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 delno z zrakom in delno z vodo. Glede na razporeditev trdnih delcev v tleh je določena njihova struktura. Strukture nevezanih in vezanih tal se bistveno razlikujejo med seboj.
Struktura nevezanega tal
Struktura nevezanega tal nastaja pod vplivom gravitacije. Trdni delci teh tal so bolj grobi in padajo navzdol, se nalagajo pod vplivom gravitacije, medtem ko medmolekularne privlačne sile takih delcev ne obstajajo ali pa so neznatne in jih premaga gravitacija. Zato se pri nevezanem tleh trdni delci zlagajo drug ob drugem in zasedajo prosti prostor med zloženimi delci (sl. 1_a_). Če so delci nevezanega tal približno okrogle oblike in enake velikosti, kot je lahko primer pri enakomerno zrnatem 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 možnosti zbitosti nevezanega tal in njegova poroznost je nmin=26%. Najredkejša struktura ustreza najmanjši možni zbitosti nevezanega tal in njegova poroznost je nmax=48%. Tako ima na primer sipki sipki 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 precej manjša (n=20% in manj).
Sl. 2. Struktura nevezanega tal različne zrnatosti
Struktura vezanega tla
Pri vezanem tleh je struktura drugačna kot pri nevezanem. Pri vezanem tleh se pojavijo kohezijske sile, ki so močnejše od gravitacijske sile drobnih delcev in jih sprijemajo na stičnih površinah. Zato ti delci ne padajo zaporedno navzdol, temveč ostanejo sprijeti drug na drugega in drug ob drugem (sl. 3_a_), pri čemer nastaja verižasto-mrežasta struktura (sl. 3_b_), kosmičasta (sl. 3_c_) itd., ki se imenujejo strukture višjega reda. Takšne strukture imajo veliko poroznost, ki lahko znaša do 60-80% celotne mase, česar pri nevezanem tleh ni.
Sl. 3. Struktura vezanih tal
Poroznost in koeficient poroznosti
Poroznost tal se opredeljuje kot razmerje med prostornino por in skupno prostornino tal (sl. 4).
Sl. 4. Poroznost in koeficient poroznosti tal
Če označimo z
- Vp = prostornino por v tleh
- Vm = prostornina trdnih delcev
- V = celotno 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 poroznosti tal je določen z razmerjem med prostornino por in prostornino trdnih delcev:
e = VP / Vm.
Iz obrazca za poroznost n imamo:
nVP + nVm = VP, od koder je Vm = VP(1-n) / n.
Z zamenjavo te vrednosti v obrazcu za e dobimo
e = n / (1-n).
Iz te enačbe dobimo
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 tlo pod obremenitvijo posede, je mogoče z uporabo koeficienta poroznosti pred in po posedanju določiti velikost posedanja Δ_h_.
Opazujmo plast stisljivega tal 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. Po tem
Δ_h_ = h – h1.
Ker se ugrezanje stisljive zemlje odvija na račun por, saj so trdni delci praktično nestisljivi, pa tudi voda, če so pore tal z njo delno ali popolnoma zapolnjene, se to ugrezanje lahko shematsko prikaže na sl. 5_b_.
Sl. 5. Posedanje Δh stisljive plasti tal debeline h pod obremenitvijo
Če označimo z h0 zamišljeno višino sloja trdnih delcev brez por, imenovano zmanjšana višina, potem lahko posedanje Δ_h_ glede na zmanjšano višino h0 izrazimo z razmerjem:
Če opazujemo plast tal, katere širina in dolžina sta enaki enoti, potem višine h, h1 in h0 predstavljajo prostornine, zato je
kjer je e koeficient poroznosti pred, e1 po posedku. Iz zgornjega dobimo posedek
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 dobimo
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 konstitucijska voda.
Porna voda je sestavljena iz proste vode med trdnimi delci, katere gibanje poteka po Darcyjevem zakonu, nato iz gravitacijske vode, ki se pod vplivom težnosti giblje od zgoraj navzdol v vseh smereh, vendar njeno gibanje ne poteka po Darcyjevem zakonu, iz kapilarne vode, ki se giblje pod vplivom kapilarnih sil, in iz vode površinske napetosti, ki jo v kotih med trdnimi delci tal zadržuje površinska napetost 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, na katere 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 večjih delcih je neznaten, vendar pa je pri drobnejših delcih njen vpliv večji, ker se povečuje skupna površina delcev in s tem tudi razmerje adsorbirane vode do trdnih delcev v enoti prostornine tal. To vodo je mogoče le delno odstraniti s sušenjem pri 110oC.
Konstitucijska 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 kot sestavni del trdnega delca.
Količina vode v tleh
Po definiciji je količina vode v tleh ali vlažnost tal razmerje med težo vode, vsebovane v tleh, in težo njihovih trdnih sestavin. Glede na količino vode v tleh ločimo tri primere: tla popolnoma nasičena z vodo, tla delno nasičena z vodo in popolnoma suha tla.
Tla popolnoma zasičena z vodo
Če označimo z n poroznost tal, γs prostorninsko težo vseh delcev, γw prostorninsko težo vode, potem lahko vlažnost nasičenih tal wZ izrazimo z naslednjo enačbo
Tla delno nasičena z vodo
Če označimo z Ww težo vode, vsebovane v tleh, 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 je mogoče vlažnost tal izraziti s stopnjo vlažnosti Sr, ki predstavlja razmerje med dejansko težo vode v tleh in tisto težo vode v istem tleh, ki bi jo imela, če bi bile vse pore napolnjene z vodo, oz. glede na težo vode nasičenih tal:
oziroma za _γ_w = 1,00 Sr = w*γs / e.
Mejne vrednosti za stopnjo vlažnosti so:
- za popolnoma suho tla w = 0; Sr = 0
- za popolnoma nasičeno tla w = e/γs; Sr = e/γs * γs / e = 1,0.
Sl. 6. Vzorec tal, delno nasičen z vodo
Stopnja nasičenosti (ki se včasih imenuje tudi nasičenost ali stopnja vlažnosti) se izraža tudi kot razmerje med prostornino por, napolnjenih z vodo, in skupno prostornino por (sl. 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 imamo
V2 * γW = w Wd, od koder je V2 = w Wd / γw.
Po drugi strani pa velja, da je V1 = V – Vd, saj je Vd * γs = Wd, zato je
Vd = Wd / γs in V1 = V – Wd / γs.
Torej bo stopnja nasičenosti tal Sr
oziroma v odstotkih suhe teže tal
Tla popolnoma suha
V tem primeru je w = 0. Odstranjena je vsa porna voda, medtem ko je adsorbirana voda odstranjena le delno, tj. vodni film še vedno obstaja, vendar je njegova debelina zmanjšana.