ნიადაგის სტრუქტურა
ნიადაგის სტრუქტურაში იგულისხმება მყარი ფაზის განლაგება მიწის მასაში. როგორც ცნობილია, ნიადაგი შედგება მყარი ნაწილაკებისა და ფორებისგან, რომლებიც შევსებულია წყლით, ჰაერით ან წყლის ორთქლით, უმეტესად ნაწილობრივ ჰაერით, ნაწილობრივ წყლით. ნიადაგში მყარი ნაწილაკების განლაგების მიხედვით განისაზღვრება მისი სტრუქტურა. შეუკავშირებელი და შეკავშირებული ნიადაგის სტრუქტურები არსებითად განსხვავდება ერთმანეთისგან.
შეუკავშირებელი ნიადაგის სტრუქტურა
შეუკავშირებელი ნიადაგის სტრუქტურა სიმძიმის მოქმედებით ყალიბდება. ამ ნიადაგის მყარი ნაწილაკები უფრო მსხვილია და ქვევით ეშვება, სიმძიმის მოქმედებით ილექება, მაშინ როცა ასეთ ნაწილაკებს შორის მოლეკულათაშორისი მიზიდულობის ძალები არ არსებობს ან უმნიშვნელოა და სიმძიმით სძლევენ. ამიტომ შეუკავშირებელ ნიადაგში მყარი ნაწილაკები ერთიმეორის გვერდით ეწყობა და იკავებს თავისუფალ სივრცეს ჩაწყობილ ნაწილაკებს შორის (ნახ. 1_a_). თუ შეუკავშირებელი ნიადაგის ნაწილაკები დაახლოებით მრგვალი ფორმისაა და ერთნაირი ზომის, როგორც შეიძლება იყოს ერთგვაროვანი შემადგენლობის ქვიშის შემთხვევაში, მაშინ სტრუქტურა შეიძლება იყოს ყველაზე მკვრივი (ნახ. 1_b_) ან ყველაზე ფხვიერი (ნახ. 1_c_), რაც დამოკიდებულია ნიადაგში მყარი ნაწილაკების განლაგებაზე. ყველაზე მკვრივი სტრუქტურა შეესაბამება შეუკავშირებელი ნიადაგის მაქსიმალურ დატკეპნის შესაძლებლობას და მისი ფორიანობაა nmin=26%. ყველაზე ფხვიერი სტრუქტურა შეესაბამება შეუკავშირებელი ნიადაგის მინიმალურ შესაძლო დატკეპნას და მისი ფორიანობაა nmax=48%. მაგალითად, დუნების ფხვიერი ქვიშის n=47%.
სურ. 1 არაშეკრული ნიადაგის სტრუქტურა
თუ შეუკავშირებელი ნიადაგი მარცვლების სხვადასხვა ზომისაა, ისე რომ წვრილი ნაწილაკები ავსებენ უფრო მსხვილებს შორის არსებულ სიცარიელეებს (ნახ. 2), ნიადაგის ფორიანობა მნიშვნელოვნად ნაკლებია (n=20% და ნაკლები).
ნახ. 2. ხვადასხვა მარცვლოვანი მსხვილობის შეუკავშირებელი ნიადაგის სტრუქტურა
შეკრული ნიადაგის სტრუქტურა
შეკრულ ნიადაგში სტრუქტურა განსხვავებულია, ვიდრე არაშეკრულში. შეკრულ ნიადაგში ჩნდება შეჭიდულობის ძალები, რომლებიც წვრილი ნაწილაკების გრავიტაციულ ძალაზე ძლიერია და მათ საკონტაქტო ზედაპირებზე აკრავს. ამიტომ ეს ნაწილაკები რიგრიგობით ქვემოთ არ ცვივა, არამედ ერთმანეთსა და ერთმანეთთან გვერდიგვერდ არიან შეწებებული (სურ. 3_a_), რითაც ქმნიან ჯაჭვურ-ბადურ სტრუქტურას (სურ. 3_b_), ფანტელოვან სტრუქტურას (სურ. 3_c_) და ა.შ., რომლებსაც უფრო მაღალი რიგის სტრუქტურებს უწოდებენ. ასეთ სტრუქტურებს აქვთ დიდი ფორიანობა, რომელიც შეიძლება შეადგენდეს 60-80% საერთო მასისა, რაც არ შეიძლება იყოს არაშეკრულ ნიადაგში.
სურ. 3. შემკვრელი ნიადაგის სტრუქტურა
ფორიანობა და ფორიანობის კოეფიციენტი
ნიადაგის ფორიანობა განისაზღვრება ფორების მოცულობის საერთო ნიადაგის მოცულობასთან შეფარდებით (სურ. 4).
სურ. 4. ნიადაგის ფორიანობა და ფორიანობის კოეფიციენტი
თუ აღვნიშნავთ
- Vp = ნიადაგში ფორების მოცულობა
- Vm = მყარი ნაწილაკების მოცულობა
- V = ნიადაგის მთლიანი მოცულობა,
ნიადაგის ფორიანობა n განსაზღვრებით არის
n = VP / V = VP / (VP + Vm),
ანუ ნიადაგის საერთო მოცულობის %
n = 100 * VP / (VP + Vm) %.
ნიადაგის ფორიანობის კოეფიციენტი განისაზღვრება ფორების მოცულობისა და მყარი ნაწილაკების მოცულობის შეფარდებით:
e = VP / Vm.
ფორიანობის n ფორმულიდან გვაქვს:
nVP + nVm = VP, საიდანაც Vm = VP(1-n) / n.
ამ მნიშვნელობის e-ს ფორმულაში ჩანაცვლებით ვიღებთ
e = n / (1-n).
ამ განტოლებიდან მივიღებთ
e - ne = n; n = e / (1 + e).
ფორიანობის კოეფიციენტი ნიადაგის სიმკვრივეს აჩვენებს. თუ კოეფიციენტი e უფრო დიდია, მით უფრო მცირეა ნიადაგის სიმკვრივე და პირიქით. თუ რომელიმე შეკუმშვადი ნიადაგი დატვირთვის ქვეშ დალექვას განიცდის, ფორიანობის კოეფიციენტის მიხედვით დალექვამდე და დალექვის შემდეგ შეიძლება დადგინდეს დალექვის ზომა Δ_h_.
განვიხილოთ შეკუმშვადი ნიადაგის ფენა სისქით h (ნახ. 5_a_). თუ ამ ფენას დავტვირთავთ, იგი დასჯდება სიმაღლით Δ_h_, ასე რომ დატვირთვის შედეგად მისი სისქე შემცირდება h1-მდე. შესაბამისად
Δ_h_ = h – h1.
რადგან შეკუმშვადი ნიადაგის დალექვა ხდება ფორების ხარჯზე, რადგან მყარი ნაწილაკები პრაქტიკულად შეუკუმშავია, ასევე წყალიც, თუ ნიადაგის ფორები მისით ნაწილობრივ ან სრულად არის შევსებული, ეს დალექვა სქემატურად შეიძლება წარმოდგენილი იყოს სურ. 5_b_-ზე.
სურ. 5. დატვირთვის ქვეშ h სისქის შეკუმშვადი ნიადაგის ფენის დაჯდომა Δh
თუ h0-ით აღვნიშნავთ მყარი ნაწილაკების ფენის წარმოსახვით სიმაღლეს ფორების გარეშე, რომელსაც შემცირებული სიმაღლე ეწოდება, მაშინ დაჯდომა Δ_h_ შემცირებულ სიმაღლესთან h0 შეიძლება გამოვსახოთ დამოკიდებულებით:
თუ ნიადაგის ფენას ვიხილავთ სიგანითა და სიგრძით ერთეულის ტოლი ზომებით, მაშინ სიმაღლეები h, h1 და h0 წარმოადგენს მოცულობებს, და ამიტომ
სადაც e არის ფორიანობის კოეფიციენტი დაჯდომამდე, e1 კი დაჯდომის შემდეგ. ზემოაღნიშნულიდან მიიღება დაჯდომა
Δ_h_ = h0 (e-e1).
დაჯდომა შეიძლება გამოისახოს ფენის სიმაღლესთან h შედარებით, დაჯდომამდე, თუ შეცვლით შემცირებული სიმაღლის h0 მნიშვნელობას:
h0 = h – nh = h (1-n) = h / (1+e),
რადგან n = VP / V = VP / h_,_ საიდანაც VP = nh.
ამის მიხედვით მიიღება
ნიადაგის ცალკეულ ტიპებს აქვთ ფორიანობის n და ფორიანობის კოეფიციენტის e შემდეგი საშუალო მნიშვნელობები:
ნიადაგის ტენიანობა
ნიადაგში არსებული წყლის სახეები
ნიადაგში წყალი გვხვდება მყარ ნაწილაკებს შორის არსებული ფორების წყლის სახით, ე.წ. ფოროვანი წყალი, ასევე როგორც ადსორბირებული წყალი მყარ ნაწილაკებზე და როგორც კონსტიტუციური წყალი.
ფოროვანი წყალი შედგება თავისუფალი წყლისგან მყარი ნაწილაკებს შორის, რომლის მოძრაობაც მიმდინარეობს Darcy-ის კანონის მიხედვით; შემდეგ გრავიტაციული წყლისგან, რომელიც მოძრაობს გრავიტაციის მოქმედებით ზემოდან ქვემოთ ყველა მიმართულებით, მაგრამ მისი მოძრაობა არ მიმდინარეობს Darcy-ის კანონის მიხედვით; კაპილარული წყლისგან, რომელიც მოძრაობს კაპილარული ძალების მოქმედებით; და ზედაპირული დაძაბულობის წყლისგან, რომელიც ზედაპირული დაძაბულობით იჭრება ნიადაგის მყარი ნაწილაკების შორის არსებულ კუთხეებში და რომელსაც ასევე კუთხური ფოროვანი წყალი ეწოდება. მთელი ეს წყალი შეიძლება მთლიანად მოიშოროს ნიადაგის გამოშრობით ტემპერატურაზე 110oC.
ადსორბირებული წყალი არის ის, რომელიც ფარავს მყარ ნაწილაკებს, რომელთაც ის მოლეკულური ძალებით არის დაკავშირებული. ეს ე.წ. წყლის ფირია, რომლის სისქე მერყეობს 6-80 µµ-მდე (1µµ=10-6 mm, მილიმიკრონი). ადსორბირებული წყლის გავლენა უფრო მსხვილ ნაწილაკებზე უმნიშვნელოა, თუმცა რაც უფრო წვრილია ნაწილაკები, მით უფრო დიდია მისი გავლენა, რადგან იზრდება ნაწილაკების საერთო ზედაპირი და შესაბამისად ადსორბირებული წყლის შეფარდება მყარ ნაწილაკებთან ნიადაგის ერთეულ მოცულობაში. ამ წყლის მოცილება შესაძლებელია მხოლოდ ნაწილობრივ, 110oC-ზე გაშრობით.
კონსტიტუციური წყალი ქიმიურად არის შერწყმული ნიადაგის მყარი ნაწილაკების მინერალების კრისტალებში. ამ წყლის რაოდენობა ძალიან მცირეა და მისი მოცილება ნიადაგის გაშრობით შეუძლებელია. ამიტომ ეს წყალი შეიძლება ჩაითვალოს მყარი ნაწილაკის შემადგენელ ნაწილად.
წყლის რაოდენობა ნიადაგში
განმარტების მიხედვით, ნიადაგში წყლის რაოდენობა ანუ ნიადაგის ტენიანობა არის ნიადაგში არსებული წყლის წონის შეფარდება მის მყარ შემადგენელთა წონასთან. ნიადაგში წყლის რაოდენობის მიხედვით გამოირჩევა სამი შემთხვევა: წყლით სრულად გაჯერებული ნიადაგი, ნაწილობრივ გაჯერებული ნიადაგი და სრულად მშრალი ნიადაგი.
ნიადაგი სრულად გაჯერებულია წყლით
თუ ნიადაგის ფორიანობას n-ით, ყველა ნაწილაკის მოცულობით წონას γs-ით, წყლის მოცულობით წონას γw-ით აღვნიშნავთ, მაშინ გაჯერებული ნიადაგის ტენიანობა wZ შემდეგი განტოლებით შეიძლება გამოისახოს
ნიადაგი ნაწილობრივ წყლით გაჯერებულია
თუ Ww-ით აღვნიშნავთ ნიადაგში არსებული წყლის წონას, ხოლო Wd-ით მყარი ნაწილაკების წონას, ანუ ნიადაგის მშრალ წონას, მაშინ ნიადაგის ტენიანობა w
w = Ww / Wd , ანუ ნიადაგის მშრალი წონის პროცენტებში: w = 100 Ww / Wd.
ამ შემთხვევაში ნიადაგის ტენიანობა შეიძლება გამოისახოს ტენიანობის ხარისხით Sr, რომელიც წარმოადგენს ნიადაგში არსებული წყლის ნამდვილი წონის შეფარდებას იმ წყლის წონასთან, რომელიც იმავე ნიადაგში იქნებოდა, თუ ყველა ფორა წყლით იქნებოდა შევსებული, შესაბამისად, გაჯერებული ნიადაგის წყლის წონასთან:
ანუ _γ_w = 1,00 Sr = w*γs / e.
ტენიანობის ხარისხის ზღვრული მნიშვნელობები არის:
- სრულიად მშრალი ნიადაგისთვის w = 0; Sr = 0
- მთლიანად გაჯერებული ნიადაგისთვის w = e/γs; Sr = e/γs * γs / e = 1,0.
სურ. 6. ნიადაგის ნიმუში ნაწილობრივ წყლით გაჯერებული
გაჯერების ხარისხი (რომელსაც ზოგჯერ ასევე გაჯერებულობა ან ტენიანობის ხარისხი ეწოდება) გამოიხატება აგრეთვე წყლით შევსებული ფორების მოცულობის თანაფარდობით ფორების საერთო მოცულობასთან (სურ. 6):
Sr = V2 / V1
სადაც V2 არის წყლით შევსებული ფორების მოცულობა, V1 — წყლით, ჰაერითა და აირებით შევსებული ფორების საერთო მოცულობა. თუ w არის ნიადაგის ტენიანობა ნიადაგის მშრალი წონის Wd-ის %‑ში, მაშინ გვაქვს
V2 * γW = w Wd, საიდანაც V2 = w Wd / γw.
მეორე მხრივ, გვაქვს, რომ V1 = V – Vd, ხოლო რადგანაც Vd * γs = Wd, ამიტომ
Vd = Wd / γs და V1 = V – Wd / γs.
ამგვარად, ნიადაგის გაჯერების ხარისხი Sr იქნება
ან ნიადაგის მშრალი წონის პროცენტებში
ნიადაგი სრულიად მშრალია
ამ შემთხვევაში w = 0. მთელი ფოროვანი წყალი მოცილებულია, ხოლო ადსორბირებული წყალი მხოლოდ ნაწილობრივ არის მოცილებული, ანუ წყლის ფენა კვლავ არსებობს, მაგრამ მისი სისქე შემცირებულია.