfogata,
a talaj porozitása n definíció szerint
n = VP / V = VP / (VP + Vm),
illetve a talaj teljes térfogatának %-ában
n = 100 * VP / (VP + Vm) %.
A talaj porozitási együtthatóját a pórustérfogat és a szilárd részecskék térfogatának arányaként definiáljuk:
e = VP / Vm.
A n porozitási képletéből kapjuk:
nVP + nVm = VP, ebből Vm = VP(1-n) / n.
Ezt az értéket behelyettesítve az e képletébe megkapjuk
e = n / (1-n).
Ebből az egyenletből kapjuk
e - ne = n; n = e / (1 + e).
A porozitási együttható a talaj tömörségét mutatja. Minél nagyobb az e együttható, annál kisebb a talaj sűrűsége, és fordítva. Ha valamely összenyomható talaj terhelés hatására ülepszik, a porozitási együttható süllyedés előtti és utáni értékével meghatározható a Δ_h_ süllyedés nagysága.
Tekintsünk egy h vastagságú összenyomható talajréteget (ábr. 5_a_). Ha ezt a réteget terheljük, Δ_h magasságnyit süllyed, így a terhelés hatására a vastagsága h1-re csökken. Eszerint
Δ_h_ = h – h1.
Mivel a tömöríthető talaj süllyedése a pórusok terhére történik, hiszen a szilárd szemcsék gyakorlatilag nem összenyomhatók, és ugyanígy a víz sem, ha a talaj pórusai részben vagy teljesen ezzel vannak kitöltve, ezt a süllyedést vázlatosan a 5_b_ ábra szemléltetheti.
Ábr. 5. A h = vastagságú összenyomható talajréteg Δh süllyedése terhelés alatt
Ha a h0 jelöléssel a pórusoktól mentes szilárd részecskeréteg képzeletbeli magasságát, az úgynevezett redukált magasságot jelöljük, akkor a Δ_h_ süllyedést a redukált h0 magassághoz viszonyítva a következő összefüggéssel fejezhetjük ki:
Ha a talajréteget egységnyi szélességű és hosszúságú sávként tekintjük, akkor az h, h1 és h0 magasságok térfogatokat jelentenek, tehát
ahol e a pórusviszony tényezője a süllyedés előtt, e1 pedig a süllyedés után. A fentiekből a süllyedés meghatározható
Δ_h_ = h0 (e-e1).
A süllyedés kifejezhető a h rétegvastagsághoz viszonyítva, a süllyedés előtti állapotban, ha a redukált magasság h0 értékét behelyettesítjük:
h0 = h – nh = h (1-n) = h / (1+e),
mivel n = VP / V = VP / h_,_ ahonnan VP = nh.
Ebből következően kapjuk meg
Az egyes talajtípusok a következő átlagos porozitási n és hézagtényező e értékekkel rendelkeznek:
Talajnedvesség
A talajban lévő vízfajták
A talajvíz a szilárd részecskék közötti pórusokban levő víz formájában jelenik meg, az ún. pórusvíz formájában, továbbá adszorbeált vízként a szilárd részecskéken és kristályvízként.
A pórusvíz a szilárd részecskék közötti szabad vízből áll, amelynek mozgása a Darcy-törvény szerint történik, továbbá a gravitációs vízből, amely a gravitáció hatására minden irányban felülről lefelé mozog, de mozgása nem a Darcy-törvény szerint megy végbe, a kapilláris vízből, amely kapilláris erők hatására mozog, és a felületi feszültségű vízből, amely a talaj szilárd részecskéi közötti sarkokban a felületi feszültség révén marad meg, és szögletes pórusvíznek is nevezik. Ez az összes víz teljesen eltávolítható a talaj 110oC hőmérsékleten történő szárításával.
A adszorbeált víz az, amely körülveszi a szilárd részecskéket, amelyekhez molekuláris erők kötik. Ez az ún. vízfilm, რომლის vastagsága 6-80 µµ (1µµ=10-6 mm, milimikron). Az adszorbeált víz hatása a nagyobb szemcséknél elhanyagolható, azonban minél finomabbak a szemcsék, annál nagyobb a hatása, mert nő a szemcsék összfelülete, és ezzel együtt az adszorbeált víz aránya a talaj egységnyi térfogatában levő szilárd részecskékhez viszonyítva. Ez a víz csak részben távolítható el 110oC-on történő szárítással.
A kristályvíz kémiailag egyesülve van a talaj szilárd részecskéinek ásványi kristályaival. Ebből a vízből nagyon kevés van, és a talaj szárításával nem távolítható el. Ezért ez a víz a szilárd részecske szerves részének tekinthető.
A talaj víztartalma
Meghatározás szerint a talajban lévő vízmennyiség, vagy talajnedvesség, a talajban található víz súlyának és a szilárd alkotórészek súlyának hányadosa. A talaj víztartalma szerint három eset különböztethető meg: teljesen vízzel telített talaj, részben vízzel telített talaj és teljesen száraz talaj.
Víztelítettségig telített talaj
Ha a talaj porozitását n-nel, az összes szemcse térfogatsúlyát γs-sel, a víz térfogatsúlyát γw-vel jelöljük, akkor a telített talaj nedvességtartalma wZ a következő egyenlettel fejezhető ki
Részben vízzel telített talaj
Ha Ww-vel jelöljük a talajban lévő víz tömegét, Wd-vel pedig a szilárd szemcsék tömegét, vagyis a talaj száraz tömegét, akkor a talaj nedvességtartalma w
w = Ww / Wd , illetve a talaj száraz tömegének százalékában: w = 100 Ww / Wd.
Ebben az esetben a talaj nedvességtartalma kifejezhető a nedvességi fok Sr segítségével, amely a talajban ténylegesen jelen lévő víz súlyának és annak a vízsúlynak az arányát jelenti ugyanabban a talajban, amely akkor lenne, ha minden pórus vízzel lenne kitöltve, illetve a telített talaj vízsúlyához viszonyítva:
ill. _γ_w = 1,00 Sr = w*γs / e.
A nedvességi fok határértékei a következők:
- teljesen száraz talaj esetén w = 0; Sr = 0
- teljesen telített talajra w = e/γs; Sr = e/γs * γs / e = 1,0.
- ábra 6. Víz részben telített talajminta
A telítettségi fokot (amelyet néha telítettségnek vagy nedvességi foknak is neveznek) a vízzel telt pórustérfogat és a teljes pórustérfogat aránya is kifejezi (ábr. 6):
Sr = V2 / V1
ahol V2 a vízzel telt pórusok térfogata, V1 pedig a vízzel, levegővel és gázokkal telt pórusok összes térfogata. Ha w a talaj nedvességtartalma a száraz talajtömeg Wd %-ában, akkor
V2 * γW = w Wd, ahonnan V2 = w Wd / γw.
Másrészt adódik, hogy V1 = V – Vd, és mivel Vd * γs = Wd, ezért
Vd = Wd / γs és V1 = V – Wd / γs.
Eszerint a talaj telítettségi foka Sr a következő lesz
vagyis a talaj száraz tömegének százalékában
A talaj teljesen száraz
Ebben az esetben w = 0. Az összes pórusvíz eltávozott, míg az adszorbeált víz csak részben távozott, azaz a vízfilm továbbra is megvan, de a vastagsága csökkent.