Grunto struktūra
Grunto struktūra laikomas kietosios fazės išsidėstymas žemės masėje. Kaip žinoma, gruntas susideda iš kietųjų dalelių ir porų, užpildytų vandeniu, oru arba vandens garais, dažniausiai iš dalies oru, iš dalies vandeniu. Pagal kietųjų dalelių išsidėstymą grunte nustatoma jo struktūra. Nesurišto ir surišto grunto struktūros iš esmės skiriasi viena nuo kitos.
Nesurišto grunto struktūra
Beraiščio grunto struktūra formuojasi veikiant gravitacijai. Šio grunto kietosios dalelės yra stambesnės ir krinta žemyn, nusėda veikiant gravitacijai, o tokių dalelių tarpmolekulinės traukos jėgos arba neegzistuoja, arba yra nereikšmingos ir įveikiamos gravitacijos. Dėl to beraiščiame grunte kietosios dalelės išsidėsto viena šalia kitos, užimdamos laisvą tarpą tarp sukrautų dalelių (pav. 1_a_). Jeigu beraiščio grunto dalelės yra apytikriai apvalios ir vienodo dydžio, kaip gali būti vienodos sudėties smėlio atveju, tuomet struktūra gali būti tankiausia (pav. 1_b_) arba retčiausia (pav. 1_c_), priklausomai nuo kietųjų dalelių išsidėstymo grunte. Tankiausia struktūra atitinka didžiausią beraiščio grunto sutankėjimo galimybę, o jo poringumas yra nmin=26%. Retčiausia struktūra atitinka mažiausią galimą beraiščio grunto sutankėjimą, o jo poringumas yra nmax=48%. Pavyzdžiui, birus kopų smėlis turi n=47%.
Pav. 1 Nejudintos grunto struktūra
Jei birus gruntas yra nevienodo grūdelių stambumo, taip kad smulkesnės dalelės užpildo tarpus tarp stambesniųjų (pav. 2), grunto poringumas yra gerokai mažesnis (n=20% ir mažiau).
Sl. 2. Beraiščio grunto su skirtingu grūdų stambumu struktūra
Surišto grunto struktūra
Surišto grunto struktūra skiriasi nuo nesurišto. Surištame grunte atsiranda kohezijos jėgos, kurios yra stipresnės už smulkių dalelių gravitacijos jėgą ir sulipdo jas sąlyčio paviršiuose. Dėl to šios dalelės nekrenta nuosekliai žemyn, bet lieka sulipusios viena ant kitos ir viena prie kitos (pav. 3_a_), taip sudarydamos grandininę tinklinę struktūrą (pav. 3_b_), dribsnių pavidalo (pav. 3_c_) ir t. t., kurios vadinamos aukštesnės eilės struktūromis. Tokios struktūros turi didelį poringumą, kuris gali siekti 60-80% visos masės, ko negali būti nesurištame grunte.
Pav. 3. Surišto grunto struktūra
Porėtumas ir porėtumo koeficientas
Grunto poringumas apibrėžiamas kaip porų tūrio ir bendro grunto tūrio santykis (pav. 4).
Pav. 4. Dirvožemio poringumas ir poringumo koeficientas
Jei pažymėsime su
- Vp = dirvožemio porų tūrį
- Vm = kietųjų dalelių tūris
- V = bendrą dirvožemio tūrį,
dirvožemio poringumas n pagal apibrėžimą yra
n = VP / V = VP / (VP + Vm),
t. y. % viso grunto tūrio
n = 100 * VP / (VP + Vm) %.
Dirvožemio poringumo koeficientas apibrėžiamas kaip porų tūrio ir kietųjų dalelių tūrio santykis:
e = VP / Vm.
Iš poringumo n formulės gauname:
nVP + nVm = VP, iš kur Vm = VP(1-n) / n.
Pakeitę šią reikšmę formulėje e gauname
e = n / (1-n).
Iš šios lygties gauname
e - ne = n; n = e / (1 + e).
Poringumo koeficientas parodo grunto tankį. Kuo koeficientas e didesnis, tuo grunto tankis mažesnis, ir atvirkščiai. Jei tam tikras suspaudžiamas gruntas veikiamas apkrovos sėda, pagal poringumo koeficientą prieš ir po sėdimo galima nustatyti sėdimo dydį Δ_h_.
Panagrinėkime h storio suspaudžiamo grunto sluoksnį (pav. 5_a_). Jeigu šį sluoksnį apkrausime, jis nusės per aukštį Δ_h_, todėl jo storis dėl apkrovos sumažės iki h1. Taigi
Δ_h_ = h – h1.
Kadangi susispaudžiamo grunto sėdimas vyksta porų sąskaita, nes kietosios dalelės praktiškai nesuspaudžiamos, taip pat ir vanduo, jei grunto poros juo yra iš dalies arba visiškai užpildytos, šį sėdimą schematiškai galima pavaizduoti pav. 5_b_.
Pav. 5. Suspaudžiamo grunto sluoksnio, kurio storis h, sėdimas Δh veikiant apkrovai
Jei pažymėsime h0 tariamą kietųjų dalelių sluoksnio be porų aukštį, vadinamą sumažintuoju aukščiu, tuomet sėdimą Δ_h_ sumažintojo aukščio h0 atžvilgiu galime išreikšti santykiu:
Jei nagrinėsime grunto sluoksnį, kurio plotis ir ilgis lygūs vienetui, tada aukščiai h, h1 ir h0 atitinka tūrius, taigi yra
kur e yra poringumo koeficientas prieš, e1 po sėdimo. Iš ankstesnio gaunamas sėdimas
Δ_h_ = h0 (e-e1).
Sėdimas gali būti išreikštas sluoksnio aukščio h atžvilgiu prieš sėdimą, jei pakeičiame sumažinto aukščio h0 reikšmę:
h0 = h – nh = h (1-n) = h / (1+e),
kadangi n = VP / V = VP / h_,_ iš kur VP = nh.
Iš to gaunama
Tam tikros grunto rūšys turi šias vidutines poringumo n ir poringumo koeficiento e reikšmes:
Grunto drėgnis
Dirvožemio vandens rūšys
Vanduo dirvožemyje pasireiškia kaip vanduo porose tarp kietųjų dalelių, vadinamasis porų vanduo, taip pat kaip adsorbuotas vanduo ant kietųjų dalelių ir kaip konstitucinis vanduo.
Porinis vanduo susideda iš laisvojo vandens tarp kietųjų dalelių, kurio judėjimas vyksta pagal Darcy dėsnį, taip pat iš gravitacinio vandens, kuris juda veikiant gravitacijai iš viršaus žemyn visomis kryptimis, tačiau jo judėjimas nevyksta pagal Darcy dėsnį, kapiliarinio vandens, kuris juda veikiant kapiliarinėms jėgoms, ir paviršiaus įtempimo vandens, kuris paviršiaus įtempimu laikosi grunto kietųjų dalelių kampuose ir dar vadinamas kampiniu poriniu vandeniu. Visą šį vandenį galima visiškai pašalinti džiovinant gruntą temperatūroje nuo 110oC.
Adsorbuotas vanduo yra tas, kuris gaubia kietąsias daleles, su kuriomis yra susijęs molekulinėmis jėgomis. Tai vadinamasis vandens filmas, kurio storis siekia 6-80 µµ (1µµ=10-6 mm, milimikronas). Adsorbuoto vandens poveikis stambesnėms dalelėms yra menkas, tačiau kuo smulkesnės dalelės, tuo jo poveikis didesnis, nes didėja bendras dalelių paviršius, o kartu ir adsorbuoto vandens santykis su kietosiomis dalelėmis dirvožemio tūrio vienete. Šį vandenį galima tik iš dalies pašalinti džiovinant iki 110oC.
Konstitucinis vanduo yra chemiškai susijungęs į mineralų kristalus kietosiose dirvožemio dalelėse. Šio vandens yra labai mažai ir jo neįmanoma pašalinti džiovinant dirvą. Todėl šį vandenį galima laikyti sudėtine kietosios dalelės dalimi.
Vandens kiekis grunte
Pagal apibrėžimą vandens kiekis grunte, arba dirvožemio drėgnumas, yra grunte esančio vandens svorio ir jo kietųjų sudedamųjų dalių svorio santykis. Pagal vandens kiekį grunte skiriami trys atvejai: visiškai vandeniu prisotintas gruntas, iš dalies vandeniu prisotintas gruntas ir visiškai sausas gruntas.
Dirvožemis visiškai prisotintas vandeniu
Jei pažymėsime n grunto poringumą, γs visų dalelių tūrinį svorį, γw vandens tūrinį svorį, tada prisotinto grunto drėgnis wZ gali būti išreikštas tokia lygtimi
Iš dalies vandeniu prisotintas gruntas
Jei pažymėsime Ww grunte esančio vandens svorį, o Wd – kietųjų dalelių svorį, t. y. sauso grunto svorį, tada grunto drėgnis w
w = Ww / Wd , arba procentais nuo sauso grunto svorio: w = 100 _Ww / Wd.
Šiuo atveju dirvožemio drėgnumą galima išreikšti drėgnumo laipsniu Sr, kuris reiškia tikrojo vandens svorio dirvožemyje ir to vandens svorio tame pačiame grunte, kuris būtų, jeigu visos poros būtų užpildytos vandeniu, t. y. vandeniu prisotinto grunto vandens svorio, santykį:
atitinkamai, kai _γ_w = 1,00 Sr = w*γs / e.
Drėgnumo laipsnio ribinės reikšmės yra:
- visiškai sausam gruntui w = 0; Sr = 0
- visiškai prisotintam gruntui w = e/γs; Sr = e/γs * γs / e = 1,0.
Pav. 6. Iš dalies vandeniu prisotintas grunto mėginys
Prisotinimo laipsnis (kartais dar vadinamas prisotinimu arba drėgnumo laipsniu) taip pat išreiškiamas vandeniu užpildytų porų tūrio ir viso porų tūrio santykiu (pav. 6):
Sr = V2 / V1
kur V2 yra vandeniu užpildytų porų tūris, V1 bendras vandeniu, oru ir dujomis užpildytų porų tūris. Jei w yra grunto drėgnis % nuo sauso grunto Wd svorio, tada turime
V2 * γW = w Wd, iš kur V2 = w Wd / γw.
Kita vertus, turime, kad V1 = V – Vd, o kadangi Vd * γs = Wd, tai yra
Vd = Wd / γs ir V1 = V – Wd / γs.
Todėl dirvožemio prisotinimo laipsnis Sr bus
arba procentais nuo sausos dirvožemio masės
Gruntas visiškai sausas
Šiuo atveju w = 0. Visi porų vandenys pašalinti, o adsorbuotas vanduo pašalintas tik iš dalies, t. y. vandens plėvelė vis dar yra, bet jos storis sumažėjęs.