โครงสร้างของดิน
โครงสร้างของดินหมายถึงการจัดเรียงของเฟสของแข็งในมวลดิน ดังที่ทราบกันดี ดินประกอบด้วยอนุภาคของแข็งและช่องว่างที่เติมด้วยน้ำ อากาศ หรือไอน้ำ โดยส่วนใหญ่มักเป็นบางส่วนด้วยอากาศและบางส่วนด้วยน้ำ ตามการจัดเรียงของอนุภาคของแข็งในดินจึงกำหนดโครงสร้างของมัน โครงสร้างของดินที่ไม่ยึดเกาะกันและดินที่ยึดเกาะกันมีความแตกต่างกันอย่างชัดเจน
โครงสร้างของดินที่ไม่ยึดเกาะกัน
โครงสร้างของดินไม่ยึดเหนี่ยวเกิดขึ้นภายใต้ผลของแรงโน้มถ่วง อนุภาคของแข็งของดินชนิดนี้มีขนาดใหญ่กว่าและตกลงด้านล่าง สะสมตัวภายใต้แรงโน้มถ่วง ในขณะที่แรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลของอนุภาคดังกล่าวไม่มีอยู่หรือมีน้อยมากและถูกเอาชนะด้วยแรงโน้มถ่วง ด้วยเหตุนี้ ในดินไม่ยึดเหนี่ยว อนุภาคของแข็งจึงเรียงตัวกันอยู่ข้าง ๆ กัน โดยกินพื้นที่ว่างระหว่างอนุภาคที่เรียงแล้ว (รูป 1_a_) หากอนุภาคของดินไม่ยึดเหนี่ยวมีรูปร่างค่อนข้างกลมและมีขนาดเท่ากัน ดังเช่นในกรณีของทรายที่มีองค์ประกอบสม่ำเสมอ โครงสร้างอาจเป็น แน่นที่สุด (รูป 1_b_) หรือ โปร่งที่สุด (รูป 1_c_) ขึ้นอยู่กับการจัดเรียงของอนุภาคของแข็งในดิน โครงสร้างที่แน่นที่สุดสอดคล้องกับระดับการอัดแน่นสูงสุดที่เป็นไปได้ของดินไม่ยึดเหนี่ยว และมีความพรุน nmin=26% โครงสร้างที่โปร่งที่สุดสอดคล้องกับระดับการอัดแน่นต่ำสุดที่เป็นไปได้ของดินไม่ยึดเหนี่ยว และมีความพรุน nmax=48% ตัวอย่างเช่น ทรายละเอียดจากเนินทรายมี n=47%.
รูป 1 โครงสร้างของดินไม่ยึดเหนี่ยว
หากดินไม่ยึดเหนี่ยวมีขนาดเม็ดต่างกัน โดยอนุภาคที่ละเอียดกว่าจะเติมเต็มช่องว่างระหว่างเม็ดที่หยาบกว่า (รูป 2) ความพรุนของดินจะน้อยลงอย่างมาก (n=20% และน้อยกว่า)
Sl. 2. โครงสร้างของดินไม่ยึดเหนี่ยวที่มีขนาดเม็ดต่างกัน
โครงสร้างของดินยึดเหนี่ยว
ในดินที่มีการยึดเหนี่ยว โครงสร้างจะแตกต่างจากดินไม่มีการยึดเหนี่ยว ในดินที่มีการยึดเหนี่ยวจะเกิดแรงยึดเหนี่ยว ซึ่งมีแรงมากกว่าแรงโน้มถ่วงของอนุภาคขนาดเล็ก และทำให้อนุภาคเหล่านั้นเกาะติดกันที่ผิวสัมผัส ด้วยเหตุนี้ อนุภาคเหล่านี้จึงไม่ตกลงด้านล่างทีละลำดับ แต่ยังคงเกาะติดกันทั้งซ้อนกันและชิดกัน (รูป 3_a_) จนเกิดโครงสร้างแบบโซ่-ตาข่าย (รูป 3_b_) แบบเกล็ด (รูป 3_c_) เป็นต้น ซึ่งเรียกว่าโครงสร้างระดับสูง โครงสร้างลักษณะนี้มีความพรุนสูง ซึ่งอาจสูงได้ถึง 60-80% ของมวลรวม ซึ่งจะไม่เกิดขึ้นในดินไม่มีการยึดเหนี่ยว
รูปที่ 3. โครงสร้างของดินที่ยึดเกาะกัน
ความพรุนและสัมประสิทธิ์ความพรุน
ความพรุนของดิน กำหนดโดยอัตราส่วนของปริมาตรรูพรุนต่อปริมาตรรวมของดิน (รูป 4)
รูป 4. ความพรุนและค่าสัมประสิทธิ์ความพรุนของดิน
หากเรากำหนดให้
- Vp = ปริมาตรรูพรุนในดิน
- Vm = ปริมาตรของอนุภาคของแข็ง
- V = ปริมาตรรวมของดิน,
ความพรุนของดิน n ตามนิยามคือ
n = VP / V = VP / (VP + Vm),
หรือคิดเป็น % ของปริมาตรรวมของดิน
n = 100 * VP / (VP + Vm) %.
ค่าสัมประสิทธิ์ความพรุนของดินกำหนดโดยอัตราส่วนของปริมาตรโพรงต่อปริมาตรของอนุภาคของแข็ง:
e = VP / Vm.
จากสูตรสำหรับความพรุน n ได้ว่า:
nVP + nVm = VP, ดังนั้น Vm = VP(1-n) / n.
เมื่อแทนค่าดังกล่าวลงในสูตรของ e จะได้
e = n / (1-n).
จากสมการนี้เราได้
e - ne = n; n = e / (1 + e).
ค่าสัมประสิทธิ์ความพรุนแสดงถึงความหนาแน่นของดิน ถ้าค่าสัมประสิทธิ์ e มาก ความหนาแน่นของดินก็จะน้อยลง และในทางกลับกัน หากดินชนิดยุบตัวได้ภายใต้ภาระเกิดการทรุดตัว ก็สามารถกำหนดขนาดการทรุดตัว Δ_h_ ได้จากค่าสัมประสิทธิ์ความพรุนก่อนและหลังการทรุดตัว
พิจารณาชั้นดินอัดตัวได้หนา h (รูป 5_a_). หากเราให้ภาระกับชั้นนี้ ชั้นจะทรุดตัวลงเป็นระยะสูง Δ_h ทำให้ความหนาของชั้นลดลงเหลือ h1 ภายใต้ภาระ ดังนั้น
Δ_h_ = h – h1.
เนื่องจากการทรุดตัวของดินที่อัดตัวได้เกิดขึ้นจากช่องว่างของรูพรุน เพราะอนุภาคของแข็งแทบไม่ยุบตัวได้ และรวมถึงน้ำด้วย หากรูพรุนของดินมีน้ำเติมอยู่บางส่วนหรือทั้งหมด การทรุดตัวนี้จึงสามารถแสดงเป็นแผนผังได้ดังในรูป 5_b_.
รูป 5. การทรุดตัว Δh ของชั้นดินอัดตัวได้ที่มีความหนา h ภายใต้ภาระ
หากกำหนดให้ h0 เป็นความสูงสมมุติของชั้นอนุภาคแข็งที่ไม่มีโพรง เรียกว่า ความสูงที่ปรับค่าแล้ว เราสามารถแสดงการทรุดตัว Δ_h_ เมื่อเทียบกับความสูงที่ปรับค่าแล้ว h0 ได้ด้วยความสัมพันธ์:
หากพิจารณาชั้นดินที่มีความกว้างและความยาวเท่ากับหนึ่ง หน่วยแล้ว ความสูง h, h1 และ h0 จะแทนปริมาตร ดังนั้นจึง
โดยที่ e คือค่าสัมประสิทธิ์ความพรุนก่อน ส่วน e1 หลังการทรุดตัว จากข้างต้นจะได้การทรุดตัว
Δ_h_ = h0 (e-e1).
การทรุดตัวสามารถแสดงได้ในอัตราส่วนต่อความสูงของชั้น h ก่อนการทรุดตัว หากเราแทนค่าความสูงที่ลดลง h0:
h0 = h – nh = h (1-n) = h / (1+e),
เนื่องจาก n = VP / V = VP / h_,_ จึงได้ว่า VP = nh.
ดังนั้นจึงได้
ดินแต่ละชนิดมีค่าความพรุนเฉลี่ย n และค่าสัมประสิทธิ์ความพรุน e ดังต่อไปนี้:
ความชื้นของดิน
ประเภทของน้ำในดิน
น้ำในดินปรากฏในรูปของน้ำในช่องว่างระหว่างอนุภาคของแข็งที่เรียกว่า น้ำในรูพรุน จากนั้นเป็น น้ำดูดซับ บนอนุภาคของแข็ง และเป็น น้ำโครงสร้าง
น้ำในรูพรุน ประกอบด้วย น้ำอิสระ ระหว่างอนุภาคแข็ง ซึ่งเคลื่อนที่ตามกฎของดาร์ซี จากนั้นเป็น น้ำจากแรงโน้มถ่วง ซึ่งเคลื่อนที่ภายใต้อิทธิพลของแรงโน้มถ่วงจากบนลงล่างในทุกทิศทาง แต่การเคลื่อนที่ของมันไม่เป็นไปตามกฎของดาร์ซี, น้ำคาปิลลารี ซึ่งเคลื่อนที่ภายใต้อิทธิพลของแรงคาปิลลารี และ น้ำของแรงตึงผิว ซึ่งถูกยึดไว้ด้วยแรงตึงผิวในมุมระหว่างอนุภาคแข็งของดิน และเรียกอีกอย่างว่า น้ำรูพรุนเชิงมุม. น้ำทั้งหมดนี้สามารถกำจัดออกได้อย่างสมบูรณ์โดยการอบแห้งดินที่อุณหภูมิ 110oC.
น้ำดูดซับ คือ น้ำที่หุ้มล้อมอนุภาคของแข็ง ซึ่งถูกยึดไว้ด้วยแรงระดับโมเลกุล เรียกว่า ฟิล์มน้ำ ซึ่งมีความหนาอยู่ในช่วง 6-80 µµ (1µµ=10-6 mm, มิลลิไมครอน) อิทธิพลของน้ำดูดซับต่ออนุภาคขนาดใหญ่มีน้อย อย่างไรก็ตาม เมื่ออนุภาคมีขนาดเล็กลง อิทธิพลของมันจะยิ่งมากขึ้น เพราะพื้นที่ผิวรวมของอนุภาคเพิ่มขึ้น และด้วยเหตุนี้สัดส่วนของน้ำดูดซับต่ออนุภาคของแข็งในหนึ่งหน่วยปริมาตรของดินก็เพิ่มขึ้น น้ำชนิดนี้สามารถกำจัดได้เพียงบางส่วนโดยการทำให้แห้งที่ 110oC
น้ำโครงสร้าง คือส่วนที่รวมตัวทางเคมีอยู่ในผลึกของแร่ธาตุของอนุภาคของแข็งในดิน น้ำชนิดนี้มีอยู่น้อยมากและไม่สามารถกำจัดออกได้ด้วยการทำให้ดินแห้ง ดังนั้นน้ำชนิดนี้จึงถือได้ว่าเป็นส่วนประกอบหนึ่งของอนุภาคของแข็ง
ปริมาณน้ำในดิน
ตามนิยาม ปริมาณน้ำในดินหรือ ความชื้นของดิน คืออัตราส่วนระหว่างน้ำหนักของน้ำที่มีอยู่ในดินกับน้ำหนักขององค์ประกอบของแข็ง ในแง่ของปริมาณน้ำในดิน แบ่งได้เป็น 3 กรณี คือ ดินอิ่มตัวด้วยน้ำอย่างสมบูรณ์ ดินอิ่มตัวด้วยน้ำบางส่วน และดินแห้งสนิท
ดินที่อิ่มตัวด้วยน้ำอย่างสมบูรณ์
หากกำหนดให้ n เป็นความพรุนของดิน γs เป็นน้ำหนักจำเพาะปริมาตรของอนุภาคทั้งหมด และ γw เป็นน้ำหนักจำเพาะปริมาตรของน้ำ ดังนั้นความชื้นของดินอิ่มตัว wZ สามารถแสดงได้ด้วยสมการต่อไปนี้
ดินที่อิ่มตัวด้วยน้ำบางส่วน
ถ้าให้ Ww แทนน้ำหนักของน้ำที่มีอยู่ในดิน และ Wd แทนน้ำหนักของอนุภาคของแข็งหรือกล่าวคือ น้ำหนักแห้งของดิน แล้วความชื้นของดิน w
w = Ww / Wd หรือในรูปเปอร์เซ็นต์ของน้ำหนักแห้งของดิน: w = 100 _Ww / Wd.
ในกรณีนี้ ความชื้นของดินสามารถแสดงได้ด้วย ระดับความอิ่มตัว Sr ซึ่งเป็นอัตราส่วนของน้ำหนักน้ำจริงในดินต่อ น้ำหนักน้ำในดินเดียวกันที่จะมี หากโพรงทั้งหมดเต็มไปด้วยน้ำ กล่าวคือ ต่อ น้ำหนักของน้ำในดินอิ่มตัว:
กล่าวคือ สำหรับ _γ_w = 1,00 Sr = w*γs / e.
ค่าขอบเขตสำหรับระดับความชื้นคือ:
- สำหรับดินแห้งสนิท w = 0; Sr = 0
- สำหรับดินอิ่มตัวเต็มที่ w = e/γs; Sr = e/γs * γs / e = 1,0.
รูป 6 ตัวอย่างดินที่อิ่มตัวด้วยน้ำบางส่วน
ระดับความอิ่มตัว (ซึ่งบางครั้งเรียกอีกว่า ความอิ่มตัว หรือระดับความชื้น) ยังแสดงได้ด้วยอัตราส่วนของปริมาตรรูพรุนที่เต็มไปด้วยน้ำต่อปริมาตรรูพรุนทั้งหมด (รูป 6):
Sr = V2 / V1
โดยที่ V2 คือปริมาตรของช่องว่างที่เติมด้วยน้ำ และ V1 คือปริมาตรรวมของช่องว่างที่เติมด้วยน้ำ อากาศ และก๊าซ หาก w คือความชื้นของดินเป็น % ของน้ำหนักแห้งของดิน Wd, เราจะได้
V2 * γW = w Wd, ดังนั้น V2 = w Wd / γw.
อีกด้านหนึ่ง เรามีว่า V1 = V – Vd ดังนั้นเมื่อ Vd * γs = Wd, จึงเป็นว่า
Vd = Wd / γs และ V1 = V – Wd / γs.
ดังนั้น ระดับความอิ่มตัวของดิน Sr จะเป็น
หรือคิดเป็นเปอร์เซ็นต์ของน้ำหนักแห้งของดิน
ดินแห้งสนิท
ในกรณีนี้ w = 0 น้ำในรูพรุนทั้งหมดถูกกำจัดออกแล้ว ในขณะที่น้ำที่ถูกดูดซับถูกกำจัดออกเพียงบางส่วน กล่าวคือ ฟิล์มน้ำยังคงมีอยู่ แต่ความหนาของมันลดลง