Jaká půda je považována za nasycenou vodou?
Klasická mechanika zemin a geotechnické inženýrství se podle Fredlunda a Rahardjo (1993) často vyučuje s implicitním předpokladem, že půda je buď suchá (0% nasycení) nebo nasycená (100% nasycení). Tvrdí se, že chování půdy se řídí výhradně Terzaghiho principem efektivního stresu (Terzaghi, 1936). Ale v podstatě suchý a nasycený stav jsou jen dva extrémní a limitující stavy půdy. Jinými slovy, suché a nasycené podmínky jsou jen dva zvláštní případy nenasycené půdy, přičemž stupeň nasycení se pohybuje od 0 do 100 procent. V mnoha inženýrských aplikacích však půda často není ani zcela nasycená, ani zcela suchá.
Obecná oblast klasické mechaniky zemin je pro usnadnění často rozdělena na část zabývající se nasycenými zeminami a část zabývající se nenasycenými zeminami. I když lze prokázat, že toto umělé dělení na nasycené a nenasycené půdy není nutné. Stále může být užitečné použít znalosti získané z nasycených půd jako referenční a poté je rozšířit na širší nenasycenou oblast, jak je znázorněno na obr. 1, který poskytuje vizuální pomůcku pro zobecněné pochopení hranic mechaniky nasycených a nenasycených půd (Fredlund, 1996). Pro zjednodušení jsou obory mechaniky zemin odděleny hladinou podzemní vody. Pod hladinou podzemní vody je chování půdy určeno efektivním napětím, zatímco nenasycená půda nad vodou je určena dvěma nezávislými proměnnými napětí, čistým normálním napětím a sáním matrice (Jennings a Burland, 1962; Fredlund a Morgenstern, 1977).
Pokud se zaměříme na půdy nad hladinou podzemní vody, může být užitečné klasifikovat půdy podle jejich stupně nasycení, jak je znázorněno na obrázku 2. Fredlund a Morgenstern (1977) určili, že místo dvoufázového materiálu: pevné látky a voda, půda, nenasycená půda má čtyři fáze: pevné látky, vodu, vzduch a rozhraní zvané kontraktilní kůže (Paddy, 1969).
Je zřejmé, že chování nenasycené půdy je složitější než chování nasycené půdy. Účelem tohoto článku je zjednodušit složitost chápání nenasycené půdy na stravitelnou úroveň pro studenty a praktikující inženýry.
Obrázek 1. Vizualizační pomůcka pro obecné pochopení hranic mechaniky zemin (Fredlund, 1996)
Obrázek 2. Kategorizace půdy nad hladinou podzemní vody na základě změn stupně nasycení (Fredlund, 1996)
Provzdušňovací zóna
Jak je znázorněno na obrázku 1, domény mechaniky půdy jsou odděleny vodorovnou čarou představující hladinu podzemní vody. Pod hladinou podzemní vody bude tlak vody v pórech kladný a půda jako celek bude nasycena. Nad hladinou podzemní vody bude tlak vody v pórech obecně záporný vzhledem k atmosférickému (přetlakovému) tlaku. Celá půdní zóna nad hladinou podzemní vody se nazývá zóna aerace (viz obr. 3).
Těsně nad hladinou podzemní vody je zóna zvaná kapilární proužek, kde se stupeň nasycení blíží 100 %. Tloušťka této zóny se může pohybovat od méně než 1 m do přibližně 10 m v závislosti na typu půdy (Fredlund, 1996). Uvnitř této kapilární zóny lze předpokládat, že vodná fáze je spojitá, zatímco vzduchová fáze je obvykle nespojitá. Nad touto kapilární zónou lze identifikovat dvoufázovou zónu, ve které lze vodní i vzduchovou fázi idealizovat jako spojitou. V této zóně se stupeň nasycení může lišit od přibližně 20 do 90 procent v závislosti na typu a stavu půdy. Nad touto dvoufázovou zónou se půda stává sušší a vodní fáze bude diskontinuální, zatímco vzduchová fáze zůstane nepřetržitá.
Obrázek 3. Vizualizace mechaniky nasycených/nenasycených půd na základě povahy tekutých fází (Fredlund, 1996)
Změna klimatu a vadózní zóna
Poloha podzemních vod je velmi závislá na klimatických podmínkách v regionu. Pokud je oblast aridní nebo polosuchá, hladina podzemní vody v průběhu času pomalu klesá (může mít geologické časové měřítko). Pokud je klima mírné nebo vlhké, hladina podzemní vody může zůstat poměrně blízko povrchu země. Právě rozdíl mezi sestupným prouděním (srážky) a vzestupným prouděním (výpar a evapotranspirace) určuje polohu hladiny podzemní vody (viz obr. 4).
Evapotranspirace neboli evapotranspirace je množství vlhkosti, které přechází do atmosféry ve formě páry v důsledku vysychání a následné transpirace a fyzikálního výparu z půdy a z povrchu vegetace.
Bez ohledu na stupeň nasycení půdy se profil pórového tlaku vody uvede do rovnováhy v hydrostatickém stavu, kdy z povrchu země nedochází k žádnému čistému proudění. Dojde-li k odsávání vlhkosti ze zemského povrchu (například vypařováním), profil pórového tlaku vody se posune doleva. Pokud se vlhkost dostane na povrch podzemní vody (například z infiltrace srážek), profil pórového tlaku vody se posune doprava.
Síťový vzestupný tok způsobí, že půdní hmota postupně vysychá a praská, zatímco síťový klesající proud nakonec půdní hmotu nasytí. Hloubku hladiny podzemní vody ovlivňuje mimo jiné celkový povrchový průtok. Hydrostatická čára vzhledem k hladině podzemní vody představuje stav rovnováhy, ve kterém na povrchu země neproudí. Během suchých období se tlak vody v pórech stává zápornějším než ten, který představuje hydrostatická čára. Opačný stav nastává během vlhkého období. Trávy, stromy a další rostliny rostoucí na povrchu země vysušují půdu vytvářením napětí v pórové vodě prostřednictvím evapotranspirace (Dorsey, 1940). Většina rostlin je schopna aplikovat tlak 1–2 MPa (10–20 atm) na vodu v pórech (Taylor a Ashcroft, 1972). Napětí působící na vodu v pórech působí ve všech směrech a může snadno překročit boční omezující tlak v půdě. Když k tomu dojde, začne sekundární režim desaturace (praskání). Evapotranspirace také vede ke zhutnění a dehydrataci půdní hmoty.
Obrázek 4. Vizualizace mechaniky půdy ukazující roli okrajových podmínek povrchového proudění (Fredlund, 1996)
V průběhu let jsou půdní sedimenty vystaveny různým a měnícím se podmínkám prostředí. To způsobuje změny v rozložení tlaku vody v pórech, což následně vede ke smršťování a bobtnání půdních sedimentů. Rozložení tlaku vody v pórech v hloubce, jak je znázorněno na obrázku 4, může mít různé podoby v důsledku změn prostředí nebo antropogenních vlivů. S vadózní zónou je spojeno mnoho složitostí kvůli její rozbité a narušené povaze. Tradičně se návrhy snažily vyhnout nebo značně zjednodušit analýzu této zóny, pokud to bylo možné. V mnoha případech je však pochopení této zóny klíčem k výkonu navrhované konstrukce. Historicky klasické problémy s filtrací zahrnovaly nasycené půdy, kde okrajové podmínky sestávaly buď ze specifikovaného spádu nebo nulového průtoku. Skutečný svět však pro inženýra často zahrnuje povrch země, kde mohou být pozitivní nebo negativní podmínky proudění nebo pórový tlak. Geoenvironmentální problémy nutí inženýry věnovat pozornost analýze nasycených/nenasycených přechodných průsaků s okrajovými podmínkami proudění (přítok nebo odtok).
Vylepšené výpočetní schopnosti, včetně midas GTS NX a midas FEA NX, které mají dnes k dispozici inženýři, pomohly konstruktérům přizpůsobit se těmto změnám.
Většina umělých struktur se nachází na povrchu Země a jako takové budou mít okrajovou podmínku toku prostředí. To platí pro dálnice, kde násypy a podloží mají počáteční soubor podmínek nebo napěťových stavů. Tyto podmínky se budou v čase měnit, především vlivem změn prostředí a klimatu (případně proudění povrchové vlhkosti) nebo vnějších vlivů. Základy pro lehké konstrukce jsou také obvykle umístěny vysoko nad hladinou podzemní vody, kde je tlak vody v pórech záporný. Ve skutečnosti se většina světových staveb lehkého inženýrství nachází ve vadózní zóně, která je velmi ovlivněna klimatickými změnami nebo vnějšími vlivy. Jednou z charakteristik horní části aerační zóny je její schopnost pomalu uvolňovat vodní páru do atmosféry rychlostí závisející na propustnosti nepoškozených oblastí půdy. Současně může proudění vody směrem dolů procházet trhlinami se spádem rovným jednotce. Zdá se, že nic nebude bránit proudění vody, dokud půda nenabobtná a hmota neztuhne, nebo dokud se trhliny a praskliny nezaplní vodou.
Obvyklá mylná představa je, že voda může vždy vstoupit do půdy z povrchu země. Pokud je však zemina neporušená, maximální průtok vody na povrchu země se rovná koeficientu propustnosti půdy. Tato hodnota může být extrémně nízká. Pokud je povrch země svažitý a vrchní vrstva zeminy je prasklá nebo prasklá, může se povrchová vrstva snadněji nasytit a bude mít vyšší koeficient propustnosti než zemina pod ní. V důsledku toho voda stéká po horních vrstvách půdy na svahu a nemůže se dostat k podložní neporušené půdě.
Kromě přírodních a geologických procesů mohou k desaturaci nasycených půd a následně k tvorbě nenasycených zón v půdní mase vést také antropogenní činnosti, jako je těžba, přetváření a zpevňování. Tyto přírodní a člověkem vytvořené materiály a jevy je obtížné uvažovat a pochopit, zejména pokud jde o objemové změny, v rámci klasické mechaniky nasycených zemin.
Regiony se sušším klimatem si stále více uvědomují jedinečnost svých regionálních problémů s mechanikou půdy. V posledních letech také ve vyspělých regionech dochází k posunu důrazu od posuzování chování inženýrských staveb k posuzování vlivů staveb na životní prostředí. Tento posun důrazu vedl k větší potřebě zabývat se vadózní zónou. V řadě zemí světa se objevila komplexní mechanika nasycených a nenasycených půd (Fredlund, 1996).
