Хөрсний бүтэц
Хөрсний бүтцээр хөрсний масс дахь хатуу фазын байрлалыг ойлгоно. Мэдэгдэж байгаагаар хөрс нь хатуу ширхэгүүд болон ус, агаар эсвэл усны уураар дүүрсэн нүх сүвээс бүрддэг бөгөөд ихэвчлэн хэсэгчлэн агаараар, хэсэгчлэн усаар дүүрсэн байдаг. Хөрсөн дэх хатуу ширхэгүүдийн байрлалаар түүний бүтэц тодорхойлогдоно. Холбоогүй ба холбоост хөрсний бүтэц хоорондоо үндсэндээ ялгаатай.
Бүдүүвчгүй хөрсний бүтэц
Хөрсний бүтэц таталцлын нөлөөгөөр бүрэлддэг. Энэ хөрсний хатуу бөөмс нь илүү бүдүүн бөгөөд доош унаж, таталцлын үйлчлэлээр тунадаг, харин ийм бөөмсийн хоорондох молекул хоорондын таталцлын хүч байхгүй эсвэл өчүүхэн бөгөөд таталцлаар дийлддэг. Иймээс холбоогүй хөрсөнд хатуу бөөмс нэгнийхээ хажууд зэрэгцэн байрлаж, байрласан бөөмсийн хоорондын чөлөөт зайг эзэлдэг (зураг 1_a_). Хэрэв холбоогүй хөрсний бөөмс бараг дугуй хэлбэртэй, ижил хэмжээтэй байвал, жигд ширхэглэлтэй элсний хувьд байж болох шиг, бүтэц нь хамгийн нягт (зураг 1_b_) эсвэл хамгийн сийрэг (зураг 1_c_) байж болох бөгөөд энэ нь хөрсөн дэх хатуу бөөмсийн байрлалаас хамаарна. Хамгийн нягт бүтэц нь холбоогүй хөрсний хамгийн их нягтралд тохирох бөгөөд түүний сүвшил nmin=26%. Хамгийн сийрэг бүтэц нь холбоогүй хөрсний хамгийн бага боломжит нягтралд тохирох бөгөөд түүний сүвшил nmax=48%. Жишээлбэл, манханы сул элс n=47% байна.
Зураг. 1 Бэхлээгүй хөрсний бүтэц
Хэрэв сул хөрс нь янз бүрийн ширхэгийн томролтой бөгөөд нарийн бөөмс нь том бөөмсийн хоорондох хоосон зайг дүүргэж байвал (зур. 2), хөрсний сүвшилт мэдэгдэхүйц бага (n=20% ба түүнээс бага) байдаг.
Зураг 2. Өөр өөр ширхэгийн бүдүүнтэй холбоогүй хөрсний бүтэц
Бэхэлсэн хөрсний бүтэц
Холбоост хөрсөнд бүтэц нь холбоогүй хөрснөөс өөр байдаг. Холбоост хөрсөнд когезийн хүчүүд үүсдэг бөгөөд тэдгээр нь жижиг ширхэгүүдийн таталцлын хүчнээс хүчтэй бөгөөд хүрэлцэх гадаргуу дээр тэднийг наалдуулдаг. Иймээс эдгээр ширхэгүүд дараалан доош унадаггүй, харин хоорондоо болон нэг нэгнийхээ хажууд наалдсан хэвээр үлдэж (зураг 3_a_), улмаар гинжин торон бүтэц (зураг 3_b_), ширхэглэг бүтэц (зураг 3_c_) гэх мэт, дээд зэрэглэлийн бүтэц гэж нэрлэгдэх хэлбэрүүдийг үүсгэнэ. Ийм бүтцүүд нь их сүвшилтэй бөгөөд энэ нь 60-80% нийт масст хүрч болох бөгөөд холбоогүй хөрсөнд ийм байх боломжгүй.
Sl. 3. Холбогдсон хөрсний бүтэц
Сүвэрхэг чанар ба сүвэрхэг байдлын коэффициент
Хөрсний сүвэрхэг чанар нь нүх сүвийн эзэлхүүнийг хөрсний нийт эзэлхүүнтэй харьцуулсан харьцаагаар тодорхойлогдоно (зураг 4).
Зураг 4. Хөрсний сүвшил ба сүвшлийн коэффициент
Хэрэв бид …-ээр тэмдэглэвэл
- Vp = хөрсөн дэх нүх сүвийн эзлэхүүн
- Vm = хатуу бөөмсийн эзлэхүүн
- V = хөрсний нийт эзлэхүүн,
хөрсний сүвшил n нь тодорхойлолтоор
n = VP / V = VP / (VP + Vm),
өөрөөр хэлбэл хөрсний нийт эзлэхүүний %-иар
n = 100 * VP / (VP + Vm) %.
Хөрсний сүвшлийн коэффициентийг сүвийн эзлэхүүнийг хатуу бөөмсийн эзлэхүүнд харьцуулсан харьцаагаар тодорхойлно:
e = VP / Vm.
Нүх сүвшлийн n томъёоноос бид:
nVP + nVm = VP, тэндээс Vm = VP(1-n) / n.
Энэ утгыг e‑ийн томьёонд орлуулснаар бид
e = n / (1-n).
Энэ тэгшитгэлээс бид авна
e - ne = n; n = e / (1 + e).
Сүвшлийн коэффициент нь хөрсний нягтыг харуулна. e коэффициент их байх тусам хөрсний нягт бага байдаг, мөн эсрэгээр. Хэрэв шахагддаг хөрс ачааллын дор суулт өгвөл, суултын өмнөх ба дараах сүвшлийн коэффициентоор суултын хэмжээг Δ_h_ тодорхойлж болно.
Шахагддаг хөрсний h зузаантай үеийг авч үзье (зураг 5_a_). Хэрэв энэ үеийг ачаалбал, Δ_h өндөрөөр суулт өгч, ачааллын улмаас түүний зузаан h1 хүртэл багасна. Иймээс
Δ_h_ = h – h1.
Шахагдах хөрсний суулт нь сүвний зардлаар явагддаг, учир нь хатуу ширхэгүүд бараг шахагддаггүй бөгөөд хөрсний нүх сүв усаар хэсэгчлэн эсвэл бүрэн дүүрсэн тохиолдолд ус ч мөн шахагддаггүй тул энэ суултыг зураг 5_b_ дээр схемчлэн үзүүлж болно.
Зураг 5. Ачааллын дор h зузаантай шахагдах хөрсний үеийн суулт Δh
Хэрэв h0 гэж нүх сүвгүй хатуу бөөмсийн давхаргын төсөөлсөн өндрийг, өөрөөр хэлбэл бууруулсан өндөр гэж тэмдэглэвэл, суулт Δ_h_-ийг бууруулсан өндөр h0-той харьцуулах харьцаагаар дараах байдлаар илэрхийлж болно:
Хэрэв өргөн ба урт нь нэгжтэй тэнцүү хөрсний үеийг авч үзвэл, h, h1 болон h0 өндөр нь эзлэхүүнүүдийг илэрхийлэх бөгөөд тэгвэл
энд e нь өмнөх сүвэрхэг байдлын коэффициент, e1 нь суултын дараах. Дээрхээс суулт
Δ_h_ = h0 (e-e1).
Суултыг суларсны өмнөх давхаргын өндөр h-тэй харьцуулан, бууруулсан өндөр h0-ийн утгыг орлуулснаар илэрхийлж болно:
h0 = h – nh = h (1-n) = h / (1+e),
учир нь n = VP / V = VP / h_,_ тэгэхээр VP = nh.
Ингэснээр дараах үр дүн гарна
Хөрсний зарим төрөл дараах дундаж сүвэрхэгжилтийн n болон сүвэрхэг байдлын коэффициентийн e утгатай байдаг:
Хөрсний чийглэг
Хөрсөн дэх усны төрлүүд
Хөрсөн дэх ус нь хатуу ширхэгүүдийн хоорондох нүх сүвэнд орших ус буюу сүвний ус, мөн хатуу ширхэг дээрх адсорбцлогдсон ус болон бүтэц ус хэлбэрээр илэрнэ.
Нүх сүвийн ус нь хатуу ширхэгүүдийн хоорондох чөлөөт ус‑аас бүрдэнэ; түүний хөдөлгөөн Darcy‑ийн хуулиар явагдана. Үүний дараа таталцлын ус буюу доороос дээш биш, дээрээс доош бүх чиглэлд таталцлын үйлчлэлээр шилждэг боловч түүний хөдөлгөөн Darcy‑ийн хуулиар явагддаггүй ус, капилляр ус буюу капилляр хүчний үйлчлэлээр хөдөлдөг ус, мөн хатуу хөрсний ширхэгүүдийн завсар дахь өнцгүүдэд гадаргын таталцлын нөлөөгөөр тогтож байдаг гадаргын таталцлын ус орно; үүнийг мөн өнцгийн нүх сүвийн ус гэж нэрлэнэ. Энэ бүх усыг хөрсийг 110oC температурт хатаах замаар бүрэн арилгаж болно.
Адсорбцлогдсон ус гэдэг нь хатуу ширхэгийг хүрээлэн оршдог, молекулын хүчээр холбогдсон усыг хэлнэ. Энэ нь усны хальс хэмээх бөгөөд түүний зузаан 6-80 µµ (1µµ=10-6 mm, миллимикрон) хооронд хэлбэлзэнэ. Адсорбцлогдсон усны том ширхэгт үзүүлэх нөлөө өчүүхэн боловч ширхэг нарийсах тусам түүний нөлөө нэмэгдэнэ, учир нь ширхэгийн нийт гадаргуу ихсэж, улмаар нэгж эзэлхүүн дэх хөрсний хатуу ширхэгтэй харьцуулахад адсорбцлогдсон усны харьцаа өсдөг. Энэ усыг зөвхөн 110oC-д хатаах замаар хэсэгчлэн л зайлуулж болно.
Бүтэц ус гэдэг нь хөрсний хатуу ширхэгийн эрдсийн талстад химийн холбоогоор нэгдсэн усыг хэлнэ. Энэ ус маш бага хэмжээгээр байдаг бөгөөд хөрсийг хатаах замаар зайлуулах боломжгүй. Иймээс энэ усыг хатуу ширхэгийн салшгүй хэсэг гэж үзэж болно.
Хөрсөн дэх усны хэмжээ
Тодорхойлолтоор, хөрсөн дэх усны хэмжээ буюу хөрсний чийг нь хөрсөнд агуулагдаж буй усны жинг түүний хатуу бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн жинтэй харьцуулсан харьцаа юм. Хөрсөн дэх усны агууламжаар дараах гурван тохиолдлыг ялгана: усаар бүрэн ханасан хөрс, усаар хэсэгчлэн ханасан хөрс, мөн бүрэн хуурай хөрс.
Хөрс усанд бүрэн ханасан
Хөрсний сүвшилтийг n, бүх бөөмийн эзлэхүүний жинг γs, усны эзлэхүүний жинг γw гэж тэмдэглэвэл, ханасан хөрсний чийглэг wZ -ийг дараах тэгшитгэлээр илэрхийлж болно
Хэсэгчлэн усанд ханасан хөрс
Хэрэв Ww гэж хөрсөнд агуулагдах усны жинг, Wd гэж хатуу ширхэгүүдийн жин буюу хөрсний хуурай жинг тэмдэглэвэл, хөрсний чийгшил w
w = Ww / Wd , өөрөөр хэлбэл хөрсний хуурай жингийн хувиар: w = 100 Ww / Wd.
Энэ тохиолдолд хөрсний чийгийг чийгийн зэрэг Sr–ээр илэрхийлж болно. Энэ нь хөрсөн дэх бодит усны жинг, тухайн хөрсний бүх нүх сүв усаар дүүрсэн байсан үеийн усны жинтэй, өөрөөр хэлбэл ханасан хөрсний усны жинтэй харьцуулсан харьцаа юм:
харьц. _γ_w = 1,00 Sr = w*γs / e.
Чийгшлийн түвшний хязгаарын утгууд нь:
- бүрэн хуурай хөрсний хувьд w = 0; Sr = 0
- бүрэн ханасан хөрсөнд w = e/γs; Sr = e/γs * γs / e = 1,0.
Зураг 6. Усаар хэсэгчлэн ханасан хөрсний сорьц
Ханалтын зэрэг (заримдаа ханалт эсвэл чийгшлийн зэрэг гэж нэрлэдэг) нь мөн усаар дүүрсэн сүвний эзлэхүүнийг нийт сүвний эзлэхүүнд харьцуулсан харьцаагаар илэрхийлэгдэнэ (зураг 6):
Sr = V2 / V1
энд V2 нь усаар дүүрсэн нүх сүвийн эзлэхүүн, V1 нь ус, агаар ба хийгээр дүүрсэн нүх сүвийн нийт эзлэхүүн. Хэрэв w нь хөрсний хуурай жингийн Wd, %-иар илэрхийлсэн чийгшил бол бидэнд байна
V2 * γW = w Wd, үүнээс V2 = w Wd / γw.
Нөгөө талаас, V1 = V – Vd, мөн Vd * γs = Wd, тул
Vd = Wd / γs ба V1 = V – Wd / γs.
Тэгэхээр хөрсний ханалтын зэрэг Sr нь
эсвэл хөрсний хуурай жингийн хувиар
Хөрс бүрэн хуурай
Энэ тохиолдолд w = 0. Нүх сүвийн бүх ус зайлагдсан, харин шингээгдсэн ус зөвхөн хэсэгчлэн зайлагдсан, өөрөөр хэлбэл усан хальс одоо ч байна, гэхдээ түүний зузаан багассан.