Bodemstructuur
Onder de structuur van de grond wordt de ordening van de vaste fase in de aardmassa verstaan. Zoals bekend bestaat de grond uit vaste deeltjes en poriën gevuld met water, lucht of waterdamp, meestal gedeeltelijk lucht en gedeeltelijk water. Volgens de rangschikking van de vaste deeltjes in de grond wordt de structuur ervan bepaald. De structuren van niet-gebonden en gebonden grond verschillen wezenlijk van elkaar.
Structuur van niet-gebonden grond
De structuur van niet-gebonden grond ontstaat onder invloed van de zwaartekracht. De vaste deeltjes van deze grond zijn grover en vallen naar beneden, bezinken onder invloed van de zwaartekracht, terwijl er geen of slechts zeer geringe intermoleculaire aantrekkingskrachten tussen dergelijke deeltjes bestaan en deze door de zwaartekracht worden overwonnen. Daarom liggen bij niet-gebonden grond de vaste deeltjes naast elkaar en nemen zij de vrije ruimte tussen de deeltjes in beslag (afb. 1_a_). Als de deeltjes van niet-gebonden grond ongeveer rond van vorm en even groot zijn, zoals het geval kan zijn bij gelijkkorrelig zand, dan kan de structuur het dichtst zijn (afb. 1_b_) of het meest los (afb. 1_c_), afhankelijk van de rangschikking van de vaste deeltjes in de grond. De dichtste structuur komt overeen met de grootste mogelijke verdichtbaarheid van niet-gebonden grond en de porositeit ervan is nmin=26%. De meest losse structuur komt overeen met de kleinste mogelijke verdichting van niet-gebonden grond en de porositeit ervan is nmax=48%. Zo heeft bijvoorbeeld los duinzand n=47%.
Afb. 1 Struktuur van niet-gebonden grond
Als de losse grond korrels van verschillende grootte heeft, zodat de fijnere deeltjes de holten tussen de grovere deeltjes opvullen (afb. 2), is de porositeit van de grond aanzienlijk kleiner (n=20% en minder).
Afb. 2. Struktuur van niet-gebonden grond met verschillende korrelgrofheid
Structuur van de gebonden grond
Bij gebonden grond is de structuur anders dan bij ongebonden grond. Bij gebonden grond treden cohesiekrachten op, die sterker zijn dan de zwaartekracht van de fijne deeltjes en deze op de contactvlakken aan elkaar hechten. Daardoor vallen deze deeltjes niet ordelijk naar beneden, maar blijven zij aan elkaar en naast elkaar gehecht (afb. 3_a_), waardoor een kettingvormige netwerkstructuur ontstaat (afb. 3_b_), een vlokkige structuur (afb. 3_c_) enz., die hogere-ordestructuren worden genoemd. Dergelijke structuren hebben een grote porositeit, die kan oplopen tot 60-80% van de totale massa, wat bij ongebonden grond niet mogelijk is.
Afb. 3. Structuur van gebonden grond
Porositeit en porositeitscoëfficiënt
Porositeit van de grond wordt gedefinieerd als de verhouding van het volume van de poriën tot het totale volume van de grond (afb. 4).
Afb. 4. Porositeit en porositeitscoëfficiënt van de bodem
Als we aanduiden met
- Vp = het poriënvolume in de grond
- Vm = volume van vaste deeltjes
- V = het totale volume van de grond,
de porositeit van de grond n is per definitie
n = VP / V = VP / (VP + Vm),
respectievelijk in % van het totale grondvolume
n = 100 * VP / (VP + Vm) %.
De porositeitscoëfficiënt van de grond wordt gedefinieerd als de verhouding van het volume van de poriën tot het volume van de vaste deeltjes:
e = VP / Vm.
Uit het schema voor de porositeit n hebben we:
nVP + nVm = VP, waaruit volgt Vm = VP(1-n) / n.
Door deze waarde in de formule voor e te vervangen, krijgen we
e = n / (1-n).
Uit deze vergelijking krijgen we
e - ne = n; n = e / (1 + e).
De porositeitscoëfficiënt geeft de dichtheid van de grond aan. Hoe groter de coëfficiënt e, des te kleiner de dichtheid van de grond, en omgekeerd. Als een samendrukbare grond onder belasting zet, kan met behulp van de porositeitscoëfficiënt vóór en na de zetting de grootte van de zetting Δ_h_ worden bepaald.
Beschouw een laag samendrukbare grond met dikte h (afb. 5_a_). Als deze laag wordt belast, zal zij zakken met een hoogte Δ_h_, zodat haar dikte door de belasting afneemt tot h1. Derhalve
Δ_h_ = h – h1.
Aangezien de zetting van samendrukbare grond plaatsvindt ten koste van de poriën, omdat de vaste deeltjes praktisch onsamendrukbaar zijn, evenals het water, indien de poriën van de grond er gedeeltelijk of volledig mee zijn gevuld, kan deze zetting schematisch worden weergegeven op afb. 5_b_.
Afb. 5. Zetting Δh van een samendrukbare grondlaag met dikte h onder belasting
Als we met h0 de denkbeeldige hoogte van de laag vaste deeltjes zonder poriën aanduiden, de zogeheten gereduceerde hoogte, dan kunnen we de zetting Δ_h_ ten opzichte van de gereduceerde hoogte h0 uitdrukken met de verhouding:
Als we een grondlaag bekijken met een breedte en lengte die gelijk zijn aan één, dan stellen de hoogten h, h1 en h0 de volumes voor, en dus is
waarbij e de porositeitscoëfficiënt vóór, en e1 na de zetting is. Hieruit volgt de zetting
Δ_h_ = h0 (e-e1).
De zetting kan worden uitgedrukt in verhouding tot de hoogte van de laag h vóór de zetting, als wij de waarde van de gereduceerde hoogte h0 vervangen:
h0 = h – nh = h (1-n) = h / (1+e),
omdat n = VP / V = VP / h_, waaruit volgt dat VP = nh.
Daaruit volgt
Enkele grondsoorten hebben de volgende gemiddelde waarden van de porositeit n en de porositeitscoëfficiënt e:
Bodemvochtgehalte
Soorten water in de bodem
Water in de bodem komt voor in de vorm van water in de poriën tussen de vaste deeltjes, het zogenaamde poriewater, vervolgens als geadsorbeerd water op de vaste deeltjes en als constitutiegebonden water.
Porna voda bestaat uit vrij water tussen de vaste deeltjes, waarvan de beweging verloopt volgens de wet van Darcy, vervolgens gravitatiewater, dat onder invloed van de zwaartekracht van boven naar beneden in alle richtingen beweegt, maar waarvan de beweging niet volgens de wet van Darcy verloopt, capillair water, dat zich onder invloed van capillaire krachten beweegt, en water van oppervlaktespanning, dat door oppervlaktespanning in de hoeken tussen de vaste deeltjes van de grond wordt vastgehouden en ook hoekporiënwater wordt genoemd. Al dit water kan volledig worden verwijderd door de grond te drogen bij een temperatuur van 110oC.
Geadsorbeerd water is het water dat de vaste deeltjes omhult, waarmee het door moleculaire krachten is gebonden. Dit is het zogenaamde waterfilm, waarvan de dikte varieert van 6-80 µµ (1µµ=10-6 mm, milimikron). De invloed van geadsorbeerd water bij grovere deeltjes is gering, maar naarmate de deeltjes fijner zijn, wordt die invloed groter, omdat het totale oppervlak van de deeltjes toeneemt en daarmee ook de verhouding van geadsorbeerd water tot de vaste deeltjes in een eenheidsvolume van de bodem. Dit water kan slechts gedeeltelijk worden verwijderd door droging bij 110oC.
Constitutiegebonden water is chemisch gebonden in de kristallen van de mineralen van de vaste bodemdeeltjes. Van dit water is er zeer weinig en het kan niet worden verwijderd door de bodem te drogen. Daarom kan dit water worden beschouwd als een integraal onderdeel van de vaste deeltjes.
Waterhoeveelheid in de grond
Volgens de definitie is de hoeveelheid water in de grond, of bodemvochtigheid, de verhouding van het gewicht van het in de grond aanwezige water tot het gewicht van de vaste bestanddelen. Volgens de waterinhoud in de grond onderscheiden we drie gevallen: grond volledig verzadigd met water, grond gedeeltelijk verzadigd met water en grond volledig droog.
Grond volledig verzadigd met water
Als we met n de porositeit van de grond aanduiden, met γs het volumieke gewicht van alle deeltjes, en met γw het volumieke gewicht van water, dan kan het vochtgehalte van verzadigde grond wZ met de volgende vergelijking worden uitgedrukt
Gedeeltelijk met water verzadigde grond
Als we met Ww het gewicht van het in de grond aanwezige water aanduiden, en met Wd het gewicht van de vaste deeltjes, respectievelijk het droge gewicht van de grond, dan is het vochtgehalte van de grond w
w = Ww / Wd, of in procenten van het droge gewicht van de bodem: w = 100 Ww / Wd.
In dit geval kan de bodemvochtigheid worden uitgedrukt met de verzadigingsgraad Sr, die de verhouding weergeeft van het werkelijke gewicht van het water in de grond tot het gewicht van het water in dezelfde grond dat aanwezig zou zijn als alle poriën met water waren gevuld, resp. tot het gewicht van het water in verzadigde grond:
resp. voor _γ_w = 1,00 Sr = w*γs / e.
Grenswaarden voor de vochtigheidsgraad zijn:
- voor volledig droge grond w = 0; Sr = 0
- voor volledig verzadigde grond w = e/γs; Sr = e/γs * γs / e = 1,0.
Afb. 6. Grondmonster gedeeltelijk verzadigd met water
De verzadigingsgraad (die soms ook verzadiging of vochtgraad wordt genoemd) wordt eveneens uitgedrukt als de verhouding van het volume poriën gevuld met water tot het totale poriënvolume (afb. 6):
Sr = V2 / V1
waarbij V2 het volume van met water gevulde poriën is, V1 het totale volume van met water, lucht en gassen gevulde poriën. Als w het vochtgehalte van de grond is in % van het droge gewicht van de grond Wd, dan hebben we
V2 * γW = w Wd, waaruit volgt dat V2 = w Wd / γw.
Aan de andere kant hebben we dat V1 = V – Vd, en aangezien Vd * γs = Wd, geldt:
Vd = Wd / γs en V1 = V – Wd / γs.
Daaruit volgt dat de verzadigingsgraad van de grond Sr zal zijn
ofwel als percentage van het droge gewicht van de bodem
Volledig droge grond
In dit geval is w = 0. Al het poriewater is verwijderd, terwijl het geadsorbeerde water slechts gedeeltelijk is verwijderd, d.w.z. de waterfilm bestaat nog steeds, maar de dikte ervan is verminderd.