Физические характеристики грунта: Физические свойства грунтов и их характеристики

Автор

Физические свойства грунтов и их характеристики

Вернуться на страницу «Основания фундаментов»

Физические свойства грунтов и их характеристики

Все грунты отличаются между собой многими признаками. Для механики грунтов наиболее важными являются их физические и механические свойства, количественные показатели свойств грунтов называют характеристиками. Характеристики физических свойств условно разделяют на группы: основные и производные. К основным характеристикам относятся: плотность твердых частиц, плотность грунта природного сложения и влажности. Их определяют опытным путем в лаборатории или в полевых условиях. К производным относят: плотность сухого грунта (Скелета), пористость, коэффициент пористости и коэффициент водонасыщения. Их вычисляют по формулам, используя основные характеристики.

Рис.1. Определение характеристик грунтов.

В состав взятого объема V грунтов входят: твердые частицы суммарным объемом Vs и массой ms, а также полости между ними с объемом Vp. При этом поры могут быть заполнены частично воздухом с объемом Va и частично водой объемом V

w с массой mw.

Плотностью твердых частиц грунта называют массу единицы объема твердых частиц, составленных абсолютно плотно, то есть без каких-либо зазоров, и пор между ними. Плотность твердых частиц выражают отношением массыms твердых частиц, содержащихся в общем объеме V почвы, к их суммарному объемуVs:

ps= ms/Vs

За единицу измерения плотности твердых частиц грунта используют г / см3. Определяют эту характеристику зачастую пикнометрическим методом. При этом массу твердых частиц находят взвешиванием образца грунта, предварительно высушенного до постоянной массы при температуре 100 … 1050С, а объем твердых частиц определяют по массе, вытесненной им жидкости с известной плотностью, с помощью специальных мерных колб (так называемых Пикнометры).

Величина плотности твердых частиц почвы зависит только от их минералогического состава. Она возрастает при увеличении содержания в почве и плотности породо-образовательных минералов (кварца, каолинита, ортоклаза, плагиоклаза, биотита,мусковита и т.п.), а уменьшается — при увеличении содержания органических веществ.

Средние значения плотности твердых частиц отдельных типов дисперсных грунтов составляют: песков — 2,65 … 2,67; супесей — 2,68 … 2,72; суглинков — 2,69 … 2,73;глин — 2,71 … 2,76; заторфованных грунтов — 2,0 … 2,2; торфов — 1,4 … 1,8 г / см3.

Плотностью грунта природной (ненарушенной) структурой называют массу единицы его объема и выражают отношением массы грунта m, включая массу твердых частиц ms и массу воды mw, к общему объему почвы V, включая объем твердых частиц Vs и объем пустот Vp:

p = m/V = (ms + mw)/(Vs + Vp)

Соответственно плотность грунта измеряют в г / см3. Для определения плотности грунтов могут быть применены несколько методов:

— метод режущего кольца (Для грунтов, которые легко поддаются обработке ножом), метод парафинирования,

— метод гидростатического взвешивания в нейтральной жидкости — бензине, керосине, и т.п. (для скальных и мерзлыхпочв).

Величина плотности зависит от минералогического состава, влажности и пористости (плотности строения) грунта. Почвы одинакового состава и строения имеют наибольшую массу в случае полного заполнения пор водой. Величина плотности глин, суглинков, супесей, песков и крупнообломочных грунтов находится в диапазоне от 1,2 до 2,4 г / см

3. Более высокие значения плотности относятся к крупнообломочным (разнозернистым) грунтам, моренным суглинкам и глин. Меньшее значение плотности характерны для грунтов, содержащих гумус, или для лессовых грунтов. Плотность сухого торфа может быть меньше 1,0 г / см3.

Влажностью грунта W называют относительное количество воды, содержащейся в его полостях. В механике грунтов пользуются, так называемой, абсолютной (весовой) влажностью. Абсолютную влажность выражают отношением массы mводы, содержащейся в порах некоторого объема грунта V, к массе ms твердых частиц, содержащиеся в этом же объеме. Влажность почвы измеряют в относительных единицах (г / г) или в процентах, то есть

W = mw / ms = ( m – ms)/ms

W = (mw / ms)100% = [( m – ms)/ms]100%

В дальнейшем весовую влажность будем называть просто влажностью. Ее величина изменяется в очень широких пределах, достигая 200% и более (например, в текучих глинах, морских и речных илах). Влажность определяют высушиванием грунта до постоянной массы при температуре 100 … 105

0С. Грунт, высушенный до постоянной массы, называют абсолютно сухим.

 

Физические и водно-физические свойства природных грунтов
Характеристики грунтов

Рассмотрим группу характеристик грунта, которые используют при расчетах несущей способности основания или откоса, давления на крепь горных выработок или подпорную стенку и т. д. Свойства грунтов объединены в группы: физические, водно-физические и характеристики мерзлых грунтов.

Физические свойства

Эта группа включает характеристики, отражающие влажность, плотность, удельный вес, пористость (рис. 1), тепловые, электрические, магнитные и другие свойства.

Графическое изображение физических характеристик грунта


Рис. 1. Графическое изображение физических характеристик грунта:
а — влажности; б — плотности; в — удельного веса; г — пустотности. 1, 2, 3 — соответственно газовый, жидкий и твердый компоненты грунта; 4 — вес грунта, сниженный за счет взвешивающего действия воды

К характеристикам влажности относят природную и гигроскопическую влажности, максимальную молекулярную влагоемкость и степень влажности (см. рис. 1, а). Первые три характеристики ω, ωg и ωmmc — это отношение массы воды в грунте естественного состояния, воздушно-сухом и содержащем только рыхлосвязанную пленочную воду, к массе сухого грунта. Степень влажности Sr — это отношение природной влажности к влажности полного водонасыщения. Все четыре характеристики выражаются в долях единицы. Степень влажности определяется расчетным путем, а три другие характеристики — экспериментально по ГОСТ 5180–84 «Грунты. Методы лабораторного определения физических характеристик». Сохранять ненарушенную структуру образца при этом не требуется. Степень влажности является классификационной характеристикой, с ее помощью грунты разделяют на маловлажные (0–0,5), влажные (0,5–0,8) и водонасыщенные (0,8–1). Три другие характеристики используются в расчетах других показателей (табл. 1).

К характеристикам, отражающим концентрацию массы вещества в грунте, относятся четыре разновидности плотности: плотность грунта ρ, плотность сухого грунта ρd, плотность частиц грунта ρs и плотность грунта при влажности полного водонасыщения ρsat. Во всех случаях это отношение массы к объему (см. рис. 1, б). Плотность грунта и частиц грунта определяют прямыми экспериментальными методами по ГОСТ 5180–84, а плотности сухого и полностью водонасыщенного грунта — расчетом (см. табл. 1). При определении плотности грунта ρ требуется сохранять природную влажность и ненарушенную структуру. Все четыре характеристики не являются классификационными и используются в расчетах других показателей. Измеряют их в килограммах на кубический метр.

Таблица 1. Формулы для расчета физических характеристик грунта
Примечание. ρω — плотность воды, ρω = 1000 кг/м3.

. Формулы для расчета физических характеристик грунта

К характеристикам, отражающим концентрацию веса грунта, относятся удельный вес грунта γ, удельный вес сухого грунта γd, удельный вес частиц грунта γs, удельный вес с учетом взвешивающего действия воды γsb и удельный вес полностью водонасыщенного грунта γsat (см. рис. 1, в). Определяют эти показатели расчетом, путем умножения соответствующей плотности на ускорение свободного падения. Удельный вес грунта используется для расчета давления от собственного веса грунта и других, связанных с ним давлений, а также характеристик и процессов, где нужно знать вес грунта или его частей. Удельный вес измеряют в килоньютонах на кубический метр.

К характеристикам, отражающим содержание пустот в грунте, относятся коэффициент трещинной пустотности, пористость и коэффициент пористости. Коэффициент трещинной пустотности kтр относится к трещиноватым грунтам, представляет собой отношение площади (объема) трещин к общей площади обнажения (объему блока) и измеряется в долях единицы. Этот показатель чаще всего определяют прямыми обмерами трещин в полевых условиях на обнажениях и на кернах или фотоспособом в скважинах. Он служит классификационной величиной и используется для отнесения массива грунта к одной из категорий по трещиноватости. Пористость n и коэффициент пористости e используют для оценки пустот в грунте с равномерным их распределением. Пористость — это отношение объема пор к общему объему грунта, а коэффициент пористости — отношение того же объема пор к объему твердой части грунта. Таким образом, пористость n представляет собой долю объема грунта, приходящуюся на пустоты, а коэффициент пористости e — соотношение объемов пор и твердой части грунта. Обе характеристики выражаются в долях единицы и связаны между собой (см. табл. 1 и рис. 1, г).

Определяют их чаще всего расчетом с использованием других характеристик. Пористость применяют в расчетах других показателей, а коэффициент пористости также служит классификационной величиной для оценки плотности сложения песка и выделения ила из глинистого грунта.

Другие физические характеристики используются в горном деле редко и здесь не приводятся.

Водно-физические свойства грунтов

Это большая группа характеристик, отражающих взаимодействие грунта с неподвижной и движущейся водой.

Рассмотрим некоторые характеристики, имеющие наибольшее значение при определении устойчивости бортов карьеров, зоны подтопления горных работ и т. п.

Установлено, что глинистые грунты при увеличении влажности от нуля до полного водонасыщения переходят из твердого состояния в пластичное, а затем — в текучее. Каждое из них можно оценить способностью грунта сохранять форму под действием собственного веса и характером деформации при разрушении. В твердом состоянии грунт сохраняет форму и разрушается с образованием трещин. Пластичный грунт также сохраняет форму, но разрушается без образования трещин, пластично, подобно очень вязкой жидкости. Текучее состояние отличается тем, что деформирующийся без разрывов грунт не сохраняет форму образца и принимает форму сосуда. Cостояние грунта разграничивают по искусственно подбираемым влажностям, которые называются влажностью на границе пластичности ωp, соответствующей точке его перехода из твердого состояния в пластичное, и влажностью на границе текучести ω

L на переходе из пластичного в текучее состояние (по ГОСТ 5180–84 «Грунты. Методы лабораторного определения физических характеристик»). Значения этих влажностей используют для вычисления числа пластичности Ip по формуле

. Формулы для расчета физических характеристик грунта

Число пластичности — это интервал влажности, в пределах которого грунт находится в пластичном состоянии. Оно используется как классификационный показатель для отделения глинистого грунта от песчаного и для определения его названия (см. рис. 2).

Состояние (консистенция) грунта оценивается показателем текучести IL:

. Формулы для расчета физических характеристик грунта

где ω — природная влажность.

Из этой формулы следует, что при ω < ωp числитель становится меньше нуля (показатель текучести будет отрицательным), а при ω > ω

L — больше единицы. Таким образом, если показатель текучести отрицательный, то глинистый грунт находится в твердом состоянии, если больше единицы — то в текучем, а в интервале от нуля до единицы — в пластичном (см. рис. 2).

Кривые гранулометрического состава песчано-пылевато-глинистых грунтов

Рис. 2. Кривые гранулометрического состава песчано-пылевато-глинистых грунтов:
1, 2 — тяжелая и легкая глина по классификации В. В. Охотина; 3 — суглинок; 4 — супесь; 5–7 — песок (5 — неоднородный, 6 — однородный, 7 — гравелистый)

В практическом отношении важно, что показатель текучести связан с прочностью, сжимаемостью и другими характеристиками грунта. Зная наименование глинистого грунта и значение его показателя текучести, можно оценить его строительные свойства и предвидеть поведение под нагрузками.

Плывунность, так же как и разжижаемость, присуща водонасыщенным мелкозернистым песчаным или песчано-пылевато-глинистым грунтам рыхлого сложения. Она проявляется при вскрытии пласта грунта горной выработкой. К разжижению приводит воздействие гидродинамического давления, т. е. большой перепад давлений воды в пласте и выработке. К такому же разжижению песков и переходу их в подвижное состояние приводит воздействие динамических нагрузок на песчано-коллоидные тиксотропные грунты.

А. Ф. Лебедев разделил плывуны на истинные, или «злостные» плывуны и псевдоплывуны, или пассивные.

Истинными плывунами называют водонасыщенные пески, содержащие пылевато-глинистые и коллоидные частицы. Эти грунты отличаются высокой (более 0,4) пористостью, плохо отдают воду, обладают низкими значениями коэффициента фильтрации, способны переходить в тиксотропное состояние под действием динамической нагрузки.

Псевдоплывуны — те же грунты, но без глинистых и коллоидных частиц. Они лучше отдают и фильтруют воду. Для разжижения псевдоплывунов требуется более высокое гидродинамическое давление.

Плывуны сильно затрудняют строительные и горнопроходческие работы. Известны случаи, когда попытки вычерпать плывун приводили к оседанию поверхности на расстоянии до 100 м.

Наиболее эффективным способом борьбы с истинными плывунами считается применение шпунтовых ограждений или закрепление их замораживанием, силикатизацией и т. д. Для борьбы с псевдоплывунами, кроме того, можно использовать осушение массива.

Может быть интересно
Определение физико-механических свойств грунтов в «Гектар Групп»

Определение физико-механических свойств грунтов — геологические исследования, которые проводятся на проектном этапе строительства с целью принятия грамотных проектных решений, в том числе выбора расположения объекта, типа фундамента и проведения необходимых расчетов.

Расчет оснований зданий и сооружений выполняется с использованием аналитических решений строительных норм и правил (СНиП), а также свода правил (СП) и численных методов расчета. 

Механические параметры грунтов, необходимые при расчете оснований зданий и сооружений с применением решений СНиП, указаны в таблице:

Зависимость между методами проектирования и методами определения параметров грунтов основания

В соответствии с нормативной базой, проектирование оснований зданий и сооружений допускается при давлениях на основание, не превышающих предела пропорциональности зависимости «напряжение – деформация». Или, как принято при проектировании оснований, при давлении не более расчетного сопротивления грунта основания.

Однако в настоящее время (при соответствующем обосновании) проектирование оснований зданий и сооружений допускается выполнять при давлении на основание более расчетного сопротивления грунта с использованием нелинейных зависимостей между напряжениями и деформациями.

В этом случае расчет оснований выполняется с применением численных методов, таких как метод конечных элементов, метод конечных разностей, метод граничных элементов. В эти нелинейные зависимости, называемые определяющими уравнениями или моделями грунтов, входят не только механические параметры, приведенные в табл. 1.1, но и ряд других дополнительных параметров.

Вид дополнительных параметров и их количество зависят от типа принятой модели грунта. 

Выбор типа фундамента и физико-механические свойства грунта

При проектировании оснований зданий и сооружений используются решения математической теории упругости для определения напряжений в массиве грунта. в теории упругости рассматривается поведение под нагрузкой идеально упругой среды и среды, в которой отсутствуют остаточные деформации. в реальных грунтах возникают как упругие, так и остаточные деформации, причем доля упругих деформаций по сравнению с остаточными значительно меньше. 

Вид нагрузки и тип фундамента определяют выбор решений теории упругости. в зависимости от условий нагружения на поверхности грунта в последнем могут возникнуть различные виды напряженного состояния. 

Различают напряженное состояние в условиях:

  • пространственной деформации;

  • осесимметричной деформации;

  • плоской деформации. 

Вид напряженного состояния определяется соотношением между компонентами напряжений и деформациями, которые они вызывают. Для каждого из видов напряженного состояния в теории упругости получены решения, которые позволяют определить как компоненты напряжений внутри упругой среды, так и деформацию ее поверхности. 

При определении напряжений в основании протяженных в плане фундаментов, насыпей, выемок, плотин, подпорных стен используются решения плоской задачи теории упругости (табл. 1.3).

Методы определения механических свойств грунта

Характеристики грунтов природного сложения, а также искусственного происхождения должны определяться, как правило, на основе их непосредственных испытаний в полевых или лабораторных условиях с учетом возможного изменения влажности грунтов в процессе строительства и эксплуатации сооружений.

Достоверными методами определения деформационных характеристик дисперсных грунтов являются полевые испытания статическими нагрузками в шурфах, дудках или котлованах с помощью плоских горизонтальных штампов площадью 2500–5000 см2, а также в скважинах или в массиве с помощью винтовой лопасти-штампа площадью 600 см2 (ГОСТ 20276). 

  • Для сооружений I и II уровней ответственности значения модуля деформации E по данным зондирования должны уточняться на основе их сопоставления с результатами параллельно проводимых испытаний того же грунта штампами, прессиометрами, а также в приборах трехосного сжатия (ГОСТ 12248). 

  • Деформационные характеристики грунтов оснований большепролетных зданий и зданий высотой более 25 этажей рекомендуется определять путем проведения полевых штамповых испытаний, прессиометрами и методом трехосного сжатия, полагая, что их значения по сравнению с лабораторными модулями деформации являются более реальными.  

1.2. Физические свойства грунтов

Вы здесь

Библиотека / Сорочан Е.А. Основания, фундаменты и подземные сооружения / Глава 1. Свойства грунтов

Сообщение об ошибке

Strict warning: Only variables should be passed by reference в функции duble_node() (строка 191 в файле /home/s/seryis/ofips.rf/public_html/sites/all/themes/adaptivetheme/at_ofips/template.php).

1.2.1. Характеристики плотности грунтов и плотности их сложения

Одной из основных характеристик грунта является плотность. Для грунтов различают: плотность частиц грунта ρs — отношение массы сухого грунта (исключая массу воды в его порах) к объему твердой части этого грунта; плотность грунта ρ — отношение массы грунта (включая массу воды в порах) к занимаемому этим грунтом объему; плотность сухого грунта ρd — отношение массы сухого грунта (исключая массу воды в его порах) к занимаемому этим грунтом объему (включая имеющиеся в этом грунте поры). Плотность частиц песчаных и пылевато-глинистых грунтов приведена в табл. 1.2.

ТАБЛИЦА 1.2. ПЛОТНОСТЬ ЧАСТИЦ ρs ПЕСЧАНЫХ И ПЫЛЕВАТО-ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ

Грунт ρs, г/см3
диапазон средняя
Песок 2,65—2,67 2,66
Супесь 2,68—2,72 2,70
Суглинок 2,69—2,73 2,71
Глина 2,71—2,76 2,74

Плотность грунта определяется путем отбора проб грунта ненарушенного сложения и последующего анализа в лабораторных условиях. В полевых условиях плотность грунта определяется зондированием и радиоизотопным методом, а для крупнообломочных грунтов — методом «шурфа–лунки».

Плотность сложения грунта (степень уплотненности) характеризуется пористостью n или коэффициентом пористости е и плотностью сухого грунта (табл. 1.3).

ТАБЛИЦА 1.3. РАСЧЕТНЫЕ ФОРМУЛЫ ОСНОВНЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ГРУНТОВ

Характеристики Формула
Плотность сухого грунта, г/см3 (т/м3) ρd = ρ/(1 + w)
Пористость % n = (1 – ρd /ρs)100
Коэффициент пористости e = n/(100 – n) или e = (ρs – ρd)/ρd
Полная влагоемкость ω0 = eρw /ρs
Степень влажности
Число пластичности Ip = ωL – ωp
Показатель текучести IL = (ω – ωp)/(ωL – ωp)

Плотность сложения песчаных грунтов определяется также в полевых условиях с помощью статического и динамического зондирования.

1.2.2. Влажность грунтов и характеристики пластичности пылевато-глинистых грунтов

Влажность грунтов определяют высушиванием пробы грунта при температуре 105°С до постоянной массы. Отношение разности масс пробы до и после высушивания к массе абсолютно сухого грунта дает значение влажности, выражаемое в процентах или долях единицы. Долю заполнения пор грунта водой — степень влажности Sr рассчитывают по формуле (см. табл. 1.3). Влажность песчаных грунтов (за исключением пылеватых) изменяется в небольших пределах и практически не влияет на прочностные и деформационные свойства этих грунтов.

Характеристики пластичности пылевато-глинистых грунтов — это влажности на границах текучести ωL и раскатывания ωp, определяемые в лабораторных условиях, а также число пластичности Ip и показатель текучести IL вычисляемые по формулам (см. табл. 1.3). Характеристики ωL, ωp и Iр являются косвенными показателями состава (гранулометрического и минералогического) пылевато-глинистых грунтов. Высокие значения этих характеристик свойственны грунтам с большим содержанием глинистых частиц, а также грунтам, в минералогический состав которых входит монтмориллонит.

Сорочан Е.А. Основания, фундаменты и подземные сооружения

ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГРУНТОВ — Студопедия

Методические указания

по выполнению лабораторных работ

по дисциплине «Механика грунтов»

для студентов, обучающихся по направлению "Строительство"

 

 

 
 

Ижевск

Издательство ИжГТУ

УДК 624.133

 

Р е ц е н з е н т Хетагури К.Б., главный инженер ООО "Строй-Эксперт"

 

С о с т а в и т е л и: Турчин В.В., канд. техн. наук; Крутиков В.А., канд. техн. наук; Токарев Ю.В., канд. техн. наук

 

Рекомендовано Советом факультета «Инженерно-строительного» к использованию в качестве учебно-методических материалов для использования в учебном процессе для направления 270100 «Строительство» по дисциплине «Механика грунтов» (протокол № 6 от «29.10.13»)

 

Рекомендовано к изданию на заседании кафедры "Геотехника и строительные материалы" ИжГТУ (протокол № 9 от 16.10.13 )

 

Методические указания по выполнению лабораторных работ по дисциплине «Механика грунтов» для студентов очной и заочной форм обучения по направлению «Строительство» / сост. В. В. Турчин, В. А. Крутиков, Ю. В. Токарев. - Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2013. – 20 с: ил.2

 

УДК 624.133

 

© Турчин В.В., Крутиков В.А., Токарев Ю.В., составление, 2013

© Издательство ИжГТУ, 2013

ВВЕДЕНИЕ

Лабораторные занятия по дисциплине «Механика грунтов» являются необходимой частью освоения курса. Методические указания разработана в соответствии с госу­дарственным образовательным стандартом и призвана ознакомить студента с основными задачами механики грунтов, определением напряженно-деформированного состояния грунтового массива в зависимости от действующих внешних факторов: статических и динамических нагрузок, предельного состояния грунтов, давления грунтов на ограждающие сооружения.


Лабораторная работа №1

ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГРУНТОВ

Для использования грунтов в инженерно-строительных целях необходимо знать следующие характеристики, определяющие их состояние и возможное его изменение под влиянием различных факторов. Физическое состояние грунтов устанавливается по основным физическим характеристикам (плотность грунта, плотность частиц грунта, природная влажность, границы пластичности – для глинистых грунтов).

Задание 1. Определение плотности грунта (естественной ненарушенной структуры) ρ и удельного веса грунта γ.

Плотностью грунта называется отношение массы грунта к занимаемому им объему [т/м3, г/см3].


Удельным весом грунта называется вес единицы объема грунта в его естественном состоянии [кН/м3].

Для определения плотности грунта необходимо измерить массу образца и определить его объем, сохранив естественное состояние грунта. Для связных грунтов используем метод режущего кольца, который состоит в задавливании в грунт цилиндрической обоймы известного объема, масса образца грунта находится по разности массы кольца с грунтом и собственной массой кольца, взвешенной заранее. Для определения массы грунта используют технические весы с точностью взвешивания до 0,01 г. Для определения размеров режущего кольца используется штангенциркуль.

Результаты измерений и вычислений заносят в таблицу. Проводится не менее 3 опытов. В качестве расчетного значения плотности грунта принимается среднеарифметическое значение.

 

Таблица 1. Определение плотности

№ п/п Размеры режущего кольца, см Масса, г Плотность г/см3
Высота Диаметр Объем см3 Кольца Кольца с грунтом Грунта
             
             
             

 

Плотность грунта_______________________ г/см3.

Удельный вес грунта γ = g *ρ = 9.81* ρ=____________________

 

Задание 2. Определение природной влажности грунта W.

 

Влажностью грунта называется отношение массы воды, содержащейся в порах грунта, к массе частиц грунта исследуемого образца.

Влажность определяется высушиванием образца грунта естественной влажности в сушильном шкафу - термостате при температуре 105°С до его постоянной массы.

Результаты испытаний заносятся в таблицу. Проводится не менее 3 опытов. В качестве расчетного значения влажности фута принимается среднеарифметическое значение.

 

Таблица 2. Определение влажности образцов

№ бюксов   Масса бюкса, г Масса, г Влажность грунта, % W=100m1/m2
пустого с влажным грунтом с сухим грунтом воды в грунте, m1 сухого грунта, m2
             
             
             

 

Влажность грунта W=% ,

в относительных единицах _________________________ .

Задание 3. Определение влажности глинистого грунта на грани­це текучести WL.

Влажность грунта на границе текучести соответствует влажности, при которой грунт переходит из пластичного состояния в текучее. Эта влажность соответствует такой влажности грунтовой пасты, при которой стандартный балансирный конус (массой 76 г с углом при вершине 30) погружается в грунт от собственного веса на глубину 10 мм.

После приготовления однородной массы грунта влажность на границе текучести определяется в той же последовательности, что и природная влаж­ность грунта.

 

Таблица 3. Определение влажности грунта

№№ бюксов   Масса бюкса, г Масса, г Влажность грунта, % W=100m1/m2
пустого с влажным грунтом с сухим грунтом воды в грунте, m1 сухого грунта, m2
             
             
             

 

Влажность на границе текучести = %

в относительных единицах ______________.

Задание 4. Определение влажности глинистого грунта на грани­це раскатывания Wр.

Влажность на границе раскатывания соответствует влажности, при которой грунт теряет пластичность и переходит в твердое состояние.

Влаж­ность на границе раскатывания определяется раскатыванием грунта в шнур. Качественно WР соответствует такому состоянию, когда шнур, сделанный из влажного грунта, при раскатывании до диаметра 3 мм (подсыхая при раска­тывании) начинает крошиться на отдельные кусочки по 1 см длиной. Кусочки грунта, потерявшие пластичность, собирают и помешают в подготовленные к опытам бюксы.

 

Таблица 4. Определение влажности на границе раската.

№№ бюксов   Масса бюкса, г Масса, г Влажность грунта, % W=100m1/m2
пустого с влажным грунтом с сухим грунтом воды в грунте, m1 сухого грунта, m2
             
             
             

Влажность на границе текучести =_________ %

в относительных единицах ______________.

Задание 5. Определение наименования и консистенции глини­стого грунта.

Число пластичности грунта характеризует величину интервала влаж­ности, в пределах которого грунт сохраняет пластичное состояние. Величина числа пластичности грунта отражает «глинистость» грунта, т.е. содержание в нем глинистых и коллоидных частиц.

По ГОСТ 25100-82 глинистые грунты в зависимости от числа пла­стичности подразделяются на:

1. Супеси Iр < 0.07

2. Суглинки IР = 0.07-0.17

3. Глины Iр>0.17

Число пластичности грунта Ip=WL-Wp =______________

 

По ГОСТ 25100-82 определяем наименование глинистого грунта.

Исследуемый грунт:_________________

Показателем консистенции называют числовую характеристику, по­казывающую в каком состоянии находится грунт в условиях естественного залегания.

 

Таблица 5. Классификация глинистых грунтов по консистенции.

Супеси Суглинки и глины
Консистенция IL Консистенция IL
Твердая < 0 Твердая < 0
Пластичная 0 – 1 Полутвердая 0 – 0,25
Текучая >1 Тугопластичная 0,25 – 0,50
    Мягкопластичная 0,50 - 0,75
    Текучепластичная 0,75 - 1
    Текучая >1

Показателем консистенции или индексом текучести служит выражение IL=(W-Wp) / Iр = (__________)/__________ =____________

По ГОСТ 25100-82 определяем, что исследуемый грунт имеет консистенцию

 

Полная классификационная характеристика исследуемого грунта:
_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Задание 6. Определение плотности частиц грунта ρs и удельного веса частиц грунта γѕ.

Плотностью частиц грунта называется отношение массы частиц образца грунта, высушенного при температуре 1050С до постоянной массы к их объёму [т/м3, г/см3].

Масса частиц грунта определяется взвешиванием на технических весах. Для определения объема частиц грунта используется пикнометр – тонкостенная колба из термостойкого стекла строго определенного объема.

Результаты измерений и вычислений заносят в таблицу. Проводится не менее 3 опытов. В качестве расчетного значения плотности частиц грунта принимается среднеарифметическое значение.

Плотность частиц грунта вычисляется по формуле:

ρs = ρw*mo/(mo+ m3+ m4)= _____________г/см3,

где ρw - плотность воды (1 г/см3)

 

Таблица 6. Определение плотности частиц грунта

№№ пик-ном. Масса пикнометра, г Масса навески сухого грунта, г Плотность частиц грунта, г/см3
пустого с сухим грунтом с грунтом и водой налитой до кольцевой риски
до кипячения после кипячения
m1 m2 m3 m4 mo= m2- m1 ρs
             
             
             

Плотность частиц грунта ρs =_________________г/см3

Удельный вес частиц грунта γs = g* ρs = 9.81* ρs =________кН/м

Плотность частиц грунта может быть определена по среднему значению для данного вида грунта по таблице.

 

Таблица 7. Среднее значение плотности частиц грунта

Наименование грунтов Среднее значение ρs, г/см3
пески 2,66
супеси 2,7
суглинки 2,71
глины 2,74

 

Плотность частиц исследуемого грунта ρs =______________г/см3

5. Физические характеристики грунтов.

Плотность грунта (г/см3, т/м3) - отношение массы грунта к его объему:

.

Удельный вес грунта (кН/м3): .

Влажность грунта - отношение массы воды к массе твердых частиц, выражаемое в долях единицы, иногда в процентах:

.

Плотность частиц грунта (г/см3, т/м3) определяется как отношение массы твердых частиц грунта к их объему:

.

6.Производные физические свойства грунтов.

Раличают два вида характеристик грунтов:

  • основные, которые определяют экспериментально, опытным путем;

  • производные, вычисляемые по формулам.

Основные характеристик: плотность грунта, плотность частиц грунта и влажность.

Плотность грунта – отношение массы грунта, включая массу воды в его порах, к занимаемому этой массой объему.  = (mт + mв)/(vт + vв) – г/см3 или т/м3

Плотность частиц грунта – отношение массы частиц грунта к занимаемому им объему.

s = mт /vт – г/см3 или т/м3

Влажность – все количество воды, содержащееся в грунте. Существует несколько показателей влажности:

а) естественная или природная влажность – все количество воды, которое содержится в порах грунта в его природных условиях;

б) весовая влажность – отношение массы воды к массе сухого грунта, выраженное в % (или абсолютная влажность) w = mв/mтх 100 %

в) полная влагоемкость – влажность, при которой все поры заполнены водой wsАт = е/s

г) относительная влажность – степень влажности показывает, какую часть объема пор в грунте занимает вода. Численно она равна отношению естественной влажности к полной влагоемкости Sr = w/ wsАт

Классификация грунтов по степени влажности:

Sr < 0,5 – маловлажные;

Sr > 1,0 – волонасыщенные;

Sr = от 0,5 до1,0 – влажные.

Плотность сухого грунта - отношение массы сухого грунта с ненарушенной структурой к занимаемому этим грунтом объему d = mт/(vт + vп).

Пористость – характеризует объем всех пустот в грунте. Пористость зависит от минерального состава и формирования грунта. Чем больше дисперсность грунта, тем больше его пористость n = vп /(vт + vп) х 100.

Коэффициент пористости отношение объема пор к объему твердых частиц е = vп / vт.

Удельный вес грунта (), удельный вес твердых частиц грунта (s)

 = g, здесь g = 9,81 м/сек2

s = gs Удельный вес грунта в сухом состоянии d = gd.

7. Для более полной оценки свойств грунтов помимо основных используют и дополнительные физические характеристики: гранулометрический состав, плотность грунта в сухом состоянии, коэффициент пористости, степень влажности, число пластичности и показатель текучести.

Плотность сухого грунта (плотностью скелета грунта) - отношение массы сухого грунта (частиц грунта) к объему всего грунта:

или . (1.5)

Пористость грунта - отношение объема пор ко всему объему грунта, что соответствует объему пор в единице объема грунта:

. (1.6)

Относительное содержание твердых частиц в единице объема грунта:

, тогда . (1.7)

Коэффициент пористости грунта - отношение объема пор к объему твердых частиц:

или . (1.8)

Степень влажности (степень водонасыщения) - отношение объема воды в порах грунта к объему пор и соответствует отношению влажности грунта к его полной влагоемкости:

или . (1.9)

По консистенции различают три состояния глинистого грунта: твердое, пластичное и текучее. Границами между этими состояниями являются характерные значения влажности, называемые границей раскатывания (нижний предел пластичности) играницей текучести (верхний предел пластичности) .

Число пластичности грунта - разница между границей текучести и границей раскатывания:

. (1.10)

Показатель текучести глинистого грунта:

.

11. Водопроницаемость грунтов

Водопроницаемостью грунтов называют способность их пропускать сквозь себя воду. Вода в порах грунтов может передвигаться под влиянием ряда причин: силы тяжести; внешнего давления; капиллярных сил; адсорбционных сил, развивающихся на поверхности раздела твердых частиц и воды; промерзания породы; давления газов и др. При инженерно-геологических и гидрогеологических исследованиях чаще всего практический интерес представляет передвижение воды под влиянием силы тяжести. Под капиллярным давлением воды в грунтах понимается их способность поднимать воду по капиллярным порам снизу вверх или в стороны вследствие воздействия капиллярных сил, которые возникают на границах раздела различных компонент грунта. В их основе лежат силы взаимодействия воды и воздуха с твердыми частицами грунта, проявляющиеся в смачивании последних, образовании в порах менисков и в других явлениях.

Физические свойства и классификация грунтов — Студопедия

В соответствии с [29] различают грунты скальные, крупнообломочные, песчаные, пылеватые и глинистые, и почвы. В отдельную группу выделяют искусственные грунты.

Физические свойства грунтов характеризуются следующими основными параметрами: плотностью, пористостью, пластичностью, влажностью. Одной из основных характеристик грунта является плотность.

Для грунтов различают:

· плотность частиц грунта рs – отношение массы сухого грунта (исключая массу воды в его порах) к объему твердой части этого грунта;

· плотность грунта р – отношение массы грунта (включая массу воды в порах) к занимаемому этим грунтом объему;

· плотность сухого грунта рd – отношение массы сухого грунта к занимаемому этим грунтом объему (включающие в этом грунте поры).

Плотность сложения грунта (степень уплотненности) характеризуется пористостью п или коэффициентом пористости е и плотностью сухого грунта.

Значение коэффициента е для грунтов меняется в довольно широких пределах. Для достаточно уплотненных грунтов е <1, если же е >1, то это показывает, что грунт весьма рыхлого, неуплотненного сложения, и строительство на таких грунтах требует специальных мер по искусственному их упрочнению.

Влажность грунтов определяется высушиванием грунта при t=105оС до постоянной массы. Отношение разности масс пробы до и после высушивания к массе абсолютно сухого грунта дает значение влажности, выражаемое в процентах или долях единицы. Долю заполнения пор грунта водой называют степенью влажности. Влажность песчаных грунтов (за исключением пылеватых) изменяется в небольших пределах и практически не влияет на прочностные и деформативные свойства этих грунтов.


Пластичность – свойство грунта под действием внешних сил не разрушаться и сохранять свою форму после устранения этих сил, причем свойствами пластичности грунт обладает только при определенных значениях влажности.

Грунты в зависимости от содержания пылевато-глинистых частиц делят на пластичные (пылевато-глинистые) и непластичные (песчаные). В зависимости от влажности пылевато-глинистые грунты могут быть в твердом, пластичном и текучем состоянии. Непластичные (песчаные) грунты сыпучи, в сухом состоянии не обладают свойствами пластичности.

По гранулометрическому составу классификация песков следующая:

· гравелистый (2мм) 25% (от массы воздушно-сухого грунта),


· крупный (0,5мм) 50%,

· средний (0,25мм) 50%,

· мелкий (0,1мм) 75%,

· пылеватый (0,025мм) 75%.

Песчаное основание значительной мощности дает быстро затухающую и равномерную осадку и не обладает свойствами пучения.

Среди нескальных грунтов выделяют крупнообломочные грунты – щебень, гальку, гравий. Они содержат по массе более 50% кристаллических и осадочных пород крупностью более 2мм, в отличие от песка, где их менее 50%.

Крупнообломочные грунты малосжимаемы и, как правило, дают под нагрузкой небольшие и равномерные осадки и не обладают пучинистостью.

Пески и крупнообломочные грунты по своим природным характеристикам служат хорошим основанием для зданий и сооружений.

К пылевато-глинистым грунтам относят супеси, суглинки, глины, илы, лессовые грунты. Лессовые грунты – это макропористые грунты, содержащие карбонаты кальция и способные при замачивании водой давать под нагрузкой просадку, легко размокать и размываться. Среди пылевато-глинистых грунтов необходимо выделить грунты также со специфическими неблагоприятными свойствами – при замачивании водой или химическими растворами грунты увеличиваются в объеме и без нагрузок.

Особую группу нескальных грунтов составляют грунты, характеризуемые значительным содержанием органических веществ, биогенные (заторфованные грунты, торфы, сапропели – пресноводные илы), которые не рекомендуется использовать в качестве основания для зданий и сооружений.

% PDF-1.4 % 692 0 объектов> endobj Xref 692 74 0000000016 00000 n 0000005716 00000 n 0000001776 00000 n 0000005883 00000 n 0000006011 00000 n 0000006610 00000 n 0000006719 00000 n 0000007069 00000 n 0000007095 00000 n 0000007445 00000 n 0000007471 00000 n 0000007614 00000 n 0000007757 00000 n 0000008943 00000 n 0000010146 00000 n 0000011320 00000 n 0000011463 00000 n 0000011840 00000 n 0000011866 00000 n 0000012319 00000 n 0000012345 00000 n 0000012487 00000 n 0000013570 00000 n 0000013924 00000 n 0000013950 00000 n 0000014261 00000 n 0000014287 00000 n 0000014640 00000 n 0000014666 00000 n 0000015017 00000 n 0000015043 00000 n 0000015186 00000 n 0000015319 00000 n 0000015461 00000 n 0000015604 00000 n 0000016483 00000 n 0000017192 00000 n 0000017323 00000 n 0000017349 00000 n 0000017643 00000 n 0000018320 00000 n 0000025168 00000 n 0000025532 00000 n 0000026393 00000 n 0000028744 00000 n 0000032756 00000 n 0000033552 00000 n 0000033691 00000 n 0000033886 00000 n 0000034276 00000 n 0000034345 00000 n 0000034570 00000 n 0000034759 00000 n 0000036722 00000 n 0000036791 00000 n 0000036860 00000 n 0000039386 00000 n 0000039590 00000 n 0000039877 00000 n 0000040131 00000 n 0000040336 00000 n 0000040405 00000 n 0000042477 00000 n 0000042682 00000 n 0000042963 00000 n 0000044146 00000 n 0000044215 00000 n 0000044410 00000 n 0000044615 00000 n 0000045755 00000 n 0000045824 00000 n 0000046855 00000 n 0000047060 00000 n 0000047225 00000 n прицеп ] >> startxref 0 %% EOF 694 0 объект> поток xYiXSg &! d "$% h5` ط [PfDe $" j'i) d! KD @.hE˦Q ܊3 H% LLg

.
1. ФИЗИКА ПОЧВЫ И ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЧВЫ НАУКА ПОЧВ

Транскрипция

1 1. ФИЗИКА ПОЧВЫ И ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЧВЫ НАУКА ПОЧВЫ Для начала определим почву как выветрившийся и фрагментированный внешний слой земной поверхности Земли. Первоначально он образуется в результате распада, разложения и перекомпоновки минерального материала, содержащегося в открытых породах, в результате физических, химических и биологических процессов.Модифицированный таким образом материал дополнительно обусловлен активностью и накопленными остатками многочисленных микроскопических и макроскопических организмов (растений и животных). В ряде процессов, которые могут потребовать сотни или даже тысячи лет и которые называются почвообразованием, рыхлые обломки фрагментов породы превращаются в более или менее стабильное, внутренне упорядоченное, активно функционирующее естественное тело. В конечном итоге это приводит к формированию характерного профиля почвы, который напоминает слоеный пирог.Мы можем визуализировать почвенный профиль как составное живое тело, так же, как мы думаем о человеческом теле как об отдельном организме, хотя в действительности это ансамбль многочисленных взаимозависимых и симбиотически согласованных групп органелл, клеток, органов, и колонии бесчисленных организмов. Почвоведение - это изучение почвы во всех ее разветвленных проявлениях и аспектах: в качестве центрального звена в биосфере, в качестве среды для производства сельскохозяйственной продукции и в качестве сырья для промышленности и строительства.Как таковой, он имеет общие интересы с геологией, седиментологией, земной экологией и геоботаникой, а также с такими прикладными науками, как агрономия и инженерия. Из-за различных интересов и проблем, почвоведение обычно делится на несколько подразделений, включая почвоведение (почвообразование 3

2 4 ГЛАВА 1 ФИЗИКА И ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ почв и классификация), химия почв, минералогия почв, биология почв, почва плодородие и механика почвы.Однако такие различия часто бывают произвольными, потому что на самом деле все науки об окружающей среде неразрывно связаны между собой. ФИЗИКА ПОЧВЫ Физика почв является одним из основных подразделений почвоведения. Он стремится определять, измерять и прогнозировать физические свойства и поведение почвы как в ее естественном состоянии, так и под влиянием человеческой деятельности. Как физика имеет дело в целом с формами и взаимодействиями вещества и энергии, так и физика почвы имеет дело конкретно с состоянием и движением вещества, а также с потоками и преобразованиями энергии в почве.С одной стороны, фундаментальное исследование физики почв направлено на понимание механизмов, управляющих такими процессами, как обмен земной энергией, круговорот воды и переносимых материалов, а также рост растений в поле. С другой стороны, практическое применение физики почвы направлено на надлежащее управление почвой посредством обработки почвы, ирригации, осушения, аэрации, улучшения структуры почвы, контроля инфильтрации и испарения, регулирования температуры почвы и предотвращения эрозии. ,Таким образом, физика почв является фундаментальной и прикладной наукой с очень широким кругом интересов. Изучение науки о почве в целом и физики почвы в частности обусловлено не только врожденным любопытством, которое является главным творческим импульсом нашего вида, но и насущной необходимостью. Усиливающееся давление населения и развития привело к уменьшению почвенных ресурсов нашей маленькой планеты и привело к их нерациональному использованию и деградации в слишком многих частях мира. Поскольку почва не является изолированной средой, но находится в постоянном динамическом взаимодействии с более обширной средой, физика почвы является аспектом более всеобъемлющей области физики окружающей среды (иногда называемой биосферной физикой) и общей науки геофизики.Ранние физики почвы интересовались прежде всего инженерными и сельскохозяйственными аспектами своей дисциплины, поэтому их исследования были сосредоточены на почве в качестве материала для строительства или в качестве средства для производства сельскохозяйственных культур. В последние десятилетия все большее внимание уделяется экологическим аспектам и приложениям физики почв. Следовательно, исследования в области физики почв расширили сферу охвата, включив в нее явления, связанные с природными экосистемами и процессами, влияющими на качество окружающей среды.В настоящее время процессы, происходящие в почве, в настоящее время влияют на всю земную среду, включая местный и региональный климат, естественную пищевую цепь, биоразнообразие и судьбу огромных отходов нашей цивилизации (среди которых много патогенных и токсических агентов). Все чаще основная проблема физики почв смещается от лаборатории к области и от ограниченного одномерного представления к обширному трехмерному представлению, взаимодействующему с областями родственных дисциплин, таких как метеорология и климатология, гидрология, экология и геохимия. ,Большая область физики почв в настоящее время включает в себя большую сложность и изменчивость в пространстве и времени, обработка которых требует использования как стохастических, так и детерминистических методов. Следовательно, наука становится все более интересной и актуальной.

3 ПРОФИЛЬ ПОЧВ 5 Задача физики почвы усложняется из-за огромной и непонятной запутанности среды, содержащей множество минеральных и органических компонентов, все они нерегулярно фрагментированы и по-разному связаны в геометрической структуре, которая настолько сложна и лабильна, что ее сложно решить. наше воображение и описательные силы.Часть твердого материала состоит из кристаллических частиц, а часть состоит из аморфных гелей, которые могут покрывать кристаллы и изменять их поведение. Твердая фаза в почве взаимодействует с жидкостями, водой и воздухом, которые проникают в поры почвы. Вся почва почти никогда не находится в равновесии, поскольку она попеременно смачивает и высыхает, разбухает и сжимается, рассеивается и флоккулирует, затвердевает и размягчается, нагревается и охлаждается, замерзает и оттаивает, уплотняет и растрескивается, поглощает и выделяет газы, адсорбирует и выделяет обменные ионы, растворяет и осаждает соли, становится кислым или щелочным и проявляет аэробные или анаэробные условия, приводящие к химическому окислению или восстановлению.ПРОФИЛЬ ПОЧВЫ Наиболее очевидной частью любого грунта является его поверхностная зона. Через него вещество и энергия переносятся между почвой и атмосферой. Поверхность может быть гладкой или без косточек, зернистой или покрытой коркой и трещинами, рыхлой или твердой, ровной или наклонной, с растительностью или паром, мульчированной или открытой. Такие условия влияют на процессы радиационного и теплообмена, движения воды и растворенного вещества, а также диффузию газов. Несмотря на то, что поверхность важна, она не обязательно отображает характер почвы в целом.Чтобы описать последнее, мы должны подробно изучить почву. Мы можем сделать это, выкопав траншею и разделив почву от поверхности вниз, таким образом выявляя то, что обычно называют профилем почвы. Профиль почвы, как правило, состоит из последовательности более или менее различных слоев. Это может происходить из-за характера осаждения или осаждения, что можно наблюдать на ветро-осажденных (эоловых) почвах и особенно на осажденных водой (аллювиальных) почвах. Если, однако, пласты образуются в результате внутренних почвообразующих (педогенных) процессов, они называются горизонтами.Верхний слой, или горизонт, является зоной основной биологической активности и поэтому обычно обогащен органическим веществом и имеет более темный цвет, чем подстилающая почва. Здесь растения и животные и их остатки взаимодействуют с чрезвычайно разнообразным и лабильным множеством микроорганизмов, таких как бактерии, простейшие и грибки, миллионы которых можно найти в небольшом количестве верхнего слоя почвы. Кроме того, обычно существуют различные формы макроорганизмов (в том числе дождевых червей, членистоногих и грызунов), которые роются в почве.Горизонт А, как правило, является наиболее плодородной зоной почвы, но он также является зоной, наиболее уязвимой для эрозии под воздействием воды и ветра (особенно если он лишен растительного покрова или его защитных остатков). Под горизонтом A находится горизонт B, где некоторые материалы (например, глина или карбонаты), которые выщелачиваются из горизонта A просачивающейся водой, имеют тенденцию накапливаться. Горизонт В часто толще горизонта А. Давление вышележащего грунта имеет тенденцию уменьшать пористость более глубоких слоев.В некоторых случаях чрезмерно плотный или уплотненный горизонт В может препятствовать газообмену, дренажу воды и проникновению корней.

4 6 ГЛАВА 1 ФИЗИКА ПОЧВЫ И ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЧВЫ В основе горизонта B лежит горизонт C, который является исходным материалом почвы. В почве, сформированной из коренной породы на месте (называемой остаточной почвой), горизонт С состоит из выветрившегося и фрагментированного горного материала. В других случаях горизонт С может состоять из аллювиальных, эоловых или ледниковых отложений.Характер профиля зависит в первую очередь от климата, который преобладал в процессе почвообразования. Это также зависит от исходного материала, растительности, топографии и времени. Эти пять переменных известны как факторы почвообразования (Fanning and Fanning, 1989). Зрелые почвы таковы, что подвергались воздействию этих факторов в течение достаточного периода времени, так что имело место полное развитие профиля. Последовательность горизонтов A, B, C хорошо распознается в некоторых случаях, например, в типичной зональной почве (т.е.почва, связанная с определенной климатической зоной), такая как подзол (также известный как сподозол). В других случаях отчетливо не виден горизонт В, и почва тогда характеризуется профилем А, С. В недавнем аллювии едва различима профиль. Типичное развитие почвы и ее профиль, называемый педогенезом (Buol et al., 2003), можно резюмировать: оно начинается с физического разрушения обнаженного скального образования, которое обеспечивает исходный материал почвы.Постепенно разрыхленный материал колонизируется живыми организмами. Последующее накопление органических остатков на поверхности и под ней вызывает развитие заметного горизонта. Этот горизонт может приобретать агрегированную структуру, которая до некоторой степени стабилизируется гелеобразными компонентами комплекса органического вещества (известного как гумус) в результате разложения растительных и животных остатков. Продолжающееся выветривание (разложение и перекомпоновка) минералов может привести к образованию глины.Некоторая часть образовавшейся глины имеет тенденцию мигрировать вниз вместе с другими переносимыми материалами (такими как растворимые соли) и накапливаться в промежуточной зоне (горизонт В) между поверхностной зоной основной биологической активности и более глубоким исходным материалом так называемый горизонт С. Важными аспектами почвообразования и развития профиля являются двойные процессы элюции и иллювиации (вымывание и промывание, соответственно), когда глина и другие вещества эмигрируют из вышележащего элювиального горизонта А и накапливаются в нижележащем иллювиальном горизонте В.Два горизонта существенно различаются по составу и структуре. В ходе этих процессов профиль в целом углубляется по мере постепенного преобразования верхней части горизонта C. До тех пор, пока в конечном итоге не будет достигнуто квазистабильное состояние, при котором контрпроцессы почвообразования и эрозии почвы более или менее сбалансированы. В естественном состоянии горизонт А может иметь толщину в метрах. При удалении от растительного покрова и измельчении или уплотнении в результате обработки почвы или движения этот горизонт может потерять половину или более своей первоначальной толщины в течение нескольких десятилетий.В засушливых регионах соли, такие как сульфат кальция и карбонат кальция, растворенные в верхней части почвы, могут выпадать на некоторой глубине в осадок, образуя цементированную кастрюлю (иногда называемую калишей, от испанского слова «лайм»). Эрозия горизонта А может вывести горизонт В на поверхность. В крайних случаях, как горизонты А, так и В могут размыться естественной или антропогенной эрозией, так что горизонт С подвергается воздействию, и тогда может начаться новый цикл почвообразования. В других случаях зрелая почва может быть покрыта новым слоем отложений (аллювиальным или эоловым), так что новая почва может образовать более

5 ПРОФИЛЬ ПОЧВЫ 7 закопанная старая почва.В тех случаях, когда эпизоды осаждения происходят многократно в течение длительного периода времени, последовательность почв может формироваться последовательно, таким образом регистрируя почвенную историю, называемую палеопедологией региона (включая свидетельство климата и растительности, которые преобладали во время каждого из них). формирование профиля). Возможны многочисленные вариации описанных процессов в зависимости от местных условий. Например, характерная глубина почвы варьируется от места к месту. Почвенные долины, как правило, глубже холмистых почв, а глубина последних зависит от крутизны склонов.Местами глубину профиля трудно определить, потому что почва смешивается с исходным материалом без какой-либо четкой границы. Тем не менее, зона ВСТАВКИ 1.1 Физика почвы и окружающая среда По мере роста населения и повышения уровня жизни требования к сельскохозяйственным продуктам чрезвычайно возросли. Больше земель было занято обработкой, включая маргинальные земли, которые особенно уязвимы для деградации в результате таких процессов, как эрозия, истощение органических веществ и питательных веществ, загрязнение, заболачивание и засоление.Другие формы землепользования - города, дороги, фабрики, аэропорты, откормочные площадки, места захоронения отходов и места отдыха и развлечений - захватывают все больше земель. Следовательно, область, остающаяся для естественных экосистем, сократилась и была разделена на более мелкие анклавы в ущерб многочисленным видам. Взаимные сдержки и противовесы, которые долгое время поддерживали богатое разнообразие жизни на Земле, теперь находятся под угрозой из-за аппетита человека к ресурсам и из-за их бессмысленного использования и утилизации отходов.Следовательно, задача состоит в том, чтобы обеспечить потребности людей способами, которые являются устойчивыми на местном уровне и не наносят ущерба окружающей среде в целом. Два альтернативных подхода были предложены, чтобы предотвратить дальнейшее разрушение оставшихся естественных экосистем и уменьшить давление на хрупкие маргинальные земли. Один из способов - ограничить деятельность человека областями выбора, где производство может быть интенсифицировано. Это требует оптимизации всех производственных факторов для достижения максимальной эффективности использования почвы, воды, энергии и других необходимых ресурсов (например,г., питательные вещества и меры борьбы с вредителями). Проблемы заключаются в том, что почвенные процессы трудно контролировать, и, поскольку почва представляет собой открытую систему, постоянно взаимодействующую с окружающей средой, трудно предсказать запаздывающие и удаленные по времени последствия почвенных процессов. Полный контроль над сельскохозяйственным производством в конечном итоге может быть достигнут только в закрытых помещениях, таких как теплицы или на закрытых полях. Другой подход заключается в разработке более натуралистических способов производства, которые совместимы с окружающей средой и не требуют радикальной изоляции производства от соседних экосистем.Этот агроэкосистемный подход иллюстрируется тенденциями органического земледелия и агролесоводства. В любом случае, физические свойства и процессы почвы имеют первостепенное значение. Физические факторы оказывают сильное влияние на то, будет ли почва прохладной или теплой, анаэробной или аэробной, влажной или сухой, компактной или высокопористой, твердой или рыхлой, диспергированной или агрегированной, непроницаемой или проницаемой, эрозированной или консервированной, не засоленной или не содержащей соли, выщелоченной или богатые питательными веществами. Все это, в свою очередь, определяет, может ли почва быть благоприятной или неблагоприятной средой для различных типов растений и других живых организмов, а также для альтернативных способов производства; короче говоря, можно ли продуктивно и устойчиво управлять почвой при нейтрализации, а не переносе загрязнителей окружающей среды.

6 8 ГЛАВА 1 ФИЗИКА И ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЧВЫ Биологическая активность редко простирается ниже 23 метров и во многих случаях меньше 1 метра. ПОЧВЫ РАЗЛИЧНЫХ РЕГИОНОВ Каждая климатическая зона имеет характерную группу почв. Во влажных тропиках наблюдается тенденция растворять и вымывать кремнезем и накапливать оксиды железа и алюминия. В результате почвы обычно окрашены в красный цвет, оттенок окисленного железа. Куски или блоки, извлеченные из таких почв и высушенные на солнце, могут затвердеть, образуя кирпичи; следовательно, эти почвы называются латеритами, от латинского слова позже, что означает кирпич.С другой стороны, почвы влажных прохладных областей часто имеют горизонт А, состоящий из тонкого поверхностного слоя, затемненного органическим веществом и подстилаемого отбеленным пепловидным слоем; в свою очередь, это перекрывает обогащенный глиной горизонт В. Эта почва была названа подзолями ранними русскими педологами (от русских слов pod = земля и зола = пепел) и известна как сподозоли в современной американской системе. В почвах, которые плохо дренированы (заболочены), могут наблюдаться условия химического восстановления профиля, на что указывают полосы изменения цвета (пятнистость).В отличие от почв влажных областей, из которых выщелочены почти все легко растворимые соли, почвы засушливых областей имеют тенденцию осаждать умеренно растворимые соли кальция и магния. (Особенно распространены скопления карбоната кальция [известь] и сульфата кальция [гипс].) При определенных условиях почвы аридной зоны могут даже накапливать более легко растворимые соли натрия (NaCl и Na 2 CO 3) и калия. Такие почвы подвержены чрезмерному засолению, в крайних случаях они становятся практически стерильными.Орошаемые почвы в плохо дренированных речных долинах засушливых районов особенно подвержены процессу засоления. Когда такие почвы выщелочены из избытка солей, их необходимо обработать почвенными добавками (такими как гипс), чтобы заменить заменяемые ионы натрия кальцием, чтобы ион натрия не стал причиной рассеивания глины и разрушения структуры почвы. Выдающаяся почва, сформировавшаяся естественным образом в некоторых промежуточных полувлажных и полузасушливых регионах (например, на Украине, в Аргентине и прерийных штатах Северной Америки, так называемый кукурузный пояс Соединенных Штатов), представляет собой почву, классически называемую черноземом (по-русски для чернозема) с его необычайно густой, гумусовый, плодородный горизонт.В то время как российские педологи были первыми, кто разработал универсальную систему классификации почв более столетия назад, другие школы педологии с тех пор предложили альтернативные таксономии, которые, как утверждают, были более подробными и всесторонними. Среди них следует упомянуть системы, предлагаемые Продовольственной и сельскохозяйственной организацией США, а также системы, разработанные в рамках исследования почвы в США. Каждая система распознает сотни типов почв и их варианты. В качестве иллюстрации мы представляем гипотетический профиль почвы на рис. Это не типичная почва, поскольку среди множества различных типов почв, признанных педологами, ни один тип не может считаться типичным.Наша фигура предназначена только для того, чтобы предложить вид контрастов по внешнему виду и структуре между различными горизонтами, которые могут встречаться в профиле почвы. Педологи классифицируют почвы по способу формирования (генезиса) и распознаваемым свойствам (см. Рис. 1.2).

7 ПОЧВЫ РАЗЛИЧНЫХ РЕГИОНОВ 9 Поверхностная мульча A Горизонт B Горизонт C Горизонт Горизонт Рис. Схематическое изображение гипотетического профиля почвы. Горизонт A показан с агрегированной крошечной структурой, горизонт B с столбчатой ​​структурой и горизонт C с не полностью выветренными фрагментами породы.Solum (истинная почва) Regolith (выветрившийся материал) 0 горизонт (растительные остатки) A горизонт (зона элюции) B горизонт (зона иллювиации) A1 A2 A3 B1 B2 B3 Не разложившийся мусор Частично разложившийся мусор Зона накопления гумуса Зона сильнейшего выщелачивания Переходный к горизонту B Переход к горизонту A Зона максимальной освещенности Переход к горизонту C горизонт C (исходный материал) C Неконсолидированная порода R Слой (коренная порода) R Консолидированная порода Рис. Описательная терминология для горизонтов профиля почвы.

8 10 ГЛАВА 1 ФИЗИКА И ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЧВЫ Почва как разнородная трехфазная система Термин «система» относится к группе взаимодействующих, взаимосвязанных или взаимозависимых элементов, составляющих интегрированный объект. Поскольку вся природа на самом деле является интегрированной сущностью, определение любого домена в природе как системы является, по общему признанию, произвольным упражнением. Мы решили сделать это по соображениям удобства, поскольку наши собственные ограничения не позволяют нам справляться со всей сложностью природы одновременно.Однако та часть природы, на которой мы можем в любой момент сосредоточить свое внимание, обязательно является подсистемой внутри более крупной системы, с которой наша система постоянно взаимодействует. Способы взаимодействия обычно включают в себя передачу или обмен материалов и энергии. Системы могут сильно различаться по размеру, форме и степени сложности. Они могут состоять из одного или нескольких веществ и из одной или нескольких фаз. Самая простая система - это система, состоящая из одного вещества, которое обладает одинаковыми физическими свойствами.Примером такой системы является водоем, состоящий полностью из однородного льда. Такая система является однородной. Система, состоящая из одного химического соединения, также может быть гетерогенной, если это вещество проявляет различные свойства в разных областях системы. Область, которая физически однородна внутри, называется фазой. Например, смесь льда и жидкой воды химически однородна, но физически неоднородна, поскольку включает две фазы. Три обычных фазы в природе - это твердая, жидкая и газообразная фазы.Система, содержащая несколько веществ, также может быть монофазной. Например, раствор соли и воды представляет собой однородную жидкость. Система из нескольких веществ также может быть неоднородной. В гетерогенной системе свойства могут различаться не только между одной фазой и другой, но также между внутренними частями каждой фазы и границами раздела, через которые фаза вступает в контакт друг с другом. Интерфейсы демонстрируют специфические явления, возникающие в результате взаимодействия фаз. Важность таких явлений (в том числе адсорбции, поверхностного натяжения и трения) при определении поведения системы в целом зависит от величины межфазной площади на единицу объема системы.Системы, в которых по меньшей мере одна из фаз подразделяется на множество мельчайших частиц, которые вместе представляют очень большую межфазную площадь на единицу объема, обычно называют дисперсными системами. Коллоидные золи (включая аэрозоли), гели, эмульсии и аэрозоли являются примерами дисперсных систем. Почва представляет собой гетерогенную, многофазную, дисперсную и пористую систему, состоящую из частиц, с большой площадью раздела на единицу объема. (Например, пригоршня глины может иметь площадь внутренней поверхности в несколько гектаров, причем гектар равен 2.5 соток!). Дисперсный характер почвы и ее последующая межфазная активность приводят к таким явлениям, как адсорбция воды и химических веществ, капиллярность, ионный обмен, набухание и усадка, рассеивание и флокуляция. Три фазы обычной природы представлены в почве следующим образом: твердая фаза образует почвенную матрицу; жидкая фаза - это вода в почве, которая всегда содержит растворенные вещества, поэтому ее следует правильно называть почвенным раствором; и газообразная фаза - это почвенная атмосфера.Твердый матрикс почвы состоит из частиц, которые различаются по химическому и минералогическому составу, а также по размеру, форме и ориентации. Он также содержит аморфные вещества, в частности органическое вещество, которое прикрепляется к минеральным зернам

9 ПОЧВА КАК ДИСПЕРСНАЯ ТРЕХФАЗНАЯ СИСТЕМА 11 Вода Воздух Минеральное вещество Органическое вещество Рис Схематический состав (по объему) почвы со средней текстурой на состояние считается оптимальным для роста растений.Обратите внимание, что твердое вещество составляет 50%, а поровое пространство - 50% объема почвы, причем последний делится поровну между водой и воздухом. стрелки показывают, что вода и воздух связаны между собой, так что увеличение одного связано с уменьшением другого. и могут связывать их вместе в совокупности, называемые агрегатами. Организация твердых компонентов почвы определяет геометрические характеристики поровых пространств, в которых вода и воздух передаются и удерживаются. Наконец, почвенная вода и почвенный воздух различаются по составу как во времени, так и в пространстве.Относительные пропорции трех фаз в почве не фиксированы, а постоянно изменяются в зависимости от таких переменных, как погода, растительность и управление. На рисунке 1.3 представлен гипотетический объемный состав почвы со средней текстурой в условиях, которые считаются приблизительно оптимальными для роста растений. ВСТАВКА 1.2 Концепция типичного элементарного объема Некоторые свойства почвы (например, температура) могут быть измерены в некоторой точке, тогда как другие свойства зависят от объема. Предположим, мы хотим измерить некоторые зависящие от объема свойства почвы, такие как пористость.Если наш образец очень маленький, скажем, размер отдельной частицы или поры, измеренная пористость может варьироваться от нуля до 100 процентов, в зависимости от точки, в которой мы проводим измерения (будь то частицы или поры). Если мы измеряем пористость несколько раз в нескольких соседних точках, результаты будут сильно колебаться. Однако, если мы увеличим масштаб или объем каждого образца, чтобы охватить его как частицами, так и порами, флуктуации между повторными измерениями в соседних местах уменьшатся.Если мы будем продолжать увеличивать образец постепенно, мы в конечном итоге получим последовательное измерение средней пористости почвы. Минимальный объем образца, необходимый для получения согласованного значения измеряемого параметра, был назван репрезентативным элементарным объемом (REV) (Bear, 1969). Очевидно, что REV становится больше в почвах, которые сильно агрегированы (а также в почвах с трещинами или иным образом неоднородными), чем в более однородных почвах. Проблема с концепцией REV состоит в том, что разные параметры могут демонстрировать разные пространственные или временные закономерности, поэтому REV для одного параметра или свойства может отличаться от таковых для других параметров.То есть каждое свойство может иметь свой характерный масштаб. Еще более серьезным может быть сбой концепции REV в случае структурированных полей, то есть в полях, которые систематически меняются в одном или другом направлении. В таких полях увеличение размера измеряемой выборки может вообще не давать постоянного значения.

10 12 ГЛАВА 1 ФИЗИКА И ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЧВЫ ОБЪЕМ И МАССОВЫЕ ОТНОШЕНИЯ СОСТАВА ПОЧВЫ Рассмотрим соотношения объема и массы между тремя фазами почвы и определим некоторые основные параметры, которые могут помочь в характеристике почвы физически.Рисунок 1.4 представляет собой схематическое изображение гипотетической почвы, в которой три фазы были разделены и сложены одна над другой с целью показать их относительные объемы и массы. На рисунке справа указаны массы фаз: масса воздуха M a, которая ничтожна по сравнению с массами твердых веществ и воды; масса воды М ш; масса сухих веществ M s; и общая масса M т. (Эти массы также могут быть представлены в терминах их весов, являющихся произведением каждой массы и гравитационного ускорения.) Объемы тех же компонентов указаны в левой части диаграммы: объем воздуха V a, объем воды V w, объем пор V f = V a + V w, объем твердых веществ V s и общий объем репрезентативной выборки V т. На основе этой диаграммы теперь мы можем определить термины, которые обычно используются для выражения количественных взаимосвязей трех основных почвенных фаз. Плотность твердых частиц (средняя плотность частиц) ρ s ρ s = M s / V s (1.1) В большинстве минеральных почв средняя масса на единицу объема твердых частиц составляет около кг / м 3.Это близко к плотности кварца, который обычно является наиболее распространенным минералом в самой крупной фракции почвы. Некоторые из минералов, составляющих лучшую фракцию почвы, имеют одинаковую плотность. Однако присутствие оксидов железа и различных других тяжелых минералов (обычно определяемых как минералы с плотностью, превышающей 2900 кг / м 3) увеличивает среднее значение ρ s, тогда как присутствие органического вещества низкой плотности, как правило, связано с объемом. V a Воздух M a ~ OV f V w Вода M w M t V t M s V s Твердые частицы Рис. Схема почвы как трехфазной системы.

11 Плотность в сухом состоянии ρ b ρ b = M s / V t = M s / (V s + V a + V w) (1.2) Удельный объем в сухом состоянии vbvb = V t / M s = 1 / ρ b (1,4 ОБЪЕМ И МАССОВЫЕ ОТНОШЕНИЯ СОЧИНЕННЫХ ПОЧВ 13 понижают среднюю плотность твердой фазы. Иногда плотность выражается через удельный вес, g, который представляет собой отношение плотности любого материала к плотности воды при 4 ° С и при атмосферном давлении. Последняя плотность составляет около 1000 кг / м 3, поэтому удельный вес твердой фазы в типичной минеральной почве составляет около 2.65, значение, которое численно (но не размерно) равно плотности, выраженной в cgs. система единиц (г / см 3). Насыпная плотность сухого вещества выражает отношение массы твердых веществ к общему объему почвы (твердые частицы и поры вместе). Очевидно, что ρ b всегда меньше, чем ρ s. Если поры составляют половину объема, то ρ b составляет половину от ρ s, а именно, около кг / м 3, что эквивалентно насыпному удельному весу (то есть отношению объемной плотности почвы к плотности воды в стандартных условиях ) Объемный удельный вес песчаных почв с относительно небольшим объемом пор может достигать 1.6, тогда как у агрегированных суглинков и глинистых почв может быть ниже 1,2. В то время как средняя плотность частиц обычно постоянна, объемная плотность очень лабильна. На него влияет структура почвы, то есть ее рыхлость или степень уплотнения, а также ее характеристики набухания и усадки. Последние зависят как от содержания глины, так и от содержания воды. Однако даже в чрезвычайно уплотненных почвах объемная плотность остается заметно ниже, чем плотность твердого вещества, поскольку частицы никогда не могут идеально сцепляться.Несмотря на то, что поровое пространство может быть уменьшено путем уплотнения, оно никогда не может быть устранено. Общая (влажная) насыпная плотность ρ t ρ t = M t / V t = (M s + M w) / (V s + V a + V w) (1.3) Это выражение общей массы влажной почвы. за единицу объема. Как таковой, этот параметр зависит сильнее, чем объемная плотность сухого вещества, от влажности почвы или содержания воды. Объем единицы массы сухого грунта (обратная величина сухой насыпной плотности) служит еще одним полезным показателем степени рыхлости или уплотнения почвенного тела.Пористость f f = V f / V t = (V a + V w) / (V s + V a + V w) (1.5) Пористость является показателем относительного порового пространства в почве. Его значение обычно колеблется от 0,3 до 0,6 (30–60%). Грунтованные почвы имеют тенденцию быть менее пористыми, чем мелкозернистые почвы, хотя средний размер отдельных пор больше в первом. В глинистых почвах пористость сильно варьируется, поскольку почва попеременно набухает, сжимается, агрегирует, рассеивается, уплотняется и образует трещины. Как обычно определяется

12 14 ГЛАВА 1 ФИЗИКА ПОЧВЫ И ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЧТЫ, термин пористость относится к объемной доле пор, и это значение должно быть в среднем равным ареальной пористости (доле пор в репрезентативном поперечном сечении). -секционная площадь), а также средней линейной пористости (дробная длина пор по прямой линии, проходящей через грунт в любом направлении).Тем не менее, общая пористость ничего не показывает о размерах или формах различных пор в почве. Коэффициент пустотности ee = V f / V s = (V a + V w) / (V t V f) (1.6) Коэффициент пустот также является показателем дробного порового пространства, но он связывает это пространство с объемом твердых частиц а не к общему объему почвы. Как таковой, он колеблется между 0,3 и 2. Преимущество этого индекса перед предыдущим состоит в том, что в случае е любое изменение объема пор влияет только на числитель определяющего уравнения, тогда как в случае f такое изменение влияет и числитель и знаменатель.Коэффициент пустотности является индексом, обычно предпочитаемым почвенными инженерами, в то время как пористость чаще используется агрономами. Пример задачи. Докажите следующее отношение пористости к плотности частиц и насыпной плотности: уравнение как V f / V t = 1 (M s / V t) / (M s / V s) Упрощая правую часть, получаем V f / V t = 1 (V s / V t) = (V t V s) / V t Но так как V t V s = V f, мы имеем V f / V t = V f / V t влажность почвы (содержание воды) Содержание воды в почве может быть выражено различными способами: относительная к массе твердых веществ, или к общей массе, или к объему твердых веществ, или к общему объему, или к объему пор.Различные индексы определяются следующим образом. Масса Влажности w w = M w / M s (1.7) Это масса воды относительно массы частиц сухой почвы. Стандартное определение сухой почвы относится к массе почвы, высушенной до равновесия (на практике, в течение 24-часового периода) в печи при 105 ° С, хотя глинистая почва может все еще содержать заметное количество воды в этом состоянии. Массовая влажность иногда выражается в виде десятичной дроби, но чаще в процентах. Образец почвы

13 Соотношение объема воды v w v w = V w / V s (1.9) ОБЪЕМНЫЕ И МАССОВЫЕ ОТНОШЕНИЯ ПОЧВЕННЫХ СОСТАВЛЯЮЩИХ 15, высушенные в обычном воздухе при температуре окружающей среды (а не в духовом шкафу), как правило, удерживают на несколько процентов больше воды, чем при сушке в духовом шкафу. Точно так же почва, высушенная в печи, подвергнутая воздействию обычного воздуха, постепенно приобретет заметную влажность. Это явление происходит из-за тенденции глинистой фракции почвы поглощать влагу из воздуха, свойства, известного как гигроскопичность. Количество, адсорбированное таким образом, зависит от типа и содержания глины в почве, а также от влажности окружающей атмосферы.Содержание воды при насыщении (когда все поры заполнены водой) также выше в глинистых, чем в песчаных почвах. В разных почвах w может составлять от 25% до 60%, в зависимости от насыпной плотности. В особом случае органических почв, таких как торфяные или навозные, содержание насыщенной воды в пересчете на массу может превышать 100%. Объемная влажность θθ = v w / V t = V w / (V s + V f) (1.8) Объемная влажность (часто называемая объемным содержанием воды) обычно рассчитывается как процент от общего объема почвы.Следовательно, при насыщении он равен пористости. В песчаных почвах θ при насыщении составляет порядка 40%; в средне-текстурированных почвах это примерно 50%; а на глинистых почвах он может приближаться к 60%. В последнем фактически объем воды при насыщении может превышать пористость сухого грунта, так как глинистые почвы набухают при увлажнении. Использование вместо θ для выражения содержания воды часто более удобно, поскольку оно более непосредственно применимо для расчета потоков и объемов воды, добавляемых в почву в результате дождя или ирригации, а также для количеств, извлекаемых из почвы в результате испарения и транспирации.Соотношение объемов также эквивалентно отношению глубины почвенной воды, то есть глубине воды на единицу глубины почвы. Пример задачи Докажите следующее соотношение между объемной влажностью, массовой влажностью, объемной плотностью и плотностью воды (ρ w = M w / V w): θ = wρ b / ρ w Опять же, мы начинаем с подстановки соответствующих определений wv, wm , ρ b и ρ w: V w / V t = [(M w / M s) (M s / V t)] / (M w / V w) Переставляя правую часть, мы получаем V w / V t = (V w M w M s) / (M w M s V t) = V w / V t Для набухающих грунтов, в которых пористость заметно изменяется с влажностью, может быть предпочтительным указать объем воды, присутствующей в образец для инвариантного объема частиц, а не для общего объема.При насыщении v w равно соотношению пустот e.

14 16 ГЛАВА 1 ФИЗИКА И ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЧВЫ Степень насыщения ss = V w / V f = V w / (V a + V w) (1.10) Этот показатель выражает объем воды, присутствующий в почве, относительно поры. объем. Индекс s колеблется от нуля в полностью сухой почве до единицы (100%) в насыщенной почве. Полное насыщение, однако, вряд ли когда-либо будет достигнуто в полевых условиях, поскольку некоторое количество воздуха присутствует почти всегда.В относительно сухой почве воздушная фаза занимает непрерывное пространство, тогда как в очень влажной почве воздух может быть закрыт или заключен в капсулу в виде прерывистых пузырьков. Заполненная воздухом пористость (фракционное содержание воздуха) fafa = V a / V t = V a / (V s + V a + V w) (1.11) Это мера относительного содержания воздуха в почве и как таковая важный критерий аэрации почвы. Это отрицательно связано со степенью насыщения s (то есть f a = f s). Относительный объем воздуха в почве также может быть выражен в виде доли а объема пор (а не общего объема почвы).Таким образом, a = V a / V f = V a / (V a + V w) (1.12) Проблема с образцом Образец влажной почвы с влажной массой 1,0 кг и объемом 0,64 литра (м 3) был высушен в печь и обнаружили, чтобы иметь сухую массу 0,8 кг. Предполагая типичное значение плотности частиц для минерального грунта (2650 кг / м 3), рассчитайте объемную плотность ρ b, пористость f, коэффициент пустотности e, массовую влажность wm, объемную влажность θ, объемное отношение воды vw, степень насыщения s и заполненная воздухом пористость f a. Насыпная плотность: ρ b = M s / V t = 0,8 кг / м 3 = 1250 кг / м 3 Пористость: f = 1 ρ b / ρ s = / 2650 = = В качестве альтернативы, f = V f / V t = (V t V s) / V t и, поскольку V s = M s / ρ s = 0.8 кг / 2650 кг / м 3 = м 3, следовательно, f = () 10 4 м 3 / м 3 = = 52,8% коэффициент пустотности: e = V t / V s = (V t V s) / V s = () 10 4 м 3 / м 3 = 1,12 Массовая влажность: w = M w / M s = (M t M s) / M s = () кг / 0,8 кг = 0,25 = 25% Объемная влажность: θ = V w / V t = м 3 / м 3 = = 31,25% (Примечание: V w = M w / ρ w, где ρ w 1000 кг / м 3). В качестве альтернативы θ = wρ b / ρ w = 0,25 (1250 кг / м 3 / 1000 кг / м 3) = объемное соотношение воды: vw = V w / V s = м 3 / м 3 = степень насыщения: s = V w / (V t V s) = м 3 / () 10 4 м 3 = Заполненная воздухом пористость: fa = V a / V t = () 10 4 м 3 / м 3 = 0.216

15 ОБЪЕМЫ И МАССОВЫЕ ОТНОШЕНИЯ СОСТАВНЫХ ПОЧВ 17 Проблема с образцом Какая эквивалентная глубина воды содержится в профиле почвы на глубине 1 м, если массовая влажность верхних 0,4 м составляет 15%, а нижних 0,6 м - 25 %? Предположим насыпную плотность 1200 кг / м 3 в верхнем слое и 1400 в нижнем слое. Сколько воды содержится в почве, в кубических метрах на гектар земли? Напомним, что θ = w (ρ b / ρ w), где ρ w = 1000 кг / м 3. Объем влаги в верхнем слое: θ 1 = 0.15 (1200/1000) = 0,18 Эквивалентная глубина в верхнем 0,4 м = m = m = 72 мм Объемная влажность в нижнем слое: θ 2 = 0,25 (1400/1000) = 0,35 Эквивалентная глубина в нижнем 0,6 м = m = 0,21 м = 210 мм Общая глубина воды в 1-м профиле = мм = м Объем воды, содержащейся в 1-м профиле на гектар (1 га = 10 4 м 2) = м 1000 м 2 = 2820 м 3

.

Ответить

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *