Structura solului
Prin structura solului se înțelege dispunerea fazei solide în masa pământului. După cum se știe, solul este alcătuit din particule solide și din pori umpluți cu apă, aer sau vapori de apă, de cele mai multe ori parțial cu aer, parțial cu apă. Structura sa este determinată de dispunerea particulelor solide în sol. Structurile solului neconsolidat și ale solului consolidat se deosebesc esențial între ele.
Structura solului neconsolidat
Structura solului necoeziv se formează sub acțiunea gravitației. Particulele solide ale acestui sol sunt mai mari și cad în jos, se depun sub acțiunea gravitației, în timp ce forțele intermoleculare de atracție ale unor astfel de particule nu există sau sunt neglijabile și sunt învinse de gravitație. Din acest motiv, la solurile necoezive particulele solide se așază una lângă alta, ocupând spațiul liber dintre particulele așezate (fig. 1_a_). Dacă particulele solului necoeziv au formă aproximativ rotundă și aceeași dimensiune, cum poate fi cazul nisipului cu granulație uniformă, atunci structura poate fi cea mai densă (fig. 1_b_) sau cea mai rară (fig. 1_c_), în funcție de distribuția particulelor solide în sol. Structura cea mai densă corespunde celei mai mari posibilități de compactare a solului necoeziv, iar porozitatea lui este nmin=26%. Structura cea mai rară corespunde celei mai mici posibilități de compactare a solului necoeziv, iar porozitatea lui este nmax=48%. De exemplu, nisipul afânat de dune are n=47%.
Fig. 1 Structura solului necoeziv
Dacă un sol necoeziv are granulații diferite, astfel încât particulele mai fine umplu golurile dintre cele mai mari (fig. 2), porozitatea solului este considerabil mai mică (n=20% și mai puțin).
Fig. 2. Structura solului necoeziv cu diferite dimensiuni ale granulelor
Structura solului legat
La solul coeziv structura este diferită față de cel nelegat. La solul coeziv apar forțele de coeziune, care sunt mai puternice decât forța gravitației particulelor fine și le lipesc la suprafețele de contact. Din această cauză, aceste particule nu cad în ordine în jos, ci rămân lipite una de alta și una lângă alta (fig. 3_a_), formând astfel o structură în lanț și rețea (fig. 3_b_), flocoasă (fig. 3_c_) etc., numite structuri de ordin superior. Astfel de structuri au o porozitate mare, care poate ajunge la 60-80% din masa totală, ceea ce nu este posibil la solul nelegat.
Fig. 3. Structura solului coeziv
Porozitatea și coeficientul de porozitate
Porozitatea terenului se definește prin raportul dintre volumul porilor și volumul total al terenului (fig. 4).
Fig. 4. Porozitatea și coeficientul de porozitate al solului
Dacă notăm cu
- Vp = volumul porilor din sol
- Vm = volumul particulelor solide
- V = volumul total al solului,
porozitatea solului n este, prin definiție
n = VP / V = VP / (VP + Vm),
respectiv în % din volumul total al solului
n = 100 * VP / (VP + Vm) %.
Coeficientul de porozitate al terenului se definește ca raportul dintre volumul porilor și volumul particulelor solide:
e = VP / Vm.
Din formula pentru porozitatea n avem:
nVP + nVm = VP, de unde Vm = VP(1-n) / n.
Înlocuind această valoare în formula pentru e obținem
e = n / (1-n).
Din această ecuație obținem
e - ne = n; n = e / (1 + e).
Coeficientul de porozitate arată densitatea solului. Cu cât coeficientul e este mai mare, cu atât densitatea solului este mai mică și invers. Dacă un anumit sol compresibil se tasează sub încărcare, prin coeficientul de porozitate înainte și după tasare se poate determina mărimea tasării Δ_h_.
Să considerăm un strat de sol compresibil cu grosimea h (fig. 5_a_). Dacă încărcăm acest strat, el se va tasa cu înălțimea Δ_h_, astfel încât grosimea sa, ca urmare a încărcării, va scădea la h1. Prin urmare
Δ_h_ = h – h1.
Deoarece tasarea unui teren compresibil are loc pe seama porilor, întrucât particulele solide sunt practic incompresibile, iar de asemenea și apa, dacă porii solului sunt parțial sau total umpluți cu ea, această tasare poate fi reprezentată schematic în fig. 5_b_.
Fig. 5. Tasarea Δh a stratului de sol compresibil, cu grosimea h, sub încărcare
Dacă notăm cu h0 înălțimea imaginară a stratului de particule solide fără pori, numită înălțime redusă, atunci putem exprima tasarea Δ_h_ raportată la înălțimea redusă h0 prin relația:
Dacă considerăm un strat de teren cu lățimea și lungimea egale cu unitatea, atunci înălțimile h, h1 și h0 reprezintă volumele, iar
unde e este coeficientul de porozitate înainte, e1 după tasare. Din cele de mai sus rezultă tasarea
Δ_h_ = h0 (e-e1).
Tasarea poate fi exprimată în raport cu înălțimea stratului h înainte de tasare, dacă înlocuim valoarea înălțimii reduse h0:
h0 = h – nh = h (1-n) = h / (1+e),
deoarece n = VP / V = VP / h_, de unde VP = nh.
Rezultă astfel
Diferitele tipuri de sol au următoarele valori medii ale porozității n și ale coeficientului de porozitate e:
Umiditatea solului
Tipuri de apă în sol
Apa din sol apare sub forma apei din pori dintre particulele solide, așa-numita apă porală, apoi ca apă adsorbită pe particulele solide și ca apă constituțională.
Apa din pori se compune din apa liberă dintre particulele solide, a cărei mișcare are loc după legea lui Darcy, apoi din apa gravitațională, care se deplasează sub acțiunea gravitației de sus în jos în toate direcțiile, dar mișcarea ei nu se face după legea lui Darcy, din apa capilară, care se deplasează sub acțiunea forțelor capilare, și din apa de tensiune de suprafață, care este menținută de tensiunea superficială în colțurile dintre particulele solide ale solului și se numește și apă poroasă unghiulară. Toată această apă poate fi îndepărtată complet prin uscarea solului la temperatura de 110oC.
Apa adsorbită este aceea care înconjoară particulele solide, de care este legată prin forțe moleculare. Este așa-numitul film de apă, a cărui grosime variază de la 6-80 µµ (1µµ=10-6 mm, milimicron). Influența apei adsorbite la particulele mai mari este neînsemnată; însă, cu cât particulele sunt mai fine, cu atât influența ei este mai mare, deoarece crește suprafața totală a particulelor și, astfel, raportul dintre apa adsorbită și particulele solide în unitatea de volum a solului. Această apă poate fi îndepărtată doar parțial prin uscare la 110oC.
Apa constituțională este legată chimic în cristalele mineralelor particulelor solide ale solului. Din această apă există foarte puțină și ea nu poate fi îndepărtată prin uscarea solului. De aceea, această apă poate fi considerată ca parte componentă a particulei solide.
Conținutul de apă din sol
Prin definiție, cantitatea de apă din sol sau umiditatea solului este raportul dintre greutatea apei conținute în sol și greutatea componenților săi solizi. În funcție de cantitatea de apă din sol se disting trei cazuri: sol complet saturat cu apă, sol parțial saturat cu apă și sol complet uscat.
Sol complet saturat cu apă
Dacă notăm cu n porozitatea solului, cu γs greutatea volumică a tuturor particulelor, iar cu γw greutatea volumică a apei, atunci umiditatea solului saturat wZ poate fi exprimată prin următoarea ecuație
Sol parțial saturat cu apă
Dacă notăm cu Ww greutatea apei conținute în teren, cu Wd greutatea particulelor solide, adică greutatea uscată a terenului, atunci umiditatea terenului w
w = Ww / Wd , adică, în procente din greutatea uscată a solului: w = 100 Ww / Wd.
În acest caz, umiditatea solului poate fi exprimată prin gradul de umiditate Sr, care reprezintă raportul dintre greutatea reală a apei din sol și greutatea apei din același sol care ar exista dacă toți porii ar fi umpluți cu apă, respectiv față de greutatea apei din solul saturat:
respective pentru _γ_w = 1,00 Sr = w*γs / e.
Valorile limită pentru gradul de umiditate sunt:
- pentru sol complet uscat w = 0; Sr = 0
- pentru sol complet saturat w = e/γs; Sr = e/γs * γs / e = 1,0.
Fig. 6. Eșantion de sol parțial saturat cu apă
Gradul de saturație (numit uneori și saturație sau grad de umiditate) se exprimă și prin raportul dintre volumul porilor umpluți cu apă și volumul total al porilor (fig. 6):
Sr = V2 / V1
unde V2 este volumul porilor umpluți cu apă, V1 volumul total al porilor umpluți cu apă, aer și gaze. Dacă w este umiditatea solului în % din greutatea uscată a solului Wd, atunci avem
V2 * γW = w Wd, de unde V2 = w Wd / γw.
Pe de altă parte, avem că V1 = V – Vd, iar cum Vd * γs = Wd, rezultă că
Vd = Wd / γs și V1 = V – Wd / γs.
Prin urmare, gradul de saturație al solului Sr va fi
respectiv în procente din greutatea uscată a solului
Sol complet uscat
În acest caz w = 0. Toată apa din pori a fost eliminată, în timp ce apa adsorbită a fost eliminată doar parțial, adică pelicula de apă există în continuare, dar grosimea ei a scăzut.