Топырақ құрылымы
Топырақ құрылымы деп жер массасындағы қатты фазаның орналасуын айтады. Белгілі болғандай, топырақ қатты бөлшектерден және су, ауа немесе су буымен толтырылған қуыстардан тұрады, көбіне ішінара ауамен, ішінара сумен толы болады. Топырақтағы қатты бөлшектердің орналасуына қарай оның құрылымы анықталады. Байланбаған және байланысқан топырақ құрылымдары бір-бірінен елеулі түрде ерекшеленеді.
Байланбаған топырақтың құрылымы
Байланыспаған топырақтың құрылымы тартылыс әсерінен қалыптасады. Бұл топырақтың қатты бөлшектері ірілеу болады да төмен қарай түседі, тартылыс әсерінен шөгеді, ал мұндай бөлшектердің молекулааралық тартылыс күштері болмайды немесе өте әлсіз болып, тартылыс күшімен жеңіледі. Сондықтан байланыспаған топырақта қатты бөлшектер бір-бірінің жанына орналасып, үйілген бөлшектер арасындағы бос кеңістікті алады (сур. 1_a_). Егер байланыспаған топырақ бөлшектері шамамен дөңгелек пішінді және бірдей өлшемді болса, мысалы, құрамы біркелкі құм жағдайындағыдай, онда құрылым ең тығыз (сур. 1_b_) немесе ең сирек (сур. 1_c_) болуы мүмкін, бұл топырақтағы қатты бөлшектердің орналасуына байланысты. Ең тығыз құрылым байланыспаған топырақтың ең жоғары тығыздалу мүмкіндігіне сәйкес келеді және оның кеуектілігі nmin=26%. Ең сирек құрылым байланыспаған топырақтың мүмкін болатын ең төмен тығыздалуына сәйкес келеді және оның кеуектілігі nmax=48%. Мысалы, құм төбелерінің борпылдақ құмының n=47%.
Сур. 1 Байланыспаған топырақтың құрылымы
Егер байланыспаған топырақ әртүрлі түйір ірілігінен тұрса, яғни ұсақ бөлшектер ірі бөлшектердің арасындағы қуыстарды толтырса (сур. 2), онда топырақтың кеуектілігі едәуір аз болады (n=20% және одан төмен).
Sl. 2. Әртүрлі түйір ірілігіндегі байланыспаған топырақтың құрылымы
Байланысқан топырақтың құрылымы
Байланған топырақта құрылым борпылдақ топырақтағыдан өзгеше болады. Байланған топырақта когезия күштері пайда болады, олар ұсақ бөлшектердің ауырлық күшінен күшті болып, оларды жанасу беттерінде біріктіріп ұстап тұрады. Сондықтан бұл бөлшектер ретімен төмен құламайды, керісінше бір-біріне және бірінің қасына бірігіп қалады (сур. 3_a_), осылайша тізбекті торлы құрылым түзеді (сур. 3_b_), үлпілдек құрылым (сур. 3_c_) және т.б., олар жоғары реттік құрылымдар деп аталады. Мұндай құрылымдардың кеуектілігі жоғары болады, ол жалпы массаның 60-80%-ына дейін жетуі мүмкін, бұл борпылдақ топырақта болмайды.
Сур. 3. Байланысқан топырақтың құрылымы
Кеуектілік және кеуектілік коэффициенті
Топырақтың кеуектілігі кеуектер көлемінің топырақтың жалпы көлеміне қатынасы арқылы анықталады (сур. 4).
Сур. 4. Топырақтың кеуектілігі және кеуектілік коэффициенті
Егер біз … деп белгілесек
- Vp = топырақтағы кеуектер көлемі
- Vm = қатты бөлшектердің көлемі
- V = топырақтың жалпы көлемі,
топырақтың кеуектілігі n анықтама бойынша
n = VP / V = VP / (VP + Vm),
яғни топырақтың жалпы көлемінің %-ы
n = 100 * VP / (VP + Vm) %.
Топырақтың кеуектілік коэффициенті кеуектер көлемінің қатты бөлшектер көлеміне қатынасы арқылы анықталады:
e = VP / Vm.
Кеуектілік n формуласы бойынша: бізде:
nVP + nVm = VP, осыдан Vm = VP(1-n) / n.
Осы мәнді e формуласына қойсақ, аламыз
e = n / (1-n).
Осы теңдеуден аламыз
e - ne = n; n = e / (1 + e).
Кеуектілік коэффициенті топырақтың тығыздығын көрсетеді. e коэффициенті неғұрлым үлкен болса, соғұрлым топырақтың тығыздығы төмен болады және керісінше. Егер қандай да бір сығымдалғыш топырақ жүктеме әсерінен шөксе, шөгуге дейінгі және шөгуден кейінгі кеуектілік коэффициенті арқылы шөгу шамасын Δ_h_ анықтауға болады.
Қалыңдығы h сығылатын топырақ қабатын қарастырайық (сур. 5_a_). Егер осы қабатқа жүктеме түсірсек, ол Δ_h_ биіктікке шөгеді, сондықтан жүктеме әсерінен оның қалыңдығы h1 дейін азаяды. Демек
Δ_h_ = h – h1.
Сығылғыш топырақтың шөгуі қуыстар есебінен жүзеге асатындықтан, өйткені қатты бөлшектер іс жүзінде сығылмайды, сондай-ақ егер топырақ қуыстары сумен жартылай не толық толтырылған болса, онда бұл шөгуді схемалық түрде сур. 5_b_ бойынша көрсетуге болады.
Сур. 5. Жүк әсерінен қалыңдығы h сығымдалатын топырақ қабатының Δh шөгуі
Егер h0 арқылы қуыстары жоқ қатты бөлшектер қабатының ойша биіктігін, яғни редукцияланған биіктікті белгілесек, онда шөгуді Δ_h_ редукцияланған биіктік h0 арқылы мына қатынаспен өрнектеуге болады:
Егер ені мен ұзындығы бірлікке тең топырақ қабатын қарастырсақ, онда h, h1 және h0 биіктіктері көлемдерді білдіреді, сондықтан
мұнда e — дейінгі кеуектілік коэффициенті, e1 — шөгуден кейінгі. Жоғарыдағыдан шөгу алынады
Δ_h_ = h0 (e-e1).
Отыруды шөгуге дейінгі қабат биіктігі h арқылы, қысқартылған биіктік h0 мәнін алмастырсақ, былай өрнектеуге болады:
h0 = h – nh = h (1-n) = h / (1+e),
өйткені n = VP / V = VP / h_,_ осыдан VP = nh.
Осылайша алынады
Топырақтың жекелеген түрлерінің кеуектілігінің n және кеуектілік коэффициентінің e келесі орташа мәндері бар:
Топырақ ылғалдылығы
Топырақтағы су түрлері
Топырақтағы су қатты бөлшектер арасындағы қуыстардағы су түрінде, яғни кеуек суы ретінде, сондай-ақ қатты бөлшектердің бетінде адсорбцияланған су түрінде және конституциялық су түрінде кездеседі.
Кеуектік су еркін судан тұрады, ол қатты бөлшектер арасындағы су болып, оның қозғалысы Дарси заңына бағынады; сондай-ақ гравитациялық судан, ол ауырлық күшінің әсерінен жоғарыдан төмен барлық бағытта қозғалады, бірақ оның қозғалысы Дарси заңына бағынбайды; капиллярлық судан, ол капиллярлық күштердің әсерінен қозғалады; және беткі кернеу суынан, ол топырақтың қатты бөлшектері арасындағы бұрыштарда беткі кернеудің әсерімен ұсталып тұрады және оны тағы бұрыштық кеуектік су деп те атайды. Осы судың бәрін топырақты 110oC температурада кептіру арқылы толық жоюға болады.
Адсорбцияланған су — бұл қатты бөлшектерді қоршап тұратын, оларға молекулалық күштер арқылы байланысқан су. Бұл — қалыңдығы 6-80 µµ болатын су қабығы (1µµ=10-6 mm, миллимикрон). Адсорбцияланған судың ірі бөлшектерге әсері елеусіз, алайда бөлшектер неғұрлым ұсақ болса, оның әсері соғұрлым үлкен болады, өйткені бөлшектердің жалпы беті артады, сонымен бірге топырақтың бірлік көлеміндегі қатты бөлшектерге қатысты адсорбцияланған судың арақатынасы да өседі. Бұл суды тек 110oC-та кептіру арқылы ішінара ғана алып тастауға болады.
Конституциялық су — топырақтың қатты бөлшектерінің минерал кристалдары құрамына химиялық түрде байланысқан су. Мұндай су өте аз болады және оны топырақты кептіру арқылы алып тастау мүмкін емес. Сондықтан бұл суды қатты бөлшектің құрамдас бөлігі ретінде қарастыруға болады.
Топырақтағы су мөлшері
Анықтама бойынша топырақтағы су мөлшері немесе топырақ ылғалдылығы — топырақтағы судың салмағының оның қатты құрамдас бөліктерінің салмағына қатынасы. Топырақтағы су мөлшеріне қарай үш жағдай ажыратылады: сумен толық қаныққан топырақ, сумен ішінара қаныққан топырақ және толық құрғақ топырақ.
Суымен толық қаныққан топырақ
Егер топырақтың кеуектілігін n, барлық бөлшектердің көлемдік салмағын γs, судың көлемдік салмағын γw деп белгілесек, онда қаныққан топырақтың ылғалдылығы wZ келесі теңдеумен өрнектеледі
Топырақ ішінара сумен қаныққан
Егер топырақта бар су салмағын Ww, ал қатты бөлшектердің салмағын, яғни топырақтың құрғақ салмағын, Wd деп белгілесек, онда топырақтың ылғалдылығы w болады
w = Ww / Wd , яғни топырақтың құрғақ салмағының пайызы ретінде: w = 100 Ww / Wd.
Бұл жағдайда топырақ ылғалдылығын ылғалдылық дәрежесі Sr арқылы өрнектеуге болады, ол топырақтағы судың нақты салмағының барлық кеуектері сумен толтырылғандағы сол топырақтағы су салмағына қатынасын, яғни қаныққан топырақ суының салмағына қатынасын білдіреді:
т.б. үшін _γ_w = 1,00 Sr = w*γs / e.
Ылғалдылық дәрежесінің шекті мәндері мыналар:
- толық құрғақ топырақ үшін w = 0; Sr = 0
- толық қаныққан топырақ үшін w = e/γs; Sr = e/γs * γs / e = 1,0.
Сур. 6. Сумен жартылай қаныққан топырақ үлгісі
Қанығу дәрежесі (оны кейде қанықтылық немесе ылғалдылық дәрежесі деп те атайды) су толтырған кеуектер көлемінің жалпы кеуектер көлеміне қатынасы арқылы да өрнектеледі (сур. 6):
Sr = V2 / V1
мұнда V2 — сумен толған кеуектердің көлемі, V1 — сумен, ауамен және газдармен толған кеуектердің жалпы көлемі. Егер w топырақтың құрғақ салмағы Wd, бойынша есептелетін топырақ ылғалдылығы %-бен болса, онда мынаны аламыз
V2 * γW = w Wd, осыдан V2 = w Wd / γw.
Екінші жағынан, V1 = V – Vd, ал Vd * γs = Wd, болғандықтан, ол
Vd = Wd / γs және V1 = V – Wd / γs.
Осыған орай, топырақтың қанығу дәрежесі Sr болады
немесе топырақтың құрғақ салмағының пайызымен
Топырақ толық құрғақ
Бұл жағдайда w = 0. Барлық кеуек суы алынып тасталған, ал адсорбцияланған су тек ішінара ғана жойылған, яғни су қабықшасы әлі де бар, бірақ оның қалыңдығы азайған.