Структура ґрунту
Під структурою ґрунту розуміють розташування твердої фази в масі ґрунту. Як відомо, ґрунт складається з твердих частинок і пор, заповнених водою, повітрям або водяною парою, найчастіше частково повітрям, частково водою. За розташуванням твердих частинок у ґрунті визначається його структура. Структури незв’язаного і зв’язаного ґрунту істотно відрізняються між собою.
Структура незв’язаного ґрунту
Структура незв’язаного ґрунту формується під дією сили тяжіння. Тверді частинки цього ґрунту є крупнішими й опускаються вниз, осідають під дією сили тяжіння, тоді як міжмолекулярні сили притягання таких частинок відсутні або незначні й долаються тяжінням. Тому в незв’язаному ґрунті тверді частинки розташовуються одна біля одної, займаючи вільний простір між складеними частинками (рис. 1_a_). Якщо частинки незв’язаного ґрунту мають приблизно округлу форму й однаковий розмір, як це може бути у випадку піску однорідного складу, тоді структура може бути найщільнішою (рис. 1_b_) або найрідшою (рис. 1_c_), що залежить від розміщення твердих частинок у ґрунті. Найщільніша структура відповідає найбільшій можливій щільності незв’язаного ґрунту, і його пористість становить nmin=26%. Найрідша структура відповідає найменшій можливій щільності незв’язаного ґрунту, і його пористість становить nmax=48%. Так, наприклад, пухкий пісок дюн має n=47%.
Рис. 1 Структура незв’язаного ґрунту
Якщо незв’язний ґрунт має різну крупність зерен, так що дрібніші частинки заповнюють порожнини між крупнішими (рис. 2), пористість ґрунту значно менша (n=20% і менше).
Рис. 2. Структура незв’язаного ґрунту різної крупності зерен
Структура зв’язаного ґрунту
У зв’язному ґрунті структура інша, ніж у незв’язному. У зв’язному ґрунті виникають сили когезії, які сильніші за силу тяжіння дрібних частинок і склеюють їх у місцях дотику. Через це ці частинки не падають послідовно вниз, а залишаються склеєними одна з одною і одна біля одної (рис. 3_a_), утворюючи таким чином ланцюгово-сітчасту структуру (рис. 3_b_), пластівчасту (рис. 3_c_) тощо, які називаються структурами вищого порядку. Такі структури мають велику пористість, яка може сягати 60-80% загальної маси, чого не буває у незв’язному ґрунті.
Рис. 3. Структура зв’язаного ґрунту
Пористість і коефіцієнт пористості
Пористість ґрунту визначається відношенням об’єму пор до загального об’єму ґрунту (рис. 4).
Рис. 4. Пористість і коефіцієнт пористості ґрунту
Якщо позначимо
- Vp = об’єм пор у ґрунті
- Vm = об’єм твердих частинок
- V = загальний об’єм ґрунту,
пористість ґрунту n за означенням є
n = VP / V = VP / (VP + Vm),
тобто у % від загального об’єму ґрунту
n = 100 * VP / (VP + Vm) %.
Коефіцієнт пористості ґрунту визначається як відношення об’єму пор до об’єму твердих частинок:
e = VP / Vm.
Із формули для пористості n маємо:
nVP + nVm = VP, звідки Vm = VP(1-n) / n.
Підставляючи це значення у формулу для e, дістаємо
e = n / (1-n).
Із цього рівняння отримуємо
e - ne = n; n = e / (1 + e).
Коефіцієнт пористості показує щільність ґрунту. Якщо коефіцієнт e більший, то щільність ґрунту менша, і навпаки. Якщо певний стисливий ґрунт під навантаженням осідає, за допомогою коефіцієнта пористості до і після осідання можна визначити величину осідання Δ_h_.
Розглянемо шар стисливого ґрунту завтовшки h (рис. 5_a_). Якщо цей шар навантажити, він осяде на висоту Δ_h_, так що його товщина внаслідок навантаження зменшиться до h1. Отже
Δ_h_ = h – h1.
Оскільки осідання стисливого ґрунту відбувається за рахунок пор, адже тверді частинки практично нестисливі, а також вода, якщо пори ґрунту нею заповнені частково або повністю, то це осідання можна схематично подати на рис. 5_b_.
Рис. 5. Осідання Δh стисливого шару ґрунту завтовшки h під навантаженням
Якщо позначимо h0 уявну висоту шару твердих частинок без пор, звану зменшеною висотою, тоді можна виразити осідання Δ_h_ відносно зменшеної висоти h0 співвідношенням:
Якщо розглядати шар ґрунту шириною і довжиною, що дорівнюють одиниці, тоді висоти h, h1 і h0 являють собою об’єми, і тому
де e є коефіцієнтом пористості до, e1 після осідання. Із наведеного вище отримуємо осідання
Δ_h_ = h0 (e-e1).
Осідання можна виразити щодо висоти шару h до осідання, якщо замінити значення зменшеної висоти h0:
h0 = h – nh = h (1-n) = h / (1+e),
оскільки n = VP / V = VP / h_,_ звідки VP = nh.
Отже, отримують
Окремі види ґрунтів мають такі середні значення пористості n та коефіцієнта пористості e:
Вологість ґрунту
Види води в ґрунті
Вода в ґрунті трапляється у вигляді води в порах між твердими частинками, так звана порова вода, далі як адсорбована вода на твердих частинках і як конституційна вода.
Порова вода складається з вільної води між твердими частинками, рух якої відбувається за законом Дарсі, далі з гравітаційної води, яка рухається під дією сили тяжіння зверху вниз у всіх напрямах, але її рух не відбувається за законом Дарсі, капілярної води, що рухається під дією капілярних сил, і води поверхневого натягу, яка утримується поверхневим натягом у кутах між твердими частинками ґрунту і називається також кутовою поровою водою. Усю цю воду можна повністю видалити висушуванням ґрунту за температури 110oC.
Адсорбована вода — це та, що обволікає тверді частинки, з якими вона пов’язана молекулярними силами. Це так звана водяна плівка, товщина якої змінюється 6-80 µµ (1µµ=10-6 mm, мілімікрон). Вплив адсорбованої води для більших частинок незначний, однак чим дрібніші частинки, тим більший її вплив, оскільки збільшується загальна поверхня частинок, а отже й відношення адсорбованої води до твердих частинок в одиниці об’єму ґрунту. Цю воду можна лише частково видалити сушінням при 110oC.
Конституційна вода хімічно зв’язана в кристалах мінералів твердих частинок ґрунту. Цієї води дуже мало, і її не можна видалити висушуванням ґрунту. Тому цю воду можна вважати складовою частиною твердої частинки.
Кількість води в ґрунті
За визначенням кількість води в ґрунті, або вологість ґрунту, — це відношення ваги води, що міститься в ґрунті, до ваги його твердих складників. За кількістю води в ґрунті розрізняють три випадки: ґрунт повністю насичений водою, ґрунт частково насичений водою і ґрунт повністю сухий.
Ґрунт повністю насичений водою
Якщо позначити через n пористість ґрунту, γs об’ємну вагу всіх частинок, γw об’ємну вагу води, тоді вологість насиченого ґрунту wZ можна виразити такою формулою
Ґрунт частково насичений водою
Якщо позначити через Ww вагу води, що міститься в ґрунті, через Wd вагу твердих частинок, тобто суху вагу ґрунту, то вологість ґрунту w
w = Ww / Wd , тобто у відсотках сухої ваги ґрунту: w = 100 Ww / Wd.
У цьому випадку вологість ґрунту можна виразити ступенем вологості Sr, який являє собою відношення фактичної ваги води в ґрунті до тієї ваги води в тому самому ґрунті, яка була б за умови, якби всі пори були заповнені водою, тобто до ваги води насиченого ґрунту:
відн. для _γ_w = 1,00 Sr = w*γs / e.
Граничні значення ступеня вологості такі:
- для повністю сухого ґрунту w = 0; Sr = 0
- для повністю насиченого ґрунту w = e/γs; Sr = e/γs * γs / e = 1,0.
Рис. 6. Зразок ґрунту, частково насичений водою
Ступінь насичення (який інколи також називають насиченістю або ступенем зволоження) виражається також відношенням об’єму пор, заповнених водою, до загального об’єму пор (рис. 6):
Sr = V2 / V1
де V2 — об’єм пор, заповнених водою, V1 — загальний об’єм пор, заповнених водою, повітрям і газами. Якщо w — вологість ґрунту у % сухої маси ґрунту Wd, тоді маємо
V2 * γW = w Wd, звідки V2 = w Wd / γw.
З іншого боку, маємо, що V1 = V – Vd, а оскільки Vd * γs = Wd, то
Vd = Wd / γs і V1 = V – Wd / γs.
Отже, ступінь насичення ґрунту Sr буде
тобто у відсотках сухої маси ґрунту
Ґрунт повністю сухий
У цьому випадку w = 0. Уся порова вода видалена, тоді як адсорбована вода лише частково видалена, тобто водяна плівка й далі існує, але її товщина зменшена.