Struktur tanah
Dengan struktur tanah dimaksudkan susunan fasa pepejal dalam jisim tanah. Seperti yang diketahui, tanah terdiri daripada zarah pepejal dan liang yang dipenuhi air, udara atau wap air, lazimnya sebahagiannya udara dan sebahagiannya air. Berdasarkan susunan zarah pepejal dalam tanah ditentukan strukturnya. Struktur tanah tidak terikat dan tanah terikat sangat berbeza antara satu sama lain.
Struktur tanah tidak terikat
Struktur tanah tidak terikat terbentuk di bawah tindakan graviti. Zarah pepejal tanah ini adalah lebih besar dan jatuh ke bawah, mendap di bawah tindakan graviti, manakala daya tarikan antara molekul bagi zarah sedemikian tidak wujud atau sangat kecil dan diatasi oleh graviti. Oleh itu, dalam tanah tidak terikat, zarah pepejal tersusun bersebelahan antara satu sama lain, mengambil ruang kosong di antara zarah yang tersusun itu (raj. 1_a_). Jika zarah tanah tidak terikat berbentuk hampir bulat dan sama saiz, seperti yang mungkin berlaku pada pasir yang seragam, maka strukturnya boleh menjadi paling padat (raj. 1_b_) atau paling longgar (raj. 1_c_), bergantung pada susunan zarah pepejal dalam tanah. Struktur paling padat sepadan dengan kebolehmampatan maksimum tanah tidak terikat dan keliangannya ialah nmin=26%. Struktur paling longgar sepadan dengan kebolehmampatan minimum yang mungkin bagi tanah tidak terikat dan keliangannya ialah nmax=48%. Jadi, sebagai contoh, pasir longgar di bukit pasir mempunyai n=47%.
Raj. 1 Struktur tanah tidak terikat
Jika tanah tak terikat mempunyai saiz butiran yang berbeza, sehingga zarah yang lebih halus mengisi rongga antara zarah yang lebih besar (raj. 2), porositi tanah adalah jauh lebih kecil (n=20% dan kurang).
Raj. 2. Struktur tanah tidak terikat dengan saiz butiran yang berbeza
Struktur tanah terikat
Dalam tanah kohesif, strukturnya berbeza daripada tanah tidak terikat. Dalam tanah kohesif, daya kohesi muncul, yang lebih kuat daripada daya graviti zarah halus dan melekatkan zarah-zarah itu pada permukaan sentuhan. Oleh sebab itu, zarah-zarah ini tidak jatuh ke bawah secara berurutan, tetapi kekal melekat antara satu sama lain dan bersebelahan satu sama lain (raj. 3_a_), lalu membentuk struktur berantai seperti jaringan (raj. 3_b_), struktur berkelompok seperti kepingan (raj. 3_c_) dan sebagainya, yang disebut struktur peringkat lebih tinggi. Struktur sedemikian mempunyai keliangan yang besar, yang boleh mencapai 60-80% daripada jumlah jisim, sesuatu yang tidak berlaku pada tanah tidak terikat.
Raj. 3. Struktur tanah berikat
Porositi dan koefisien porositi
Keliangan tanah ditakrifkan sebagai nisbah isipadu liang terhadap jumlah isipadu tanah (raj. 4).
Raj. 4. Keliangan dan pekali keliangan tanah
Jika kita menandakan dengan
- Vp = isi padu liang dalam tanah
- Vm = isipadu zarah pepejal
- V = jumlah isipadu tanah,
porositi tanah n menurut definisi ialah
n = VP / V = VP / (VP + Vm),
iaitu dalam % daripada jumlah isipadu tanah
n = 100 * VP / (VP + Vm) %.
Pekali porositi tanah ditakrifkan sebagai nisbah isipadu liang kepada isipadu zarah pepejal:
e = VP / Vm.
Daripada rumus bagi porositi n kita peroleh:
nVP + nVm = VP, daripada itu Vm = VP(1-n) / n.
Dengan menggantikan nilai ini dalam rumus untuk e kita memperoleh
e = n / (1-n).
Daripada persamaan ini kita peroleh
e - ne = n; n = e / (1 + e).
Pekali porositi menunjukkan ketumpatan tanah. Jika pekali e lebih besar, maka ketumpatan tanah lebih rendah, dan sebaliknya. Jika sesuatu tanah yang mudah mampat mendap di bawah beban, saiz mendapan Δ_h_ boleh ditentukan dengan menggunakan pekali porositi sebelum dan selepas mendapan.
Perhatikan satu lapisan tanah termampat dengan ketebalan h (raj. 5_a_). Jika lapisan ini dibebankan, ia akan mendap sebanyak ketinggian Δ_h_, sehingga ketebalannya akibat beban akan berkurang menjadi h1. Oleh itu
Δ_h_ = h – h1.
Memandangkan penurunan tanah mampat berlaku kerana rongga, kerana zarah pepejal secara praktiknya tidak boleh dimampatkan, dan juga air, jika liang tanah diisi olehnya secara sebahagian atau sepenuhnya, maka penurunan ini boleh digambarkan secara skematik pada raj. 5_b_.
Raj. 5. Penurunan Δh lapisan tanah mampat setebal h di bawah beban
Jika kita menandakan dengan h0 ketinggian khayalan lapisan zarah pepejal tanpa rongga, yang dipanggil ketinggian terkurang, maka kita dapat menyatakan penurunan Δ_h_ berhubung dengan ketinggian terkurang h0 melalui hubungan:
Jika kita meninjau lapisan tanah dengan lebar dan panjang yang masing-masing bersamaan satu unit, maka ketinggian h, h1 dan h0 mewakili isipadu, maka
di mana e ialah pekali keliangan sebelum, e1 selepas mendapan. Daripada yang di atas diperoleh mendapan
Δ_h_ = h0 (e-e1).
Penurunan boleh dinyatakan berbanding dengan ketinggian lapisan h sebelum penurunan jika kita menggantikan nilai ketinggian terkurang h0:
h0 = h – nh = h (1-n) = h / (1+e),
memandangkan n = VP / V = VP / h_,_ maka VP = nh.
Maka diperoleh
Jenis tanah tertentu mempunyai nilai purata porositi n dan pekali porositi e berikut:
Kelembapan tanah
Jenis-jenis air dalam tanah
Air dalam tanah muncul dalam bentuk air dalam liang antara zarah pepejal yang disebut air liang, kemudian sebagai air teradsorpsi pada zarah pepejal dan sebagai air konstitusi.
Air pori terdiri daripada air bebas di antara zarah pepejal, yang pergerakannya berlaku menurut hukum Darcy, kemudian air graviti, yang bergerak di bawah tindakan graviti dari atas ke bawah ke semua arah, tetapi pergerakannya tidak berlaku menurut hukum Darcy, air kapilari yang bergerak di bawah tindakan daya kapilari dan air tegangan permukaan, yang ditahan oleh tegangan permukaan di sudut-sudut antara zarah pepejal tanah dan juga dipanggil air pori sudut. Semua air ini boleh dikeluarkan sepenuhnya dengan mengeringkan tanah pada suhu 110oC.
Air teradsorpsi ialah air yang menyelubungi zarah pepejal, yang terikat kepadanya oleh daya molekul. Ini ialah apa yang disebut filem air, yang ketebalannya berkisar 6-80 µµ (1µµ=10-6 mm, milimikron). Kesan air teradsorpsi pada zarah yang lebih besar adalah kecil, namun semakin halus zarah, semakin besar kesannya, kerana luas permukaan zarah meningkat dan dengan itu juga nisbah air teradsorpsi terhadap zarah pepejal dalam satu unit isipadu tanah. Air ini hanya boleh dikeluarkan sebahagiannya dengan pengeringan pada 110oC.
Air konstitusi ialah air yang bergabung secara kimia dalam kristal mineral zarah tanah pepejal. Air ini sangat sedikit dan tidak dapat dikeluarkan dengan pengeringan tanah. Oleh itu, air ini boleh dianggap sebagai sebahagian daripada zarah pepejal.
Kandungan air dalam tanah
Mengikut definisi, kandungan air dalam tanah atau kelembapan tanah ialah nisbah berat air yang terkandung dalam tanah kepada berat bahan pejalnya. Berdasarkan jumlah air dalam tanah, terdapat tiga keadaan: tanah tepu sepenuhnya dengan air, tanah tepu sebahagiannya dengan air dan tanah benar-benar kering.
Tanah tepu sepenuhnya dengan air
Jika kita menandakan dengan n porositi tanah, γs berat isipadu semua zarah, γw berat isipadu air, maka kandungan lembap tanah tepu wZ boleh dinyatakan dengan persamaan berikut
Tanah tepu air sebahagian
Jika kita tandakan Ww sebagai berat air yang terkandung dalam tanah, dan Wd sebagai berat zarah pejal atau berat kering tanah, maka kandungan lembapan tanah w
w = Ww / Wd , iaitu dalam peratus berat kering tanah: w = 100 Ww / Wd.
Dalam kes ini, kelembapan tanah boleh dinyatakan dengan darjah kelembapan Sr yang mewakili nisbah berat sebenar air dalam tanah kepada berat air dalam tanah yang sama, jika semua liang dipenuhi air, iaitu kepada berat air tanah tepu:
iaitu untuk _γ_w = 1,00 Sr = w*γs / e.
Nilai had bagi darjah kelembapan ialah:
- bagi tanah yang benar-benar kering w = 0; Sr = 0
- bagi tanah yang tepu sepenuhnya w = e/γs; Sr = e/γs * γs / e = 1,0.
Raj. 6. Sampel tanah tepu air sebahagiannya
Darjah ketepuan (yang kadangkala juga disebut ketepuan atau darjah kelembapan) juga dinyatakan melalui nisbah isipadu liang yang dipenuhi air kepada jumlah isipadu liang (raj. 6):
Sr = V2 / V1
di mana V2 ialah isipadu liang yang diisi dengan air, V1 ialah jumlah isipadu liang yang diisi dengan air, udara dan gas. Jika w ialah kandungan lembapan tanah dalam % daripada berat kering tanah Wd, maka kita mempunyai
V2 * γW = w Wd, maka V2 = w Wd / γw.
Sebaliknya, kita dapati bahawa V1 = V – Vd, dan kerana Vd * γs = Wd, maka
Vd = Wd / γs dan V1 = V – Wd / γs.
Oleh itu, darjah ketepuan tanah Sr akan menjadi
iaitu dalam peratus daripada berat kering tanah
Tanah benar-benar kering
Dalam kes ini w = 0. Semua air liang telah dikeluarkan, manakala air terjerap hanya dikeluarkan sebahagiannya, iaitu filem air masih wujud, tetapi ketebalannya telah berkurang.