Հողի կառուցվածքը
Հողի կառուցվածք ասելով՝ հասկանում ենք պինդ փուլի դասավորությունը հողային զանգվածում։ Ինչպես հայտնի է, հողը բաղկացած է պինդ մասնիկներից և ջրով, օդով կամ ջրի գոլորշով լցված ծակոտիներից, առավել հաճախ՝ մասամբ օդով, մասամբ ջրով։ Պինդ մասնիկների դասավորվածությամբ է որոշվում հողի կառուցվածքը։ Չկապակցված և կապակցված հողի կառուցվածքները էապես տարբերվում են միմյանցից։
Չկապակցված հողի կառուցվածքը
Չկապակցված հողի կառուցվածքը ձևավորվում է ծանրության ազդեցությամբ։ Այս հողի պինդ մասնիկներն ավելի խոշոր են և ընկնում են ներքև, նստում են ծանրության ազդեցությամբ, մինչդեռ նման մասնիկների միջմոլեկուլային ձգողական ուժեր չկան կամ դրանք աննշան են և հաղթահարված են ծանրության կողմից։ Այդ պատճառով չկապակցված հողի դեպքում պինդ մասնիկները դասավորվում են մեկը մյուսի կողքին՝ զբաղեցնելով դասավորված մասնիկների միջև եղած ազատ տարածությունը (նկ. 1_ա_)։ Եթե չկապակցված հողի մասնիկները մոտավորապես կլոր ձևի են և նույն չափի, ինչպես կարող է լինել միատարր կազմով ավազի դեպքում, ապա կառուցվածքը կարող է լինել ամենախիտը (նկ. 1_բ_) կամ ամենախոսր (նկ. 1_գ_), ինչը կախված է հողի պինդ մասնիկների դասավորությունից։ Ամենախիտ կառուցվածքը համապատասխանում է չկապակցված հողի առավելագույն խտացման հնարավորությանը, և նրա ծակոտկենությունը nmin=26%։ Ամենախոսր կառուցվածքը համապատասխանում է չկապակցված հողի հնարավոր նվազագույն խտացմանը, և նրա ծակոտկենությունը nmax=48%։ Այսպես, օրինակ, դյունային թափանցիկ ավազը ունի n=47%։
Նկ. 1 Չկապակցված հողի կառուցվածքը
Եթե չկապակցված հողը ունի հատիկների տարբեր խոշորություն, այնպես որ մանր մասնիկները լրացնում են խոշորների միջև եղած դատարկությունները (նկ. 2), ապա հողի ծակոտկենությունը զգալիորեն փոքր է (n=20% և պակաս)։
Նկ. 2. Տարբեր հատիկաչափության չկապակցված հողի կառուցվածքը
Կապակցված հողի կառուցվածքը
Կապակցված հողի դեպքում կառուցվածքը տարբեր է, քան չկապակցվածի դեպքում։ Կապակցված հողի մեջ առաջանում են կոհեզիայի ուժեր, որոնք ավելի ուժեղ են, քան մանր մասնիկների ձգողական ուժը և դրանք կպցնում են շփման մակերեսներում։ Դրա պատճառով այդ մասնիկները չեն ընկնում հերթով ներքև, այլ մնում են միմյանց վրա և կողք կողքի կպած (նկ. 3_a_), այդպիսով ստեղծելով շղթայաձև ցանցանման կառուցվածք (նկ. 3_b_), փաթիլային (նկ. 3_c_) և այլն, որոնք կոչվում են ավելի բարձր կարգի կառուցվածքներ։ Նման կառուցվածքներն ունեն մեծ ծակոտկենություն, որը կարող է հասնել 60-80% ընդհանուր զանգվածից, ինչը հնարավոր չէ չկապակցված հողի դեպքում։
Նկ. 3. Կապակցված հողի կառուցվածքը
Ծակոտկենությունը և ծակոտկենության գործակիցը
Հողի ծակոտկենությունը սահմանվում է ծակոտիների ծավալի և հողի ընդհանուր ծավալի հարաբերությամբ (նկ. 4)։
Նկ. 4. Հողի ծակոտկենությունը և ծակոտկենության գործակիցը
Եթե նշենք
- Vp = հողի ծակոտիների ծավալը
- Vm = պինդ մասնիկների ծավալը
- V = հողի ընդհանուր ծավալը,
հողի ծակոտկենությունը n ըստ սահմանման
n = VP / V = VP / (VP + Vm),
այսինքն՝ հողի ընդհանուր ծավալի %-ով
n = 100 * VP / (VP + Vm) %.
Հողի ծակոտկենության գործակիցը սահմանվում է ծակոտիների ծավալի հարաբերությամբ պինդ մասնիկների ծավալին՝
e = VP / Vm.
Ծակոտկենության n բանաձևից ունենք՝
nVP + nVm = VP, հետևաբար Vm = VP(1-n) / n.
Այս արժեքը փոխարինելով e-ի բանաձևում՝ ստանում ենք
e = n / (1-n).
Այս հավասարումից ստանում ենք
e - ne = n; n = e / (1 + e).
Ծակոտկենության գործակիցը ցույց է տալիս հողի խտությունը։ Եթե e գործակիցը մեծ է, ապա հողի խտությունն ավելի փոքր է, և հակառակը։ Եթե որևէ սեղմվող հողը բեռնվածության տակ նստում է, ապա ծակոտկենության գործակցի միջոցով՝ նստելուց առաջ և հետո, կարելի է որոշել նստվածքի մեծությունը Δ_h_։
Դիտարկենք սեղմվող հողի h հաստությամբ շերտը (նկ. 5_a_)։ Եթե այս շերտը բեռնավորենք, այն կնստի Δ_h բարձրությամբ, այնպես որ բեռնվածքի ազդեցությամբ նրա հաստությունը կնվազի մինչև h1։ Հետևաբար
Δ_h_ = h – h1.
Քանի որ սեղմելի հողի նստեցումը տեղի է ունենում ծակոտիների հաշվին, քանի որ պինդ մասնիկները գործնականում սեղմելի չեն, ինչպես նաև ջուրը՝ եթե հողի ծակոտիները դրա միջոցով լցված են մասնակիորեն կամ ամբողջությամբ, ապա այս նստեցումը կարելի է սխեմատիկ ներկայացնել 5_b_ նկարի վրա։
Նկ. 5. Ճնշման տակ h հաստությամբ սեղմվող հողի շերտի նստում Δh
Եթե h0-ով նշենք պինդ մասնիկների շերտի առանց ծակոտիների մտացածին բարձրությունը, որը կոչվում է կրճատված բարձրություն, ապա կարող ենք նստեցումը Δ_h_ արտահայտել կրճատված բարձրության h0 նկատմամբ հետևյալ հարաբերությամբ՝
Եթե դիտարկենք այնպիսի լայնությամբ և երկարությամբ հողի շերտ, որոնք հավասար են միավորին, ապա h, h1 և h0 բարձրությունները ներկայացնում են ծավալներ, ուստի՝
որտեղ e՝ ծակոտկենության գործակիցը մինչև, e1՝ նստեցումից հետո։ Վերոնշյալից ստացվում է նստեցումը
Δ_h_ = h0 (e-e1).
Նստվածքը կարելի է արտահայտել շերտի h բարձրության նկատմամբ՝ մինչև նստվածքը, եթե փոխարինենք նվազեցված բարձրության h0 արժեքը՝
h0 = h – nh = h (1-n) = h / (1+e),
քանի որ n = VP / V = VP / h_,_ որտեղից VP = nh.
Այդպիսով ստացվում է
Հողի առանձին տեսակներն ունեն հետևյալ միջին արժեքները՝ ծակոտկենության n և ծակոտկենության գործակցի e:
Հողի խոնավությունը
Հողի ջրի տեսակները
Հողում ջուրը հանդես է գալիս պինդ մասնիկների միջև եղած ծակոտիներում գտնվող ջրի ձևով՝ այսպես կոչված ծակոտինային ջուր, ապա որպես ադսորբված ջուր՝ պինդ մասնիկների վրա, և որպես կոնստիտուցիոն ջուր։
Ծակոտկեն ջուրը բաղկացած է ազատ ջրից՝ պինդ մասնիկների միջև, որի շարժումը կատարվում է Դարսիի օրենքով, ապա գրավիտացիոն ջրից, որը շարժվում է ծանրության ազդեցությամբ վերևից ներքև բոլոր ուղղություններով, սակայն դրա շարժումը չի կատարվում Դարսիի օրենքով, մազանոթային ջրից, որը շարժվում է մազանոթային ուժերի ազդեցությամբ, և մակերևութային լարման ջրից, որը մակերևութային լարման շնորհիվ պահվում է հողի պինդ մասնիկների միջև եղած անկյուններում և կոչվում է նաև անկյունային ծակոտկեն ջուր։ Այս ամբողջ ջուրը կարելի է լիովին հեռացնել հողը չորացնելով 110oC ջերմաստիճանում։
Ադսորբված ջուրը այն է, որը պատում է պինդ մասնիկները, որոնց հետ կապված է մոլեկուլային ուժերով։ Սա այսպես կոչված ջրային թաղանթն է, որի հաստությունը տատանվում է 6-80 µµ (1µµ=10-6 mm, միլիմիկրոն)։ Ադսորբված ջրի ազդեցությունը խոշոր մասնիկների դեպքում աննշան է, սակայն որքան մասնիկները մանր են, այնքան դրա ազդեցությունն ավելի մեծ է, որովհետև մեծանում է մասնիկների ընդհանուր մակերեսը, և դրանով նաև ադսորբված ջրի հարաբերակցությունը պինդ մասնիկներին հողի միավոր ծավալում։ Այս ջուրը կարելի է միայն մասամբ հեռացնել 110oC-ում չորացնելով։
Կոնստիտուցիոն ջուրը քիմիապես միացած է հողի պինդ մասնիկների հանքային բյուրեղներում։ Այդ ջրից շատ քիչ է լինում, և այն հնարավոր չէ հեռացնել հողը չորացնելով։ Ուստի այս ջուրը կարելի է դիտել որպես պինդ մասնիկի կազմամաս։
Ջրի քանակը հողում
Ըստ սահմանման՝ հողում ջրի քանակը կամ հողի խոնավությունը հողի մեջ պարունակվող ջրի քաշի և նրա պինդ բաղադրիչների քաշի հարաբերությունն է։ Հողի ջրայնության քանակով տարբերում են երեք դեպք՝ ամբողջովին ջրով հագեցած հող, մասամբ ջրով հագեցած հող և ամբողջովին չոր հող։
Ջրով լիովին հագեցած հողը
Եթե հողի ծակոտկենությունը նշենք n-ով, γs-ը՝ բոլոր մասնիկների ծավալային քաշը, γw-ն՝ ջրի ծավալային քաշը, ապա հագեցած հողի խոնավությունը wZ կարելի է արտահայտել հետևյալ հավասարմամբ
Հողը մասամբ հագեցած է ջրով
Եթե Ww-ով նշենք հողի մեջ պարունակվող ջրի քաշը, իսկ Wd-ով՝ պինդ մասնիկների քաշը, այսինքն՝ հողի չոր քաշը, ապա հողի խոնավությունը w է
w = Ww / Wd , այսինքն՝ հողի չոր քաշի տոկոսով՝ w = 100 Ww / Wd.
Այս դեպքում հողի խոնավությունը կարելի է արտահայտել խոնավության աստիճանով Sr, որը ներկայացնում է հողի մեջ եղած իրական ջրի քաշի հարաբերությունը նույն հողում եղած այն ջրի քաշին, որը կլիներ, եթե բոլոր ծակոտիները լցված լինեին ջրով, այսինքն՝ հագեցած հողի ջրի քաշին՝
կամ՝ γ_w = 1,00 դեպքում Sr = w*γs / e.
Խոնավության աստիճանի սահմանային արժեքներն են՝
- ամբողջովին չոր հողի համար w = 0; Sr = 0
- լիովին հագեցած հողի համար w = e/γs; Sr = e/γs * γs / e = 1,0.
Նկ. 6. Հողով մասնակիորեն հագեցած նմուշ
Հագեցվածության աստիճանը (որը երբեմն անվանվում է նաև հագեցվածություն կամ խոնավության աստիճան) արտահայտվում է նաև ջրով լցված ծակոտիների ծավալի հարաբերությամբ ընդհանուր ծակոտիների ծավալին (նկ. 6):
Sr = V2 / V1
որտեղ V2 ջրով լցված ծակոտիների ծավալն է, V1՝ ջրով, օդով և գազերով լցված ծակոտիների ընդհանուր ծավալը։ Եթե w-ն հողի խոնավությունն է՝ հողի չոր քաշի Wd-ի նկատմամբ %-ով, ապա ունենք
V2 * γW = w Wd, որտեղից V2 = w Wd / γw.
Մյուս կողմից, ունենք, որ V1 = V – Vd, իսկ քանի որ Vd * γs = Wd, ապա
Vd = Wd / γs և V1 = V – Wd / γs.
Հետևաբար, հողի հագեցվածության աստիճանը Sr կլինի
կամ՝ հողի չոր քաշի տոկոսներով
Հողը լրիվ չոր է
Այս դեպքում w = 0։ Բոլոր ծակոտիների ջուրը հեռացված է, մինչդեռ կլանված ջուրը միայն մասամբ է հեռացված, այսինքն՝ ջրային թաղանթը դեռ գոյություն ունի, բայց դրա հաստությունը նվազել է։