Struktura gruntu
Przez strukturę gruntu rozumie się układ fazy stałej w masie ziemnej. Jak wiadomo, grunt składa się z cząstek stałych i porów wypełnionych wodą, powietrzem lub parą wodną, najczęściej częściowo powietrzem, częściowo wodą. Układ cząstek stałych w gruncie określa jego strukturę. Struktury gruntu niespoistego i spoistego zasadniczo różnią się od siebie.
Struktura gruntu niespoistego
Struktura niespoistego gruntu kształtuje się pod wpływem grawitacji. Stałe cząstki tego gruntu są większe i opadają w dół, osadzając się pod wpływem grawitacji, podczas gdy międzycząsteczkowe siły przyciągające takich cząstek nie występują albo są znikome i przezwyciężone przez grawitację. Dlatego w gruncie niespoistym cząstki stałe układają się obok siebie, zajmując wolną przestrzeń między ułożonymi cząstkami (rys. 1_a_). Jeżeli cząstki gruntu niespoistego mają kształt zbliżony do okrągłego i jednakową wielkość, jak może to mieć miejsce w przypadku piasku o równomiernym uziarnieniu, wówczas struktura może być najgęstsza (rys. 1_b_) lub najrzadsza (rys. 1_c_), co zależy od rozmieszczenia cząstek stałych w gruncie. Najgęstsza struktura odpowiada największej możliwości zagęszczenia gruntu niespoistego, a jego porowatość wynosi nmin=26%. Najrzadsza struktura odpowiada najmniejszemu możliwemu zagęszczeniu gruntu niespoistego, a jego porowatość wynosi nmax=48%. Tak na przykład luźny piasek wydmowy ma n=47%.
Rys. 1 Struktura gruntu niespoistego
Jeśli grunt niespoisty ma zróżnicowane uziarnienie, tak że drobniejsze cząstki wypełniają pory między grubszymi (rys. 2), porowatość gruntu jest znacznie mniejsza (n=20% i mniej).
Sl. 2. Struktura niespoistego gruntu o różnej wielkości ziaren
Struktura gruntu związanego
W przypadku gruntu związanego struktura jest inna niż w przypadku gruntu niespoistego. W gruncie związanym występują siły kohezji, które są silniejsze od siły ciężkości drobnych cząstek i sklejają je w miejscach styku. Dlatego cząstki te nie opadają kolejno w dół, lecz pozostają sklejone jedna na drugiej i jedna obok drugiej (rys. 3_a_), tworząc w ten sposób strukturę łańcuchowo-siatkową (rys. 3_b_), płatkową (rys. 3_c_) itd., które nazywa się strukturami wyższego rzędu. Takie struktury mają dużą porowatość, która może sięgać 60-80% masy całkowitej, co nie występuje w gruncie niespoistym.
Rys. 3. Struktura gruntu związanego
Porowatość i współczynnik porowatości
Porowatość gruntu definiuje się jako stosunek objętości porów do całkowitej objętości gruntu (rys. 4).
Rys. 4. Porowatość i współczynnik porowatości gruntu
Jeśli oznaczymy przez
- Vp = objętość porów w glebie
- Vm = objętość cząstek stałych
- V = całkowitą objętość gruntu,
porowatość gruntu n jest z definicji
n = VP / V = VP / (VP + Vm),
czyli w % całkowitej objętości gruntu
n = 100 * VP / (VP + Vm) %.
Współczynnik porowatości gruntu określa się jako stosunek objętości porów do objętości cząstek stałych:
e = VP / Vm.
Z wzoru na porowatość n mamy:
nVP + nVm = VP, skąd Vm = VP(1-n) / n.
Podstawiając tę wartość do wzoru na e otrzymujemy
e = n / (1-n).
Z tego równania otrzymujemy
e - ne = n; n = e / (1 + e).
Współczynnik porowatości pokazuje gęstość gruntu. Im większy jest współczynnik e, tym mniejsza jest gęstość gruntu i odwrotnie. Jeżeli jakiś ściśliwy grunt osiada pod obciążeniem, na podstawie współczynnika porowatości przed i po osiadaniu można określić wielkość osiadania Δ_h_.
Rozpatrzmy warstwę ściśliwego gruntu o grubości h (rys. 5_a_). Jeżeli obciążymy tę warstwę, osiądzie ona o wysokość Δ_h_, tak że jej grubość pod wpływem obciążenia zmniejszy się do h1. Zatem
Δ_h_ = h – h1.
Ponieważ osiadanie gruntu ściśliwego odbywa się kosztem porów, gdyż cząstki stałe są praktycznie nieściśliwe, a także woda, jeśli pory gruntu są nią wypełnione częściowo lub całkowicie, to to osiadanie można przedstawić schematycznie na rys. 5_b_.
Rys. 5. Osadzenie Δh ściśliwej warstwy gruntu o grubości h pod obciążeniem
Jeżeli oznaczymy przez h0 umowną wysokość warstwy cząstek stałych bez porów, zwaną wysokością zredukowaną, wówczas możemy wyrazić osiadanie Δ_h_ w odniesieniu do wysokości zredukowanej h0 za pomocą zależności:
Jeżeli rozpatrujemy warstwę gruntu o szerokości i długości równej jedności, to wysokości h, h1 i h0 przedstawiają objętości, a więc
gdzie e jest współczynnikiem porowatości przed, a e1 po osiadaniu. Z powyższego otrzymuje się osiadanie
Δ_h_ = h0 (e-e1).
Osiadanie można wyrazić w odniesieniu do wysokości warstwy h przed osiadaniem, jeżeli zastąpimy wartość zredukowanej wysokości h0:
h0 = h – nh = h (1-n) = h / (1+e),
ponieważ n = VP / V = VP / h_,_ skąd VP = nh.
W ten sposób otrzymuje się
Poszczególne rodzaje gruntów mają następujące średnie wartości porowatości n oraz współczynnika porowatości e:
Wilgotność gleby
Rodzaje wody w gruncie
Woda w gruncie występuje w postaci wody w porach między cząstkami stałymi, tzw. woda porowa, następnie jako woda zaadsorbowana na cząstkach stałych oraz jako woda konstytucyjna.
Woda porowa składa się z wody wolnej pomiędzy cząstkami stałymi, której ruch odbywa się zgodnie z prawem Darcy’ego, następnie z wody grawitacyjnej, która przemieszcza się pod działaniem grawitacji z góry na dół we wszystkich kierunkach, lecz jej ruch nie odbywa się zgodnie z prawem Darcy’ego, wody kapilarnej, która porusza się pod działaniem sił kapilarnych, oraz wody napięcia powierzchniowego, która utrzymuje się dzięki napięciu powierzchniowemu w narożach między cząstkami stałymi gruntu i nazywana jest również kątową wodą porową. Całą tę wodę można całkowicie usunąć przez suszenie gruntu w temperaturze 110oC.
Woda zaadsorbowana to ta, która otacza cząstki stałe, z którymi jest związana siłami molekularnymi. Jest to tzw. film wodny, którego grubość wynosi 6-80 µµ (1µµ=10-6 mm, milimikron). Wpływ wody zaadsorbowanej w przypadku większych cząstek jest nieznaczny, natomiast im cząstki są drobniejsze, tym jej wpływ jest większy, ponieważ zwiększa się całkowita powierzchnia cząstek, a tym samym stosunek wody zaadsorbowanej do cząstek stałych w jednostce objętości gruntu. Wodę tę można usunąć tylko częściowo przez suszenie w 110oC.
Woda konstytucyjna jest chemicznie związana w kryształach minerałów stałych cząstek gruntu. Wody tej jest bardzo mało i nie można jej usunąć przez wysuszenie gruntu. Dlatego wodę tę można uznać za składnik stałej cząstki.
Zawartość wody w gruncie
Z definicji ilość wody w gruncie, czyli wilgotność gruntu, jest stosunkiem ciężaru wody zawartej w gruncie do ciężaru jego składników stałych. Ze względu na zawartość wody w gruncie rozróżnia się trzy przypadki: grunt całkowicie nasycony wodą, grunt częściowo nasycony wodą oraz grunt całkowicie suchy.
Grunt całkowicie nasycony wodą
Jeżeli oznaczymy przez n porowatość gruntu, γs ciężar objętościowy wszystkich cząstek, a γw ciężar objętościowy wody, to wilgotność gruntu nasyconego wZ można wyrazić następującym równaniem
Grunt częściowo nasycony wodą
Jeżeli oznaczymy Ww jako ciężar wody zawartej w gruncie, a Wd jako ciężar cząstek stałych, czyli ciężar suchy gruntu, to wilgotność gruntu w
w = Ww / Wd , czyli w procentach suchej masy gruntu: w = 100 Ww / Wd.
W tym przypadku wilgotność gruntu można wyrazić stopniem wilgotności Sr, który stanowi stosunek rzeczywistej masy wody w gruncie do tej masy wody w tym samym gruncie, jaka byłaby, gdyby wszystkie pory były wypełnione wodą, tj. do masy wody gruntu nasyconego:
odn. dla _γ_w = 1,00 Sr = w*γs / e.
Graniczne wartości stopnia wilgotności są następujące:
- dla gruntu całkowicie suchego w = 0; Sr = 0
- dla gruntu całkowicie nasyconego w = e/γs; Sr = e/γs * γs / e = 1,0.
Rys. 6. Próbka gruntu częściowo nasycona wodą
Stopień nasycenia (czasem nazywany także nasyceniem lub stopniem wilgotności) wyraża się również stosunkiem objętości porów wypełnionych wodą do całkowitej objętości porów (rys. 6):
Sr = V2 / V1
gdzie V2 to objętość porów wypełnionych wodą, V1 to całkowita objętość porów wypełnionych wodą, powietrzem i gazami. Jeżeli w jest wilgotnością gruntu w % suchej masy gruntu Wd, to mamy
V2 * γW = w Wd, stąd V2 = w Wd / γw.
Z drugiej strony mamy, że V1 = V – Vd, a ponieważ Vd * γs = Wd, to jest
Vd = Wd / γs oraz V1 = V – Wd / γs.
W związku z tym stopień nasycenia gruntu Sr będzie
czyli w procentach suchej masy gleby
Podłoże całkowicie suche
W tym przypadku w = 0. Cała woda porowa została usunięta, natomiast woda zaadsorbowana została usunięta tylko częściowo, tj. film wodny nadal istnieje, ale jego grubość jest zmniejszona.