Jarðvegssamsetning
Með jarðvegsgerð er átt við skipan fastfasans í jarðarmassanum. Eins og kunnugt er samanstendur jarðvegur af föstum ögnum og holrýmum sem eru fyllt vatni, lofti eða vatnsgufu, oftast að hluta lofti og að hluta vatni. Samkvæmt dreifingu föstu agnanna í jarðveginum er gerð hans ákveðin. Gerðir óbundins og bundins jarðvegs eru í meginatriðum ólíkar hvor annarri.
Uppbygging lausrar jarðar
Strúktúr ósamloðins jarðvegs myndast undir áhrifum þyngdaraflsins. Fastar agnir þessa jarðvegs eru grófari og falla niður á við, setjast undir áhrifum þyngdaraflsins, en aðdráttarkraftar milli sameinda slíkra agna eru ekki til staðar eða eru óverulegir og yfirunnir af þyngdaraflinu. Vegna þess raðast fastu agnirnar í ósamloðnum jarðvegi hver við hlið annarrar og fylla laust rými milli raðaðra agna (mynd 1_a_). Ef agnir ósamloðins jarðvegs eru nokkurn veginn kúlulaga og jafnstórar, eins og getur verið raunin í sandi með einsleita kornastærð, þá getur strúktúrinn verið þéttastur (mynd 1_b_) eða strjállastur (mynd 1_c_), allt eftir fyrirkomulagi föstu agnanna í jarðveginum. Þéttasta strúktúrinn samsvarar mestu mögulegu þjöppun ósamloðins jarðvegs og holrýmd hans er nmin=26%. Strjálasti strúktúrinn samsvarar minnstu mögulegu þjöppun ósamloðins jarðvegs og holrýmd hans er nmax=48%. Þannig hefur til dæmis laus sandur í sandöldum n=47%.
Mynd. 1 Uppbygging óbundins jarðvegs
Ef laus jarðvegur er með mismunandi kornastærð, þannig að smærri agnir fylla holrými milli stærri agna (mynd 2), er holrýmd jarðvegsins mun minni (n=20% og minna).
Mynd 2. Strúktúr ósamloðins jarðvegs með mismunandi kornastærð
Bygging bundins jarðvegs
Hjá bundnum jarðvegi er uppbyggingin öðruvísi en hjá lausum. Hjá bundnum jarðvegi koma fram samloðunarkraftar, sem eru sterkari en þyngdarkraftur smárra agna og líma þær saman á snertiflötunum. Vegna þessa falla þessar agnir ekki niður í röð, heldur haldast límdar hver við aðra og hlið við hlið (mynd 3_a_), og mynda þannig keðjulaga netuppbyggingu (mynd 3_b_), flögulaga (mynd 3_c_) o.s.frv., sem kallast uppbyggingar af hærri gerð. Slíkar uppbyggingar hafa mikla holrýmd, sem getur farið upp í 60-80% af heildarmassanum, sem ekki getur verið hjá lausum jarðvegi.
Mynd 3. Bygging bundins jarðvegs
Grop og gropstuðull
Holrýmd jarðvegsins er skilgreind sem hlutfall rúmmáls holrúma við heildarrúmmál jarðvegsins (mynd 4).
Mynd 4. Gljúpleiki og gljúpleikastuðull jarðvegs
Ef við táknum með
- Vp = rúmmál svitahola í jarðvegi
- Vm = rúmmál fastra agna
- V = heildarrúmmál jarðvegsins,
Fyrir skilgreiningu er holrými jarðvegs n
n = VP / V = VP / (VP + Vm),
eða í % af heildarrúmmáli jarðvegs
n = 100 * VP / (VP + Vm) %.
Gropstuðull jarðvegs er skilgreindur sem hlutfall rúmmáls hola við rúmmál föstu agnanna:
e = VP / Vm.
Úr formúlunni fyrir gljúpleika n fáum við:
nVP + nVm = VP, þaðan sem Vm = VP(1-n) / n.
Með því að setja þetta gildi inn í formúlu fyrir e fáum við
e = n / (1-n).
Út frá þessari jöfnu fáum við
e - ne = n; n = e / (1 + e).
Gropstuðullinn sýnir þéttleika jarðvegsins. Því hærri sem stuðullinn e er, því minni er þéttleiki jarðvegsins og öfugt. Ef þjöppanlegur jarðvegur sígur undir álagi, má með gropstuðlinum fyrir og eftir sigun ákvarða stærð sigunarinnar Δ_h_.
Skoðum lag þjöppanlegs jarðvegs með þykktina h (mynd 5_a_). Ef þetta lag er hlaðið, mun það sigast um hæðina Δ_h_, þannig að þykkt þess minnkar vegna álagsins niður í h1. Þar af leiðir
Δ_h_ = h – h1.
Þar sem sig þjappanlegs jarðvegs fer fram á kostnað holanna, þar sem föstu agnirnar eru í reynd óþjappanlegar, og einnig vatnið, ef holurnar í jarðveginum eru fylltar því að hluta eða öllu leyti, má sýna þetta sig á skýringarmynd á mynd 5_b_.
Mynd 5. Sig Δh þjöppanlegs jarðvegslags með þykkt h undir álagi
Ef við táknum með h0 ímyndaða hæð laga af föstum ögnum án holrúma, svokallaða afturreiknaða hæð, þá getum við tjáð sigið Δ_h_ með tilliti til afturreiknuðu hæðarinnar h0 með sambandinu:
Ef við skoðum jarðvegslag með breidd og lengd sem eru jafnar einni einingu, þá tákna hæðirnar h, h1 og h0 rúmmál, og því er
þar sem e er holrýmisstuðull fyrir, e1 eftir sig. Úr framangreindu fæst sig
Δ_h_ = h0 (e-e1).
Set má tjá sem hlutfall af hæð lagsins h fyrir set ef við setjum í staðinn gildið fyrir minnkaða hæð h0:
h0 = h – nh = h (1-n) = h / (1+e),
þar sem n = VP / V = VP / h_,_ og þaðan fæst að VP = nh.
Samkvæmt því fæst
Sérstakar jarðvegsgerðir hafa eftirfarandi meðalgildi porosity n og holrúmsstuðuls e:
Raki jarðvegs
Tegundir vatns í jarðvegi
Vatn í jarðvegi birtist sem vatn í svitaholum milli föstu agnanna, svokallað holuvatn, síðan sem aðsogað vatn á föstu ögnunum og sem stofnvatn.
Gropvatn samanstendur af frjálsu vatni milli föstu ögnanna, en hreyfing þess fer eftir lögmáli Darcy; síðan þyngdarvatni, sem hreyfist undir áhrifum þyngdarafls ofan frá og niður í allar áttir, en hreyfing þess fer ekki eftir lögmáli Darcy; hárpípuvatni, sem hreyfist undir áhrifum hárpípuafla; og yfirborðsspennu vatni, sem heldur sér með yfirborðsspennu í hornunum milli föstu jarðvegsagnanna og er einnig kallað hyrnt gropvatn. Allt þetta vatn er hægt að fjarlægja að fullu með því að þurrka jarðveginn við hitastig 110oC.
Aðsogið vatn er það sem umlykur föstu agnirnar og er bundið við þær með sameindakrafti. Þetta er svokölluð vatnsfilma, en þykkt hennar er 6-80 µµ (1µµ=10-6 mm, milimikron). Áhrif aðsogaðs vatns á grófari agnir eru óveruleg, en því smærri sem agnirnar eru, því meiri eru áhrifin, þar sem heildaryfirborð agnanna eykst og þar með einnig hlutfall aðsogaðs vatns miðað við föstu agnirnar í rúmmálseiningu jarðvegsins. Þetta vatn má aðeins að hluta fjarlægja með þurrkun við 110oC.
Stofnvatn er efnafræðilega bundið í kristalla steinefna í föstum jarðvegsögnum. Þetta vatn er mjög lítið í magni og ekki er hægt að fjarlægja það með því að þurrka jarðveginn. Því má líta á þetta vatn sem órjúfanlegan hluta af föstu ögninni.
Vatnsmagn í jarðvegi
Samkvæmt skilgreiningu er vatnsmagn í jarðvegi eða rakastig jarðvegs hlutfall þyngdar vatnsins sem er í jarðveginum við þyngd fasta efnisins í honum. Samkvæmt vatnsmagninu í jarðvegi eru þrjú tilvik greind: jarðvegur algerlega mettaður af vatni, jarðvegur að hluta mettaður af vatni og jarðvegur algerlega þurr.
Jarðvegur að fullu mettaður af vatni
Ef við táknum með n gljúpleika jarðvegsins, γs rúmþyngd allra agna, γw rúmþyngd vatns, þá má raka mettaðs jarðvegs wZ setja fram með eftirfarandi jöfnu
Jarðvegur að hluta mettaður vatni
Ef við táknum með Ww þyngd vatnsins sem er í jarðveginum, og með Wd þyngd fastu agnanna, þ.e. þurra þyngd jarðvegsins, þá er rakastig jarðvegsins w
w = Ww / Wd , þ.e. í prósentum af þurrþyngd jarðvegsins: w = 100 Ww / Wd.
Í þessu tilviki má tjá rakastig jarðvegsins með rakastigsstigi Sr sem táknar hlutfall raunverulegrar þyngdar vatns í jarðveginum við þá þyngd vatns í sama jarðvegi sem væri til staðar ef allar holur væru fylltar af vatni, þ.e. við þyngd vatns í mettuðum jarðvegi:
o.s.frv. fyrir _γ_w = 1,00 Sr = w*γs / e.
Mörk fyrir rakastig eru:
- fyrir algerlega þurran jarðveg w = 0; Sr = 0
- fyrir fullmettaðan jarðveg w = e/γs; Sr = e/γs * γs / e = 1,0.
Sl. 6. Jarðvegssýni að hluta mett með vatni
Mettunarstigið (sem stundum er einnig kallað mettun eða rakastig) er einnig tjáð sem hlutfall rúmmáls vatnsfylltra holrúma af heildarrúmmáli holrúma (mynd 6):
Sr = V2 / V1
þar sem V2 er rúmmál holrúma fylltra vatni, V1 heildarrúmmál holrúma fylltra vatni, lofti og gasi. Ef w er rakastig jarðvegsins í % af þurrþyngd jarðvegsins Wd, þá höfum við
V2 * γW = w Wd, þaðan sem V2 = w Wd / γw.
Á hinn bóginn höfum við að V1 = V – Vd, og þar sem Vd * γs = Wd, þá er
Vd = Wd / γs og V1 = V – Wd / γs.
Samkvæmt því verður mettunarstig jarðvegsins Sr
eða í prósentum af þurrþyngd jarðvegsins
Jarðvegurinn alveg þurr
Í þessu tilfelli er w = 0. Öllu holrúmsvatni hefur verið fjarlægt, en aðsogað vatn hefur aðeins að hluta verið fjarlægt, þ.e. vatnsfilman er enn til staðar, en þykkt hennar hefur minnkað.