Struktura tal
Pod strukturo tal razumemo razporeditev trdne faze v zemeljski masi. Kot je znano, so tla sestavljena iz trdnih delcev in por, napolnjenih z vodo, zrakom ali vodno paro, najpogosteje deloma z zrakom, deloma z vodo. Glede na razporeditev trdnih delcev v tleh je določena njihova struktura. Strukturi nevezanih in vezanih tal se bistveno razlikujeta med seboj.
Struktura nevezanega tla
Struktura nevezane zemlje nastane pod vplivom gravitacije. Trdni delci te zemlje so večji in padajo navzdol, odlagajo se pod vplivom gravitacije, medtem ko medmolekulske privlačne sile takih delcev ne obstajajo ali pa so neznatne in jih premaga gravitacija. Zato se pri nevezani zemlji trdni delci zlagajo drug ob drugem in zavzemajo prosti prostor med zloženimi delci (sl. 1_a_). Če so delci nevezane zemlje približno okrogle oblike in enake velikosti, kot je lahko primer pri enotno sestavljenem pesku, je lahko struktura najgostejša (sl. 1_b_) ali najredkejša (sl. 1_c_), kar je odvisno od razporeditve trdnih delcev v tleh. Najgostejša struktura ustreza največji možni zgoščenosti nevezane zemlje in njena poroznost je nmin=26%. Najredkejša struktura ustreza najmanjši možni zgoščenosti nevezane zemlje in njena poroznost je nmax=48%. Tako ima na primer sipki puščavski pesek n=47%.
Sl. 1 Struktura nevezane zemlje
Če je nevezano tla različnih velikosti zrn, tako da drobnejši delci zapolnjujejo praznine med večjimi (sl. 2), je poroznost tal bistveno manjša (n=20% in manj).
Sl. 2. Struktura nevezane zemlje različne zrnatosti
Struktura vezanega tal
Pri vezanih tleh je struktura drugačna kot pri nevezanih. Pri vezanih tleh se pojavijo kohezijske sile, ki so močnejše od sile teže drobnih delcev in jih na stičnih površinah zlepijo. Zato ti delci ne padajo zaporedno navzdol, temveč ostajajo zlepljeni drug na drugega in drug ob drugem (sl. 3_a_), s čimer nastaja verižasta mrežasta struktura (sl. 3_b_), kosmičasta (sl. 3_c_) itd., ki jih imenujemo strukture višjega reda. Takšne strukture imajo veliko poroznost, ki lahko doseže 60-80% celotne mase, česar pri nevezanih tleh ni.
Sl. 3. Struktura vezanega tal
Poroznost in koeficient poroznosti
Poroznost tal se definira z razmerjem med prostornino por in celotno prostornino tal (sl. 4).
Obr. 4. Pórovitosť a koeficient pórovitosti pôdy
Če označimo s
- Vp = objem pórov v pôde
- Vm = prostornino trdnih delcev
- V = skupno prostornino tal,
Poroznost tal n je po definiciji
n = VP / V = VP / (VP + Vm),
oziroma v % celotne prostornine tal
n = 100 * VP / (VP + Vm) %.
Koeficient pórovitosti pôdy sa definuje pomerom objemu pórov k objemu pevných častíc:
e = VP / Vm.
Iz obrazca za poroznost n dobimo:
nVP + nVm = VP, od koder je Vm = VP(1-n) / n.
Z vstavitvijo te vrednosti v obrazec za e dobimo
e = n / (1-n).
Z tejto rovnice dostávame
e - ne = n; n = e / (1 + e).
Koeficient poroznosti kaže gostoto tal. Če je koeficient e večji, je gostota tal manjša in obratno. Če se neko stisljivo tla pod obremenitvijo posedajo, je z uporabo koeficienta poroznosti pred in po posedanju mogoče določiti velikost posedanja Δ_h_.
Opazujmo plast stisljive zemlje debeline h (sl. 5_a_). Če to plast obremenimo, se bo posedla za višino Δ_h_, tako da se bo njena debelina zaradi obremenitve zmanjšala na h1. Zato
Δ_h_ = h – h1.
Ker se posedanje stisljivih tal odvija na račun por, saj so trdni delci praktično nestisljivi, pa tudi voda, če so pore tal z njo delno ali popolnoma zapolnjene, se lahko to posedanje shematično prikaže na sl. 5_b_.
Obr. 5. Sadanie Δh stlačiteľnej vrstvy pôdy hrúbky h pod zaťažením
Če označimo z h0 zamišljeno višino sloja trdnih delcev brez por, imenovano redukovana višina, lahko posedanje Δ_h_ glede na reducirano višino h0 izrazimo z razmerjem:
Ak uvažujeme vrstvu zeminy so šírkou a dĺžkou rovnými jednej, potom výšky h, h1 a h0 predstavujú objemy, a teda
kde e je koeficient pórovitosti pred, e1 po sadnutí. Z predchádzajúceho sa získa sadnutie
Δ_h_ = h0 (e-e1).
Posedanje je mogoče izraziti glede na višino sloja h pred posedanjem, če nadomestimo vrednost reducirane višine h0:
h0 = h – nh = h (1-n) = h / (1+e),
ker je n = VP / V = VP / h_,_ od koder je VP = nh.
Tako se dobi
Posamezne vrste tal imajo naslednje povprečne vrednosti poroznosti n in koeficienta poroznosti e:
Vlažnost tal
Vrste vode v tleh
Voda v tleh se pojavlja v obliki vode v porah med trdnimi delci, t. i. porna voda, nato kot adsorbirana voda na trdnih delcih in kot konstrukcijska voda.
Porečna voda je sestavljena iz proste vode med trdnimi delci, katere gibanje poteka po Darcyjevem zakonu, nato iz gravitacijske vode, ki se giblje pod vplivom gravitacije od zgoraj navzdol v vseh smereh, vendar se ne giblje po Darcyjevem zakonu, kapilarne vode, ki se giblje pod vplivom kapilarnih sil, in vode površinske napetosti, ki jo površinska napetost zadržuje v kotih med trdnimi delci tal in se imenuje tudi kotna porna voda. Vso to vodo je mogoče popolnoma odstraniti s sušenjem tal pri temperaturi 110oC.
Adsorbirana voda je tista, ki obdaja trdne delce, s katerimi je vezana z molekularnimi silami. To je t. i. vodni film, katerega debelina se giblje 6-80 µµ (1µµ=10-6 mm, milimikron). Vpliv adsorbirane vode pri grobih delcih je neznaten, vendar čim drobnejši so delci, tem večji je njen vpliv, ker se povečuje skupna površina delcev in s tem tudi razmerje adsorbirane vode proti trdnim delcem v enoti prostornine tal. To vodo je mogoče le delno odstraniti s sušenjem na 110oC.
Konstrukcijska voda je kemično vezana v kristale mineralov trdnih delcev tal. Te vode je zelo malo in je ni mogoče odstraniti s sušenjem tal. Zato lahko to vodo štejemo za sestavni del trdnega delca.
Količina vode v tleh
Po definiciji je količina vode v tleh oziroma vlažnost tal razmerje med težo vode, vsebovane v tleh, in težo njihovih trdnih sestavin. Glede na količino vode v tleh ločimo tri primere: popolnoma z vodo zasičeno tla, delno z vodo zasičeno tla in popolnoma suha tla.
Tla popolnoma nasičena z vodo
Če označimo z n poroznost tal, z γs prostorninsko težo vseh delcev, z γw prostorninsko težo vode, lahko vlažnost nasičenih tal wZ izrazimo z naslednjo enačbo
Pôda čiastočne nasýtená vodou
Če označimo z Ww težo vode, vsebovane v tleh, in z Wd težo trdnih delcev oziroma suho težo tal, potem je vlažnost tal w
w = Ww / Wd , oziroma v odstotkih suhe teže tal: w = 100 Ww / Wd.
V tem primeru se vlažnost tal lahko izrazi s stopnjo vlažnosti Sr, ki predstavlja razmerje med dejansko težo vode v tleh in težo vode v istem tleh, ki bi bila tam, če bi bili vsi pori napolnjeni z vodo, oziroma glede na težo vode nasičenih tal:
resp. pre _γ_w = 1,00 Sr = w*γs / e.
Hraničné hodnoty stupňa vlhkosti sú:
- za popolnoma suho tla w = 0; Sr = 0
- pre úplne nasýtenú pôdu w = e/γs; Sr = e/γs * γs / e = 1,0.
Sl. 6. Vzorec tal delno nasičen z vodo
Stupeň nasýtenia (ktorý sa niekedy nazýva aj nasýtenosť alebo stupeň vlhkosti) sa vyjadruje aj pomerom objemu pórov vyplnených vodou k celkovému objemu pórov (obr. 6):
Sr = V2 / V1
kjer je V2 prostornina por, napolnjenih z vodo, V1 pa skupna prostornina por, napolnjenih z vodo, zrakom in plini. Če je w vlažnost tal v % suhe teže tal Wd, potem velja
V2 * γW = w Wd, od koder je V2 = w Wd / γw.
Na druhej strane platí, že V1 = V – Vd, a keďže Vd * γs = Wd, tak je
Vd = Wd / γs in V1 = V – Wd / γs.
Preto bude stupeň nasýtenia pôdy Sr
teda v percentách sušiny pôdy
Pôda úplne suchá
V tomto prípade je w = 0. Všetka pórová voda bola odstránená, zatiaľ čo adsorbovaná voda bola odstránená len čiastočne, t. j. vodný film stále existuje, ale jeho hrúbka sa zmenšila.