Vlastnosti půdy charakterizují jejich chování za určitých podmínek. Obvykle se všechny vlastnosti dělí na fyzikální, mechanické a fyzikálně-chemické.

Fyzikální vlastnosti půd

Fyzikálními vlastnostmi zemin rozumíme vlastnosti, které se projevují beze změny strukturních vazeb pod vlivem fyzikálních polí: gravitační, tepelné, elektrické atd. Mezi fyzikální vlastnosti zemin patří: hustota, permeabilita, termofyzikální, elektrické a magnetické vlastnosti.

Nejdůležitější fyzikální vlastnosti půd jsou jejich hustota a obsah vlhkosti. Tyto vlastnosti jsou na sobě závislé a obecně vyjadřují fyzikální stav zemin jak v přírodních podmínkách, tak v základech staveb. Hustota a vlhkost mohou nepřímo posuzovat pevnost a deformovatelnost pískových a jílových hornin.

V praxi se široce používají následující:

– hustota půdních částic – ρ s;

– hustota půdy – ρ;

– hustota suché půdy – ρ d.

Hustota půdních částic (ρ s) je charakterizována hmotností částic pevné složky půdy (m T) na jednotku objemu minerální části (VT) půdy (obr.

Nok 6.1) a vypočítá se podle závislosti: ρ = m T.

Obrázek 6.1 – Komponenty obsažené v zemině

Hustota půdních částic je určena minerálním složením hornin a vyjadřuje průměrnou hustotu minerálů, které je tvoří. Hustota hlavních horninotvorných minerálů písčitých a jílovitých hornin se pohybuje v relativně malých mezích, v důsledku čehož se hustota minerální části většiny těchto hornin mění jen málo (tab. 6.1).

Tabulka 6.1 – Hustota pevných částic různých petrografických typů zemin

Hustota. ρ s (g/cm 3 )

Pro lehké, vysoce písčité odrůdy jílovitých hornin, písčitých hlín a písků je průměrná hustota minerální části 2,65 10 3 kg / m 3, pro středně písčité odrůdy (hlíny) – 2 70 10 kg / m 3, pro těžké jíly odrůdy – 3·2 75 kg/m10. V závislosti na obsahu nečistot se může snižovat (nečistoty rostlinných zbytků, humus, rašelina apod.) nebo zvyšovat (nečistoty těžkých a rudných kovů).

Hustota hornin je hmotnost půdy při přirozené vlhkosti a přídavku na jednotku objemu:

ρ = m T + m ve V o

Je určena hustotou minerální části, pórovitostí a vlhkostí hornin. Typicky, čím vyšší je hustota minerální části, tím vyšší je hustota horniny; čím větší je pórovitost, tzn. To znamená, že čím volněji jsou částice na jednotku objemu horniny, tím nižší je její hustota. S rostoucí vlhkostí při dané pórovitosti hornina těžká a roste její hustota.

Hustoty různých typů zemin jsou uvedeny v tabulce 6.2.

Tabulka 6.2 – Hustota různých typů sedimentárních, vyvřelých a metamorfovaných půd

Hustota jílovitých a písčitých hornin se může měnit v poměrně širokých mezích. Charakterizuje jejich fyzický stav a stupeň zhutnění. Čím je hornina zhutněnější, tím méně se hustota liší od hustoty minerální části. Průměrná hustota horniny je

1,60·10 3 –1,90·10 3 kg/m3.

Hustota půdního skeletu (hustota suché půdy) je hmotnost na jednotku objemu suché horniny přirozeného složení:

Hustota půdního skeletu, stejně jako jeho hustota, vyjadřuje míru zhutnění půdy. Čím vyšší hustota, tím vyšší hustota půdního skeletu.

Tabulka 6.3 uvádí údaje o hustotě půdy. Tabulka ukazuje, že maximální hodnota je charakteristická pro hustotu částic, hustota půdního skeletu má nejnižší hodnotu a hustota půdy je charakterizována průměrnými hodnotami.

ČTĚTE VÍCE
Jak připojit notebook jako monitor přes HDMI?

hustota půdního skeletu,

Metody stanovení hustoty půdy

V laboratorních a/nebo polních podmínkách se nejčastěji zjišťuje hustota půdních částic (ρ s) a hustota ρ a obvykle se počítá hustota půdního skeletu (ρ d).

Hustota půdních částic ρs se zjišťuje pyknometrickou metodou, jejíž podstata se scvrkává na následující: odeberte vzorek půdy, vložte jej do pyknometru s vodou a povařte, aby se zničily kaloidy. Stanoví se hmotnost půdních částic a objem, který zabírají v pyknometru. Potom se určí ρ s.

Hustota půdy ρ se určí:

– vážením voskovaných vzorků ve vodě;

– v praxi hojně využívaná metoda řezného prstence. Podstatou metody je, že množství půdy umístěné

do prstence s pevným objemem, po kterém se vypočítá ρ: ρ = V m

Hustota půdního skeletu ρ d se vypočítá podle závislosti:

ρ d = 1 + 0 ρ ,01 W

kde W je přirozená vlhkost půdy.

Hustota půdního skeletu ρ d se používá při klasifikaci skalnatých půd (tab. 6.4).

Klasifikace zemin podle skeletové hustoty ρ d (g/cm 3 ) je uvedena v tabulce 6.4.

Skeletová hustota, ρ d (g/cm 3 )

Indikátory hustoty půdy se používají k výpočtu pórovitosti, koeficientu pórovitosti, stanovení zatížení v horninových masivech atd.

2. Pórovitost půdy

Dalším důležitým stavebním prvkem půdy je její pórovitost. Mezi minerálními prvky, které tvoří půdu, jsou vždy

mezery různé velikosti, které se nazývají póry.

Celkový objem pórů na jednotku objemu se nazývá celková pórovitost horniny.

Hodnotu pórovitosti (n) lze definovat jako poměr objemu pórů (Vn) k celkovému objemu, který zabírá půda (Vo).

Často se používá indikátor koeficient pórovitosti (e), kterým rozumíme poměr objemu pórů (Vn) k objemu minerální části půdy (Vm).

Koeficient pórovitosti lze také určit pomocí ukazatelů hustoty půdy podle závislosti:

kde ρ s – hustota půdních částic, g/cm 3 ρ d – hustota suché půdy, g/cm 3

Celková pórovitost souvisí s koeficientem pórovitosti vztahem: n = 1 + ee

Celková pórovitost zemin se dělí na otevřenou pórovitost (ne) a uzavřenou pórovitost (n z).

Otevřená pórovitost jsou póry spojené mezi sebou a s atmosférou.

Podle velikosti pórů:

– makropóry – více než 1 mm;

– mikropóry – méně než 1 mm;

– ultrakapilární – méně než 0,001 mm.

Celková pórovitost (n) hornin se pohybuje od zlomků procent do 90 %. Ve vyvřelých a metamorfovaných horninách pórovitost překračuje jen zřídka

3 %. V sedimentárních půdách – až 70% (tabulka 6.5). Tabulka 6.5

Podle koeficientu pórovitosti (e) se písky dělí na husté, středně husté a sypké (tab. 6.6).

koeficient pórovitosti e

Rozmanitost písků Štěrkovité písky, hrubé Písky jemné Písky prašné a středně hrubé

Znalost pórovitosti půd nám umožňuje jejich hodnocení (půdy) z inženýrsko-geologického hlediska.

Jíly mají celkově větší pórovitost než písky. V jílech jsou však především mikropóry, v píscích makropóry. Jíly jsou proto prakticky voděodolné, písky naopak vodu dobře filtrují.

ČTĚTE VÍCE
Jaký způsob spouštění asynchronního motoru je nejlevnější?

3. Plasticita zemin

Plasticitou zeminou se rozumí její schopnost vlivem vnějších podmínek měnit tvar (deformovat se) bez porušení kontinuity a po vyloučení působení vnější síly zachovat daný tvar.

Pouze hlinité a sprašové půdy, opuky a křídy, půdy a částečně umělé půdy mají při určité vlhkosti plasticitu. Za normálních podmínek, s malým vnějším zatížením, chybí v jiných typech zemin.

Plasticita soudržných zemin je dána přítomností volně vázané vody v těchto zeminách.

Plastičnost soudržných zemin při inženýrsko-geologických studiích charakterizují dva ukazatele vlhkosti:

– vlhkost na meze valení W p ;

– obsah vlhkosti na mezi kluzu WL.

O metodách stanovení indikátorů vlhkosti jsme hovořili dříve. Níže se budeme zabývat klasifikačními charakteristikami půd, za tímto účelem zvážíme další dva ukazatele.

Číslo plasticity (I p), které je chápáno jako vlhkostní rozdíl odpovídající dvěma stavům zeminy: na hranici vydatnosti (mezi) WL a na hranici valení (mezi) W p.

Podle čísla plasticity I p se jílovité půdy dělí na hlinitopísčité, hlinité a hlinité (tab. 6.7).

Typy jílovitých půd

4. Konzistence zemin

Konzistence půdy se týká schopnosti zemin udržet si svůj tvar bez a za přítomnosti vnějších mechanických vlivů.

Pro kvantitativní charakterizaci konzistence zemin se stanoví index tekutosti.

Index tekutosti IL je poměr rozdílu vlhkosti odpovídající dvěma půdním podmínkám: přirozené vlhkosti W a na valící se hranici k číslu plasticity Ip.

Podle indexu tekutosti IL se jílovité zeminy dělí podle tabulky 6.8.

Typy jílovitých půd

V jílech W p = 33 %, WL = 54 %, W = 40 % (přírodní), pak počet pla-

ity I p = WL –W p = 21, odtud index tekutosti IL =

V důsledku toho je hlína v tvrdoplastickém stavu.

5. Bobtnání půdy

Bobtnání je zvětšení objemu půdy během zamokření. Bobtnání je výsledkem hydratace půdy; je způsobena především tvorbou volně vázané vody v půdě. Skořápky vázané vody, které se tvoří kolem koloidních a jílových částic, snižují adhezní síly

mezi nimi, oddálit je a to způsobí zvětšení objemu půdy. Otok je charakterizován následujícími hlavními ukazateli:

– relativní deformace (nebo stupeň) bobtnání (ε SW);

– vlhkost volného bobtnání (w SW);

– tlak bobtnání ( p SW ).

Kinetika procesu bobtnání je charakterizována rychlostí bobtnání (vSW) a dobou bobtnání (tSW).

Relativní nabobtnání, neboli stupeň bobtnání (ε SW), se rovná poměru absolutní deformace vzorku, volně nabobtnaného za podmínek nemožnosti laterální expanze (h), k počáteční výšce vzorku s původní ( přirozená) vlhkost (ho), měřená jako procento nebo zlomek jednotky:

Podle tohoto ukazatele jsou zeminy s ε SW ≥ 0,04 klasifikovány jako bobtnající.

Volně bobtnající vlhkost (w SW) je konečný obsah vlhkosti ve vzorku,

zcela nabobtnal bez možnosti laterální expanze a jakéhokoli vnějšího omezení (bez tlaku na vzorek); měřeno v procentech. Když půda bobtná pod vnějším tlakem, stanoví se konečný obsah vlhkosti nabobtnalého vzorku odpovídající určitému tlaku.

ČTĚTE VÍCE
Jaké dokumenty jsou potřeba k legalizaci neoprávněné přestavby?

Bobtnací tlak ( p SW ) je tlak, který půda vyvíjí na vnější omezení, když bobtná. Číselně se rovná protitlaku, při kterém ε SW = 0; měřeno v MPa.

Zeminy jsou rozděleny podle velikosti relativní volné deformace bobtnáním do řady kategorií (tab. 6.9).

Mezi faktory ovlivňující bobtnání půdy patří vnitřní a vnější faktory. Mezi vnitřní faktory patří: chemické a minerální složení půdy, strukturní a texturní vlastnosti, počáteční hustota-vlhkost, složení a koncentrace elektrolytu v pórovém roztoku, výměnné kationty.

Tabulka 6.9 – Rozdělení zemin podle bobtnání

6. Vodopropustnost zemin

Schopnost půd propouštět vodu sama o sobě se nazývá propustnost vody a pohyb vody v půdách pod tlakem se nazývá filtrace.

Filtrace se řídí Darcyho zákonem:

kde V f – rychlost filtrace, m/den. Kf – filtrační koeficient, m/den. I – tlakový gradient.

Měřítkem propustnosti půdní vody je koeficient filtrace Kf, je klasifikačním ukazatelem půd (tab. 6.10).

Tabulka 6.10 – Stupeň propustnosti půdní vody

Filtrační koeficient Kf, m/den.

Hodnota Kf pro různé půdy se pohybuje v širokých mezích

Tabulka 6.11 – Vodopropustnost různých zemin

Jíly, monolitické skalnaté půdy

Hlíny, těžké písčité hlíny,

Písčitá hlína, mírně rozbité jílovité břidlice,

pískovce, vápence atd.

Jemnozrnné a jemnozrnné písky,

rozpukané kamenité půdy

skalnaté půdy se zvýšeným lámáním

Oblázky, štěrkovité písky,

vysoce členité kamenité půdy

Tabulka ukazuje, že jílovité půdy jsou prakticky nepropustné, zatímco písky a oblázky jsou propustné. To naznačuje, že propustnost je značně ovlivněna velikostí částic a objemem otevřené pórovitosti. Jíl má tedy velkou celkovou pórovitost a malou otevřenou pórovitost, v písku jsou naopak všechny póry otevřené. Kromě toho má jíl malou velikost částic (

Obrázek 6.2 ukazuje závislost rychlosti filtrace (Vf) v píscích a jílech na hydraulickém gradientu (I).

Obrázek 6.2 – Závislost rychlosti filtrace (Vf) na hydraulickém gradientu. 1 – písky; 2 – jíly

Z obrázku je patrné, že v jílovitých půdách dochází k filtraci až při určité hodnotě hydraulického gradientu IH, který se nazývá počáteční hydraulický gradient. Je to dáno tím, že v jílech jsou kolem částic půdy filmy vázané vody, v důsledku čehož se efektivní průměr pórů zmenšuje, takže je zapotřebí síla IH, pomocí které se vázaná voda posouvá (pohybuje) . V píscích IH →O.

V praxi se jíl používá jako hydroizolační materiál.

7. Korozní vlastnosti zemin

Koroze je proces destrukce materiálů v důsledku jejich chemické nebo elektrochemické interakce s prostředím. Existují různé druhy koroze. Jedním z nich je podzemní koroze, která se projevuje destrukcí kovových konstrukcí při jejich interakci se zemí.

Koroze kovů v půdách je převážně elektrochemická. Korozní stav: přítomnost železa, vody (kapaliny) a kyslíku.

1. Krystalová mřížka železa je tvořena kationty (Fe), které jsou asociovány s pohyblivými elektrony (obrázek 6.3).

Obrázek 6.3 – Krystalová mřížka železa

Elektrony mohou opustit železnou krystalovou mřížku a znovu se vrátit.

2. Pokud ponoříte kov do vody, jeho atomy (kationty) budou mít tendenci vstupovat do roztoku a z roztoku se tyto nebo jiné kationty přesunou do krystalové mřížky, takže dojde k reakci výměnných kationtů. Vznikají adsorpční a difúzní vrstvy.

ČTĚTE VÍCE
Proč nemůžete dát kyselinu citronovou do pračky?

3. V krystalu nebo částici se vytvoří elektrická dvojvrstva, ve které dochází k výměnným procesům.

4. V potrubích je kov heterogenní, vždy se najdou účastníci s defekty v krystalové mřížce, zahrnutím jiných kovů atd. Proto téměř jakékoli dva body na povrchu potrubí mají různé elektrické potenciály. V tomto případě část potrubí s největší poruchou působí jako anoda – kladně nabitá a druhá jako katoda – záporně nabitá.

5. Pokud existuje rozdíl potenciálů, pak mezi těmito úseky potrubí vzniká elektrický proud, který se pohybuje od anody ke katodě. Proud je směrový pohyb elektronů, tj. z anody se elektrony železa pohybují ke katodě. Proto katoda zažívá přebytek elektronů (záporně nabitý) a anoda zažívá nedostatek elektronů (kladně nabitý).

6. Pokud elektrony opustí krystalovou mřížku železa (na anodě), pak vazba mezi nimi (kationty Fe) slábne a oni (kationty Fe) zpočátku

ale z difuzních, pak adsorpčních vrstev a pak z krystalové mřížky přechází do roztoku.

7. Podle profesora V.N.Tkačenka je kation Fe transportován molekulou vody.

8. Na katodě se objevuje přebytek elektronů. Difúzní a adsorpční vrstvy nemohou přijmout všechny elektrony. Proto přichází na pomoc molekula kyslíku, která je schopna přitáhnout elektrony na svůj povrch a vytvořit záporně nabitou částici.

9. Roztok obsahuje kladně nabité kationty a záporně nabité částice, které po spojení tvoří oxidy železa (Fe 2 O 3 ).

10. Fyzika procesu koroze kovů je popsána výše, z čehož je zřejmé, že koroze je elektrochemické povahy (obrázek 6.4).

Vlastnosti půdy by měly být charakterizovány kvantitativními ukazateli. Charakteristiky se zjišťují na půdních vzorcích vybraných v terénu při zachování přirozené struktury a obsahu vlhkosti.

Uvažujme pouze ty vlastnosti zemin, které určují jejich fyzikální vlastnosti.

Vzorek půdy o jednotkovém objemu vybraném bez narušení struktury si lze představit jako složený z objemu Vsobsazený pevnou hmotou (kostra) a objemem Vnobsazené póry (obr. 1.3, kde V – objem půdy; Vs – objem pevné fáze, Vn – objem pórů, Vв – objem vody v pórech; Vг – objem vzduchu (plynu); m – hmotnost na jednotku objemu půdy v jejím přirozeném stavu; ms – hmotnost pevné fáze; mв – množství vody v pórech; mг – hmotnost plynu rovna nule.).

Část objemu pórů Vn lze naplnit vodou a část Vг – vzduch (plyn).

Obr.1.3. Poměr objemů jednotlivých fází půdy

Pórovitost označená písmenem n, je velmi důležitý ukazatel charakterizující vztah mezi objemem skeletu (pevné hmoty) a objemem pórů v půdě a je roven poměru objemu pórů k objemu celého půdního vzorku, vyjádřený v %

V praxi se indikátor nazývá koeficient pórovitosti, označovaný е a rovnající se poměru objemu pórů k objemu skeletu

Je zřejmé, že v tomto případě je možné zjistit objem pomocí koeficientu pórovitosti msobsazený půdním skeletem popř Vs:

ČTĚTE VÍCE
Jaký je rozdíl mezi obyčejnou a pokročilou omítkou?

Objem pórů v půdě není možné přímo určit, proto se stanovení provádí nepřímo, prostřednictvím hmotnostních indikátorů získaných přímo v laboratoři: hustota pevných částic půdy s, hustota půdy přirozené (nenarušené) struktury  a přirozená hmotnostní vlhkost .

1. Hustota pevných částic půdy s rovný hmotnostnímu poměru částic ms na jejich objem Vs:

Hustota pevných částic závisí pouze na mineralogickém složení půdy a zjišťuje se pomocí pyknometru. Pro písky s= 2,55. 2,66 g/cm3, pro písčitou hlínu – 2,66. 2,68 g/cm3, pro hlíny – 2,68. 2,72 g/cm3, pro jíly – 2,70. 2,95 g/cm3.

2. Hustota půdy přirozená (nenarušená) struktura je definována jako poměr hmotnosti vzorku mo půdy na svůj objem V:

Hustota je důležitou charakteristikou zeminy a používá se při výpočtu únosnosti základu, přirozeného tlaku půdy, tlaku zeminy na opěrné zdi a stability sesuvných svahů a svahů. Hustota půdy závisí na jejím mineralogickém složení, pórovitosti a vlhkosti a obvykle se pohybuje od 1,60. 2,1 g/cm3. Nižší hodnoty platí pro vysoce porézní půdy s nízkou vlhkostí a vysoké hodnoty jsou typické pro husté a vlhké půdy.

Hustota půdy se obvykle zjišťuje vážením vzorku odebraného z monolitu do řezného tenkostěnného prstence, nebo voskováním vzorku libovolného tvaru.

Hmotnost půdní vlhkosti W – poměr hmotnosti vlhkosti obsažené v pórech půdy k hmotnosti pevné látky (kostru půdy), vyjádřený v %:

Hmotnostní vlhkost se zjišťuje vážením vzorku půdy přirozené vlhkosti a stejného vzorku po odstranění vlhkosti sušením při teplotě +105 o C. Hmotnost vlhkosti je určena rozdílem hmotností a vysušená půda činí je možné určit hmotnost kostry. Hodnoty přirozené hmotnosti vlhkosti W různých půd kolísají ve velmi širokém rozmezí – od několika do stovek procent.

Vysoké hodnoty vlhkosti jsou charakteristické pro málo zhutněné vodou nasycené jílovité půdy, zatímco nízké hodnoty vlhkosti jsou charakteristické pro půdy s nízkou vlhkostí hruboklastické, písčité a sprašové půdy.

S výše uvedenými váhovými ukazateli pro skutečné půdy můžeme přistoupit ke stanovení charakteristik, které jsou pro posouzení vlastností půd nejdůležitější: hustota suché půdy d definován jako poměr hmotnosti pevných částic ms na objem V půdu do sucha. Číselnou hodnotu hustoty suché půdy lze zjistit z výrazu

odkud určíme hustotu suché půdy

Hodnota hustoty suché půdy se pohybuje v rozmezí 1,1. 1,6 g/cm 3 a závisí na hustotě struktury.

Označíme-li poměr objemu pevných částic k objemu zeminy

a poréznost n vyjádřeno ve zlomcích jedné

m + n = 1, (1.14)

Ve výpočtech se nejčastěji používá koeficient pórovitosti e, což je poměr objemu pórů Vn na objem pevných částic půdy Vs:

Hustota písčitých zemin je klasifikována podle hodnoty koeficientu pórovitosti (tab. 1.4).

Stupeň vlhkosti, neboli koeficient nasycení vodou Sr (zlomek jednotek) je určen vzorcem

kde W – přirozená vlhkost půdy, zlomky jednotek, e – koeficient pórovitosti; s – hustota půdních částic, g/cm3; w – hustota vody rovná 1 g/cm3.