Bodem: formatie, classificatie en significantie

Het woord aarde is afgeleid van het Latijnse woord 'solium', wat de bovenste laag van het aardoppervlak betekent. Dit woord 'bodem' heeft verschillende betekenissen voor verschillende beroepen. Voor een agronoom is het het losse oppervlaktemateriaal van de aarde, welke planten groeien.

Voor een geoloog is dit het materiaal dat wordt geproduceerd als gevolg van desintegratie van gesteenten en dat niet is getransporteerd vanaf de oorspronkelijke positie. Voor een ingenieur zijn bodems een verhoogde accumulatie van mineralen of organische deeltjes die voorkomen in de zone die over de rotskorst ligt.

Bodem is een bouwmateriaal dat in overvloed beschikbaar is en in veel regio's is het in wezen het enige lokaal beschikbare bouwmateriaal. De aarde is gebruikt voor de bouw van monumenten, graven, woningen, waterretentiestructuren enz. Uit de tijd van de neolithische mens. Bodemmechanica is een van de jongste disciplines van de civiele techniek die alle principes en technieken omvat waarmee de eigenschappen van de bodem wetenschappelijk worden bestudeerd.

Definitie

Dr. Karl Van Terzaghi, de vader van de grondmechanica, definieerde de grondmechanica als volgt:

Bodemmechanica is de toepassing van de wetten van mechanica en hydraulica op technische problemen die te maken hebben met sedimenten en andere ongeconsolideerde opeenhopingen van vaste deeltjes die worden geproduceerd door de mechanische en chemische desintegratie van gesteenten, ongeacht of ze al dan niet een mengsel of organische bestanddelen bevatten.

Voor een civiel ingenieur is de studie van het engineeringgedrag van verschillende soorten bodems uiterst belangrijk vanwege het feit dat alle civieltechnische constructies moeten worden uitgerust en op aarde moeten worden gebouwd. Het falen van de structuren hangt af van de sterkte-eigenschappen van de grond. De sterkte van de grond om belastingen te weerstaan wordt een belangrijke factor bij het veilig ontwerpen van de fundering van de constructie.

De tak van de wetenschap die zich bezighoudt met de eigenschappen, aard en prestaties van bodems als een constructie- en funderingsmateriaal wordt bodemmechanica genoemd.

IS: 2809-1972 definieert bodemmechanica als "die tak van techniek die zich bezighoudt met de toepassing van bodemkunde, de statische en dynamische wetten, principes, mechanica en hydraulica voor technische problemen met grond als bouwmateriaal."

De doelstellingen van de grondmechanica zijn:

(i) Voor het uitvoeren van ondergrondse onderzoeken en voor het ontwikkelen van methoden voor bodembemonstering.

(ii) De bodemeigenschappen classificeren ten behoeve van civiele techniek.

(iii) Om de bodemresultaten toe te passen op het gebruik van grond als bouwmateriaal.

Belang van bodemstudies in civiele techniek:

Tot het begin van de vorige eeuw werd het belang van onderzoek naar bodemeigenschappen niet gevoeld. De meeste van de belangrijke historische gebouwen zijn gebouwd op basis van ervaring in het gebied en kennis die is geërfd van voorouders. Er was geen bewijs van enige wetenschappelijke studie van de bodem voor de bouw van de fundering van deze gebouwen / constructies. Het falen van belangrijke constructies vestigt de aandacht van civiel ingenieurs op dit gebied.

De meeste civiele constructies rusten op het bodemoppervlak, dus het leven van deze structuren hangt af van het draagvermogen van de grond. Draagvermogen van grond hangt af van de verschillende eigenschappen van grond. De verschillende eigenschappen van grond kunnen worden bepaald door gedetailleerde bodemonderzoeken / onderzoeken.

Zodra het draagvermogen en andere eigenschappen van de bodem bekend zijn, is het voor een geotechnisch ingenieur / ontwerper gemakkelijk om te beslissen welk type fundering geschikt is voor een bepaalde grond. Door grondonderzoek kan een ingenieur beslissen of een bepaalde grond geschikt is om te bouwen of niet. Sommige bodems zoals turf en organische silts zijn zo samendrukbaar dat ze niet als funderingsmateriaal kunnen worden gebruikt, terwijl andere zoals zand en grind uitstekende grondstof zijn voor de meeste bouwprojecten.

Voor kleine projecten kunnen civiel ingenieurs de grondeigenschappen raden op basis van ervaring in dat gebied. Maar soms kan dat duur uitvallen dan de kosten die bespaard worden door het niet onderzoeken van de bodem. Een voorbeeld van zo'n kasgeschiedenis is zoals hieronder. Een calcinatie-installatie (het verbranden van kalksteen) moest worden gebouwd in Assam. Geschatte capaciteit van de fabriek was 100 ton per dag.

De eigenaar van het project was niet geïnteresseerd in bodemonderzoek en de bouwwerkzaamheden zijn gestart zonder grondonderzoek. Opgraving werd gestart voor de stichting. Na voltooiing van het handmatig uitgraven van grond voor een dag was de eigenaar vrij tevreden dat de fundering op de vooraf vastgestelde diepte kon worden gelegd, omdat de grond vrij hard was. De volgende dag bleek dat de put vol met water was en de grond helemaal los was en zich als een vloeistof gedroeg.

Dit probleem werd voortgezet en uiteindelijk werd besloten om na 5 meter te stoppen met opgraven en vervolgens werd een geotechnisch ingenieur geraadpleegd om het probleem kort te houden. Tenslotte werden houten palen aangedreven en werd de fundering geconstrueerd. De eigenaar moest meer investeren dan wat hij in eerste instantie had bespaard door niet te beslissen voor bodemonderzoek. Het probleem van dat gebied was dat er een stroom water door de site stroomde en dat de grond van minder dan 1 diep in hoge mate samendrukbaar was.

Voor grote projecten zoals een luchthaven op de snelweg, dam enz. Kan het raden van de bodemeigenschappen leiden tot functiestoringen en uiteindelijk economisch verlies. Dus het is altijd raadzaam om te gaan voor bodemonderzoeken vóór het ontwerp van de fundering van de structuur. De mate van bodemonderzoek kan variëren op basis van het belang van het project en het beschikbare fonds voor hetzelfde.

Vorming van de bodem:

Het binnenste van de aarde is in gesmolten toestand, magma genaamd. Rotsen worden gevormd door afkoeling van gesmolten magma en deze rotsen worden afgebroken in grond en grond die wordt omgezet in gesteente. Deze cyclus wordt de geologische cyclus genoemd, zoals weergegeven in figuur 1.1.

Rotsen zijn het oorspronkelijke materiaal voor bodems. Bodems worden gevormd door de desintegratie en ontbinding van gesteenten.

Het uiteenvallen van gesteenten wordt veroorzaakt door:

(i) Mechanische verwering

(ii) Chemische ontbinding

(iii) Biologische ontbinding.

(1) Mechanische verwering:

Het is ook bekend als fysieke desintegratie. In dit proces wordt desintegratie van gesteenten veroorzaakt door fysieke instanties zoals plantenwortels, vorst, thermische uitzetting enz.

(a) wortels van planten:

Planten en bomen groeien in rotsen. De wortels van deze planten en bomen komen in de spleten en spleten van de rotsen. In de loop van de tijd worden deze wortels dikker en brengen ze spanningen op de rots teweeg die desintegratie veroorzaken.

(b) Frost:

Water komt in de scheuren en spleten van rotsen terecht tijdens regen. In een koud klimaat raakt water bevroren en neemt het volume toe. Vanwege de toename van het volume worden spanningen in de scheuren geïnduceerd, waardoor de desintegratie van stenen wordt veroorzaakt.

(c) Thermische uitzetting:

Rotsen hebben verschillende mineralen erin. Verschillende mineralen hebben verschillende thermische uitzettingscoëfficiënten. Vanwege temperatuurvariaties breiden deze mineralen uit en komen ze in contact. Spanningen worden ontwikkeld als gevolg van herhaalde uitzetting en samentrekking van gesteenten, resulterend in desintegratie en vorming van grond.

(d) Slijtage:

Schuring van stenen vindt plaats onder de actie van:

(i) stromend water

(ii) Blazen van wind

(iii) Bewegend ijs, bekend als gletsjers. Deze slijtage resulteert in de vorming van grond.

(2) Chemische ontbinding:

Het wordt ook chemische verwering genoemd. In dit proces wordt de identiteit van minerale deeltjes vernietigd en nieuwe chemische verbindingen gevormd zoals kleideeltjes, silicium, carbonaten en ijzeroxide. Chemische ontbinding hangt af van de druk van water, temperatuur en de opgeloste stoffen in water. Chemische verwering is afhankelijk van het beschikbare oppervlak voor reactie, temperatuur en aanwezigheid van chemisch actieve vloeistof.

De volgende processen zijn betrokken bij chemische verwering:

(i) Oxidatie:

Het is het proces waarbij zuurstofionen worden gecombineerd met ferro-ionen tot ferro-oxide. IJzerhoudende stenen worden onderworpen aan chemische ontbinding door oxidatie. De reactie die betrokken is bij dit proces is

4Fe ⁺² + 3O ₂ - = 2Fe ₂ 0 ₃

(ii) Hydratatie:

Hydratatie is het proces waarbij steenmineralen worden gecombineerd met water om een nieuwe verbinding te vormen die anders zal zijn dan de oorspronkelijke mineralen. De ontbinding van gesteente vindt plaats als gevolg van verandering in volume waardoor fysieke spanningen in de rots worden gecreëerd.

(iii) Carbonatatie:

Het is het proces waarbij koolstofdioxide (CO ₂ ) in de atmosfeer wordt gecombineerd met water om koolzuur te vormen. Dit koolzuur reageert met steenmineralen en veroorzaakt ontbinding.

Reactie betrokken bij carbonatatie is:

CaCO ₃ + H ₂ O + CO ₂ = Ca (HCO ₃ ) ₂

Carbonatatie is heel gebruikelijk in gebieden met veel kalksteen.

(iv) Hydrolyse:

Hydrolyse is een chemische verwering die silicaatmineralen beïnvloedt. Bij dergelijke reacties ioniseert zuiver water licht en reageert het met silicaatmineralen. Zoals bijvoorbeeld:

Kaliumspaatspaat in zure hydrolyse van water tot kaoliniet, kwarts en kaliumhydroxide

2KAISi ₃ O ₈ + 3H ₂ O = Al ₂ Si ₂ O ₅ (OH) ₄ + 4SiO ₂ + 2KOH

(v) Uitloging:

Uitlogen is het verwijderen van oplosbare materialen door ze op te ruimen van vaste stoffen. In dit proces zijn enkele mineralen uit de rotsen opgelost en afzonderlijk afgezet, waardoor ze uiteenvielen.

(3) Biologische ontleding:

De afbraak van organisch materiaal in de bodem gebeurt volledig door de micro-organismen. Bacteriën en andere micro-organismen induceren chemische veranderingen in hun omgeving door organische zuren te produceren, wat helpt bij verwering van de bodem.

Geologische classificatie van bodem:

Op geologische basis kunnen bodems worden ingedeeld in twee groepen:

(i) Restgronden

(ii) Vervoerde gronden.

Residual Soils:

Bodems die op de plaats van hun formatie blijven, worden restbodems genoemd. Als de snelheid van de ontbinding van de rotsen hoger is dan de snelheid waarmee de ontledingsproducten worden verwijderd, ontstaat er een opeenhoping van resterende grond. De dikte van resterende bodems hangt af van het klimaat, de tijd en het type brongesteente. Deze bodems bevinden zich direct boven de moedergesteente. Negeert rotsen en afzettingsgesteenten zijn het oorspronkelijke materiaal voor restaarde.

Het resterende bodemprofiel kan in drie zones worden verdeeld:

(a) Bovenste gedeelte, waar sprake is van hoge verwering en verwijdering van materiaal.

(b) Tussenzone, waar er wat verwering is in het bovenste gedeelte van de zone, maar er is afzetting naar het onderste gedeelte van de zone.

Vervoerde bodems:

Vervoerde bodems zijn bodems die door de transportbedrijven van hun formatieplaats naar een andere plaats worden meegenomen. Transportbedrijven kunnen gletsjers, water, wind of zwaartekracht zijn. Deze transportbedrijven handelen afzonderlijk of in combinatie.

Glacier Transported Soils:

Gletsjers getransporteerde gronden omvatten getransporteerde materialen en redeposit door gletsjer of door ijswater dat van gletsjers stroomt. Gletsjers brengen enorme hoeveelheden mineraal afval met zich mee, die zich mengen met ijs en weggevoerd worden. Het wordt afgezet wanneer ijs vele mijlen weg van de oorspronkelijke positie smelt.

Deze soorten deposito's worden gedifferentieerd door de volgende terminologie te gebruiken:

(a) Moraine:

Moraine is glaciaal materiaal afgezet met ijs en niet door smeltwater.

(b) Drift:

Drift is het materiaal dat wordt vervoerd door gletsjers en wordt afgezet vanuit het smeltwater. Drift heeft een gelaagde indeling.

(c) Tot:

Tot het zijn niet gestratificeerde, heterogene mengsels van klei of slib direct afgezet met ijs.

(d) Glaciofluviale afzettingen:

Glaciofluviale afzettingen zijn materialen die worden vervoerd door gletsjers en die worden afgezet met smeltwater met stratificatie. Deze bestaan uit afwisselend dunne lagen medium grijs silts en verdunnen zure klei.

Watervervoerde bodems:

De materialen die worden getransporteerd en opnieuw worden afgezet door de werking van water, worden "alluvium" genoemd. Stromen worden gevormd in een vallei als gevolg van hevige regenval. Het stromende water van stromen draagt verschillende gronddeeltjes met zich mee, hetzij in suspensie of langs de bodem. Door het afrollen van gronddeeltjes vindt afslijting plaats waardoor de deeltjes kleiner worden.

De grootte van de deeltjes die door grond kunnen worden getransporteerd, hangt af van de snelheid van het water. Als de snelheid hoger is, kan het deeltjes van grote omvang verplaatsen en wanneer de snelheid afneemt, worden de grotere deeltjes afgezet. De fijnere deeltjes worden verder getransporteerd naar een trager gedeelte van de stroom wanneer het wordt afgezet.

Bodems gedragen door water worden geclassificeerd als:

(i) Alluviale grond

(ii) Lacustriene bodem

(iii) Zeebodem.

Alluviale bodem:

De grond getransporteerd van zijn plaats van desintegratie door het stromende water en afgezet langs de stroom is bekend als alluviale grond. Deze bodems komen zeer vaak voor en er wordt een groot aantal technische constructies op gebouwd. Alluviale gronden bevatten vaak afwisselend horizontale lagen van verschillende soorten bodem.

Lacustrine bodems:

De grond die wordt getransporteerd door stromend water en wordt afgezet in meren wordt lacustriene aarde genoemd. De meeste lacustriene bodems zijn voornamelijk slib en klei. Hun geschiktheid voor foundation varieert van slecht tot gemiddeld.

Mariene gronden:

De bodem die wordt getransporteerd door stromend water en wordt afgezet in de oceaan, staat bekend als zeebodem. Mariene bodems zijn voornamelijk silts en kleien en zijn erg zacht.

Door de wind getransporteerde bodems (Eolische bodems):

Wind is een ander belangrijk medium voor het transport van grond. Bodems die door de wind worden getransporteerd en afgezet, worden Eolische bodems genoemd. Deze transportmodus produceert over het algemeen zeer slecht gegradeerde bodems vanwege de sterke sorteerkracht van wind. Deze bodems zijn meestal erg los en hebben eerlijke technische eigenschappen.

Eolische bodems zijn van twee soorten:

Löss:

Löss is diepe afzettingen van silts gemaakt door wind. Dergelijke afzettingen worden vaak benedenwinds van woestijnen gevonden. Deze afzettingen hebben een zeer hoge porositeit. Löss is redelijk droog als het droog is, maar wordt zwak als het nat wordt.

Duinen:

De lage onregelmatige heuvels gevormd door ophopingen van zand langs sommige stranden en in sommige woestijngebieden worden zandduinen genoemd. Waarschijnlijk worden zandduinen gevormd waar de wind consequent vanuit slechts één richting waait. Deze duinen neigen over de wind te migreren. De migratiesnelheid kan worden vertraagd of gestopt door geschikte begroeiing op het duin te laten groeien.

Gravity Deposited Soils:

Door zwaartekracht afgezette bodems zijn losse grond of rotsfragmenten die onder invloed van de zwaartekracht neerwaarts worden getransporteerd en op of nabij hellende grond worden afgezet. Deze bodems zijn ook bekend als colluviale bodems.

Downslope-bewegingen bestaan uit twee typen:

Langzaam en snel. De langzame beweging wordt kruip genoemd, die in de orde van millimeters per jaar is. Snelle neerwaartse beweging wordt aardverschuiving genoemd.

Bodemprofielen:

Bodemvorming begint eerst met het afbreken van steen door verwering en het bodemhorizonontwikkelingsproces leidt tot de ontwikkeling van een bodemprofiel. Een bodemprofiel is de verticale weergave van bodemhorizons. Een bodemprofiel is onderverdeeld in lagen die horizonten worden genoemd.

Bodemprofiel bestaat uit de volgende grote horizon:

O horizon:

Aan de bovenkant van het profiel bevindt zich de O-horizon. Het bestaat voornamelijk uit organisch materiaal. De ontbonden materie of humus verrijkt de bodem met stikstof, kalium enz. En verbetert de bodem en verbetert de vochtretentie van de bodem. O-horizon kan worden onderverdeeld in O ₁ en O ₂ categorieën. O _1- oorsprong bevat ontbonden materiaal waarvan de oorsprong kan worden waargenomen door zicht en O2-horizonnen bevatten alleen goed afgebroken organische stof waarvan de oorsprong niet onmiddellijk kan worden gezien.

A-horizon:

Onder de O-horizon is de A-horizon. Het markeert het begin van de echte minerale bodem. In deze horizon mengt organisch materiaal zich met anorganische producten van verwering. Het is een donker gekleurde horizon vanwege de aanwezigheid van organisch materiaal. De dikte van deze horizon is meestal 25 tot 30 cm, maar kan variëren van 5 tot 60 cm.

B-horizon:

Onder de A-horizon is de B-horizon. Het wordt vaak subgrond genoemd. B-horizon is een zone waar fijn materiaal wordt verzameld door percolerend water. In sommige bodems is B-horizon verrijkt met calciumcarbonaat in de vorm van knobbeltjes of als laag. Het heeft dezelfde kleur en textuur in de diepte. De dikte van deze horizon is 25 - 30 cm, maar deze kan variëren van 10 tot 240 cm.

B-horizon kan worden verdeeld in B ₁, B ₂ en B ₃ types. B ₁ is een overgangshorizon van A naar B horizon. Het heeft gedomineerd door de eigenschappen van de B-horizon eronder, maar bevat enkele kenmerken van de A-horizon. B-horizons hebben een concentratie van mineralen, klei of organische stoffen. B ₃ horizons en de overgang tussen de bovenliggende B-lagen en het onderliggende materiaal.

C-horizon:

C-horizon vertegenwoordigt het oorspronkelijke bodemmateriaal, ofwel in situ gemaakt of getransporteerd naar de huidige locatie. Onder de C-horizon ligt de rots. Het heeft dezelfde kleur en textuur in de diepte. De dikte van deze horizon varieert van 5 tot 30 cm. Deze horizon biedt het grootste deel van het materiaal voor de constructie van de bodemstructuur.