Muundo wa udongo

Kwa muundo wa udongo hurejelewa mpangilio wa awamu imara katika misa ya ardhini. Kama inavyojulikana, udongo unajumuisha chembe ngumu na matundu yaliyojaa maji, hewa au mvuke wa maji, mara nyingi sehemu kwa hewa na sehemu kwa maji. Kulingana na mpangilio wa chembe ngumu katika udongo huamuliwa muundo wake. Miundo ya udongo usiofungamana na uliounganishwa hutofautiana sana kati yao.

Muundo wa udongo usiofungamana

Struktura nevezanog tla postaje pod dejstvom gravitacije. Čvrste čestice ovog tla su krupnije i padaju naniže, talože se pod dejstvom gravitacije, dok međumolekularne privlačne sile takvih čestica ne postoje ili su neznatne i savladane gravitacijom. Zbog toga se kod nevezanog tla čvrste čestice slažu jedna pored druge, zauzimajući slobodan prostor između složenih čestica (sl. 1_a_). Ako su čestice nevezanog tla približno okruglog oblika i iste veličine, kao što može biti slučaj peska ravnomernog sastava, onda struktura može biti najgušća (sl. 1_b_) ili najređa (sl. 1_c_), što zavisi od rasporeda čvrstih čestica u tlu. Najgušća struktura odgovara najvećoj mogućnosti zbijenosti nevezanog tla i njegova poroznost je nmin=26%. Najređa struktura odgovara najmanjoj mogućoj zbijenosti nevezanog tla i njegova poroznost je nmax=48%. Tako na primer rastresiti pesak dina ima n=47%.

Kutulia kwa chembechembe za udongo usiofungamana chini ya athari ya mvuto

Muundo mnene zaidi na muundo adimu zaidi wa udongo usiofungamana

Mch. 1 Muundo wa udongo usiofungamana

Ikiwa udongo usiofungamana una ukubwa tofauti wa chembe, kiasi kwamba chembe ndogo hujaza mapengo kati ya kubwa zaidi (kielelezo 2), porosity ya udongo ni ndogo zaidi kwa kiasi kikubwa (n=20% na chini).

Muundo wa udongo usiofungamana wa ukubwa mbalimbali wa chembe

Mch. 2. Muundo wa udongo usiofungamana wenye ukubwa tofauti wa chembe

Muundo wa udongo uliofungwa

Katika udongo wenye mshikamano, muundo ni tofauti na ule wa udongo usiofungamana. Katika udongo wenye mshikamano hujitokeza nguvu za mshikamano, ambazo ni kubwa kuliko nguvu ya uvutano ya chembechembe ndogo na huzifungamanisha kwenye nyuso za mguso. Kwa sababu hiyo chembechembe hizi hazianguki chini mfululizo, bali hubaki zimeambatana moja juu ya jingine na moja karibu na jingine (kielelezo 3_a_), hivyo kuunda muundo wa mnyororo na mtandao (kielelezo 3_b_), wa manyoya (kielelezo 3_c_) n.k., unaoitwa miundo ya ngazi ya juu. Miundo kama hii ina porositi kubwa, ambayo inaweza kufikia 60-80% ya jumla ya uzito, jambo ambalo haliwezekani kwa udongo usiofungamana.

Muundo wa udongo ulioshikamana

Mch. 3. Muundo wa udongo uliounganishwa

Uwepesi na mgawo wa uwepesi

Uchimbukaji wa udongo hufafanuliwa kwa uwiano wa ujazo wa matundu dhidi ya ujazo wote wa udongo (mch. 4).

Uporosity na mgawo wa uporosity wa udongo

Mch. 4. Upori na kigezo cha upori wa udongo

Ikiwa tunaashiria kwa

  • Vp = ujazo wa matundu kwenye udongo
  • Vm = ujazo wa chembe imara
  • V = jumla ya ujazo wa udongo,

porosity ya udongo n kwa ufafanuzi ni

n = VP / V = VP / (VP + Vm),

yaani katika % ya jumla ya ujazo wa udongo

n = 100 * VP / (VP + Vm) %.

Mgawo wa porositi wa udongo hufafanuliwa kwa uwiano wa ujazo wa matundu dhidi ya ujazo wa chembe thabiti:

e = VP / Vm.

Kutokana na fomula ya porositi n tuna:

nVP + nVm = VP, ambapo Vm = VP(1-n) / n.

Kwa kuweka thamani hii katika fomula ya e tunapata

e = n / (1-n).

Kutokana na mlinganyo huu tunapata

e - ne = n; n = e / (1 + e).

Kipengele cha porosity kinaonyesha msongamano wa udongo. Kadiri kipengele e kinavyokuwa kikubwa, ndivyo msongamano wa udongo unavyokuwa mdogo na kinyume chake. Ikiwa udongo unaobana unashuka chini ya mzigo, kwa kutumia kipengele cha porosity kabla na baada ya kushuka kunaweza kubainishwa ukubwa wa kushuka Δ_h_.

Tuchunguze tabaka la udongo unaobana lenye unene h (mch. 5_a_). Iwapo tabaka hili litapakiwa, litashuka kwa urefu Δ_h_, hivyo unene wake kutokana na mzigo utapungua hadi h1. Kwa hiyo

Δ_h_ = h – h1.

Kwa kuwa kukaa kwa udongo unaobana hutokea kwa gharama ya matundu, kwa sababu chembe ngumu kwa vitendo hazibaniwi, na pia maji, ikiwa matundu ya udongo yamejazwa nayo kwa sehemu au kikamilifu, basi kukaa huku kunaweza kuwakilishwa kwa njia ya mchoro kwenye kielelezo 5_b_.

Kukaa Δh kwa tabaka la udongo linalokandamizwa lenye unene h chini ya mzigo

Mch. 5. Kushuka Δh kwa tabaka la udongo linalobanika lenye unene h chini ya mzigo

Ikiwa tunaashiria kwa h0 urefu wa kufikirika wa tabaka la chembe ngumu lisilo na matundu, linaloitwa urefu uliopunguzwa, basi tunaweza kuonyesha kupungua Δ_h_ kuhusiana na urefu uliopunguzwa h0 kwa uhusiano:

Uhusiano wa kukaa Δh na urefu uliopunguzwa h₀

Ikiwa tutachukulia safu ya udongo yenye upana na urefu unaolingana na kitengo kimoja, basi urefu h, h1 na h0 huwakilisha ujazo, hivyo ni

Uhusiano wa viwango vya porosity kabla na baada ya kushuka

ambapo e ni mgawo wa uwazi kabla, e1 baada ya kushuka. Kutokana na hapo hutokana kushuka

Δ_h_ = h0 (e-e1).

Kushuka kunaweza kuonyeshwa kwa uhusiano na urefu wa tabaka h kabla ya kushuka ikiwa tunabadilisha thamani ya urefu uliopunguzwa h0:

h0 = h – nh = h (1-n) = h / (1+e),

kwa kuwa n = VP / V = VP / h_,_ kutoka hapo VP = nh.

Kwa hivyo hupatikana

kutoka 3

Aina fulani za udongo zina thamani zifuatazo za wastani za porosity n na mgawo wa porosity e:

Thamani za wastani za porosity na mgawo wa porosity kulingana na aina za udongo

Unyevu wa udongo

Aina za maji kwenye udongo

Maji katika udongo hujitokeza kama maji katika matundu kati ya chembe ngumu, yanayoitwa maji ya vinyweleo, kisha kama maji yaliyofyonzwa kwenye chembe ngumu na kama maji ya kimuundo.

Maji ya matundu yanajumuisha maji huru kati ya chembe ngumu, ambayo mwendo wake hufanyika kwa sheria ya Darcy, kisha maji ya mvuto, ambayo husogea kwa athari ya mvuto kutoka juu kwenda chini katika pande zote, lakini mwendo wake haufanyiki kwa sheria ya Darcy, maji ya kapilari yanayosogea kwa athari ya nguvu za kapilari na maji ya mvutano wa uso, ambayo hushikiliwa na mvutano wa uso kwenye pembe kati ya chembe ngumu za udongo na pia huitwa maji ya pembe ya matundu. Maji haya yote yanaweza kuondolewa kabisa kwa kukausha udongo katika joto la 110oC.

Maji yaliyofyonzwa ni yale yanayofunika chembe ngumu, ambazo yamefungwa nazo kwa nguvu za molekuli. Hii ndiyo inayoitwa filamu ya maji, ambayo unene wake ni 6-80 µµ (1µµ=10-6 mm, milimikroni). Athari ya maji yaliyofyonzwa kwa chembe kubwa ni ndogo, hata hivyo kadiri chembe zinavyokuwa ndogo ndivyo athari yake inavyokuwa kubwa zaidi, kwa sababu uso wa jumla wa chembe huongezeka na kwa hivyo pia uwiano wa maji yaliyofyonzwa kwa chembe ngumu katika ujazo mmoja wa udongo. Maji haya yanaweza kuondolewa kwa sehemu tu kwa kukaushwa katika 110oC.

Maji ya kimuundo ni yale ambayo yameunganishwa kikemikali ndani ya fuwele za madini za chembe ngumu za udongo. Maji haya ni machache sana na hayawezi kuondolewa kwa kukausha udongo. Kwa hiyo, maji haya yanaweza kuchukuliwa kama sehemu ya msingi ya chembe ngumu.

Kiasi cha maji kwenye udongo

Kwa ufafanuzi, kiasi cha maji katika udongo au unyevunyevu wa udongo ni uwiano wa uzito wa maji yaliyomo kwenye udongo dhidi ya uzito wa viungo vyake vigumu. Kulingana na kiasi cha maji katika udongo, hutofautishwa hali tatu: udongo ulioshiba kabisa kwa maji, udongo ulioshiba sehemu kwa maji na udongo mkavu kabisa.

Udongo ulioshiba kikamilifu kwa maji

Ikiwa tunaashiria porosity ya udongo kwa n, uzito wa ujazo wa chembe zote kwa γs, na uzito wa ujazo wa maji kwa γw, basi unyevunyevu wa udongo ulioshiba wZ unaweza kuonyeshwa kwa mlinganyo ufuatao

Mlinganyo wa unyevu wa udongo ulioshiba kikamilifu

Udongo ulioshiba maji kwa kiasi

Tukiashiria kwa Ww uzito wa maji yaliyomo katika udongo, kwa Wd uzito wa chembe dhabiti yaani uzito mkavu wa udongo, basi unyevunyevu wa udongo w

w = Ww / Wd , yaani kwa asilimia ya uzito mkavu wa udongo: w = 100 Ww / Wd.

Katika hali hii unyevunyevu wa udongo unaweza kuonyeshwa kwa kigao cha unyevunyevu Sr ambacho kinawakilisha uwiano wa uzito halisi wa maji katika udongo dhidi ya ule uzito wa maji katika udongo huo huo ambao ungelikuwepo kama matundu yote yangekuwa yamejaa maji, yaani dhidi ya uzito wa maji ya udongo ulioshiba:

Mlinganyo wa kiwango cha unyevunyevu wa udongo ulioshibishwa kwa sehemu

kwa _γ_w = 1,00  Sr = w*γs / e.

Viwango vya mipaka kwa kiwango cha unyevunyevu ni:

  1. kwa udongo ulio mkavu kabisa w = 0; Sr = 0
  2. kwa udongo uliojaa kikamilifu w = e/γs; Sr = e/γs * γs / e = 1,0.

Sampuli ya udongo iliyoshba maji kwa sehemu

Mch. 6. Sampuli ya udongo iliyoshiba maji kwa sehemu

Kiwango cha kujaa (ambacho wakati mwingine pia huitwa ujazo wa maji au kiwango cha unyevunyevu) huonyeshwa pia kwa uwiano wa ujazo wa mianya iliyojazwa maji dhidi ya ujazo wote wa mianya (mch. 6):

Sr = V2 / V1

ambapo V2 ni ujazo wa matundu yaliyojaa maji, V1 ni jumla ya ujazo wa matundu yaliyojaa maji, hewa na gesi. Ikiwa w ni unyevunyevu wa udongo kwa % ya uzito kavu wa udongo Wd, basi tunapata

V2 * γW = w Wd, ambapo V2 = w Wd / γw.

Kwa upande mwingine, tunayo kwamba V1 = V – Vd, na kwa kuwa Vd * γs = Wd, basi

Vd = Wd / γs na V1 = V – Wd / γs.

Hivyo basi, kiwango cha kushiba kwa udongo Sr kitakuwa

Mlinganyo wa kiwango cha kushiba kwa udongo Sr

yaani kwa asilimia za uzito mkavu wa udongo

Kiwango cha kushiba kwa udongo Sr kwa asilimia ya uzito mkavu wa udongo

Udongo mkavu kabisa

Katika kesi hii w = 0. Maji yote ya matundu yameondolewa, ilhali maji yaliyosongamana yameondolewa kwa sehemu tu, yaani filamu ya maji bado ipo, lakini unene wake umepunguzwa.