Faze materijala u tlu
Tlo sačinjavaju tri faze: čvrsta, tečna i gasovita. Čvrstu fazu predstavljaju čvrste čestice, tečnu voda a gasovitu fazu zatvoreni vazduh ili vodena para u porama tla.
Pojedine vrste tla mogu se sastojati iz jedne, dve ili tri faze, što znači da tlo po svome sastavu može biti jednofaznog, dvofaznog ili trofaznog sistema. Fizičke osobine tla zavise od pojedinih faza.
Nekoherentno tlo, kao što je potpuno suvi pesak ili šljunak, sastoji se samo iz jedne faze – čvrstih čestica. Vazduh koji postoji u porama toga tla nije zatvoren i ne suprotstavlja se kretanju čvrstih čestica, te se s toga ne može smatrati fazom.
Vlažno koherentno tlo iznad nivoa podzemne vode, koje se sastoji iz čvrstih čestica i zatvorenih pora, ispunjenih delimično vodom a delimično vazduhom ili vodenom parom, je zemljište trofaznog sistema. U slučaju pokretanja čvrstih sastojaka, suprotstavljaju se istovremeno voda i vazduh u porama tla.
Tlo ispod nivoa podzemne vode, čije su pore potpuno ispunjene vodom, tako da u njima nema vazduha ni vodene pare, je dvofaznog sistema. Tlo u dubljim slojevima usvaja se da je dvofaznog sistema, jer zatvoreni vazduh u porama tla na većim dubinama nema osetnijeg uticaja na n jegove fizičke osobine, koje su u tom slučaju određene svojstvima čvrste i tečne faze.
Granulometrijski sastav
Čvrsti sastojci tla su mineralne ili organske materije različite krupnoće, koje idu od velikih oblutaka i blokova, veličine više stotina i hiljada milimetara do veličine blizu jednog molekula. Kao što je poznati, molekul je veličine jednog milionitog dela milimetra, jedan milimikron. Najmanja krupnoća čvrstih sastojaka tla smatra se da ide do 20 milimikrona.
Krupnoća čvrstih čestica tla je od vrlo velikog uticaja na njegove fizičke osobine. Ova krupnoća izražava se granulometrijskim sastavom, kojim se predstavlja odnos pojedinih krupnoća zrna po njihovim težinskim delovima na ukupnu težinu tla. Podela tla po njegovom granulometrijskom sastavu je različita u različitim zemljama. Kod nas je podela sledeća:
Veličina 2 mm – granica između tla krupnozrnog i sitnozrnog sastava. Čvrste čestice veličine do 2mm pokazuju kapilarno penjanje vode u tlu. Tlo krupnozrnog sastava nema pojave kapilarnosti.
Veličina 0,2 mm – granica između krupnozrnog (oštrog) i sitnozrnog (mekog) peska.
Veličina 0,02 mm – granica do koje se pojedina zrna u tlu mogu golim okom raspoznavati.
Veličina 0,002 mm – granica između nevezanog tla i gline
Veličina 0,0002 mm – granica izneđu gline i koloidne gline.
Čvrsti sastojci veličine ispod 0,002 mm su od velikog uticaja na fizičke osobine tla. Ovi sastojci daju vezivost tlu i ukoliko su oni sitniji i više zastupljeni u tlu, utoliko je vezivost tla više izražena. Međutim, vezivost tla zavisi i od mineralnog sastava čvrstih čestica veličine manje od 0,002 mm. Ako su ove čestice nastale raspadanjem vrlo tvrdih minerala kao što je kvarc, onda je njihova vezivost vrlo mala ili nikakva, a njihovo upijanje vode takođe relativno malo. Ako su pak čestice ispod 0,002 mm nastale raspadanjem glinenih materijala, onda one imaju vezivog svojstva koje je utoliko jače ukoliko su čestice sitnije, dok je upijanje vode takvih čestica vrlo veliko.
Granulometrijski sastav tla daje važne i sigurne podatke o pojedinim njihovim fizičkim osobinama. Ako u tlu preovlađuju glinene čestice veličine ispod 0,002 mm, onda se već na osnovu toga može zaključiti da je takvo tlo plastično, koherentno, higroskopno, visoke kapilarnosti, male propustljivosti i da ima mali ugao unutrašnjeg trenja.
Granulometrijski sastav tla predstavlja se linijama granulometrijskog sastava (sl. 1).
Sl. 1 - Linije granulomerijskog sastava tla: 1-šljunčani pesak; 2-prašinasti pesak; 3-preščana prašina; 4-glinovito tlo; 5-glina
Ordinate linija granulometrijskog sastava pokazuju težinski udeo čvrstih čestica manjih od prečnika predstavljenog apscisom date tačke. Tako npr. u tački A linije 4 ordinata pokazuje da ima 92% čestica veličine manje od 2 mm, a da su preostalih 8% veličine preko 2 mm.
Klasifikacija tla na osnovu njegovog granulometrijskog sastava
Tla koja sadrže čvrste čestice veličine preko 2 mm klasifikuju se prema opštoj podeli tla po granulometrijskom sastavu, prikazanoj na sl. 1. Pri tome se kao osnovna frakcija usvaja ona koja je najviše zastupljena u tlu, dok su ostale dodatne. Tako na primer, ako je u opštoj granulaciji tla najviše zastupljen pesam sa manjom količinom šljunka, onda se takvo tlo klasifikuje kao šljunčani pesak, dok bi obratno bilo peskoviti šljunjak. U klasifikaciji se mogu takođe naznačiti i udeli pojedinačnih frakcija u tlu. Ako na primer neko tlo sadrži 15% gline, 45% prašine, 30% peska i 10% šljunka, ono se može klasifikovati kao glinovito tlo sa 15% gline i 10% šljunka.
Međutim, za sitnozrna tla koja sadrže čvrste čestice manje od 2 mm, klasifikacija na osnovu njegovog granulometrijskog sastava najčešće se vrši po trouglastom dijagramu. Postoji više takvih dijagrama, od kojih ćemo ovde navesti najosnovniji dijagram Američkog biroa za tlo (U.S. Bureau od Soils), sl. 2.
Sl. 2 - Trougli dijagram Američkog biroa za tlo
Dijagram se sastoji iz tri koordinatne osovine složene u jednakostranični trougao, u kome svaka osovina predstavlja jednu frakciju i to pesak, prašinu i glinu u % po težini cele mase tla. Površina dijagrama je podeljena u 10 zona, od kojih svaka predstavlja zasebnu vrstu tla. Svaka strana trougla predstavlja apscisu iz koje se podižu ordinate paralelne sa drugim dvema apscisama.
Svaka tačka u ovom dijagramu ima 3 koordinate koje predstavljaju procente navedene 3 frakcije u datom tlu i određuju vrstu tla. Tako, na primer, tačka M na dijagramu predstavlja glinu. Ona se dobija na način što se iz dijagrama granulometrijskog sastava sl. 1 odrede pojedine frakcije, koje bi u ovom slučaju bile (linija 4 na sl. 1): 35% gline, 25% prašine, 40% peska, pri čemu je količina od 8% šljunka zanemarena pošto iznosi manje od 10%.
Ova klasifikacija odnosi se na frakcije peska, prašine i šljunka po američkoj podeli, ali se ona ipak usvaja kao takva zbog uporednih vrednosti i iskustva koje ima sa takvom klasifikacijom.
Stepen neravnomersnoti tla
Po Allen Hazen-u, stepen neravnomernosti tla je odnos (sl. 3)
U=d60/d10
gde je d60 prečnik zrna koji odgovara ordinati 60%, a d10 prečnik zrna koji odgovara ordinati 10%.
Za U < 5 tlo je ravnomernog sastava,
za U = 5 – 15 tlo je umereno neravnomernog sastava,
za U > 15 tlo je neravnomernog sastava.
Kada je linija granulometrijskog sastava strma, vrednost stepena neravnomernosti U je mala, dok je ona za položenu liniju velika. Najmanja vrednost za U je 1. Ukoliko je linija granulometrijskog sastava položenija, utoliko je vrednost U veća. Za pesak je najčešće U=1-15, za glinovita tla U=10-90, ali kod tla jako neravnomernog sastava U može imati vrlo velike vrednosti.
Sl. 3 - Određivanje prečnika zrna d60 i d10
Filtesko pravilo
Ovo pravilo se zasniva na granulometrijskom sastavu filtera, čiji je zadatak da smanju hidraulički gradijent na kontaktu između tla i kamene naslage drenaže prelaznom krupnoćom zrna, kako bi se sprečilo ispiranje sitnih čestica tla podzemnom vodom. Osnovni uslovi kojima filterski sloj treba da odgovori su da bude vodopropustljiv i stabilan.
Postoji više pravila za sastav filtera među kojima će ovde biti naveden samo Terzaghijevo pravilo kao najpoznatije.
Terzaghijevo pravilo
Terzaghijevo pravilo glasi: Granulacija filtera treba da je takva da njegova zrna pri količini 15% težinskih delova cele filterske mase (F15) budu najmanje 4 puta veća od najkrupnijih čestica tla na koje filter naleže (baze) pri količini 15% težinskih deliva baze (B15), a da nisu veća od 4 puta B85, tj. veličine najsitnijih čestica pri 85% težinskih delova baze. Ovo pravilo može se izraziti odnosima:
F15/B15 > 4 i F15/B85 < 4.
Prvi odnos osigurava vodopropustljivost filtera, dok drugi garantuje njegovu stabilnost.
Sl. 4 - Filtersko pravilo Terzaghia
Najsitnije i najkrupnije čestice baze predstavljene su na sl. 4 graničnim linijama 1 i 2. Granične linije filtera su 3 i 4. Uslov F15 > 4B15 predstavljen je tačkom a na graničnoj liniji 3, uslov F15 < 4B85 tačkom b na liniji 4.
Preporučuje se da linija granulometrijskog sastava filtera bude približno paralelna liniji granulometrijskog sastava baze.
Umesto dve ekstremne linije granulometrijskog sastava baze kao na sl. 4, može biti jedna linija prosečne granulacije. U tom slučaju tačke B15 i B85 nalaze se na istoj liniji (kao na sl. 5).
Najčešće je razlika u granulaciji između baze i drenažne naslage takva, da jedna filterska zona nije dovoljna za prelaz između baze i naslage. U tom slučaju se filter sastoji iz više filterskih zona, koje se određuju po istom pravilu, dok se ne doođe do najveće krupnoće zrna drenažne naslage. 
Sl. 5 - Primer proračuna filterskih slojeva