토양 구조
토양의 구조란 흙덩어리 내 고체상(固体相)의 배열을 의미한다. 알려진 바와 같이 토양은 고체 입자와 물, 공기 또는 수증기로 채워진 공극으로 이루어지며, 대부분은 일부는 공기, 일부는 물로 채워져 있다. 토양 내 고체 입자의 배열에 따라 그 구조가 결정된다. 비결합 토양과 결합 토양의 구조는 서로 본질적으로 다르다.
비결합 토양의 구조
비결합토의 구조는 중력의 작용 아래 형성된다. 이 토양의 고체 입자는 더 크며 아래로 떨어져 중력에 의해 침적되는데, 이러한 입자들 사이의 분자간 인력은 존재하지 않거나 매우 미약하여 중력에 의해 극복된다. 따라서 비결합토에서는 고체 입자들이 서로 나란히 배열되어, 쌓인 입자들 사이의 빈 공간을 차지한다(그림 1_a_). 비결합토의 입자가 거의 구형이고 크기가 같다면, 예를 들어 균일한 입도 구성의 모래의 경우처럼, 구조는 가장 조밀한 (그림 1_b_) 또는 가장 성긴 (그림 1_c_) 상태가 될 수 있으며, 이는 토양 내 고체 입자의 배열에 따라 달라진다. 가장 조밀한 구조는 비결합토의 최대 다짐 가능성에 해당하며, 그 공극률은 nmin=26%이다. 가장 성긴 구조는 비결합토의 최소 가능한 다짐에 해당하며, 그 공극률은 nmax=48%이다. 예를 들어 사구의 느슨한 모래는 n=47%이다.
그림 1 비결합토의 구조
비결합 토양의 입자 크기가 서로 다르고, 작은 입자들이 큰 입자 사이의 빈 공간을 채우는 경우(그림 2), 토양의 공극률은 훨씬 작습니다(n=20% 이하).
그림 2. 입도 구성이 다른 비결합토의 구조
결합토의 구조
결합토의 경우 구조는 비결합토와 다릅니다. 결합토에서는 점착력, 즉 미세 입자의 중력보다 더 큰 힘이 작용하여 접촉면에서 입자들을 서로 붙잡습니다. 이 때문에 이러한 입자들은 순서대로 아래로 떨어지지 않고 서로와 서로 옆에 붙어 남아(그림 3_a_), 사슬형 망상 구조(그림 3_b_), 플레이크형 구조(그림 3_c_) 등을 형성하며, 이를 고차 구조라고 부릅니다. 이러한 구조는 매우 큰 공극률을 가지며, 전체 질량의 60-80%까지 이를 수 있는데, 이는 비결합토에서는 불가능합니다.
그림 3. 결합토의 구조
공극률과 공극률 계수
_토양의 공극률_은 토양의 전체 체적에 대한 공극 체적의 비로 정의된다(그림 4).
그림 4. 토양의 공극률과 공극률 계수
다음과 같이 표시하면
- Vp = 토양의 공극 부피
- Vm = 고체 입자의 부피
- V = 토양의 전체 체적,
토양의 공극률 _n_는 정의상
n = VP / V = VP / (VP + Vm),
즉 토양 전체 체적의 %로
n = 100 * VP / (VP + Vm) %.
토양의 공극률 계수는 공극의 부피와 고체 입자의 부피의 비로 정의된다:
e = VP / Vm.
공극률 _n_의 식으로부터 다음을 얻는다:
nVP + nVm = VP, 여기서 Vm = VP(1-n) / n.
이 값을 _e_의 식에 대입하면 다음을 얻는다
e = n / (1-n).
이 식으로부터 우리는 다음을 얻는다
e - ne = n; n = e / (1 + e).
공극비는 토양의 밀도를 나타낸다. 공극비 _e_가 클수록 토양의 밀도는 작아지고, 그 반대도 마찬가지다. 어떤 압축성 토양이 하중을 받아 침하하면, 침하 전후의 공극비를 통해 침하량 Δ_h_를 구할 수 있다.
두께 h_인 압축성 토층을 생각해 보자(그림 5_a). 이 층에 하중을 가하면 높이 Δ_h_만큼 침하하여, 하중에 의해 그 두께는 _h1_로 감소한다. 따라서
Δ_h_ = h – h1.
압축성 토양의 침하가 공극의 감소를 통해 일어난다는 점, 즉 고체 입자는 실질적으로 압축되지 않고, 토양의 공극이 부분적 또는 전적으로 물로 채워져 있을 경우 물도 마찬가지로 압축되지 않기 때문에, 이러한 침하는 그림 5_b_에서 도식적으로 나타낼 수 있다.
그림 5. 하중을 받는 두께 h의 압축성 토층의 침하 Δh
_h0_를 기공이 없는 고체 입자층의 가상 높이, 즉 _감소 높이_라고 하면, 침하 Δ_h_를 감소 높이 _h0_에 대한 비로 다음과 같이 나타낼 수 있습니다:
폭과 길이가 1인 토층을 고려하면, 높이 h, h1 및 _h0_는 부피를 나타내므로, 따라서
여기서 _e_는 침하 전 공극률 계수, _e1_은 침하 후 공극률 계수이다. 앞의 식으로부터 침하량을 얻는다
Δ_h_ = h0 (e-e1).
침하는 침하 전 층의 높이 _h_에 대해, 환산된 높이 _h0_의 값을 대입하면 다음과 같이 나타낼 수 있다:
h0 = h – nh = h (1-n) = h / (1+e),
n = VP / V = VP / h_,_ 이므로 VP = nh.
따라서 다음과 같은 결과를 얻는다
각 토양 유형은 다음과 같은 평균 공극률 n 및 공극비 e 값을 가진다:
토양 수분
토양 속 물의 종류
토양의 물은 고체 입자 사이의 공극에 존재하는 물, 이른바 공극수, 그리고 고체 입자 표면에 있는 흡착수, _구성수_의 형태로 나타난다.
_공극수_는 고체 입자 사이의 _자유수_로 이루어지며, 그 운동은 Darcy 법칙을 따른다. 그 다음으로 _중력수_는 중력의 작용으로 위에서 아래로 모든 방향으로 이동하지만, 그 운동은 Darcy 법칙을 따르지 않는다. _모세관수_는 모세관력의 작용으로 이동하며, 표면 장력 _수_는 토양의 고체 입자 사이의 모서리에서 표면장력에 의해 유지되고, _모서리 공극수_라고도 한다. 이 모든 물은 110oC의 온도에서 토양을 건조시키면 완전히 제거할 수 있다.
_흡착수_는 고체 입자를 둘러싸고 있으며, 분자력에 의해 결합되어 있는 물이다. 이것이 이른바 _수막_으로, 그 두께는 6-80 µµ(1µµ=10-6 mm, 밀리미크론) 범위에 있다. 흡착수의 영향은 큰 입자에서는 미미하지만, 입자가 더 작을수록 그 영향은 커지는데, 이는 입자의 총 표면적이 증가하고 그에 따라 토양 단위 체적당 흡착수와 고체 입자의 비가 커지기 때문이다. 이 물은 110oC에서 건조함으로써 부분적으로만 제거할 수 있다.
_구성수_는 토양의 고체 입자를 이루는 광물 결정 안에 화학적으로 결합된 물이다. 이 물의 양은 매우 적으며, 토양을 건조시켜 제거할 수 없다. 따라서 이 물은 고체 입자의 구성 부분으로 볼 수 있다.
토양 내 수분량
정의에 따르면 토양 속의 물의 양, 즉 _토양 수분_은 토양에 포함된 물의 무게와 그 고형 성분의 무게의 비이다. 토양의 물 함량에 따라 세 가지 경우를 구분한다: 물로 완전히 포화된 토양, 부분적으로 물에 포화된 토양, 그리고 완전히 건조한 토양.
물로 완전히 포화된 토양
토양의 공극률을 n, 모든 입자의 체적중량을 γs, 물의 체적중량을 _γw_로 표시하면, 포화토의 함수비 _wZ_는 다음 식으로 나타낼 수 있다
물로 부분적으로 포화된 토양
_Ww_를 토양에 포함된 물의 무게, _Wd_를 고체 입자의 무게, 즉 토양의 건조중량이라고 표시하면, 토양의 함수율 _w_는
w = Ww / Wd , 즉 건조 토중량 대비 백분율로는: w = 100 Ww / Wd.
이 경우 토양 수분은 습윤도 _Sr_로 나타낼 수 있는데, 이는 토양 속 실제 물의 무게와, 모든 공극이 물로 채워졌을 때 같은 토양에 들어 있을 물의 무게, 즉 포화토의 물 무게의 비를 의미한다:
즉, _γ_w = 1,00 에 대해 Sr = w*γs / e.
함수율의 한계값은 다음과 같다:
- 완전 건조한 토양의 경우 w = 0; Sr = 0
- 완전 포화된 토양의 경우 w = e/γs; Sr = e/γs * γs / e = 1,0.
그림 6. 물에 부분적으로 포화된 토양 시료
포화도(때때로 포화 상태 또는 함수도라고도 함)는 물로 채워진 공극의 체적과 전체 공극 체적의 비로도 나타낸다(그림 6):
Sr = V2 / V1
여기서 _V2_는 물로 채워진 공극의 체적, _V1_는 물, 공기 및 가스로 채워진 공극의 총체적이다. _w_가 토양의 건조중량 _Wd_에 대한 %로 표시한 토양 함수율이면, 다음과 같다
V2 * γW = w Wd, 따라서 V2 = w Wd / γw.
한편, V1 = V – Vd, 이고, Vd * γs = _Wd,_이므로
Vd = Wd / γs 및 V1 = V – Wd / γs.
따라서 토양의 포화도 _Sr_는
즉, 토양의 건조 중량 대비 퍼센트로
토양은 완전히 건조함
이 경우 w = 0이다. 모든 모세공 수분은 제거되었고, 흡착수는 부분적으로만 제거되었다. 즉, 물막은 여전히 존재하지만 그 두께가 줄어들었다.