Вільна вода
Вся вода в ґрунті, що не перебуває під впливом сорбційних сил, тобто не пов'язана, називається вільною водою.
Поведінка вільної води у ґрунті визначається майже виключно поєднанням сили тяжіння та капілярних сил. Під впливом першої їх вільна вода прагне стекти вниз. Капілярні сили можуть діяти в різних напрямках, у тому числі і вгору, і тому часто протидіють силі тяжіння, хоча в інших випадках можуть мати і однаковий з нею напрямок.
При надходженні рідкої води на поверхню ґрунту у вигляді дощу, талих, порожнистих або зрошувальних вод вона починає вбиратися в товщу грунту і просочуватися вниз переважно під впливом сили тяжіння. Таку воду, що знаходиться в стані низхідного пересування, називають гравітаційною водою, що просочується. Вода залежно від інтенсивності надходження на поверхню ґрунту та від фільтраційних властивостей ґрунту може заповнювати собою або всі пори ґрунту, або лише частина їх.
Досягнувши водонепроникного (або водоупорного) шару, гравітаційна вода, що просочується, починає накопичуватися над ним, заповнюючи всі пори грунту, за винятком окремих ізольованих пор, в яких може залишитися так зване защемлене повітря у вигляді окремих ізольованих бульбашок. Водостійкий шар як би підпирає собою цю воду, що накопичується, тому її можна назвати підпертою гравітаційною вологою. Шар, що містить її, називається водоносним горизонтом. Така вода має здатність витікати зі стінок природного або штучного розрізу ґрунтово-ґрунтової товщі. Якщо закласти свердловину, що врізається в товщу ґрунту або ґрунту, в якій знаходиться підперта гравітаційна вода, вона, витікаючи зі стінки свердловини (або колодязя), заповнює її до певного рівня. Воду,що міститься в ґрунті глибше цього рівня, прийнято називати ґрунтовою водою або ґрунтовими водами. Якщо цей рівень знаходиться в ґрунтовій товщі, такі води ми називаємо ґрунтово-ґрунтовими. Закладаючи кілька свердловин або колодязів близько один від одного і подумки з'єднуючи рівні води в них, ми отримаємо уявну поверхню, яка називатиметься дзеркалом ґрунтових вод. Коли дзеркало ґрунтових або ґрунтово-ґрунтових вод похило (його нахил часто, хоч і не завжди, збігається з нахилом водотривкого шару), то води стікатимуть у напрямку нахилу; у цьому випадку ми матимемо стікаючу підперту гравітаційну воду. Якщо дзеркало цілком горизонтально, що буває рідко, то говорять про застійну підперту гравітаційну воду.
Чи вся вода, що надходить у ґрунт, досягає після стікання водотривкого шару і перетворюється на підперту гравітаційну воду?
Зробимо два припущення: по-перше, що рівень ґрунтових вод знаходиться більш менш глибоко — на глибині не менше 6—8 м, і по-друге, що ґрунтово-ґрунтова товща є цілком однорідною за механічним складом і додаванням, тобто. не шаруватою.
Розподіл вологи в ґрунтово-ґрунтовій товщі після закінчення просочування всієї вільної гравітаційної вологи схематично зображено на рис. 24. Малюнок цей побудований в такий спосіб. На осі ординат нанесена глибина в метрах, а на осі абсцис - вологість ґрунту у відсотках від повної вологоємності та у відсотках від ваги ґрунту (нижня шкала). Нагадаємо, що повною вологоємністю називається гранична кількість вологи, яка може утримуватися в ґрунті за умови повного заповнення водою всіх пір. Повна вологоємність виражається у відсотках від ваги сухого (висушеного при 105°) ґрунту. Виражаючи вологість у % від повної вологоємності, ми характеризуємоступінь заповнення ґрунтових пір вологою.
Розподіл вологи у багатометровій ґрунтово-ґрунтовій товщі
Керуючись формою кривої, інакше кажучи, розподілом вологи в ґрунтово-ґрунтовій товщі, розділимо останню на три зони.
У нижній частині грунтово-ґрунтової товщі виділиться зона1, в якій вологість дорівнює повній вологоємності. Ця зона містить ґрунтову воду. Вона називається водоносним горизонтом. У цій зоні ґрунт повністю насичений вологою, яка здатна виливатися із штучних чи природних розрізів. Дзеркало грунтової води залягає лише на рівніГВ(рис. 24).
Вище розташована зона Я, в якій вологість знизу вгору поступово зменшується від повної вологоємності на рівні дзеркала ґрунтових вод до 60% від повної вологоємності на верхній межі цього шару. Ще вище йде зонаІІІ, в якій вологість до поверхні залишається постійною і рівною (в даному прикладі) 60% від повної вологоємності.
Чим відрізняється поведінка води в цих трьох зонах і чим пояснюються ці відмінності?
Про властивості води у зоніІ(у водоносному горизонті) ми вже говорили вище. Звернемося тепер до зониІІ.
Розглядаючи криву розподілу вологості на рис. 24, ми помічаємо, що вона подібна до кривої2на рис. 14, що відноситься до моделі - піщаному стовпчику, на якому ми вивчали поведінку вологи під впливом капілярних сил та встановили існування капілярної облямівки. Зона // з зменшується вгору вологістю і не чим іншим, як капілярної облямівкою, що розташовується над дзеркалом грунтових вод. Верхня межа капілярної облямівки знаходиться на рівніКК. Її потужність в даному прикладі дорівнює 2 м. Як ми знаємо, волога, що міститься в ній, є капілярно підпертою і гідравлічно пов'язана з ґрунтовими.водами. При зниженні рівня ґрунтових вод капілярна облямівка під впливом сили тяжіння зміщується вниз (див. стор. 29). Отже, ця волога є гравітаційною. Її можна назвати вільною гравітаційною підпертою капілярною вологою. Для стислості ми називатимемо її просто підпертою капілярною вологою.
Робиться це так. На рис. 24 зображена капілярна крива для якоїсь ґрунтово-грунтової товщі. Вологості на осі абсцис виражені у відсотках від ваги сухого ґрунту. Припустимо, що нас цікавить величина капілярної вологоємності для шаруаабб.Ця величина буде, звичайно, різною на верхній і нижній межах цікавого для нас шару. Для верхньої межі(аа),як видно з малюнка, капілярна вологоємність дорівнює 17%, а нижньої(бб)—19,5%. Знаходимо середню з цих величин, що дорівнює 18,25%.
Яка велика буває потужність капілярної облямівки і від чого вона залежить?
Ми знаємо, що висота капілярного підняття в циліндричному капілярі тим більше, ніж тонше капіляр. Її залежність від діаметра капіляра визначається формулою Жюрена. Застосовуючи закон Жюрена і знаючи, що, чим важчий механічний склад ґрунту, тим загалом дрібніше його пори, ми можемо зробити висновок, що висота капілярного підйому має бути тим вищою, чим важчий механічний склад ґрунту.
Цей висновок підтверджується такими даними, в яких дається потужність капілярної облямівки в насипних стовпах, що складаються з часток різного розміру:
Спостереження у природі показують, що у пісках потужність капілярної облямівки сягає 3—6 дм, у супісках 1 м, у суглинках і глинах 2—3 м і більше. За деякими даними, потужність може досягати 6 м, але в більшості випадків вона не перевищує 3 м.
Чим викликано існування такої межі?Здавалося б, у глинах і глинистих ґрунтах, де діаметр пір вимірюється величинами порядку одного мікрона і менше, потужність капілярної облямівки, якщо її обчислювати за формулою Жюрена, повинна досягати 10-15 м і більше. У природі таких величин ніколи не спостерігається. Це протиріччя, що здається, пояснюється тим, що при такому малому розмірі пір весь їх внутрішній просвіт виявляється заповненим пов'язаною вологою. Менісков у таких порах або не утворюється зовсім, або вони утворюються в окремих більших порах, і різниці поверхневих тисків виявляється недостатньо для пересування пов'язаної води, що має підвищену в'язкість.
Потужністю капілярної облямівки, тобто висотою капілярного підйому, прийнято характеризувати властивість ґрунту, зване водопідйомною здатністю.
Волога капілярної облямівки, як і вільна волога у водоносному горизонті, здатна до бічному стіканню за наявності ухилу рівня грунтових вод.