Grunts struktūra
Ar augsnes struktūru saprot cietās fāzes izvietojumu zemes masā. Kā zināms, augsne sastāv no cietām daļiņām un porām, kas pildītas ar ūdeni, gaisu vai ūdens tvaiku, visbiežāk daļēji ar gaisu, daļēji ar ūdeni. Pēc cieto daļiņu izvietojuma augsnē tiek noteikta tās struktūra. Irdenas un saistītas augsnes struktūras būtiski atšķiras viena no otras.
Irdenas augsnes struktūra
Nesaistītas grunts struktūra veidojas gravitācijas iedarbībā. Šīs grunts cietās daļiņas ir rupjākas un krīt lejup, nogulsnējas gravitācijas iedarbībā, bet starpmolekulārās pievilkšanās spējas šādām daļiņām nepastāv vai ir nenozīmīgas un pārvarētas ar gravitāciju. Tāpēc nesaistītā gruntī cietās daļiņas sakārtojas cita pie citas, aizņemot brīvo telpu starp sakārtotajām daļiņām (sl. 1_a_). Ja nesaistītas grunts daļiņas ir aptuveni apaļas formas un vienāda lieluma, kā tas var būt vienmērīga sastāva smiltīm, tad struktūra var būt visblīvākā (sl. 1_b_) vai visretākā (sl. 1_c_), kas ir atkarīgs no cieto daļiņu izvietojuma gruntī. Visblīvākā struktūra atbilst nesaistītas grunts lielākajai sablīvējamībai, un tās porainība ir nmin=26%. Visretākā struktūra atbilst nesaistītas grunts mazākajai iespējamajai sablīvētībai, un tās porainība ir nmax=48%. Tā, piemēram, irdenām kāpu smiltīm n=47%.
Att. 1 Nesaistītas augsnes struktūra
Ja nesaistītai augsnei ir dažāds graudu rupjums, tā ka sīkākās daļiņas aizpilda tukšumus starp rupjākajām (att. 2), augsnes porainība ir ievērojami mazāka (n=20% un mazāk).
Sl. 2. Nesaistītas grunts struktūra ar dažādu graudu rupjumu
Saistītas augsnes struktūra
Saistītā augsnē struktūra ir citāda nekā nesaistītā. Saistītā augsnē parādās kohēzijas spēki, kas ir stiprāki par sīko daļiņu gravitācijas spēku un salipina tās saskares virsmās. Tāpēc šīs daļiņas nekrīt secīgi uz leju, bet paliek salipušas viena pie otras un viena uz otras (att. 3_a_), tādējādi veidojot ķēdveida tīklveida struktūru (att. 3_b_), pārslveida (att. 3_c_) utt., ko sauc par augstāka ranga struktūrām. Šādām struktūrām ir liela porainība, kas var sasniegt 60-80% no kopējās masas, kas nesaistītā augsnē nav iespējams.
Att. 3. Saistītās grunts struktūra
Porainība un porainības koeficients
Grunts porainība tiek definēta kā poru tilpuma attiecība pret kopējo grunts tilpumu (att. 4).
Att. 4. Augsnes porainība un porainības koeficients
Ja apzīmējam ar
- Vp = poru tilpumu augsnē
- Vm = cieto daļiņu tilpumam
- V = kopējais grunts tilpums,
grunts porainība n pēc definīcijas ir
n = VP / V = VP / (VP + Vm),
t. i., % no kopējā augsnes tilpuma
n = 100 * VP / (VP + Vm) %.
Grunts porainības koeficientu definē kā poru tilpuma attiecību pret cieto daļiņu tilpumu:
e = VP / Vm.
No porainības n formulas mums ir:
nVP + nVm = VP, no kurienes Vm = VP(1-n) / n.
Aizstājot šo vērtību izteiksmē e, iegūstam
e = n / (1-n).
No šīs vienādojuma iegūstam
e - ne = n; n = e / (1 + e).
Porainības koeficients parāda augsnes blīvumu. Jo lielāks ir koeficients e, jo mazāks ir augsnes blīvums, un otrādi. Ja kāda saspiežama augsne slodzes iedarbībā sēžas, tad, izmantojot porainības koeficientu pirms un pēc sēšanās, var noteikt sēšanās lielumu Δ_h_.
Aplūkosim saspiežamas grunts slāni ar biezumu h (att. 5_a_). Ja šo slāni noslogosim, tas nosēdīsies par augstumu Δ_h_, tā ka slodzes ietekmē tā biezums samazināsies līdz h1. Tātad
Δ_h_ = h – h1.
Tā kā saspiežamas grunts nosēšanās notiek uz poru rēķina, jo cietās daļiņas praktiski nav saspiežamas, kā arī ūdens — ja grunts poras ar to ir daļēji vai pilnīgi aizpildītas —, šo nosēšanos var shematiski attēlot att. 5_b_.
Att. 5. Saspiežama augsnes slāņa ar biezumu h sēšanās Δh slodzes iedarbībā
Ja ar h0 apzīmē izdomāto cieto daļiņu slāņa augstumu bez porām, ko sauc par samazināto augstumu, tad nosēšanos Δ_h_ attiecībā pret samazināto augstumu h0 varam izteikt ar sakarību:
Ja aplūko grunts slāni, kura platums un garums ir vienāds ar vienu, tad augstumi h, h1 un h0 attēlo tilpumus, un tāpēc ir
kur e ir porainības koeficients pirms, e1 pēc sēšanās. No iepriekšējā iegūst sēšanos
Δ_h_ = h0 (e-e1).
Nosēšanos var izteikt attiecībā pret slāņa augstumu h pirms nosēšanās, ja aizstājam samazinātā augstuma h0 vērtību:
h0 = h – nh = h (1-n) = h / (1+e),
tā kā n = VP / V = VP / h_,_ no kurienes VP = nh.
Tādējādi iegūst
Dažādiem augsnes veidiem ir šādas vidējās porainības n un porainības koeficienta e vērtības:
Grunts mitrums
Grunts ūdens veidi
Ūdens augsnē parādās kā ūdens porās starp cietajām daļiņām, tā sauktais poru ūdens, pēc tam kā adsorbētais ūdens uz cietajām daļiņām un kā konstitucionālais ūdens.
Poru ūdens sastāv no brīvā ūdens starp cietajām daļiņām, kura kustība notiek pēc Dārsija likuma, pēc tam no gravitācijas ūdens, kas gravitācijas ietekmē kustas no augšas uz leju visos virzienos, bet tā kustība nenotiek pēc Dārsija likuma, kapilārā ūdens, kas kustas kapilāro spēku ietekmē, un virsmas sprieguma ūdens, ko virsmas spriegums notur augsnes cieto daļiņu stūros un ko vēl sauc par stūru poru ūdeni. Visu šo ūdeni var pilnībā noņemt, žāvējot grunti temperatūrā no 110oC.
Adsorbētais ūdens ir tas, kas apņem cietās daļiņas, ar kurām tas ir saistīts molekulāro spēku iedarbībā. Tas ir tā sauktais ūdens plēves slānis, kura biezums ir 6-80 µµ (1µµ=10-6 mm, milimikrons). Adsorbētā ūdens ietekme uz lielākām daļiņām ir niecīga, taču jo sīkākas ir daļiņas, jo lielāka ir tā ietekme, jo palielinās daļiņu kopējā virsma un līdz ar to arī adsorbētā ūdens attiecība pret cietajām daļiņām augsnes vienības tilpumā. Šo ūdeni var tikai daļēji noņemt, žāvējot pie 110oC.
Konstitucionālais ūdens ir ķīmiski saistīts minerālu kristālos augsnes cieto daļiņu sastāvā. Šī ūdens ir ļoti maz, un to nevar noņemt, izžāvējot augsni. Tādēļ šo ūdeni var uzskatīt par cietās daļiņas sastāvdaļu.
Ūdens daudzums augsnē
Pēc definīcijas ūdens daudzums augsnē jeb augsnes mitrums ir ūdens svara attiecība, kas atrodas augsnē, pret tās cieto sastāvdaļu svaru. Pēc ūdens daudzuma augsnē izšķir trīs gadījumus: augsne pilnīgi piesātināta ar ūdeni, augsne daļēji piesātināta ar ūdeni un augsne pilnīgi sausa.
Pilnīgi ar ūdeni piesātināta augsne
Ja apzīmējam ar n augsnes porainību, γs visu daļiņu tilpuma svaru, γw ūdens tilpuma svaru, tad piesātinātas augsnes mitrumu wZ var izteikt ar šādu vienādojumu
Augsne daļēji piesātināta ar ūdeni
Ja apzīmējam ar Ww grunts saturētā ūdens svaru, ar Wd cieto daļiņu svaru jeb grunts sauso svaru, tad grunts mitrums w
w = Ww / Wd , t. i., procentos no augsnes sausā svara: w = 100 Ww / Wd.
Šajā gadījumā augsnes mitrumu var izteikt ar mitruma pakāpi Sr, kas raksturo faktiskā ūdens svara attiecību augsnē pret tāda paša ūdens svaru šajā augsnē, kas būtu tad, ja visas poras būtu piepildītas ar ūdeni, resp. pret piesātinātas augsnes ūdens svaru:
attiecībā uz _γ_w = 1,00 Sr = w*γs / e.
Mitruma pakāpes robežvērtības ir:
- pilnīgi sausai gruntij w = 0; Sr = 0
- pilnīgi piesātinātai augsnei w = e/γs; Sr = e/γs * γs / e = 1,0.
Att. 6. Augsnes paraugs daļēji piesātināts ar ūdeni
Piesātinājuma pakāpe (ko dažkārt sauc arī par piesātinātību vai mitruma pakāpi) tiek izteikta arī kā ar ūdeni piepildīto poru tilpuma attiecība pret kopējo poru tilpumu (att. 6):
Sr = V2 / V1
kur V2 ir ar ūdeni piepildīto poru tilpums, V1 ir kopējais ar ūdeni, gaisu un gāzēm piepildīto poru tilpums. Ja w ir augsnes mitrums % no sausās augsnes masas Wd, tad mums ir
V2 * γW = w Wd, no kā V2 = w Wd / γw.
No otras puses, mums ir, ka V1 = V – Vd, un, tā kā Vd * γs = Wd, tad
Vd = Wd / γs un V1 = V – Wd / γs.
Tātad augsnes piesātinājuma pakāpe Sr būs
tas ir, procentos no augsnes sausās masas
Augsne pilnīgi sausa
Šajā gadījumā w = 0. Visa poru ūdens ir aizvadīts, bet adsorbētais ūdens ir aizvadīts tikai daļēji, t. i., ūdens plēve joprojām pastāv, bet tās biezums ir samazināts.