Автор Основные физико-механические свойства грунтов
:Рис. 49. Условия равновесия частицы грунта на откосе
9. Угол естественного откоса ф — угол у основания конуса, который образуется при отсыпании разрыхленного грунта с некоторой высоты. Этот угол зависит от величины коэффициента внутреннего трения и от связности. Для несвязных грунтов угол естественного откоса равен углу внутреннего трения.
Величины углов естественного откоса приводятся в табл. 8.
10. Сопротивл ени е грунта вдавливанию. При вдавливании в грунт штампа или какой-либо опорной поверхности (ходовой части машины, элемента рабочего органа) под штампом происходят деформации в условиях, близких к всестороннему сжатию (т. е. когда на элемент грунта действуют одновременно окружающий массив и поверхность штампа так, что элемент оказывается сжатым со всех сторон).
Чем ближе к поверхности грунта расположен элемент, тем меньше влияние всестороннего сжатия. Вдавливание на небольшую глубину (до 1 см) называют смятием.
В частности, допускаемые нагрузки для ходовых частей” машин предусматривают погружение до 6—12 см. Величина усилия, необходимого для вдавливания штампа, зависит от размеров штампа. Чем меньше он, тем больше должно быть удельное усилие при вдавливании.
11. Абразивность (от латинского слова abrasio — соскабливать) — способность материала оказывать истирающее действие на другой материал. Абразивность грунтов из горных пород в значительной степени определяет износ рабочих органов землеройных машин. Имеются различные методы оценки аб-разивности, однако все они пока еще являются относительными, так как износ зависит от удельных давлений, скорости взаимного перемещения и прочностных показателей. При одних и тех же прочностных показателях величина износа может быть различной.
Коэффициент трения грунта о сталь зависит от состояния поверхности стали и физико-механических свойств грунта.
13. Разрыхляемость определяется как отношение объема разрыхленного грунта Vp к объему V первоначальному (в плотном теле).
Первоначальное разрыхление — это разрыхление, наблюдаемое сразу после отделения грунта от массива; остаточное разрыхление наблюдается через некоторое время после укладки грунта в отвал или насыпь, где происходит его самоуплотнение без трамбования.
Копание и резание грунтов
Копание — совокупность процессов отделения грунта от массива, включающих резание грунта, перемещение его по рабочему органу и впереди последнего, а в отдельных случаях и перемещение внутри рабочего органа (в частности, в ковшах экскаваторов).
Резание — процесс отделения грунта от массива при помощи режущей части рабочего органа, обычно имеющей вид клина.
Скорость движения подачи обычно в несколько раз меньше скорости главного движения.
Соотношение скоростей этих движений в известной мере определяет траекторию рабочего органа.
Рис. 50. Геометрия рабочего органа
В землеройно-транспортных машинах режущий орган (нож) предварительно внедряется в грунт до определенной глубины, а затем, двигаясь в нужном направлении, срезает стружку заданной толщины.
Как правило, внедрение в грунт происходит в результате одновременного перемещения ножа вглубь и вперед.
Механику отделения грунта от массива в процессе резания можно представить так.
Термином «стружка» пользуются при обработке металлов, он не всегда отражает физическую сущность процессов, происходящих при резании грунтов, однако удобен при расчетах сил сопротивления грунта резанию и копанию, наполнения ковша и производительности землеройных машин. Поэтому применяется условно.
Указанный способ моделирования процесса резания был впервые предложен М. И. Гальпериным и В. Д. Абезгаузом.
У передней грани формируется уплотненное ядро (рис.
52), которое, двигаясь перед режущей частью рабочего органа, внедряется в массив и отделяет стружку. Размеры ядра в процессе резания непрерывно изменяются, а само ядро периодически обновляется.
При углах резания, меньших 30°, у большинства грунтов ядро не образуется. В этом случае стружка отделяется под воздействием передней грани рабочего органа.
Рис. 51. Внедрение штампа у одной открытой стенки
Грунт отделяется от массива в результате сдвига или отрыва. Характер этого отделения зависит от физико-механических свойств грунта, геометрии рабочего органа и режимов работы.
Определение отдельных параметров процесса резания и копания грунта, усилий, наивыгоднейших режимов, геометрии рабочего органа из-за сложности процесса и одновременного влияния многих факторов пока еще не получило аналитического решения. В основном усилия и режимы подбираются на основе экспериментальных данных.
Рис. 53. Удельное сопротивление резанию при разработке
До определенных значений с по мере его увеличения второй фактор оказывает большее влияние и, следовательно, величина kp уменьшается.
После увеличения с сверх определенных значений большее влияние оказывает всестороннее сжатие и сопротивление kp увеличивается. Это продолжается, пока значение с не достигнет величины си после чего значения kp стабилизируются.
С увеличением Ь величина kv уменьшается и после определенных значений Ь она также стабилизируется.
При полусвободном и свободном резании удельное сопротивление с увеличением с при постоянном b уменьшается и после определенных значений с тоже стабилизируется.
Величина kp в значительной степени зависит от физико-механических свойств грунта и в большей степени от его прочности на одноосное сжатие. Последняя зависит от влажности, объемного веса, пластичности, связности грунта и других параметров. Так как прочность на одноосное сжатие многих талых грунтов мала и трудно поддается измерению, а для некоторых грунтов, например для песков, ее вообще нельзя измерить, то трудность разработки характеризуют категорией грунта.
Рис. 54. Ударник конструкции ДорНИИ
Под действием удара стержень внедряется в грунт.
В зависимости от физико-механических свойств грунта для внедрения стержня на глубину 0,1 м требуется различное число ударов: например, в просеянный песок влажностью 9,2
Физические свойства грунтов
В грунтовой лаборатории компании ООО «ГеоЭкоСтройАнализ» проводятся комплексные исследования грунтов. Изучение физических свойств грунтов является обязательным условием для получения оценки состояния грунтов на строительной площадке. В арсенале наших специалистов как полевые, так и лабораторные изыскания. Физическими свойствами грунтов называются характеристики, определяющие физическое состояние и обладающие способностью изменять его под воздействием факторов физико-химического характера. Речь идет об объемном и удельном весе, влажности, границах пластичности, липкости, усадке, набухании, размокании, водопроницаемости, структурной связности. Изучением физических свойств грунтов занимается такая наука, как грунтоведение.
Объемным весом грунта называют вес единицы его объема.
За единицу объемного веса влажного грунта принимают отношение между весом образца грунта и его объемом. За единицу объемного веса скелета грунта принимают отношение между весом образца грунта, высушенного при ста градусах, и его первоначальным объемом.
Для определения объемного веса грунтов берут образцы ненарушенного сложения с природной влажностью, отобранные из шурфа или скважины, при помощи метода парафинирования или режущего кольца.
Величину удельного веса грунта определяют, как соотношение между весом частицы (твердой фазы) грунта и весом воды такого же объема. Для определения этой величины пользуются мерной колбой (пикнометром). Навеска грунта помещается в прибор, туда же заливается дистиллированная вода, которую кипятят для того, чтобы удалить пузырьки воздуха. Затем грунт и воду в пикнометре охлаждают, наливают дистиллированную воду до определенной метки и производят взвешивание.
Величину влажности грунта определяют, как соотношение между содержащейся в грунте водой и весом абсолютно сухого грунта.
Величину пористости грунта определяют, как соотношение между объемом пор и всем объемом, занимаемым грунтом, выраженным в процентах. Коэффициентом пористости грунта называют соотношение между объемом пор и объемом, занимаемым грунтовыми частицами.
Одной из важных характеристик считается степень уплотнения песка, которую определяет относительная плотность и коэффициент пористости песка, который определяется для самого рыхлого и самого плотного состояния.
Для определения плотности глинистых грунтов вычисляют их консистенцию, зависящую от того, сколько воды содержится в грунте. Разделяют текучую, пластичную и твердую плотность глинистых грунтов.
Пластичностью грунта называют его способность к деформации при воздействии внешних усилий без разрыва сплошности и с сохранением приобретенной формы после того, как будет устранено действие внешней силы.
Липкостью называется способность глинистого грунта, соприкасающегося с разными предметами, прилипать к ним.
Липкость проявляется в том случае, если влажность грунта находится в диапазоне WT — Wv. Для измерения липкости берут усилие, которое необходимо для того, чтобы оторвать пластинку от грунта.
Среди физических свойств грунта следует назвать влагоемкость. Эта величина определяет, способен ли грунт поглощать воду и в каком количестве. Влагоемкость бывает гигроскопической, максимальной молекулярной, капиллярной и полной. Для оценки строительных свойств грунта важно знать максимальную молекулярную влагоемкость, которая характеризует связанную воду в грунте.
Набуханием грунта называют увеличение объема после взаимодействия с водой, что приводит к развитию давления набухания.
Среди физических свойств существуют еще понятия водопроницаемости, структурной связности, размокаемости грунтов.
В нашей лаборатории имеются все методы для определения вышеперечисленных свойств грунтов.
Физико-механические свойства грунтов
Перед строительством зданий и сооружений следуют обязательные геологические процедуры, предусмотренные Законодательством. Изучение грунтов заслуживает большого внимания со стороны проектной документации.
При переходах У>Р (обратимое или упругое деформирование больше разрушения), У>Р, П>Р состояние грунта называется предельным или критическим. Знание поведения грунта, умение определять стадии и переходы дает большие практические возможности специалистам. Таким образом, физико-механические свойства грунта показывают степень нагрузки, которую выдержит после строительства здания или сооружения грунт, где возведено строение. За счет этого вероятность неприятных сюрпризов в процессе эксплуатации здания значительно сокращается.
Инженеры нашей компании – опытные, квалифицированные специалисты, производящие исследования деформационных свойств разных типов грунтов: скальных, дисперсных, песчаных, крупнообломочных, глинистых, лессовых пород. Стоит отметить, что глинистые грунты исследуются на сжимаемость, а лессовые породы – на просадку. Используя специальное оборудование, технику инженерам удается максимально точно определить нагрузку, свойства грунта, где предполагается строительство. Исходя из полученных данных, проектной документацией может предусматриваться выбор габаритов здания сооружения, этажность, масса.
свойства определяются в результате исследовательской работы инженеров нашей компании. Заказать услугу можно во всем столичном регионе. Если Вы желаете задать интересующие вопросы по данной тематике, наш специалист ответит по телефону. Для этого воспользуйтесь контактными данными на сайте. Стоимость исследовательской работы определяется в индивидуальном порядке, отталкиваясь от условий конкретного заказчика.
Как заказать отчет
Заказать услугу можно через сайт, заполнив данными специальную таблицу, отправив её нашему уполномоченному представителю. В течение минуты после отправки формы с Вами свяжется консультант, предложит согласовать условия реализации интересующей идеи. Также на сайте расположены контактные данные офиса, адрес электронной почты.
Физические и механические свойства вечномерзлых грунтов (стр. 1 из 2)
1.
2. ОСНОВНЫЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ.
Мерзлый грунт является четырехфазной системой, содержащей минеральные частицы, воздух, воду и лед. Лед цементирует минеральные частицы и придает грунту новые физические и механические свойства. Эти свойства в значительной мере зависят от температуры, величина которой определяет количество незамерзшей воды в грунте, льдистость, прочность льдоцементационных связей и закономерности изменения прочности и деформируемости вечномерзлых грунтов. Изменение температуры грунта приводит к таким процессам и явлениям как:
— Миграция влаги.
Зависит главным образом от движения воды по пленкам, окружающим твердые частицы, вследствие градиента сил притяжения молекул воды к поверхности твердых частиц ниже границы промерзания в пределах зоны всасывания.
— Морозное пучение грунта (характерно для влажных глинистых грунтов, пылеватых и мелких песков при их промерзании) – увеличение объема промерзающего грунта вследствие объемного расширения (приблизительно на 9 %) при переходе воды в лед, как первоначально находившейся в порах, так и мигрировавшей в зону промерзания из нижерасположенных слоев грунта. Количественно характеризуется:
— Величиной морозного пучения ft – абсолютное значение поднятия поверхности промерзающего слоя грунта толщиной dt (абсолютная деформация).
— Коэффициентом морозного пучения εt– относительная величина морозного пучения промерзающего слоя грунта (относительная деформация).
Интенсивность морозного пучения зависит от многочисленных факторов:
· Состава и состояния грунта;
· Скорости и продолжительности промерзания;
· Величины внешнего давления
и др.
— Наледи. При наличии подземных вод образуются поверхностные (наземные слои льда, образовавшиеся от излияния и замерзания вод на поверхности) и грунтовые наледи (подземные слои льда, образующиеся вследствие замерзания воды между слоями грунта. Наледи бывают сезонные и многолетние.
— Бугры пучения: сезонные и многолетние.
— Криогенное (морозобойное) растрескивание грунтов. В процессе промерзания деятельного слоя грунта и после промерзания, вследствие неравномерного уменьшения объема грунта при охлаждении, образуются трещины, которые проникают в слой вечномерзлого грунта, создавая условия для образования трещинных льдов.
— Солифлюкация – медленное течение (сползание) оттаивающего грунта по склонам. Пример солифлюкации можно посмотреть в приложении рис. 1.1.
— Ледяные клинья в вечномерзлой толще – в результате повторного чередующегося морозобойного растрескивания и цементации трещин льдом.
— Термокарст – это совокупность физико-геологических процессов и явлений, включающих таяние внутриземного льда, вытаивание ледяных включений и залежей (прослоек, прожилок, слоев, линз и жил), возникновение в толще мерзлых пород полостей, просадок протаявшего грунта и образование отрицательных форм микро- и мезорельефа (западин, воронок, ложбин и других понижений.) Развитие термокарста связано с непосредственным действием тепла или изменением на поверхности условий проникновения его в грунт.
Различные по гранулометрическому, минералогическому составу, состоянию и засоленности грунты замерзают при различных температурах (несколько ниже 0˚С), что обусловлено степенью связности поровой воды с минеральным скелетом. При температуре начала замерзания не вся вода в грунтах переходит в лед. Дальнейшее понижение температуры грунта приводит к уменьшению количества незамерзшей воды. Количество незамерзшей воды в грунтах зависит от их гранулометрического и минералогического состава, концентрации и химического состава солей в поровой воде, внешнего давления и других факторов (см.
приложения рис. 1.2.). В мерзлых грунтах количество, состав и свойства незамерзшей воды и льда всегда находятся в равновесии в зависимости от внешних условий и воздействий. Наличие в мерзлом грунте промерзшей воды существенно отражается на его свойствах (прочности, деформативности и др.).
Физические свойства грунтов.
Основные характеристики:
— Плотность мерзлого грунта естественной структуры
где
масса образца; объем образца;— Плотность твердых частиц мерзлого грунта
, определяется с помощью пикнометра.— Суммарная влажность мерзлого грунта
, равна отношению массы всех видов воды в грунте к массе твердых частиц. В составе массы воды в грунте учитываются и включения льда, поэтому значение зависит от места взятия пробы грунта (наименьшая ошибка получается при отборе пробы по всей высоте слоя грунта из вертикальной бороздки в стене шурфа или в монолите).Cуммарную влажность можно выразить в виде суммы влажностей:
— Влажность мерзлого грунта за счет незамерзшей воды
Дополнительные характеристики:
— Влажность грунта за счет включений льда
.
Если экспериментально определены , то определяется расчетом:— Влажность грунта между включениями льда
— Влажность за счет льда-цемента
— Суммарная льдистость мерзлого грунта
— это отношение всех видов содержащегося в грунте льда к объему мерзлого грунта— Льдистость мерзлого грунта за счет включений льда
— Степень заполнения объема пор мерзлого грунта льдом и незамерзшей водой
— Пористость nfэто отношение объема пор ко всему объему грунта
— Коэффициент пористости efравен отношению объема пор к объему твердых частиц.
— Плотность скелета грунта
— Удельный вес мерзлого грунта, кН/м3, определяется расчетом
Мерзлые грунты можно классифицировать по льдистости и температуре.
1) По льдистости :
· Сильнольдистые
· Среднельдистые
· Cлабольдистые
Ледяные включения, количественно определяемые льдистостью
, дают представление о величине осадки грунта после оттаивания под действием собственного веса.
Например, если , то это означает, что в слое мерзлого грунта толщиной 100см находятся прослойки льда общей (суммарной) толщиной 20 см. При оттаивании максимально возможная осадка мерзлого грунта под действием собственного веса будет приблизительно равна сумме толщины ледяных включений, т.е. 20 см.2) В зависимости от температуры:
· Твердомерзлые, характеризующиеся температурой ниже температуры перехода Tsg(зависит от вида грунта и изменяется от -0,1˚С(крупные и средней крупности пески) до -1,5˚С(глины)) или коэффициентом сжимаемости
;· Пластичные, характеризуются температурой от начала замерзания Тhf до температуры перехода в твердомерзлое состояние Tsg и достаточно большой сжимаемостью (
;· Сыпучемерзлые – грунты, имеющие отрицательную температуру, но не сцементированные льдом. К ним относятся крупнообломочные, гравелистые и песчаные грунты с суммарной влажностью
Механические свойства грунтов.
Механические свойства мерзлых грунтов зависят от их состава и физического состояния, температуры, характера и продолжительности действия нагрузки.
Наличие в мерзлых и вечномерзлых грунтах вязких пленок незамерзшей воды и льда, у которого давление любой интенсивности вызывает пластическое течение, обуславливает протекание реологических процессов.
Геология.indd
%PDF-1.3 % 1 0 obj >]/Pages 3 0 R/Type/Catalog/ViewerPreferences>>> endobj 2 0 obj >stream 2016-12-21T14:39:12+03:002016-12-21T14:39:15+03:002016-12-21T14:39:15+03:00Adobe InDesign CC 2015 (Windows)uuid:78ba9d57-379c-4f0d-9d51-7149e4ddaf5exmp.did:6773d77b-bf7c-d544-86e0-2c99c94d0d4bxmp.id:acd782f8-a33f-ce4d-bfa3-31bf4401a0abproof:pdf1xmp.iid:0eff8dbf-d5e3-fb40-9a6d-af48a0cb4ad9xmp.did:6883C6C626C4E6118185FCE11598114Fxmp.did:6773d77b-bf7c-d544-86e0-2c99c94d0d4bdefault
0 0.0 1190.55 841.89]/Type/Page>>
endobj
7 0 obj
>/ExtGState>/Font>/ProcSet[/PDF/Text/ImageC]/XObject>>>/TrimBox[0.0 0.0 1190.55 841.89]/Type/Page>>
endobj
8 0 obj
>/Font>/ProcSet[/PDF/Text/ImageC]/XObject>>>/TrimBox[0.0 0.0 1190.55 841.89]/Type/Page>>
endobj
9 0 obj
>/ExtGState>/Font>/ProcSet[/PDF/Text/ImageC]/XObject>>>/TrimBox[0.0 0.0 1190.55 841.89]/Type/Page>>
endobj
10 0 obj
>/Font>/ProcSet[/PDF/Text/ImageC]/XObject>>>/TrimBox[0.0 0.0 1190.55 841.89]/Type/Page>>
endobj
11 0 obj
>/ExtGState>/Font>/ProcSet[/PDF/Text/ImageC]/XObject>>>/TrimBox[0.0 0.0 1190.55 841.89]/Type/Page>>
endobj
12 0 obj
>/ExtGState>/Font>/ProcSet[/PDF/Text]/XObject>>>/TrimBox[0.0 0.0 1190.55 841.89]/Type/Page>>
endobj
13 0 obj
>/Font>/ProcSet[/PDF/Text]/XObject>>>/TrimBox[0.
F*5Suv`V»ЛЕКЦИЯ 6 Физические (механические) свойства почвы — Насыпная плотность, пористость, прочность, консистенция.
Презентация на тему: «ЛЕКЦИЯ 6 Физические (механические) свойства почвы — Насыпная плотность, пористость, прочность, консистенция». — Транскрипт презентации:
ins [data-ad-slot = «4502451947»] {display: none! important;}} @media (max-width: 1000 пикселей) {# place_14> ins: not ([data-ad-slot = «4502451947»]) {display: none! important;}} @media (max-width: 1000 пикселей) {# place_14 {width: 250px;}} @media (max-width: 500 пикселей) {# place_14 {width: 120px;}} ]]>1 ЛЕКЦИЯ 6 Физические (механические) свойства почвы — Насыпная плотность, пористость, прочность, консистенция
2
Определения… Пределы Аттерберга (H.
Матенгу) Прочность почвы (Л. Олвер) Динамика почвы (Н. Давенпорт) Микроморфология почвы (А. Питерсен)
3 Физические свойства: «Характеристики почвы, которые могут быть измерены физическими средствами и выражены в физических терминах, такие как цвет, плотность, пористость, гидравлическая проводимость, структура, текстура и глубина» — ван дер Ватт и ван Ройен, Южное почвенное общество. Африка Механические свойства: «Выражение материалов, из которых состоит почва…» — Питти (1978)
4
Насыпная плотность… Определение: «Масса сухой почвы на единицу насыпного объема.Значения варьируются примерно от 1000 до 1800 кг / м -3, хотя более высокие значения могут быть обнаружены в уплотненных грунтах ». — ван дер Ватт и ван Ройен, Общество почвоведения Южной Африки. Это выражение пропорций твердого и пустотного в почвенной матрице. Сильно зависит от текстуры, сортировки и содержания органических веществ.
Почему? Как? Почему важна насыпная плотность? Влияет на проницаемость, скорость дренажа и проникновение корнями и роющими животными.
5 Пористость… Определение: «Объем почвы в процентах, занятый порами и поровым пространством.”–Эффективное поровое пространство = часть системы пор, через которую жидкости могут свободно перемещаться. Сильно связано с насыпной плотностью. Более низкая насыпная плотность = более высокое общее поровое пространство. Размер пор Можно разделить на макропоры (больше 0,08 мм) и микропоры (меньше 0,08 мм).
6 Прочность почвы… Определение: «Общий термин, обозначающий способность почвы сопротивляться деформации под действием приложенных сил, которые могут быть любого из нескольких типов.”Можно описать с точки зрения когезии, прочности на сдвиг и адгезии.
7
Сплоченность: «Влечение вещества к самому себе; взаимное притяжение между молекулами или частицами, составляющими вещество, которое позволяет ему слипаться в непрерывную массу », изменяется по мере высыхания почвы и увеличения насыпной плотности.
Максимальное сцепление, когда почвы влажные с чрезвычайно ограниченным количеством воды (вода проникает в микропоры и создает силу «всасывания»).Обычно измеряется как сопротивление почвы проникновению (с помощью пенетрометра). Сильно связан с эродируемостью почвы. NB в машиностроении.
8 Прочность на сдвиг: «Максимальное сопротивление сдвигу, которое образец или элемент грунта может выдержать до того, как произойдет разрушение» — Зависит от внутреннего трения и сцепления.
9
Адгезия: «Относится к молекулярному притяжению, которое удерживает в контакте два разнородных вещества, например воду и частицы почвы». Увеличивается по мере улучшения текстуры.Увеличивается с повышением содержания органического вещества в почве. Адгезию между почвой и посторонним предметом можно объяснить водной пленкой между двумя поверхностями. «Липкость» почвы возникает, когда когезия меньше адгезии (это зависит от содержания влаги).
10 Консистенция… Чем больше влаги в почве, тем больше она может вести себя как жидкость. Меньше взаимодействия между соседними частицами.Когда вода добавляется в сухую почву, она проходит через следующие фазы: твердая полутвердая пластичная жидкость.
11 Между каждым из этих состояний есть граница / предел. Они известны как пределы Аттерберга Предел усадки: предел между твердым и полутвердым состояниями. Выше этого предела достигается полутвердое состояние. Предел пластичности: предел между полутвердым и пластичным состояниями. Почва становится пластичной, и ей можно придавать форму.Предел определяется как минимальное содержание влаги, при котором почва может быть свернута в нить диаметром 3 мм без разрыва. Предел жидкости: предел между пластичным и жидким состояниями. При такой влажности почва будет течь под собственным весом.
Апрель 2021 CGS-SOS Вебинар «Физические и механические свойства почв» Билеты, чт, 22 апреля 2021 г.
, 12:00Аннотация:
Были проведены обширные программы геотехнических исследований и лабораторных испытаний для недавних проектов расширения транзита в районе Торонто.Испытания включали в себя стандартные испытания на определение характеристик — содержание воды, гранулометрический состав, пределы Аттерберга и удельный вес — и набор расширенных испытаний, состоящий из примерно 181 комплекта для испытаний на трехосное сжатие (порядка 540 образцов) для определения прочностных свойств ( угол трения Ø ‘и сцепление c’) грунтов для использования в проектировании. В этом вебинаре мы представляем сводку результатов характеризации и трехосного сжатия, классифицированных с использованием физических свойств групп грунтов TTC.
Для получения трехосных образцов для испытаний использовались два различных метода отбора проб: традиционный метод PQ и более быстрый метод Sonic. Сравнение результатов показывает, что метод отбора проб (PQ или Sonic) оказал минимальное влияние на результаты по углу трения, при этом образцы грунта Sonic обычно показывают немного меньший угол трения по сравнению с образцами грунта, полученными с использованием методов PQ.
На основании обзора параметров прочности грунта, рекомендованных для различных новых разработок и проектов улучшения транспортной инфраструктуры, по сравнению с результатами различных испытаний на трехосное сжатие, представляется, что инженеры-геотехники могут недооценивать прочность грунтов в районе Большого Торонто, отдавая предпочтение используйте более консервативные значения для угла трения и сцепления грунтов.
Спикеры:
Дмитрий Ольшанский P.Eng. и Джеффри Крир, инженер-инженер, старшие инженеры-геотехники, Транзитная комиссия Торонто, Торонто, Канада
Г-н Ольшанский является старшим инженером-геологом Транзитной комиссии Торонто (TTC). Он работал в сфере консалтинга в течение 20 лет, прежде чем присоединиться к TTC в 2008 году, где он принимал участие в ряде крупных проектов по расширению инфраструктуры, включая исследования и проектирование для расширения метро Scarborough, расширения Wilson Yard, расширения транзита легкорельсового транспорта на набережной Торонто.
и модификации, дом трамвая Лесли Барнс, предварительный проект метро линии помощи в центре города, а также многие проекты капитального ремонта.
Г-н Ольшанский имеет степень магистра инженерных наук в области гражданского строительства Университета Ватерлоо и степень магистра геотехнических наук и гидрогеологии Московского университета. Он имеет международный опыт в широком спектре инженерно-геологических и геоэкологических работ, включая исследования участков, геотехническое картирование, оценку устойчивости откосов, проектирование неглубоких и глубоких фундаментов, в том числе проектирование и испытания микросвай и винтовых опор, исследования и проектирование дорожных покрытий, проектирование опор, сейсморазведку. анализ, контроль подземных вод и обезвоживание.
Г-н Крир — старший инженер-геолог Транзитной комиссии Торонто (TTC). Он работал в сфере консалтинга в течение 12 лет, прежде чем присоединиться к TTC в 2009 году, где он принимал участие в ряде крупных проектов по расширению инфраструктуры, включая исследования и проектирование для расширения метро Scarborough, расширения Wilson Yard, увеличения пропускной способности станции Bloor-Yonge, расширение и модификации Waterfront Toronto Light Rail Transit, расширение Yonge North Subway Extension, предварительный проект Downtown Relief Line Subway, а также многие проекты капитального ремонта.
Г-н Крир получил степень в области гражданского строительства в Университете Торонто и имеет опыт выполнения широкого круга инженерно-геологических и геоэкологических инженерных работ, включая исследования площадки, оценку устойчивости откосов, проектирование неглубоких и глубоких фундаментов, в том числе микробвай и проектирование винтовых опор. и испытания, исследования и проектирование дорожного покрытия, проектирование опор, сейсмический анализ, контроль грунтовых вод и осушение.
Физические показатели качества и механическое поведение сельскохозяйственных почв Аргентины
Описание свойств почв, включенных в определение WRC, SR и LLWR, показано в таблице 1.
В соответствии с большинством опубликованных PTF, в качестве предикторов использовались текстура почвы, объемная плотность и ОВ, поскольку эти свойства доступны при исследовании почвы или могут быть легко измерены в лаборатории [6,15,27]. Широкий диапазон упомянутых свойств почвы необходим для достижения высокой универсальности прогнозов [6].
Исследуемые почвы имели широкий разброс по физическим свойствам. Таким образом, был реализован принцип получения широкой вариативности свойств почвы для получения ФЦП.
Физические показатели почвы, связанные с ростом растений
Концепция LLWR определяет диапазон содержания влаги в почве, в пределах которого рост корней и побегов наименее ограничен физическими условиями почвы [2–5]. Первый шаг для расчета LLWR состоит в определении WRC и кривой SR, поскольку они позволяют вычислить верхний и нижний пределы LLWR. Первое определяется меньшим значением содержания воды между содержанием воды при промысловой мощности и содержанием воды, соответствующим 10% пористости, заполненной воздухом.Последнее определяется более высоким значением содержания воды между содержанием воды в точке увядания и содержанием воды, соответствующим 2 МПа SR. Все эти значения должны быть известны для диапазона объемных плотностей, которые встречаются в полевых условиях для различных типов почв [1].
Параметры модели WRC приведены в таблице 2.
Модель WRC объяснила 91% изменчивости данных о влагоудержании в почве (S1 Рис). Содержание глины и ОВ оказывало нелинейное влияние на влажность почвы, что описывалось логарифмическим (Ln) преобразованием обеих переменных.Член взаимодействия между Lnclay и Ln | ψ | был проверен. Нелинейное влияние глины и органического вещества на Lnθ было обнаружено и другими авторами [1,3–6]. Эти результаты ожидались из-за широкого диапазона содержания глины и органического вещества в почвах. Кроме того, влияние глины и органических веществ на удержание воды было количественно оценено несколькими авторами [6,41–44]. Более того, большинство функций педотрансфера (PTF) включают OM и текстуру в качестве переменных-предикторов.
С другой стороны, Bd не оказал существенного влияния на соответствие модели.Однако Bd относится к глине и ОВ, что может объяснить результат. Отрицательная корреляция между глиной и Bd, а также между OM и Bd продемонстрирована неоднократно.
Сильва и Кей [6] использовали простой наклон отношений Lnθ x Lnclay и Lnθ x LnOM для описания особенностей взаимодействий. Простой наклон зависимостей показан в уравнениях 8 и 9 и на рис. 1.
Рис. 1. Наклон зависимости объемного содержания воды Ln (Lnθ) x содержания глины Ln (Lnclay) и объемного содержания воды Ln (Lnθ) x органического вещества Ln (LnOM) в зависимости от водного потенциала Ln ( Ln | ψ |).
https://doi.org/10.1371/journal.pone.0153827.g001
Влияние глины и ОВ на влагоудержание почвы увеличивается с уменьшением ψ (т. е. с увеличением | ψ |), даже если влияние глины больше, чем что из ОМ. Аналогичные результаты были получены Сильвой и Кей [6]. Вблизи насыщения (| ψ | = 0,01 кПа) обе переменные отрицательно влияют на удержание воды, которое было обратным при | ψ | = 1 кПа. Этот результат свидетельствует о том, что глина и ОВ увеличивают удержание воды, воздействуя на поры почвы радиусом <150 мкм.В илистых глинистых суглинках пампасов очень мало крупных макропор (> 150 мкм), которые, в свою очередь, очень нестабильны [21].
Эта характеристика, вероятно, ответственна за негативное влияние глины и ОВ на водоудержание при высоком водном потенциале (близком к насыщению). Кроме того, Rawls et al. [42] подчеркивают существование противоречивых отчетов о влиянии содержания глины и ОВ на удержание влаги в почве. Авторы пришли к выводу, что различия связаны с влиянием содержания ОВ на влагоудержание почвы в зависимости от текстурного состава почвы.
Параметры модели SR приведены в таблице 3.
Модель SR объяснила 84% изменчивости данных SR (S2 Рис). Содержание влаги в почве (θ) отрицательно влияло на SR, а объемная плотность почвы (Bd) — положительно. Было определено взаимодействие между глиной и содержанием влаги в почве, что означает, что влияние θ на SR зависит от содержания глины. Содержание органического вещества также оказало значительное влияние на модель, что согласуется с выводами других авторов [6,45].
Простой наклон зависимости между LnSR и глиной показан в уравнении 10 и на рис.
2.
Δ LnSR / Δ глины уменьшается с увеличением влажности и становится отрицательной при высоких значениях влажности почвы. Аналогичный результат был получен Сильвой и Каем [6].
SR увеличивается с увеличением содержания глины, а величина эффекта уменьшается с увеличением содержания воды (рис. 3).
Этот эффект может быть связан с увеличением эффективного напряжения.SR связано с взаимодействием между относительной насыщенностью почвы и водным потенциалом, то есть эффективным стрессом. Эффективное напряжение определяется двумя компонентами: при высоком содержании воды в почве эффективное напряжение в основном создается преобладающим водным потенциалом в порах, заполненных водой; при низком содержании влаги в почве эффективное напряжение в основном создается изолированными водяными пленками вокруг частиц почвы [44]. Следовательно, на этот компонент заметно влияет текстура почвы, в основном глинистость. Наши результаты подтверждают выводы Вепраскаса [44].То и Кей [43] уже упоминали, что текстура почвы влияет на SR, контролируя изменения содержания влаги в почве и, таким образом, эффективного стресса.
С другой стороны, увеличение содержания влаги в почве приводит к увеличению степени насыщения и изменению водного потенциала в порах, заполненных водой. В результате эффективное напряжение уменьшается, что, в свою очередь, приводит к уменьшению SR.
Для определения LLWR использовались модели WRC и SR. На рис. 4 показан LLWR для горизонта A серии Typic Argiudoll Santa Isabel с суглинистой структурой и горизонта B серии Typic Argiudoll Esperanza с илисто-глинистой текстуры.
Независимо от характеристик почвы, увеличение Bd привело к снижению LLWR из-за увеличения содержания влаги в почве, связанного с критическим значением SR = 2,5 МПа (θSR), и увеличения содержания влаги в почве, связанного с критическим значением пористости, заполненной воздухом, равным до 10% (θAFP) снизилось в обеих почвах. Суглинистая почва имела влажность при полевой влагоемкости (θFC) немного ниже, чем илисто-глинистая почва (0,33 против 0,34 см. 3 см -3 ). Кроме того, первый имел содержание воды в точке постоянного увядания (θPWP) ниже, чем последний (0.
20 и 0,23 см 3 см -3 ). Как следствие, количество доступной воды в суглинистой почве немного больше, чем в илисто-глинистой. Однако обе почвы имеют очень разные LLWR. Фактически, LLWR в илисто-глинистой почве намного уже, чем в суглинистой почве из-за того, что θSR действует как нижний предел во всем диапазоне Bd. Кроме того, критическая насыпная плотность грунта (Bd c ) была достигнута при Bd = 1,38 г / см -3 в илисто-глинистой почве, тогда как она была достигнута при Bd = 1.53 г / см -3 в суглинистой почве, что свидетельствует о лучшем физическом состоянии этой почвы.
Величина LLWR также была обусловлена содержанием ОВ (рис. 5) и глины.
Почвы с более низким содержанием ОВ, по-видимому, демонстрируют несколько более высокую скорость снижения LLWR, чем почвы с более высоким содержанием ОВ. Следовательно, ожидается, что увеличение уплотнения почвы приведет к большему снижению LLWR в почвах с более низким ОВ.
Однако основной эффект OM в LLWR является косвенным, так как он снижает Bd.Подобный эффект ОМ на Bd был продемонстрирован в нескольких исследованиях [6,43,45,46]. Более того, То и Кей [43] отметили, что SR увеличивается с увеличением органического углерода, когда текстура и Bd были постоянными, что, в свою очередь, согласуется с нашими результатами (Таблица 3). Эти авторы заявили, что такое поведение согласуется с повышенной цементацией микроагрегатов почвенным ОВ. Вариация LLWR с Bd для двух почв с контрастирующим содержанием глины и аналогичным ОВ показана на рис. 6.
Основное влияние глины на LLWR состоит в уменьшении величины LLWR.Скорость снижения одинакова для обеих почв, и уменьшение происходит в одном и том же диапазоне Bd. Такое поведение может быть связано с отрицательным влиянием глины на пористость, заполненную воздухом, что приводит к уменьшению верхнего предела LLWR, и положительным влиянием глины на сопротивление почвы (рис. 3), которое вызывает нижний предел LLWR.
увеличивать. Эти данные согласуются с результатами, полученными несколькими исследователями, проводившимися в почвах умеренного пояса [6,43].
Результаты показывают, что свойства почвы определяют величину LLWR.Основным следствием этого открытия является то, что Bd c сильно зависит от текстуры почвы, особенно от содержания глины. Критическая насыпная плотность грунта уменьшается с увеличением содержания глины. Лучшее совпадение было достигнуто с помощью экспоненциальной функции (рис. 7).
Это поведение подразумевает, что увеличение уплотнения почвы в глинистых почвах повлечет за собой неадекватные физические условия для роста растений при более низком градиенте Bd, чем в песчаных почвах. Значения Bd c , рассчитанные на основе LLWR, согласуются с пороговыми значениями Bd, рассчитанными другими авторами [47,48].
Общие результаты показывают, что разработанные PTF могут быть использованы для определения LLWR конкретной почвы, а также для описания взаимосвязей между LLWR и свойствами почвы.
Кроме того, разработанные ПТФ позволяют оценить Bd c для роста растений по глинистости почвы.
Физические показатели, связанные с механическим поведением почвы
Статистические моменты анализируемых переменных и параметров, полученные из кривых сжатия, представлены в таблице 4.Большая амплитуда изменения исследуемых параметров, скорее всего, обусловлена изменчивостью текстуры и ОВ.
Давление предварительного уплотнения и индекс сжатия обычно используются как индикаторы уязвимости грунта к повреждению уплотнением. Средние значения и диапазон вариации σ и CI были ниже или аналогичны полученным другими авторами [12,15].
Различия в CI могут быть связаны с различиями в структуре почвы и органическом веществе исследуемых почв.В таблице 5 показаны свойства, которые обусловили CI, и параметры подобранной модели, которая объясняет 77% изменчивости данных.
CI почвы был отрицательно связан с Bd и OM почвы. Прочность грунта — это результат общего количества точек контакта между частицами и сопротивления сдвигу на точку контакта [11].
Сила трения между частицами почвы увеличивается с увеличением Bd, что объясняет отрицательную взаимосвязь, установленную в этом и других исследованиях [13,15,49]. Воздействие ОВ было связано с увеличением сил сцепления и уменьшением диапазона содержания воды, в котором почва проявляет пластические свойства [50].Действие ОВ, по-видимому, зависит от содержания воды в почве во время уплотнения [51]. Кроме того, OM увеличивает жесткость системы пор и прочность связи в точках контакта, что способствует снижению CI. Аналогичные результаты были получены и у других авторов [52,53].
С другой стороны, CI был положительно связан с WC г , а также с содержанием глины и ила. Частицы почвы могут легко перемещаться, когда они окружены пленками воды. Таким образом, почва становится более подверженной деформации по мере увеличения содержания влаги в ней.Деформации почвы также способствует увеличение содержания глины, что согласуется со многими другими исследованиями, проведенными в лаборатории [16,45].
Почвы Плоской Пампы имеют преобладание глины и очень мелкого ила. Глинистая фракция в основном состоит из нерасширяющихся филлосиликатов (иллит) в соотношении 2: 1, тогда как иловая фракция в основном состоит из фитолитов и других биолитов. Доля этих материалов в иловой фракции может достигать 42% [54]. Фитолиты состоят из очень пористого геля аморфного кремнезема с различным количеством воды и органического вещества, заключенного в криптопорах.Частицы этого материала имеют форму удлиненных стержней, малую плотность и очень высокую хрупкость, из-за чего фитолиты легко разрушаются. Минералы нелитового типа имеют пластинчатую форму и обладают низкой способностью к набуханию при усадке [55]. Заявленные характеристики обеих фракций облегчают движение и плотную перестановку частиц, когда приложенное напряжение превышает прочность грунта. Более того, как содержание, так и особые характеристики глины и ила могут быть ответственными за значения CI.Диас-Зорита и Гроссо [24] также обнаружили, что уплотняемость моллисолей из Rolling Pampa увеличивается с увеличением содержания глины и ила.
Другие авторы обнаружили, что содержание глины и ила также обусловливает ХИ [45]. На рис. 8 показано влияние WC г на CI для различных комбинаций текстуры и OM, а также для значения Bd = 1,25 г / см -3 .
WC почвы г , текстура и ОВ нелинейно влияют на значения CI. CI показывает дегрессивное увеличение с увеличением WC g .Для определенного значения WC г CI увеличивается с уменьшением OM. Точно так же CI увеличивается с увеличением содержания глины + ила. Следовательно, уплотнение почвы будет иметь более сильные негативные последствия для мелкозернистых почв с меньшим содержанием ОВ. Почвы с низким содержанием ОВ показали низкую способность восстанавливать исходное состояние после уплотнения, т.е. низкую упругость [56].
Диапазон изменения σ (Таблица 4) предполагает, что оцениваемые почвы не подвергались чрезмерно высоким нагрузкам [11].Как правило, в сельскохозяйственной технике создается давление от 70 до 350 кПа, а в транспортном оборудовании — до 800 кПа.
Животные могут применять давление от 50 до 350 кПа в зависимости от их веса [57]. В регионе Пампас нетяжелая сельскохозяйственная техника используется для вспашки, нулевой обработки почвы и сбора урожая, что объясняет полученные данные. Кроме того, несколько лет назад началась сильная интенсификация животноводческих систем. Следовательно, давление, оказываемое животными, не привело к серьезному дополнительному уплотнению почвы.
Взаимосвязь между давлением предварительного уплотнения (σ) и свойствами грунта показана в Таблице 6.
Давление предварительного уплотнения (σ) уменьшается с увеличением WC г почвы и увеличивается с увеличением содержания ОВ и глины. Эти результаты в целом согласуются с выводами Imhoff et al. [16] и Saffih-Hdadi et al. [17], но не согласны с выводами Keller et al. [10] и Артур и др. [13]. Эти авторы объясняют отсутствие корреляции между σ и текстурой различиями в состоянии упаковки почвы из-за предшествующей антропогенной деятельности.
Некоторые исследователи сообщили, что σ увеличивается с увеличением Bd [16,17], в то время как другие обнаружили противоположный эффект [13]. В этом исследовании σ не был связан с Bd. Однако вполне очевидно, что Bd обусловлен структурой почвы и органическим веществом. Следовательно, влияние Bd могло быть покрыто изменчивостью текстуры и органического вещества почв, а также разнообразием изученных систем управления.
На рис. 9 и 10 показано влияние исследуемых переменных на σ. Влияние всех переменных было нелинейным.
Для почвы с 4% ОВ и WC г = 0,26 ± 0,06 (рис.9) σ варьировалось от 116 до 234 кПа, а для почвы с 1,8% ОВ и WC г = 0,26 ± 0,06, σ варьировалось от 65 до 183 кПа. Эти результаты показывают, что в испорченных почвах (с низким ОВ), если не принимать во внимание содержание влаги в почве, движение обычных тракторов и других машин может вызвать дальнейшее уплотнение почвы.
С другой стороны, для почвы с 35% глины и WC г = 0.
26 ± 0,06 (рис. 10) σ варьировалось от 110 до 228 кПа, в то время как для почвы с 10% глины и WC г = 0,26 ± 0,06 σ варьировалось от 54 до 172 кПа. При том же содержании воды по мере увеличения содержания глины несущая способность почвы также увеличивается.
Эти результаты подчеркивают важность глинистой фракции для увеличения прочности почвы и, как следствие, для обеспечения движения обычных машин без дальнейшего уплотнения. Кроме того, содержание глины кажется более важным, чем тип глины, как определяющий фактор несущей способности почвы для данного содержания воды.Однако очень важно отметить, что после превышения значения σ глинистые почвы будут более склонны подвергаться дополнительному уплотнению почвы из-за их более высокого CI [16,17]. Кроме того, несущая способность почвы в наибольшей степени зависит от WC г во время приложения нагрузки. Следовательно, необходимо измерить WC g и контролировать давление, оказываемое на почву либо животными, либо сельскохозяйственной техникой, чтобы избежать дальнейшего уплотнения.
Испытания на сжатие могут дать данные, которые будут полезны не только для определения σ и CI, но и для разработки общих моделей, позволяющих оценивать изменения Bd из-за приложения внешнего напряжения.Обзор таких моделей был сделан Défossez и Richard [58], хотя другие были разработаны позже Keller et al. [59], Keller et al. [60] и совсем недавно Keller et al. [9].
Уравнение 7 [38] было использовано для соответствия данным этого исследования. Изначально модель не смогла сойтись, потому что некоторые параметры не отличались от 0. Таким образом, параметры содержания влаги в почве были удалены, а затем повторно введены индивидуально. После этого проверялось возможное влияние текстуры по всем параметрам.Результаты представлены в таблице 7.
Таблица 7. Результаты нелинейной регрессионной модели для оценки объемной плотности грунта (Bd). LnBd = Ln ( Bd 0 × Bd n ) — [( a + a 1 × глина ) + ( b 9018 a ) + ( c × Bd c × Bd 0 )] × [(1 — exp (- d × σ a ) × (1 — θ 2 )))].
https://doi.org/10.1371/journal.pone.0153827.t007
Все параметры были значимыми, и модель точно предсказывает Bd исследуемых почв (R 2 = 0,88). Хотя параметры a , a1 , b , c и d коррелировали друг с другом, значения коэффициента корреляции (r) были ниже ± 0,99, что указывает на то, что модель содержит слишком много параметры [38].
Значение параметра g , которое привело к лучшему соответствию модели, составило 2, что согласуется со значением, предложенным Макнаббом и Боерсмой [38].Значение г = 2 показывает, что влияние степени насыщения на окончательное значение Bd было нелинейным.
Включение эффектов Bd i , содержания глины и содержания воды (выраженное как степень насыщения) позволяет улучшить соответствие модели и уменьшить MSE. Параметр a значимо коррелировал с b (r = 0,50), показывая влияние содержания глины на реакцию почвы на σ a , тогда как c коррелировал с d (r = 0.
66), демонстрируя влияние Bd и и содержание влаги в почве во время приложения напряжения (σ a ).
Полученная модель (Таблица 7) была использована для демонстрации влияния содержания глины и воды на сжимаемость почвы (Рис. 11).
Кривые сжатия трех грунтов с одинаковой степенью водонасыщенности (рис. 11) показывают, что сжимаемость грунта изменяется с увеличением σ a . Эти изменения обусловлены исходным состоянием уплотнения и текстуры почвы.Подобное поведение можно проверить при изменении содержания влаги в почве. Чем выше исходное значение Bd, тем меньше деформация грунта при той же приложенной нагрузке до достижения значения около 50 кПа. После превышения этого значения сжимаемость почвы увеличивается с увеличением количества глины.
Сжимаемость грунта можно описать тремя стадиями после увеличения σ до [60]. На первом этапе изменения объема грунта соответствуют упругой деформации, и σ a ниже σ.На втором этапе изменение объема грунта соответствует уменьшению объема пор, заполненных воздухом.
На третьем этапе изменение объема почвы соответствует уменьшению объема заполненных водой мезопор. Этот последний этап связан с пластической деформацией почвы. Более того, изменения объема на трех стадиях контролируются градацией, формой и ориентацией частиц почвы, а также силами взаимодействия между частицами почвы, связующими агентами и почвенной водой.
Для исследуемых почв изменения объема на первом этапе в основном были обусловлены различиями в почвенной структуре (различия в Bd и ), в то время как изменения на втором и третьем этапах были обусловлены Bd и и другими внутренними свойствами почвы.Tang et al. [61] обнаружили, что по мере увеличения содержания глины силы взаимодействия воздух-вода также увеличиваются. В результате различия в наклоне между второй и третьей стадиями кривой сжатия были более очевидны в почвах с высоким содержанием глины. Результаты настоящего исследования подтверждают выводы Tang et al. [61].
Рис. 11 показывает, что в наиболее распространенном диапазоне рабочего давления сельскохозяйственной техники (80–250 кПа) разница в наклоне (ΔBd / Δσ a ) кривых сжатия увеличивается между почвами с увеличением содержания глины.
Содержание ила не оказало существенного влияния на модель кривой сжатия. Несмотря на этот результат, нельзя полностью игнорировать влияние ила на сжатие исследуемых грунтов, как показано на рис. 12, особенно если учесть, что ил сильно повлиял на CI. На рис. 12 показаны измеренные кривые сжатия четырех грунтов при полевой влагозащищенности (ψ = -10 кПа).
Рис. 12. Взаимосвязь между коэффициентом пустотности и приложенным напряжением (σ a ) четырех аргиудоллов: серия Гумбольдта (глина = 32%, ил = 63%), серия Рекрео (глина = 25%, ил = 55%), Rafaela серия (глина = 23%, ил = 64%), серия Санта-Исабель (глина = 17%, ил = 48%).
https://doi.org/10.1371/journal.pone.0153827.g012
Эти кривые подтверждают, что содержание ила каким-то образом влияет на поведение почвы. Почва с более низким содержанием глины и ила показывает меньшую деформацию, тогда как для почвы с содержанием глины и ила наблюдается обратное. Два грунта с одинаковым содержанием глины показывают одинаковое поведение до тех пор, пока σ и не составят около 50 кПа.
После этого почва с более высоким содержанием ила показывает кривую, аналогичную кривой для почвы с наибольшим содержанием глины.Приложение значений давления, превышающих σ, может вызвать обрушение мелкой фракции ила. Особенно во влажных условиях не только глина, но и рыхлые частицы ила могут перемещаться и реорганизовываться в более близкие положения. Этот процесс мог бы объяснить сильное изменение объема, наблюдаемое на второй и третьей стадиях изученных почв, которые имеют высокие значения содержания ила. Эти результаты также подтверждают выводы Диас-Зорита и Гроссо [24], которые указали, что уплотняемость почв пампасов обусловлена содержанием ила.Эти данные позволяют предположить, что этот момент заслуживает дальнейшего анализа, чтобы лучше понять механическое поведение почв Плоской Пампы. Кроме того, результаты подчеркивают важность измерения содержания влаги в почве и контроля давления, прикладываемого к почве сельскохозяйственной техникой, особенно во втором состоянии кривой, которое обычно соответствует наиболее распространенным рабочим давлениям.
С практической точки зрения, это исследование позволило разработать полезные PTF, чтобы связать механическое поведение почвы и качество почвы с ростом растений.Для каждого состояния грунта может быть определена кривая сжатия, а также грунт Bd c (рис. 7). Расчетное значение Bd c может быть введено в модель кривой сжатия (Таблица 7) для определения максимально допустимого давления, применяемого во время обработки почвы. Условия почвы, показанные на рис. 11, используются в качестве примера. Почва с содержанием глины 32% имеет Bd c = 1,48 г / см -3 , тогда как почва с 25% глины имеет Bd c = 1.55 г см -3 . Таким образом, давление, прикладываемое к почве сельскохозяйственной техникой, должно быть менее 150 кПа для первого и менее 300 кПа для последнего, чтобы поддерживать почвенные условия, необходимые для роста растений. Кроме того, σ a можно установить с учетом более безопасных значений Bd, которые, в свою очередь, можно установить, рассматривая процентное значение Bd c (например, 85%) как максимально допустимое значение Bd.
Таким образом, амплитуда LLWR может поддерживаться на надлежащих значениях для каждого конкретного состояния климата, сельскохозяйственных культур и почвы.
Кроме того, PTF могут использоваться в качестве входных параметров моделей динамического моделирования, например, модели Keller et al. [9], чтобы оценить изменения LLWR поверхностных слоев или недр, которые могут произойти из-за обработки почвы и движения сельскохозяйственной техники.
Микроскопические и механические свойства ненарушенной и преобразованной красной глины из Гуйяна, Китай
Механические свойства ненарушенной красной глины
Кривые \ (\ left ({\ sigma_ {1} — \ sigma_ {3}} \ right) — \ varepsilon_ {1} \) ненарушенной красной глины из испытаний UU показаны на рис.3, демонстрирующий верблюжьи горки. Ненарушенная красная глина проявляет деформационное разупрочнение, а по мере увеличения осевой деформации \ (\ varepsilon_ {1} \) девиаторное напряжение \ (\ left ({\ sigma_ {1} — \ sigma_ {3}} \ right) \ ) первоначально увеличился, демонстрируя медленную тенденцию к снижению после того, как напряжение достигло пикового напряжения, что указывает на то, что глина проявляет пластическое разрушение.
Это может быть связано с состоянием консолидации и микроструктурой красной глины. Когда образец был нагружен, образец был уплотнен, таким образом, поры были небольшими, а частицы почвы перестроились, следовательно, сопротивление почвы внешней нагрузке увеличилось.Однако, когда внешняя нагрузка превышала структурный предел текучести красной глины, происходило разрушение глины из-за дилатансии (см. Рис. 4), при этом грунт постепенно терял свою несущую способность из-за дилатансии.
Ненарушенная кривая деформации красной глины 34 .
Рисунок 4Неповрежденные виды разрушения красной глины 34 .
Механические свойства восстановленной красной глины
Соотношение \ (\ left ({\ sigma_ {1} — \ sigma_ {3}} \ right) — \ varepsilon_ {1} \) кривых восстановленной красной глины при различных ограничивающих давлениях представлены на рис.5, демонстрирующий поведение деформационного упрочнения, в то время как тенденции изменения кривой при различных ограничивающих давлениях были идентичными.
Кроме того, сила девиаторного напряжения \ (\ left ({\ sigma_ {1} — \ sigma_ {3}} \ right) \) увеличивалась с увеличением ограничивающего давления, поскольку имело место увеличение начального касательного модуля, возможно, из-за сжатию пор большого размера и увеличению силы связи между частицами при повышенном ограничивающем давлении. На начальном этапе нагружения девиаторное напряжение \ (\ left ({\ sigma_ {1} — \ sigma_ {3}} \ right) \) линейно увеличивалось с увеличением осевой деформации \ (\ upvarepsilon \) 1 при этом \ (\ left ({\ sigma_ {1} — \ sigma_ {3}} \ right) — \ varepsilon_ {1} \) стал нелинейным, а почва показала деформационное упрочнение и вздутие (см. рис.6). Когда ограничивающее давление увеличилось, эффект деформационного упрочнения почвы стал более очевидным.
Кривые деформирования восстановленной глины 33 .
Рисунок 6 Виды разрушения неформованной глины 33 .
На рисунках 7 и 8 показаны значения девиаторной прочности и деформации разрушения ненарушенной и переформованной красной глины при различных ограничивающих давлениях. Из рис. 7 и 8 видно, что девиаторная прочность на напряжение ненарушенной и восстановленной красной глины возрастает с увеличением ограничивающего давления, при этом более низкая девиаторная прочность на напряжение восстановленной красной глины ниже, чем невозмущенная красная глина.Ненарушенная красная глина имеет первичную структуру, поэтому, когда нагрузка превышает предел текучести конструкции, исходная структура разрушается, что приводит к внезапной потере несущей способности почвы, тем самым проявляя деформационное разупрочнение. Однако для переформованной красной глины исходная структура почвы была разрушена перед испытанием, поэтому частицы перегруппируются под нагрузкой, следовательно, внешняя нагрузка демонстрирует деформационное упрочнение. Из рис. 8 видно, что деформация разрушения \ (\ varepsilon_ {1f} \) восстановленной глины была больше, чем у ненарушенной красной глины.
Девиаторная прочность на напряжение восстановленной и ненарушенной красной глины.
Рисунок 8Деформация разрушения восстановленной и ненарушенной красной глины.
Анализ микроструктуры
Рентгеноструктурный анализ
Как показано на рис. 9, красная глина Гуйян в основном содержит кварц, пирит, гематит, корунд (таблица 3), глинистые минералы, состоящие из гарронита и доломита в глинистых минералах. Существование доломита связано с его происхождением. Красная глина в районе исследования образована продуктами выветривания доломита после растворения-замещения и латеризации, поэтому в красной глине много доломита.Пирит играет роль в цементировании частиц почвы, тогда как гематит придает почве характерный красный цвет.
Рисунок 9Диаграмма XRD красной глины Гуйяна 4 .
Таблица 3 Минеральные компоненты красной глины.
Микроморфология ненарушенной красной глины
Совокупная морфология ненарушенной красной глины
На рисунке 10 представлены СЭМ-изображения ненарушенной красной глины, показывающие гранулированную форму (фиг. 10a), изогнутый срез и тонкий слой (фиг.10б), а также частицы эллипсоида в форме цветка (рис. 13в). Гранулированный агрегат в основном образован агрегацией и цементированием кристаллического гарронита или доломита с четкими границами между частицами, длинной осью 6,6 мкм, короткой осью 4,8 мкм и площадью 30,57 мкм 2 . Изогнутые срезы и тонкослойные агрегаты были слегка изогнутыми и не очень толстыми, без явной границы между агрегатами из-за параллельной цементации кристаллов гарронита или доломита с определенной степенью кристаллизации.Длинная ось и короткая ось агрегатов изогнутых срезов и тонкослойных частиц с площадью 59,37 мкм 2 составляли 8,9 и 6,8 мкм соответственно. Частицы в форме цветка были образованы кристаллизованным иллитом, исходящим наружу из центра кристаллизации, с четкими границами, длинной осью 7,9 мкм, короткой осью 6,3 мкм и площадью 48,25 мкм 2 .
СЭМ-изображения ненарушенной красной глины: ( a ) гранулированные частицы, ( b ) изогнутые срезы и тонкие слои формы и ( c ) агрегат эллипсоида в форме цветка.
Трещины и поры
На Рисунке 11 показаны трещины и поры между или внутри агрегатов ненарушенной красной глины. Трещины классифицируются как X- и Y-типа (рис. 11а) и образуются в результате сухой усадки почвы в естественных условиях. Между агрегатами имелось несколько внутренних пор (диаметр 3,4 мкм и площадь 4,8 мкм 2 ), которые образовывались при цементировании частиц глины с образованием скелета почвы в пространстве или при взаимном контакте в плоскости (рис. 11b). Внутренние поры (диаметр 2.2 мкм и площадью 3,6 мкм ( 2 ) состояли из пор между тремя типами агрегатов, описанных выше.
Рис. 11 Типы трещин и пор ненарушенной красной глины: ( a ) тип трещины ненарушенной красной глины и ( b ) внутренние поры ненарушенной красной глины.
На рисунке 12 показана трехмерная визуализация сложной микроструктуры ненарушенной красной глины с неровным профилем поверхности, а также с некоторыми трещинами и порами. Разнообразны режимы контакта между частицами.Плоскость структуры красной глины была почти плоской и случайно шероховатой, потому что агрегаты были псевдосферическими, похожими на цветы или неправильной формы.
Рисунок 12Трехмерная визуализация микроструктуры.
Режимы контактного соединения заполнителей красной глины
Режимы контактного соединения между заполнителями тесно связаны с механическими свойствами грунтов и подразделяются на режимы контакта край-край, край-поверхность, точечная поверхность и режимы контакта поверхность-поверхность 34,35 .Контакт точечной поверхности не является обычным явлением в природе, в то время как контакт лицевая поверхность и кромка-кромка очень распространены в почвах, содержащих гарронит или доломит.
Контакт кромка-кромка возникает в процессе образования флокуляционной структуры. На рис. 13 показаны формы контактного соединения агрегатов красной глины: точечный, линейный, поверхностный и мозаичный. Мозаичный контакт образовался из-за того, что плоско-флокулированные частицы почвы взаимно смещались при цементации свободного оксида железа, а весь мозаичный контакт частиц образовывался после химической и механической окклюзии.
Виды контактного соединения заполнителей красной глины: ( a ) точечный контакт, ( b ) линейный контакт, ( c ) поверхностный контакт и ( d ) мозаичный контакт.
Формы микроструктуры
В природе существует девять типов микроструктур глины: каркасная структура, сотовая структура, матричная структура, ламинарная структура, турбулентная структура, магнитная доменная структура, губчатая структура, псевдосферная структура 36 и флокулированная структура 37 .
Как показано на Рис. 14, ненарушенная красная глина из Гуйяна обладала флокуляцией, сотовой структурой и псевдосферной структурой, при этом основная структура была флокулированной и похожей на соты.
Формы микроструктуры ненарушенной красной глины: ( a ) флокулированная, ( b ) соты и ( c ) псевдосфера.
Сравнение микроморфологии ненарушенной и восстановленной красной глины
СЭМ-изображения (увеличение 2000 ×) ненарушенной и восстановленной красной глины Гуйяна представлены на рис.15, показывающий, что в более плотной ненарушенной красной глине меньше пор по сравнению с повторно сформированной глиной. Кроме того, поры в ненарушенной красной глине имели «щелевидную форму», тогда как поры переделанной красной глины имели «упорядоченную круглую форму».
Рис. 15 СЭМ-изображения Гуйяна ненарушенной ( a ) и восстановленной ( b ) красной глины.
Изображения трехмерной визуализации на рис. 16 показывают, что ненарушенная микроструктура красной глины была более сложной с более неровным профилем поверхности и меньшим количеством пор по сравнению с повторно сформированной красной глиной.Кроме того, естественные соты и флокуляционные структуры ненарушенной почвы были частично разрушены в восстановленной красной глине. Следовательно, некоторые обломочные плоские глинистые минералы, по-видимому, перекрывают поверхность агломерированной матрицы в прямом контакте, что снижает степень коалесценции и агрегации между частицами, поэтому переформованная красная глина имеет большую пористость. Следовательно, ненарушенный грунт имеет лучшие механические свойства по сравнению с переформованной красной глиной под ограничивающим давлением, а также демонстрирует деформационное разупрочнение в отличие от деформационного упрочнения переформованного грунта.
Рис. 16 Трехмерная визуализация микроструктуры ненарушенной ( a ) и восстановленной ( b ) красной глины.
Рисунок 17 представляет собой розовую карту распределения пор ненарушенной и восстановленной красной глины, показывающую, что ненарушенная почва имела четкую направленность в распределении пор, при этом все поры были распределены в одном направлении, тогда как поры в восстановленной красной глине не имели очевидной направленности. Направленность распределения пор влияет на механические свойства почвы, таким образом, поры без направленности могут легко сливаться, образуя более крупную пору под внешней нагрузкой, что приведет к увеличению расстояния между агрегатами.Если все поры распределены в одном направлении, почва будет демонстрировать хорошие механические свойства. Следовательно, при одинаковом ограничивающем давлении механические свойства ненарушенной красной глины были лучше, чем у восстановленной красной глины (см. Рис. 3 и 4) из-за расположения пор, что иллюстрируется параметрами микроструктуры пор восстановленной и невозмущенной красной глины, о которой говорилось. позже в этой статье.
Розовая карта направления распределения пор в ненарушенной ( a ) и восстановленной красной глине ( b ).
Количественный анализ микроструктуры
Микроскопические изображения красной глины были получены с помощью SEM с использованием вторичного электронного зонда SE. Для количественного анализа микроскопические изображения были получены с использованием детектора обратного рассеяния BSE для исследования параметров микроструктуры пор ненарушенной и преобразованной красной глины.
Оптимизация влияющих факторов
Когда СЭМ-изображения использовались для количественного анализа параметров микроструктуры почвы, некоторые факторы, такие как увеличение, пороговое значение и области анализа, оказались важными, среди них наиболее важными были увеличение и порог.Для мягкой глины оптимальный диапазон увеличения для SEM составляет 600–2000 × 38 , однако оптимальный диапазон увеличения и порог серого могут быть разными для разных почв.
Следовательно, влияние увеличения и порога серого на анализ микроструктуры было изучено в следующих разделах.
Оптимизация увеличения
Чтобы получить соответствующее увеличение красной глины, ее сначала сканировали с увеличением 500 ×, затем фотографировали непрерывно с увеличением от 1000 × до 5000 × с шагом 1000 ×.Кроме того, образцы наблюдались также при увеличении в 10 000 раз. Пористость всех собранных SEM-изображений с разным увеличением была рассчитана с использованием программного обеспечения image Pro-Plus 6.0, как показано на рис. 18. На полученную пористость из SEM-изображений влияло увеличение, когда увеличение было менее 2000 × или более 3000 × , полученная пористость отклонялась от тестовой пористости. Пористость почвы в природе не зависит от увеличения, скорее увеличение повлияет на расчеты по изображениям, полученным с помощью SEM.Поэтому при микроколичественном анализе очень важно выбрать соответствующее увеличение изображения, например, максимальная пористость составила 58,47% при увеличении 3000 ×, при этом пористость была получена при увеличениях 500 × и 1000 ×. 49,81% и 46,37% соответственно. Полученная пористость при увеличении 2000 × и 1000 × составила 17,39% и 26,10%, что больше, чем при увеличении 500 × и 1000 ×, соответственно. Следовательно, для красной глины увеличение также оказывает значительное влияние на пористость, полученную из изображений SEM.
Рисунок 18Влияние увеличения на меру пористости.
Из рисунка 18, когда увеличение изображения составляло от 1500 × до 4000 ×, полученная пористость была близка к тестовой пористости, однако, когда увеличение было менее 1500 × или больше 4000 ×, изображения, полученные с помощью СЭМ, могли не должны использоваться параметры микроструктуры красной глины. Следовательно, для качественного исследования микроструктуры красной глины следует рекомендовать разумное увеличение SEM.Оптимальный диапазон увеличения SEM составлял от 1500 × до 4000 × или от 1500 × до 4000 ×. В этой статье для количественного анализа использовались SEM-изображения с увеличением 2000 ×.
Оптимизация порогового значения
Когда изображения SEM используются для проведения микроанализа, изображения требуют уменьшения шума, сегментации и бинаризации, которые преобразуют серое изображение SEM в черно-белое изображение следующим образом 36 :
Предполагая шкала серого изображения SEM была выражена как \ (f \ left ({x, y} \ right) \), \ (G \), где \ (G \) — серый набор пикселей изображения \ (G \) = {0, 1, 2,…, 255}, то функцию изображения можно определить как отображение: \ (f {:} M \ times N \ to G \), в котором \ (M \) и \ (N \) — параметры отображения.Предполагая порог \ (t \) ∈ \ (G \), \ (S = \ left [{S_ {0}, S_ {1}} \ right] \), где \ (S \) представляет двоичный уровень серого . Процесс бинаризации изображения заключается в преобразовании его в функцию изображения \ (f_ {t} {:} M \ times N \ to S \), так что когда \ (f \ left ({x, y} \ right )
На рисунке 19 представлено влияние порога серого \ (t \) на пористость из изображений SEM, показывая, что пористость, полученная из изображений SEM с 2000 ×, уменьшалась с увеличением порога серого \ (t \), потому что для того же изображения в градациях серого когда пороговое значение становится больше, тем более отчетливыми целевые точки становятся черным цветом фона, в то время как пиксели, первоначально представляющие частицы почвы, могут быть ошибочно приняты за поры, что увеличивает количество пор. Когда серый порог \ (t \) был близок к 130, полученная пористость была близка к тестовой пористости, поэтому в данной статье использовалось оптимальное пороговое значение \ (t \) = 130.
Рисунок 19Влияние \ (t \) на пористость.
Параметры микроструктуры ненарушенной и реформированной красной глины
Механические свойства почвы связаны с формой, расположением и распределением пор, поэтому необходимо исследовать многомасштабный анализ характеристик микроструктуры ненарушенной и реформированной красной глины из Гуйяна основанные на системе PCAS, параметры пор, средняя площадь области, средний периметр, средний коэффициент формы, максимальная длина, средняя ширина, энтропия вероятности, индекс распределения вероятности площади, фрактальная размерность распределения пор и энтропия вероятности невозмущенного и восстановленная красная глина.Обработанные СЭМ-изображения после микроанализа представлены на рис. 20 и 21. Извлеченные параметры пор ненарушенной и переформованной красной глины показаны в таблице 4. Параметры энтропии вероятности, индекса распределения вероятности и фрактальной размерности описывают направление, распределение площадей и изменение коэффициента формы поровой системы 39 . Что касается формы поры почвы, которая представлена средним коэффициентом формы, также называемым округлостью, параметр варьировался от 0 до 1 36 .По мере увеличения коэффициента формы частица или пора становятся ближе к кругу. И наоборот, с уменьшением среднего фактора формы форма пор становится длиннее и уже, таким образом, расположение и комбинация пор становятся более сложными. Направление расположения пор выражается энтропией вероятности H 39 , которая обычно находится в диапазоне от 0 до 1. Когда H равно 0, все поры расположены в одном направлении, тогда как, когда H равно 1, направление Распределение пор случайное.Следовательно, когда энтропия вероятности увеличивается, ориентационная направленность пор усложняется.
Рис. 20Обработка изображений SEM ненарушенной красной глины Гуйяна.
Рис. 21Обработка изображений с помощью СЭМ восстановленной красной глины из Гуйяна.
Таблица 4 Параметры пор ненарушенной и восстановленной красной глины.Из Таблицы 4, фрактальная размерность распределения пор переформованной красной глины была меньше, чем у ненарушенной красной глины.Поскольку микроструктура переформованного грунта была повреждена после нарушения, поры стали однородными, при этом большие поры превратились в мелкие и средние поры, поэтому фрактальная размерность распределения пор переформованного грунта меньше, чем у ненарушенного грунта 16 . Энтропия вероятности невозмущенной красной глины также была меньше, чем энтропия восстановленной красной глины. Чем ниже энтропия вероятности, тем выше упорядоченная степень распределения пор 40 . Чем больше индекс вероятности распределения, тем меньше пористость 39 .Фактор формы ненарушенной красной глины был больше, чем у восстановленной красной глины, что указывает на более сложную форму. Кроме того, площадь пор, периметр, максимальная длина и средняя ширина ненарушенной красной глины были меньше, чем у восстановленной красной глины, что указывает на то, что структура красной глины была повреждена после нарушения, что привело к увеличению площади пор, как показано на рис.15.
Молотый кофе как кондиционер почвы: влияние на физические и механические свойства — I. Влияние на физические свойства | Bedaiwy
Александр, М.1977. Введение в микробиологию почвы, 2-е изд. Academic Press, Нью-Йорк, США
Bedaiwy, M.N., D.E. Ролстон. 1993. Уплотнение поверхности почвы при моделировании дождя высокой интенсивности. Технология почвы, Кремлинген, CATENA (6): 365-376.
Black, C.A., 1965. Методы анализа почвы, Am. Soc. Агрон. Часть 2, № 2 .. Мэдисон, Висконсин, США.
Серфф, Р. Ле, Р. Муфран, А. Бутан. 1985. Реакция урожайности IR 32 на органические и неорганические удобрения.Информационный бюллетень International Rice Research Newsletter (Филиппины), декабрь 1985 г. Том 10 (6): 31-32
Каллиган, П., В. Иванов, Дж. Т. Жермен. 2005. Сорбентность и инфильтрация жидкости в сухую почву. Достижения в области водных ресурсов 28 (2005) 1010-1020
Эль-Торки, М.Г., М.Н.А. Бедайви. 1998. Возможное использование рисовой шелухи в качестве питательной среды для декоративных растений и цветочных культур. 2. Влияние рисовой шелухи и азотных удобрений на выращивание роз в открытом грунте и улучшение характеристик почвы.Алекс. J. Agric. Res. 43 (2): 143-162.
Emerson, W.W. 1959. Строение почвенной крошки. J. Почвоведение. 10: 235-44
Feather, S. 2008. Кофейная гуща вокруг растений — Расширение штата Пенсильвания. http://www.donnan.com/coffee-on-plants.htm
Харрис, Р.Ф., Г. Честерс, О.Н. Аллен, 1966. Динамика агрегации почвы. Достижения в агрономии 18, 107-169.
Хаук, Ф.В. 1982. Органическая переработка для повышения продуктивности почвы. Бюллетень ФАО по почвам 45.Рим.
Хиллель Д. 1982. Введение в физику почвы. Академическая пресса, Нью-Йорк, США.
Im, J.N. 1980. Органические материалы и улучшение физических характеристик почвы. Бюллетень ФАО по почвам 45. Рим.
Лиен, Боб Куочуан. 1989. Магистерская работа: Полевые измерения сорбционной способности и гидропроводности почв. Университет Аризоны, США.
Маршалл, Т.Дж., Дж. У. Холмс. 1988. Физика почвы. Второй Эд. Издательство Кембриджского университета, Кембридж.
Oades, J.M., A.G. Waters. 1991. Иерархия агрегатов в почвах. Австралийский журнал исследований почвы 29, 815-828.
Пейдж, A.L. Edit. 1982. Методы анализа почв. Часть 2. Американское агрономическое общество, Мэдисон, Висконсин, США
Государственный колледж сельскохозяйственных наук Пенсильвании. 2007. Деятельность мастеров-садовников округа Делавэр.
Филип Дж. Р. 1957b. Численное решение уравнений диффузионного типа с концентрационной зависимостью коэффициента диффузии. II.Австралийский J. Phys. 10, 29-42.
Раут, С. и Х. чакраборты. 2008. Влияние водных режимов на сорбируемость почвы и природу и наличие органических веществ в инцептисоле. Jour. Agric. Физика, т. 8. С. 5-10 (2008).
Саван, О.Н., М.С. Эльбельтаги, С.А.Мохамедиен, А.С. Эль-Бельтажи, М.А.Максуд. 1986. Исследование влияния некоторых сред для выращивания трансплантатов на цветение и урожай томатов. Acta Horticultural, 190: 515-522.
Шейвер Т.М., Г.А. Петерсон, Ладж Р. Ахуджа, Д.Г. Западный край. 2013. Повышение сорбционной способности почв за счет накопления пожнивных остатков в полупустых засушливых агроэкосистемах с нулевой обработкой почвы. Университет Небраски — Линкольн. Кафедра агрономии и садоводства — Публикации факультета.
Самнер, M.E. 2000. Справочник по почвоведению. CRC Publishers, Лондон, Великобритания и Флорида, США.
Sunset Magazine, 2017- Soil and Plant Laboratory Inc., Бельвью, Вашингтон. Тест кофейного компоста Starbucks. http://www.sunset.com/garden/earth-friendly/starbucks-coffee-compost-test
Томпсон, Л.М., Ф. Трое, 1978. Почвы и плодородие почв (четвертое издание). Публикации Макгро-Хилла по сельскохозяйственным наукам. Нью-Йорк, США.
Тисдалл, Дж. М., Дж. М. Одес. 1982. Органическое вещество и водоустойчивые агрегаты в почвах. Журнал почвоведения 33, 141–163.
| [1] | 中国科学院 成都 分院 土壤 研究室.中国 紫色 土 (Ⅰ).北京: 科学, 1991. | |
| Отделение почвенных исследований отделения Чэнду Китайской академии наук. Пурпурная почва Китая (I). Пекин: Science Press, 1991. (на китайском языке) | ||
| [2] | ВАНГ С, СОЛНЦЕ B X, LI C D, LI Z B, MA B. Сток и эрозия почвы на склоновых пахотных землях: обзор. Журнал ресурсов и экологии , 2018,9 (5): 461-470. DOI: 10.5814 / j.issn.1674-764x.2018.05.002 | |
| [3] | 韩晓 增, 邹文秀, 陆欣春, 段 景 海.旱作 土壤 耕层 及其 肥力 培育 途径.土壤 与 作物, 2015,4 (4): 145-150. | |
| HAN X Z, ZOU X W, LU X C, DUANG J H.Обработанный слой почвы в засушливых районах и технические схемы возделывания плодородия почвы. Почва и урожай, 2015, 4 (4): 145-150. (на китайском) | ||
| [4] | 苏正安, 张建辉, 聂小军.紫色 土坡 耕地 土壤 物理 性质 空间 变异 对 土壤 侵蚀 的 响应.工程 学报, 2009,25 (5): 54-60. | |
| СУ З А, ЧЖАН Дж Х, НЕ Икс Дж. Реакция пространственной изменчивости физических свойств почвы на эрозию почвы на сельскохозяйственных угодьях пурпурного склона.Труды Китайского общества сельскохозяйственной инженерии, 2009, 25 (5): 54-60. (на китайском) | ||
| [5] | 黄少燕, 查 轩.坡 耕地 侵蚀 过程 与 土壤 理化 特性 演变.学报, 2002,20 (3): 290-295. | |
| ХУАНС И, ЧА Х. Изучение процесса эрозии почвы и эволюции физико-химических характеристик почвы на склоновых сельскохозяйственных угодьях.Журнал горных исследований, 2002, 20 (3): 290-295. (на китайском) | ||
| [6] | 葛方龙, 张建辉, 苏正安, 聂小军.坡 耕地 紫色 土 养分 空间 变异 对 土壤 侵蚀 的 响应.生态 学报, 2007 (2): 459-464. | |
| GE F L, ZHANG J H, SU Z A, NIE X J. Реакция изменений в питательных веществах почвы на эрозию почвы на пурпурной почве культивируемых наклонных земель. Acta Ecologica Sinica , 2007 (2): 459-464. (на китайском) | ||
| [7] | 史德明, 韦 启 潘.中国 南方 侵蚀 土壤 退化 指标 体系 研究.学报, 2000, 14 (3): 1-9. | |
| SHI D M, WEI Q P. Исследование индексной системы деградации эродированных почв на юге Китая. Журнал сохранения почвы и воды, 2000, 14 (3): 1-9.(на китайском) | ||
| [8] | 史东梅, 蒋光毅, 蒋平, 娄 义 宝, 丁文斌, 金慧芳.土壤 侵蚀 因素 对 紫色 丘陵 区 坡 耕地 耕层 质量 影响.工程 学报, 2017, 33 (13): 270-279. | |
| ШИ Д М, ЦЗЯН ГИ, ЦЗЯН П, ЛУ И Б, ДИН В Б, ЦЗИН Х Ф. Влияние факторов эрозии почвы на качество посевного слоя сельскохозяйственных угодий на склонах в пурпурной холмистой местности.Труды Китайского общества сельскохозяйственной инженерии, 2017 г., 33 (13): 270-279. (на китайском) | ||
| [9] | ЛАРНИ Ф. Дж., ДЖАНЗЕН Х. Х., ОЛСОН Б. М., УЭЙН Л. К.. Качество почвы и продуктивность реакции на имитацию эрозии и восстановительные изменения. Канадский журнал почвоведения, 2000. 80 (3): 515-522. | |
| [10] | ОЙЕДЕЛЕ ДД, АЙНА П О.Реакция свойств почвы и урожайности кукурузы на имитацию эрозии путем искусственного удаления верхнего слоя почвы. Plant & Soil , 2006, 284 (1/2): 375-384. | |
| [11] | 刘慧, 魏永霞.黑土 区 土壤 侵蚀 厚度 对 土地 生产力 的 影响 及其 评价.工程 学报, 2014,30 (20): 288-296. | |
| LIU H, WEI Y X. Влияние мощности эрозии почв на продуктивность черноземов и ее оценка.Труды Китайского общества сельскохозяйственной инженерии, 2014,30 (20): 288-296. (на китайском) | ||
| [12] | 张瑞, 苟 晓敏, 赵玉珍, 王志强.东北 黑土 区 土壤 侵蚀 对 土壤 持 水性 的 影响.水土保持 学报, 2015,29 (1): 62-65. | |
| ZHANG R, GOU X M, ZHAO Y Z, WANG Z Q. Влияние эрозии почвы на удержание влаги в почве в черноземном регионе Северо-Восточного Китая.Журнал почвенно-водного хозяйства, 2015,29 (1): 62-65. (на китайском) | ||
| [13] | 陈奇伯, 王克勤, 李金洪, 朱 国 进, 李跃.元谋 干 热 河谷 坡 耕地 土壤 侵蚀 造成 的 土地 退化.学报, 2004, 22 (5): 528-532. | |
| CHEN Q B, WANG K Q, LI J H, ZHU G J, LI Y. Деградация земель, вызванная эрозией почвы на склонах сельскохозяйственных угодий в засушливой и жаркой местности уезда Юаньмоу.Журнал горной науки, 2004 г., 22 (5): 528-532. (на китайском) | ||
| [14] | 成 婧, 吴发启, 王健, 云峰, 吴光艳, 于 晓玲.渭北 旱 塬 不同 程度 土壤 侵蚀 及 生产力 恢复 试验.中国 水土保持 科学, 2013, 11 (2): 19-24. | |
| ЧЭНДЖ, ВУ ФК, ВАНДЖ, ЮНФ, ВУ ГЫ, Ю Х Л. Влияние эрозии почв разной степени на продуктивность и восстановление почв в засушливых районах Вайбей. Наука о почвенно-водном хозяйстве , 2013,11 (2): 19-24. (на китайском) | ||
| [15] | LIU J X, TU S H, GUO Y Z, JIA Q H. Влияние эрозии почвы на продуктивность наклонного поля в эксперименте Mico-plot. Сельскохозяйственная наука и технология, 2013 г., 14 (1): 127-130. DOI: 10.13227 / j.hjkx.201703025 pmid: 29965201 | |
| [16] | ZHENG S U, ZHANG J H, NIE X J.Влияние эрозии почвы на свойства почвы и урожайность на склонах в бассейне Сычуань, Китай. Педосфера, 2010, 20 (6): 740-746. DOI: 10.1002 / (sici) 1097-4598 (199706) 20: 6 & amp; lt; 740 :: aid-mus12 & amp; gt; 3.0.co; 2-y pmid: | 82 |
| [17] | 王志强, 刘宝 元, 王旭艳, 高 晓飞, 刘刚.东北 黑土 区 土壤 侵蚀 对 土地 生产力 影响 试验 研究.中 科学: 地球 科学, 2009 (10): 1397-1412. | |
| Ван З. Кью, ЛИУ Б И, ВАН Х И, ГАО Х Ф, ЛИУ Г. Экспериментальное исследование влияния эрозии почв на продуктивность земель в черноземных регионах Северо-Восточного Китая. Наука в Китае : Науки о Земле , 2009 (10): 1397-1412. (на китайском) | ||
| [18] | 中国科学院 南京 土壤 研究所 土壤 物理 研究室.土壤 物理 性质 测定 方法.北京: 科学, 1978: 140–148. | |
| Отделение физики почв Института почвоведения Китайской академии наук. Метод определения физических свойств почв. Пекин: Science Press, 1978: 140-148. (на китайском) | ||
| [19] | АДЕЖУВОН ДЖО, ЭКАНАДЕ О.Сравнение свойств почв при различных типах землепользования в части какао-пояса Нигерии. Катена, 1988, 15 (3): 319-331. DOI: 10.1016 / 0341-8162 (88)-9 | |
| [20] | ШИРАЗИ М А, ХАРТ ДЖ В, БОЕРСМА Л. Единый количественный анализ текстуры почвы: повышение точности и увеличение масштаба.Журнал Общества почвоведов Америки, 1988, 52 (1): 181. DOI: 10.2136 / sssaj1988.03615995005200010032x | |
| [21] | 金慧芳, 史东梅, 陈正 发, 刘益军, 娄 义 宝, 杨旭.基于 聚类 及 PCA 分析 的 红壤 坡 耕地 耕层 土壤 质量 评价 指标.农业 工程 学报, 2018, 34 (7): 155-164. | |
| ДЖИН Х Ф, ШИ Д М, ЧЕН З Ф, ЛИУ И Дж, Лоу И Б, ЯН Х.Показатели оценки качества почвы обрабатываемого слоя сельскохозяйственных угодий красных почв на склонах на основе кластерного и PCA-анализа. Труды Китайского общества сельскохозяйственной инженерии, 2018 г., 34 (7): 155-164. (на китайском) | ||
| [22] | 许明祥, 刘国彬, 赵 允 格.黄土 丘陵 区 土壤 质量 评价 指标 研究.生态 学报, 2005, 16 (10): 1843-1848. pmid: 16425459 | |
| XU M X, LIU G B, ZHAO Y G.Показатели оценки качества почв холмистого Лессового плато. Китайский журнал прикладной экологии , 2005, 16 (10): 1843-1848. (на китайском) pmid: 16425459 | ||
| [23] | XU M, LI Q, WILSON G. Ухудшение физико-химического качества почвы из-за эфемерной овражной эрозии на наклонных пахотных землях холмистого Лессового плато, Китай.Исследование почвы и обработки почвы, 2016, 155: 9-18. | |
| [24] | MA W M, ZHANG X C. Влияние песчаника Пиша на инфильтрацию воды различными почвами Китайского Лессового плато. Журнал засушливых земель , 2016,8 (3): 331-340. DOI: 10.1007 / s40333-016-0122-8 | |
| [25] | 林芳, 朱兆龙, 曾 全 超, 安 韶山.延河 流域 三种 土壤 可 蚀 性 K 值 估算 方法 比较.学报, 2017,54 (5): 1136-1146. | |
| LIN F, ZHU Z L, ZENG Q C, AN S S. Сравнительное исследование трех различных методов оценки эродируемости почвы K в водоразделе Янхэ в Китае. Acta Pedologica Sinica, 2017,54 (5): 1136-1146. (на китайском) | ||
| [26] | 周宁, 李超, 琚 存 勇, 马亚怀.黑龙江 省 土壤 可 蚀 性 K 值 特征 分析.工程 学报, 2015, 31 (10): 182-189. | |
| ZHOU N, LI C, QU C Y, MA Y H. Анализ K-value характеристик эродируемости почв в провинции Хэйлунцзян. Труды Китайского общества сельскохозяйственной инженерии, 2015 г., 31 (10): 182-189. (на китайском) | ||
| [27] | ЧЖАН К, ЛИ Л, ЧЖАН З.Надежность оценки эродируемости почв за пределами США: сравнение эродируемости основных сельскохозяйственных почв в США и Китае. Науки об окружающей среде и Земле , 2016,75 (3): 252. DOI: 10.1007 / s12665-015-4980-8 | |
| [28] | 张慧利, 蔡 洁, 夏 显 力.水土流失 治理 效益 与 生态 农业 发展 的 耦合 协调 性 分析.农业 工程 学报, 2018, 34 (8): 162-169. | |
| ZHANG H L, CAI J, XIA X L. Сопоставление анализа координационной степени преимуществ борьбы с водной и почвенной эрозией и развития экологического сельского хозяйства Труды Китайского общества сельскохозяйственной инженерии, 2018 г., 34 (8): 162-169. (на китайском) | ||
| [29] | 潘剑君, Ir.Э. Бергсма. .利用 土壤 入渗 速率 和 土壤 抗剪 力 确定 土壤 侵蚀 等级.水土保持 学报, 1995 (2): 93-96. | |
| PAN J. Bergsma E. Определение степени эрозии почвы с использованием скорости инфильтрации почвы и сопротивления почвы сдвигу. Журнал охраны почв и водных ресурсов , 1995 (2): 93-96. (на китайском) | ||
| [30] | 李卓, 吴 普特, 冯浩, 赵 西宁, 黄俊, 庄 文化.容重 对 土壤 水分 入渗 能力 影响 模拟 试验.工程 学报, 2009,25 (6): 40-45. | |
| LI Z, WU P T, FENG H, ZHAO X N, HUANG J, ZHUANG W H. Имитационный эксперимент по влиянию объемной плотности почвы на инфильтрационную способность почвы. Труды Китайского общества сельскохозяйственной инженерии, 2009, 25 (6): 40-45. (на китайском) | ||
| [31] | 李卓, 吴 普特, 冯浩, 赵 西宁, 黄俊, 庄 文化.容重 对 土壤 水分 蓄 持 能力 影响 模拟 试验 研究.学报, 2010, 47 (4): 611-620. | |
| LI Z, WU P T, FENG H, ZHAO X N, HUANG J, ZHUANG W H. Моделирование эксперимента по влиянию объемной плотности почвы на водоудерживающую способность почвы. Acta Pedologica Sinica, 2010, 47 (4): 611-620. (на китайском) | ||
| [32] | ВАНГ Ц, ВУ Б, ЧЖАН Л, ЦЗЯН Х, СЮЙ З.Роль эродируемости почвы во влиянии на потери доступного азота и фосфора при моделировании дождевых осадков. Журнал гидрологии, 2014, 514: 180-191. |
Изменение механических свойств глинистого грунта Шанхая строительными отходами и измельченной известью
В настоящем исследовании исследуется влияние строительных отходов и измельченной извести на прочность глинистого грунта Шанхая. Испытания на безусловное сжатие и прямой сдвиг были проведены на армированных грунтах с различными комбинациями строительных отходов и измельченной извести в течение различных периодов отверждения.Результаты испытаний на неограниченное сжатие показывают, что прочность на сжатие увеличивается после внесения строительных отходов и измельченной извести, и чем дольше период отверждения, тем выше прочность обработанного грунта. Результаты испытаний на прямой сдвиг показывают, что параметры прочности на сдвиг в разной степени повышаются после смешивания со строительными отходами и пылевидной известью. Испытания также показывают, что увеличение прочности на сжатие незначительно при добавлении только строительных отходов, но пластичность увеличивается.Выводы, сделанные на основе настоящего исследования, важны не только для проектирования и строительства инженерно-геологических проектов на практике, но и для рационального использования отходов, устойчивого развития и защиты окружающей среды.
1 Введение
Многие регионы мира, особенно на аллювиальных равнинах и в дельтах рек, предрасположены к геотехническим проблемам до, во время и после строительства из-за свойств грунта, которые имеют низкую прочность на сжатие и сдвиг и уязвимы для деформации под нагрузками.Шанхай, крупнейший торговый мегаполис Китая, как раз находится в одном из таких районов. Он расположен в устье дельты реки Янцзы на востоке Китая. Ян и Ши [1] и Ли [2] обнаружили, что большая часть районов Шанхая покрыта мягкими глинистыми грунтами, средняя толщина покрывающих пород которых составляет примерно 75 м. Мягкие глинистые почвы Шанхая обладают плохой водопроницаемостью и хорошей пластичностью [3, 4, 5]. Для решения проблемы прочности глинистого грунта Шанхая использовался ряд методов, таких как динамическое уплотнение в забое скважины, замена грунта подушкой, динамическое уплотнение, метод песчано-гравийных свай, процесс виброфлотации, метод глубокого перемешивания и т. Д.[6].
Однако смешивание добавок с мягким грунтом также можно использовать для эффективного улучшения свойств грунта, включая пластичность, а также его поведение при сжатии и сдвиге [7, 8]. Строительный мусор — неизбежный продукт быстрой урбанизации и индустриализации с огромным сносом выброшенных зданий и сооружений. Хотя небольшая часть строительного мусора использовалась для обратной засыпки на строительной площадке, остальная часть в основном вывозится на и без того дефицитный полигон, который представляет угрозу для защиты окружающей среды.Таким образом, строительный мусор вызывает истощение земель, ресурсов и материалов и ухудшение состояния окружающей среды [9, 10]. Одна только строительная промышленность Австралии ежегодно производит около 38% отходов на свалки [11].
Растущее во всем мире беспокойство по поводу экологической безопасности побудило исследователей во всем мире искать более устойчивые решения этих проблем и повторно использовать отходы. Исследователи из многих стран также работали над поиском альтернативных материалов для стабилизации грунта, включая использование нескольких промышленных побочных продуктов [12, 13, 14].Лачимпади и Перейра [15] посвятили себя изучению того, как уменьшить производство строительных отходов с точки зрения метода строительства. Некоторые другие исследователи призывают ограничить необузданное производство строительного мусора с точки зрения законодательства [16]. Другие исследователи изучали стабилизацию мягкого грунта соответствующими вяжущими материалами (такими как цемент), а также строительными отходами с целью не только использования отходов, но и одновременного улучшения качества окружающей среды [17, 18, 19].Ввиду слабых и легко деформируемых характеристик глинистого грунта Шанхая, измельченная известь используется для увеличения силы сцепления между частицами почвы. Измельченная известь представляет собой белый порошкообразный материал, который преимущественно химически состоит из оксида кальция. Это распространенный материал, который широко используется в строительной индустрии. Если измельченная известь пропорционально добавляется только к грунту, прочность грунта на сжатие может быть эффективно улучшена [20, 21], в то же время это может также увеличить хрупкость почвы [22].Авторы из многих стран изучали известь и возможность ее применения для стабилизации грунта [23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30].
Учитывая огромное влияние строительных отходов на окружающую среду и необходимость вторичной переработки отходов для устойчивой защиты окружающей среды нашего жилища, строительные отходы и известь выбраны в качестве добавок для улучшения механических и физических свойств глинистой почвы Шанхая, потому что мало исследований в прошлом были сосредоточены на этих двух добавках.Ожидается, что он предоставит фундаментальные данные для соответствующего проектирования и строительства объектов гражданского строительства.
3 Результаты и обсуждения
3.1 Влияние строительных отходов на прочность грунта
Таблица 4 показывает схему испытаний и результаты испытаний на неограниченное сжатие. Поскольку существует примерно такая же тенденция к изменениям, и 7 дней времени отверждения является этапом для начального формирования прочности, для экономии места авторы выбирают только условие для времени отверждения 7 дней, чтобы объяснить результаты.На рис. 3 показана кривая растяжения для образцов с различным содержанием строительного мусора после выдержки в течение 7 дней. Из рисунка 3 видно, что осевое напряжение сначала увеличивается, а затем уменьшается с увеличением осевой деформации не только для контрольных образцов, но и для образцов, смешанных со строительным мусором. По сравнению с контрольными образцами обработанные образцы имеют аналогичную пиковую прочность. Увеличение пиковой прочности за счет добавки строительного мусора можно не учитывать. Среди обработанных образцов образцы с содержанием добавки 15% имеют немного более высокую прочность.Кроме того, с увеличением содержания добавки осевая деформация при максимальной прочности становится все больше и больше. В период замедления для кривых скорость замедления с обычным образцом самая высокая из всех образцов, тогда как образцы с содержанием добавки 20% имеют самую низкую скорость замедления. Это свидетельствует о том, что пластичность образцов увеличилась после смешивания со строительными отходами с пониженной хрупкостью в то же время.
Рисунок 3
Кривые растяжения обработанных образцов со строительным мусором на 7д
Кроме того, чем выше процент добавки, тем более совершенная форма разрушения, что означает, что пластичность была увеличена с обработанным образцом по сравнению с контрольным образцом.Осевая деформация при максимальной прочности у образцов 20% является наибольшей, которая увеличивается на 75% по сравнению с таковой для контрольного образца. Что касается жесткости, то здесь также есть большой разброс с образцами разного содержания. В целом с увеличением содержания жесткость снижается. На рисунке 4 показана эта тенденция развития. Жесткость контрольного образца составила 34 МПа, а жесткость образца 30% — 14,66 МПа, снизившись на 56,9%. Жесткость выводится из половины точки максимальной прочности на начальном этапе кривой напряжения-деформации, жесткость = (половина пиковой прочности) / (соответствующая деформация).
Рисунок 4
Взаимосвязь жесткости и содержания добавки
На рис. 5 показано влияние времени отверждения на прочность образцов при неограниченном сжатии. Можно заметить, что прочность всех образцов увеличивается с увеличением времени отверждения. Подробная информация об увеличении прочности со временем отверждения показана в таблице 6. Скорость увеличения для образцов с различным содержанием и временем отверждения по сравнению с контрольным образцом показана в таблице 7.Замечено, что увеличение прочности на сжатие является максимальным для образцов с 15% содержанием строительного мусора.
Рисунок 5
Влияние времени отверждения на предел прочности при неограниченном сжатии (UCS) для образцов, смешанных только со строительными отходами
Таблица 6Взаимосвязь между прочностью на неограниченное сжатие и временем отверждения для образцов, смешанных только со строительными отходами
| С.нет. | Содержание (%) | 7 д (МПа) | 14 d (МПа) | 21 д (МПа) | 28 d (МПа) |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 0 | 1,71 | 1,82 | 1,91 | 1,95 |
| 2 | 10 | 1,76 | 1.88 | 1,95 | 1.98 |
| 3 | 15 | 1,78 | 1,89 | 1,96 | 2,00 |
| 4 | 20 | 1,73 | 1,83 | 1,95 | 1,97 |
Взаимосвязь между скоростью увеличения прочности на неограниченное сжатие и временем отверждения для образцов, смешанных только со строительными отходами
| С.нет. | Содержание (%) | 7 д | 14 д | 21 д | 28 д |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 0 | 1,71 МПа | 1,82 МПа | 1,91 МПа | 1,95 МПа |
| 2 | 10 | 2,9% | 3,3% | 2,1% | 1.5% |
| 3 | 15 | 4% | 3,8% | 2,6% | 2,5% |
| 4 | 20 | 1,2% | 0,5% | 2,1% | 1,0% |
3,2 Влияние пылевидной извести на прочность грунта
На рис. 6 показана кривая «напряжение-деформация» для образцов, смешанных только с измельченной известью с различным содержанием.Из рисунка 6 видно, что на кривой стресс-окрашивание есть точка пика для всех образцов, независимо от того, исследовали ли мы обработанные образцы или контрольные образцы. Однако образцы, обработанные известью, имеют относительно более высокое пиковое напряжение, чем контрольные образцы. Образцы, обработанные 5% измельченной извести, имеют максимальное пиковое напряжение 2,08 МПа, увеличенное почти на 22%. Соответствующая жесткость также увеличивается с 31 МПа контрольного образца до 52 МПа образцов с 5% извести, при этом скорость увеличения составляет примерно 68%.Грунты, смешанные с известью пропорционально, действительно могут увеличить прочность, но в то же время пластичность обработанного грунта снижается с большей вероятностью разрушения хрупкости. Эта тенденция усиливается с увеличением содержания извести.
Рисунок 6
Зависимость напряжения от деформации для образцов, смешанных только с измельченной известью
На рис. 7 показана зависимость между временем отверждения и прочностью на сжатие для образцов, смешанных только с измельченной известью.Из диаграммы видно, что прочность на неограниченное сжатие для всех образцов увеличивается с увеличением времени отверждения. Повышение прочности обработанных образцов подробно описано в таблицах 8 и 9. Таким образом, видно, что, когда содержание извести составляет 5%, увеличение прочности на сжатие является самым высоким. Измельченная известь действительно может увеличить прочность на сжатие, но с уменьшением пластичности обработанного грунта. Однако показатель пластичности обработанного грунта снижается, что приводит к более низкой пластичности грунта, что делает почвы более склонными к хрупкому разрушению [31].
Рисунок 7
Взаимосвязь между прочностью на неограниченное сжатие (UCS) и временем отверждения для образцов, смешанных только с измельченной известью
Таблица 8Взаимосвязь между прочностью на неограниченное сжатие и временем отверждения для образцов, смешанных только с измельченной известью
| С. | Содержимое | 7 | 14 | 21 | 28 |
|---|---|---|---|---|---|
| нет. | (%) | d (МПа) | d (МПа) | d (МПа) | d (МПа) |
| 1 | 0 | 1,71 | 1,82 | 1,91 | 1,95 |
| 2 | 3 | 1,83 | 1,97 | 2,15 | 2,29 |
| 3 | 4 | 1.93 | 2,08 | 2,25 | 2,36 |
| 4 | 5 | 2,10 | 2,19 | 2,36 | 2,49 |
Взаимосвязь между скоростью увеличения прочности на неограниченное сжатие и временем отверждения для образцов, смешанных только с известью
| S. No. | Содержание (%) | 7 д | 14 д | 21 д | 28 д |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 0 | 1.71 | 1,82 | 1,91 | 1,95 |
| МПа | МПа | МПа | МПа | ||
| 2 | 3 | 7% | 8,2% | 12,6% | 17,4% |
| 3 | 4 | 12,9% | 14.3% | 17,8% | 22,1% |
| 4 | 5 | 22,8% | 20,3% | 23,6% | 27,7% |
3.3 Комплексное влияние извести и строительных отходов
На рис. 8 показана кривая напряжения-деформации для различных комбинаций содержания строительных отходов и пылевидной извести для времени отверждения 7 дней. На рисунке 8 (а) показана кривая напряжения-деформации при различном содержании извести, когда добавка строительных отходов составляет 10%.Видно, что прочность на сжатие обработанных образцов выше, чем у контрольного образца. В то время как жесткость увеличивается, пластичность снижается с увеличением содержания извести. Но при содержании извести 5% прочность максимальна. Рисунок 8 (b) имеет аналогичную тенденцию развития, то есть прочность максимальна, когда содержание извести составляет 5%. На Рисунке 8 (c) есть небольшие различия, то есть прочность на сжатие максимальна, когда содержание извести составляет 4%. Из рисунка 8 (a-c) также видно, что прочность на сжатие немного увеличивается с увеличением содержания строительного мусора.Стоит отметить, что на рисунке 8 (c) увеличение прочности на сжатие больше, чем на рисунке 8 (a и b). С 20% строительных отходов прочность с 4% извести составляет 2,27 МПа, а прочность с 0% извести составляет 1,73 МПа, и, следовательно, увеличение составляет примерно 31%.
Рисунок 8
Кривая напряжения-деформации для образцов с различным содержанием строительных отходов и извести при времени выдержки 7 дней
На рис. 9 показана взаимосвязь между временем отверждения и прочностью на неограниченное сжатие для образцов с различным содержанием извести и строительных отходов.Из рисунка 9 видно, что прочность на сжатие без ограничения увеличивается с увеличением времени отверждения, а прочность образцов, обработанных известью и строительными отходами, обычно выше, чем у контрольного образца, как показано в таблицах 10 и 11. Прочность грунта на сжатие обычно увеличивается с увеличением содержания извести почти во всех строительных отходах. Что касается формы образцов после разрушения, то образцы, обработанные как известью, так и строительными отходами, одновременно нуждаются в большей деформации перед разрушением, чем образцы, обработанные только известью или строительными отходами.С другой стороны, образцы с более длительным временем отверждения требуют большей деформации для разрушения, чем образцы с более коротким временем. Это может быть связано с тем, что отверждение цемента происходит в течение периода отверждения после добавления строительных отходов в почву, что приводит к повышению механических свойств и пластичности почвы. В настоящем исследовании образцы с 20% строительных отходов и 4% извести имеют наибольшее увеличение прочности на сжатие, что может быть принято в качестве оптимального состава для укрепления грунта.Порошковая известь и строительные отходы пропорционально дополняют друг друга в улучшении сцепления между частицами почвы. Слишком большое или слишком маленькое содержание обеих добавок может, наоборот, привести к снижению прочности почвы. Конечно, еще одним ключевым фактором является время отверждения.
Рисунок 9
Влияние времени отверждения на образцах с различным сочетанием строительных отходов и пылевидной извести
Таблица 10Взаимосвязь между временем отверждения и прочностью на неограниченное сжатие для образцов, смешанных с различными сочетаниями строительных отходов и извести
| С.нет. | Содержание извести (%) | Содержание строительного мусора (%) | 7 д (МПа) | 14 d (МПа) | 21 д (МПа) | 28 d (МПа) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 0 | 0 | 1.85 | 1,99 | 2,14 | 2,26 |
| 2 | 3 | 10 | 1.85 | 1,99 | 2,14 | 2,26 |
| 3 | 4 | 10 | 1,96 | 2,15 | 2,25 | 2,32 |
| 4 | 5 | 10 | 2,13 | 2,22 | 2,32 | 2,39 |
| 5 | 3 | 15 | 1.98 | 2,12 | 2,26 | 2,35 |
| 6 | 4 | 15 | 2,12 | 2,23 | 2,31 | 2,43 |
| 7 | 5 | 15 | 2,17 | 2,3 | 2,39 | 2,52 |
| 8 | 3 | 20 | 2.05 | 2,21 | 2,37 | 2,51 |
| 9 | 4 | 20 | 2,27 | 2,38 | 2,5 | 2,63 |
| 10 | 5 | 20 | 2,13 | 2,3 | 2,44 | 2,58 |
Взаимосвязь между временем отверждения и скоростью увеличения прочности на неограниченное сжатие для образцов, смешанных с различными комбинациями строительных отходов и измельченной извести
| С.нет. | Содержание извести (%) | Содержание строительного мусора (%) | 7 д | 14 д | 21 д | 28 д |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 0 | 0 | 1,71 МПа | 1,82 МПа | 1,91 МПа | 1,95 МПа |
| 2 | 3 | 10 | 8.2% | 9,3% | 12% | 15,9% |
| 3 | 4 | 10 | 14,6% | 18,1% | 17,8% | 19% |
| 4 | 5 | 10 | 12,46% | 22% | 21,5% | 22,6% |
| 5 | 3 | 15 | 15.8% | 16,5% | 18,3% | 20,5% |
| 6 | 4 | 15 | 24% | 22,5% | 21% | 24,6% |
| 7 | 5 | 15 | 27% | 26,4% | 25,1% | 29,2% |
| 8 | 3 | 20 | 20% | 21.4% | 24,1% | 28,7% |
| 9 | 4 | 20 | 32,7% | 30,8% | 30,9% | 34,9% |
| 10 | 5 | 20 | 24,6% | 26,4% | 27,7% | 32,3% |
3.4 Влияние на прочность на сдвиг
Влияние комбинации измельченной извести и строительных отходов на прочность почвы на сдвиг также исследуется с помощью оборудования для испытаний на прямой сдвиг. Были испытаны образцы со всеми комбинациями содержания как извести, так и строительных отходов при трех нормальных напряжениях 100, 200, 400 кПа, приложенных с помощью аппарата прямого сдвига. Поскольку большинство из них имеют схожую тенденцию развития, для объяснения выбрано единственное нормальное напряжение 200 кПа.Более того, 200 кПа обычно больше подходит для большей части практической инженерии.
На рис. 10 показана взаимосвязь между деформацией сдвига и напряжением сдвига образцов с различным сочетанием извести и строительных отходов при нормальном напряжении 200 кПа. Из диаграммы видно, что прочность на сдвиг образцов с 3% извести и 10-15% строительного мусора самая высокая. По сравнению с контрольными образцами его прочность на сдвиг увеличена примерно на 37%. Сдвиговая жесткость обработанных образцов также увеличивается в разной степени.
Рисунок 10
Взаимосвязь между напряжением сдвига и сдвигом
На рисунке 11 показана кривая между деформацией сдвига и напряжением сдвига для образцов с 4% извести и различным процентом строительных отходов при нормальном напряжении 200 кПа. Можно заметить, что все значения прочности на сдвиг обработанных образцов больше, чем у контрольного образца. Среди них прочность на сдвиг образцов с 4% извести и 15% строительных отходов является наибольшей, увеличенной примерно на 43%, при этом жесткость на сдвиг увеличена на 506% с 33 до 200 кПа / мм.
Рисунок 11
Взаимосвязь между напряжением сдвига и сдвигом
На рисунке 12 показана кривая между деформацией сдвига и напряжением сдвига для образцов с 5% извести и различным процентом строительных отходов при нормальном напряжении 200 кПа. Можно заметить, что все значения прочности на сдвиг обработанных образцов больше, чем у контрольного образца. Среди них наибольшая прочность на сдвиг образцов с 5% извести и 10-15% строительных отходов, увеличенная примерно на 50%, при этом жесткость на сдвиг увеличена на 703% с 33 до 265 кПа / мм.Из вышесказанного было обнаружено, что, когда содержание строительных отходов составляет приблизительно 15%, а содержание извести составляет 5%, прочность на сдвиг и жесткость образцов на сдвиг максимизируются.
Рисунок 12
Взаимосвязь между напряжением сдвига и сдвигом
3.5 Влияние на когезию и внутреннее трение
На рисунках 13-15 показана взаимосвязь между нормальным напряжением и напряжением сдвига в испытании на прямой сдвиг для образцов с 15% строительных отходов, 5% одной только извести и комбинацией 15% строительных отходов и 5% извести, соответственно. .Из рисунка 13 можно рассчитать, что угол сцепления и внутреннего трения обработанных образцов, содержащих только 15% строительных отходов, увеличился на 4,6% и 18,8%, с 56,4 до 59 кПа, с 23,75 ◦ до 28,23 ◦ соответственно.
Рисунок 13
Взаимосвязь между нормальным напряжением и прочностью на сдвиг для образцов, смешанных только с известью
Из рисунка 14 также можно рассчитать, что когезия и угол внутреннего трения образцов, обработанных только 5% извести, увеличиваются на 10.73% и 26,14%, с 56,4 до 62,45 кПа, с 23,75 ◦ до 29,96 ◦ соответственно.
Из рисунка 15 можно рассчитать, что угол когезии и внутреннего трения обработанных образцов с комбинацией 15% строительных отходов и 5% извести одновременно увеличиваются на 28,3% и 58,69%, с 56,4 до 72,35 кПа, с 23,75. От ◦ до 35,85 ◦ соответственно. Следовательно, именно в случае комбинации обеих добавок параметры прочности, то есть когезия и угол внутреннего трения, имеют максимальное увеличение, где их содержание составляет 15% строительных отходов и 5% пылевидной извести соответственно. .
Рисунок 14
Взаимосвязь между нормальным напряжением и прочностью на сдвиг для образцов, смешанных только со строительными отходами
Рисунок 15
Взаимосвязь между нормальным напряжением и прочностью на сдвиг для образцов, смешанных со строительными отходами и известью
3.6 Механизм усиления
Добавление строительного мусора в почву может эффективно улучшить прочность на неограниченное сжатие и сдвиг, которые показали наши испытания.Механизм укрепления грунта можно объяснить двояко. Во-первых, с точки зрения макроскопии прочность на сжатие и сдвиг бетонных обломков и фрагментов кирпича и черепицы, состоящих из основных компонентов строительных отходов, намного выше, чем у частиц грунта. Следовательно, после добавления строительного мусора в глинистый грунт Шанхая, что аналогично добавлению относительно прочных объектов в мягкую систему, реструктурированная система обязательно будет более прочной, чем исходная система.Этот анализ основан только на разнице прочности между отдельными материалами, поэтому он относительно макроскопичен.
С другой стороны, мы можем анализировать взаимодействие между частицами почвы и строительными отходами, особенно границу раздела между двумя типами частиц, то есть трение и взаимное сцепление между частицами. В почвах трение и сцепление между частицами относительно малы и однородны. После добавления частиц строительного мусора и значительного уплотнения тонкий каркас строительного мусора плотно окружают частицы грунта.Поскольку поверхность каркаса строительного мусора не является гладкой с выступами и впадинами, частицы грунта могут засыпать углубление на поверхности, в результате чего частицы грунта и каркас строительного мусора образуют единую систему. Когда интегрированная система подвергается внешней нагрузке, частицы грунта и частицы строительного мусора тесно соединяются, чтобы противостоять нагрузке вместе, тогда повышенное трение и сцепление между частицами грунта и мелкими каркасами строительного мусора эффективно работают, что значительно улучшает прочность на сжатие и сопротивление сдвигу интегрированной системы.
Основываясь на результатах предыдущих исследователей [32, 33, 34], механизм действия измельченной извести, улучшающей прочность шанхайской глинистой почвы, можно объяснить на основании следующих 4 пунктов. Во-первых, когда известь (CaO) добавляется в почву в присутствии влаги, могут проявляться следующие химические реакции: CaO + H 2 O = Ca (OH) 2 . Это химическая реакция с выделением огромного количества тепла, которая вызывает другую химическую реакцию, которая приводит к более тесному уплотнению между частицами.Во-вторых, ионный обмен Ca (OH) 2 . При наличии влаги Ca (OH) 2 может подвергаться электролизу с образованием больших количеств Ca 2+ . Хотя частицы почвы в целом находятся в отрицательном состоянии, частицы почвы могут тесно соединяться с Ca 2+ из-за притяжения заряда. Это в конечном итоге приводит к увеличению силы. В-третьих, после серии химических реакций в почвах остается определенное количество Ca (OH) 2 . Когда он подвергается воздействию воздуха, он реагирует с CO 2 в воздухе, Ca (OH) 2 + CO 2 = CaCO 3 , образуя CaCO 3 , который по прочности намного выше, чем у почвы и дальнейшее связывание частиц, что в конечном итоге приводит к увеличению прочности.В-четвертых, кроме CaO, в извести есть некоторые другие компоненты, такие как MgO, Al 2 O 3 и др., Которые также могут реагировать с SiO 2 из почвы с образованием силиката алюминия и силиката кальция и т. Д. ., которые имеют гораздо более высокое сцепление. Это может привести к дальнейшему повышению прочности почвы.
Ссылки
[1] Ян, X.X., Shi, Y.J. (2006). «Характеристики инженерно-геологического строения Шанхая». Shanghai Land & Resources, 4, 19-24 Искать в Google Scholar
[2] Li X.(2009). «Стратиграфическое разделение и эволюция среды отложений позднего кайнозоя в районе Шанхая». Shanghai Geology, 30 (1), 1-7. Поиск в Google Scholar
[3] Zhang J., Wang W. D. и Xv Z. H., et al. (2017). «Экспериментальное исследование малых деформаций, характерных для типичной шанхайской глинистой почвы». Механика грунтов и горных пород, 38 (12), 1001-1008. Ищите в Google Scholar
[4] Ewa A. (2015). «Механическое диспергирование глины из почвы в воду: глина легкодисперсная и самодисперсная.”Международная агрофизика, 29 (1), 31–37. Искать в Google Scholar
[5] Mirosław L и Małgorzata W. (2010). «Критерии насыщения тяжелых переуплотненных связных грунтов». Летопись Варшавского университета естественных наук — SGGW. Мелиорация земель, 42 (2), 295-302. Искать в Google Scholar
[6] Zheng G., Gong X. N., Xie Y. L., et al. (2012). «Обзор развития технологического процесса фундамента». Журнал гражданского строительства, 45 (2), 127-146. Искать в Google Scholar
[7] Lu Y.(2014). «Экспериментальное исследование механических свойств ненасыщенной вязкой глины, отвержденной армированной волокном извести», Нанкинский университет, 27-34. Искать в Google Scholar
[8] Qu J.L., Zhao D.X. и Ли Б. Б. (2015). «Влияние состояния арматуры на прочность армированного грунта». Промышленное здание, 45 (3), 115-119 + 129. Искать в Google Scholar
[9] Бехера М., Бхаттачарья С. К., Миноча А. К., Деолия Р. и Маити С. (2014). «Переработанный заполнитель из отходов C&D и его использование в бетоне — прорыв на пути к устойчивости в строительном секторе: обзор.”Констр. Строить. Матер., 68, 501-516. doi: 10.1016 / j.conbuildmat.2014.07.003 Поиск в Google Scholar
[10] Ван Дж., Ли З. и Там В. В. (2014). «Критические факторы эффективной минимизации строительных отходов на стадии проектирования: пример из Шэньчжэня», Китай. Ресурс. Консерв. Рецикл., 82, 1-7. Искать в Google Scholar
[11] Шанц Т., Элсави М. Б. (2015). «Характеристики набухания и прочность на сдвиг сильно расширяющихся глиняно-известковых смесей: сравнительное исследование». Араб. Дж.Geosci., 8 (10), 7919-7927. doi: 10.1007 / s12517-014-1703-5 Поиск в Google Scholar
[12] Аль-Малак М. Х., Абдулла Г. М., Багабра Аль-Амуди О. С. и Бухари А. А. (2014). «Стабилизация коренных почв Саудовской Аравии с использованием летучей золы мазута». J King Saud Univ Eng Sci doi: 10.1016 / j.jksues.2014.04.005 Искать в Google Scholar
[13] Аму О. О., Фаджоби А. Б. и Афекхуай С. О. (2005). «Стабилизирующий потенциал смеси цемента и золы-уноса на обширных глинистых почвах.” J. Appl. Sci. 5 (9), 1669–1673. Искать в Google Scholar
[14] Маккарти М. Дж., Четеньи Л. Дж., Сачдева А. и Дхир Р. К. (2014). «Технические характеристики и долговечность обработанных летучей золой стабилизированных известью сульфатных грунтов». Англ. Геол., 174, 139–148. doi: 10.1016 / j.enggeo.2014.03.001 Поиск в Google Scholar
[15] Лачимпади С., Перейра Дж. (2012). «Минимизация строительных отходов при сравнении традиционных и сборных конструкций (смешанная система и IBS) в высотных зданиях: пример из Малайзии.Ресурсы, сохранение и переработка, 68 (4), 96-103. Ищите в Google Scholar
[16] Wahi N. and Joseph C. (2016). «Критический обзор методов контроля за строительными отходами: Законодательная база и перспективы обращения с отходами». Процедуры — Социальные и поведенческие науки, 224 (11), 276-283. Искать в Google Scholar
[17] Войцех С. и Глуховски А. (2013). «Влияние стабилизации цементом на механические свойства связного грунта и песчано-илистой глины». Летопись Варшавского университета естественных наук — SGGW.Мелиорация земель, 45 (2), 193-205. Искать в Google Scholar
[18] Хасан У и Чегенизаде А. (2016). «Экспериментальная оценка строительных отходов и измельченного доменного шлака в качестве альтернативных стабилизаторов грунта». Геотехническая и геологическая инженерия, 34 (6), 1707-1716. Искать в Google Scholar
[19] Хорват А. (2004). «Строительные материалы и окружающая среда». Анну. Rev. Environ. Ресурс., 29 (1), 181-204. doi: 10.1146 / annurev.energy.29.062403.102215 Искать в Google Scholar
[20] Sun Z.М. и Цюй Дж. Л. (2016). «Влияние ячеистого волокна и измельченной извести на прочность шанхайского грунта на сжатие». Журнал водных ресурсов и водного хозяйства, 27 (2), 211-215. Искать в Google Scholar
[21] Арвинд К. и Сивапуллайя П. В. (2015). «Восприимчивость к развитию прочности известью в гипсоносных грунтах — микромеханическое исследование». Прикладная наука о глине, 115 (2), 39-50. Искать в Google Scholar
[22] Mubeen M. (2005). «Стабилизация мягкой глины в ирригационных проектах.”Ирригация и дренаж, 54 (2), 175–187. Искать в Google Scholar
[23] Шарма Р. К. и Химавати Дж. (2016). «Влияние летучей золы, строительного мусора и извести на геотехнические характеристики глины». Науки об окружающей среде, Земля, 75: 337. https://doi.org/10.1007/s12665-015-4796-6. Искать в Google Scholar
[24] Ли Х., Сюй Х., Чжоу С., Ю Й., Ли Х. Л., Чжоу К., Чен Й. Х., Ли Й., Ван М. К. и Ван Г. (2018). «Распределение и преобразование свинца в рисовых растениях, выращиваемых на загрязненной почве, с добавлением биоугля и извести.«Экотоксикология и экологическая безопасность», 165 (2018), 589-596. https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2018.09.039. Искать в Google Scholar
[25] Cheng Y. Z., Wang S., Li J., Huang X. M., Li C. and Wu J. K. (2018). «Инженерно-минералогические свойства стабилизированного экспансивного грунта, включающего известь и природные пуццоланы». Строительство и строительные материалы, 187 (2018), 1031-1038. https: //doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2018.08.061. Искать в Google Scholar
[26] Oza J.B. and Gundaliya P.J. (2013). «Исследование характеристик чернохлопчатобумажной почвы с использованием пыли и извести цементных отходов». Разработка процедур, 51 (2013), 110-118. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2013.01.017. Искать в Google Scholar
[27] Йонг Р. Н. и Ухади В. Р. (2007). «Экспериментальное исследование нестабильности оснований на природных и глинистых грунтах, стабилизированных известью / цементом». Прикладная наука о глине, 35, 238-249. https://doi.org/10.1016/j.clay.2006.08.009. Искать в Google Scholar
[28] Harichane K., Ghrici M. и Kenai S.(2012). «Влияние комбинации извести и природного пуццолана на уплотнение и прочность мягких глинистых грунтов: предварительное исследование». Науки об окружающей среде, Земля, 66: 2197-2205. https://doi.org/10.1007/s12665-011-1441-x. Ищите в Google Scholar
[29] Danso H. and Manu D. (2020). «Влияние кокосовых волокон и извести на свойства грунтово-цементного раствора». Примеры использования строительных материалов, https://doi.org/10.1016/j.cscm.2019.e00316. Искать в Google Scholar
[30] Indiramma P., Судхарани С. и Нидхидасан С. (2019). «Использование летучей золы и извести для стабилизации обширной почвы и сохранения экологически чистой окружающей среды — экспериментальное исследование». Materials Today: Proceedings on ScienceDirect, https://doi.org/10.1016/j.matpr.2019.09.147. Ищите в Google Scholar
[31] Хуа Л. Дж., Ву Х. и Юань П. (2013). «Экспериментальные исследования влияния летучей золы и извести на самосжатие деформации вторичного бетона». Хэнаньское сельское хозяйство, 22 (1), 37-39 Искать в Google Scholar
[32] Чжоу X.