Kurs_fiziki_pochv_Shein_E_V__2005

pF=2.17 предел текучести

W (ВРК) W(КВ) W, г/г

Рис.XV.9. Основная гидрофизическая характеристика и различные реологические состояния почвы. Соответствие пределов текучести и пластичности гидрологическим константам капиллярной влагоемкости (КВ) и влажности разрыва капиллярной связи (ВРК)

константе,каккапиллярнаявлагоемкость(КВ).Анижнийпределпластичности связан с исчезновением капиллярной подвижной влаги, когда начинает доминировать влага в тонких капиллярах и пленках, почва теряет пластичность в этих условиях. Он соответствует влажностиразрывакапиллярнойсвязи(ВРК).Характеристикой,четкоотражающей реологические представления о почве, их взаимосвязь с формами воды и соответствующими давлениями влаги в почве, явилась ОГХ. Мы еще раз убеждаемся в том, что ОГХ это одно из центральных понятий в физике почв, вбирающее в себя разнообразные почвенные свойства и зависимости.

Не стоит, впрочем, надеяться на то, что с помощью ОГХ возможно описать все процессы. Нет, конечно. Прежде всего потому, что ОГХ это равновесная зависимость, она в явной форме не отражает процессов движения, а дает возможность оценить некоторые критические состояния влажности, при которых возможен переход от текучего в пластичное состояние и т.д. Движение почвенной массы,еетечение,имеетспецифическиеособенности,проявляющиесяв явленияхтиксотропии,реопексии,дилатансии,плывунности.

6. Тиксотропия. Реопексия. Дилатансия

Тиксотропия способность тонкодисперсных насыщенных влагойсистемразжижатьсяподвлияниеммеханическоговоздействия, а затем, после прекращения воздействия, переходить в прежнее полутвердое (гелеобразное) состояние. Это явление обусловлено прежде всегоналичиемдальнихкоагуляционныхсвязейиспецифическойформой частиц. Такое поведение разжижение под влиянием механического воздействия и затвердевание в состоянии покоя становится понятным, если рассмотреть приведенную на рис. XV.10 схему расположениячастицииммобилизованнойводывсостояниипокоя.

В состоянии покоя приведенная на рис. XV.10

« я ч е и с т а я »

структура обла-

дает некоторой

прочностью. Но

стоит только ока-

зать на такую

систему механи-

ческое воздействие в виде тряски, вращения, чередую-

щихся ударов и проч., как непрочная структура распадается. Глинистая суспензия начинает течь.

Формированиетакойтиксотропнойструктуры,безусловно,зависит от влажности. Предложен так называемый тиксотропный предел, или предел затвердевания влажность, при которой грунт теряет способностьктиксотропнымизменениям.Длякаолинитовыхглинэтотпредел достигается при 70 90%-ной влажности, а для гидрослюд при 110 170%. В целом при соотношении твердая фаза вода, близком к 1:1.

Вкачествепримера(рис.XV.11)приведемрезультатыодногоопыта (см. «Физико-химическая механика природных дисперсных систем»).Первоначальноглинистаямассаобладаласвойственнойейпрочностью в состоянии покоя. Затем, в некоторый начальный момент, в эту массу был помещен специальный вращающийся стержень возникла деформация кручения. Прочность под влиянием этого механического воздействия резко упала. А после прекращения воздействия (стрелка «окончание вращения» на рис. XV.11) вновь постепенно возросла до характерной для данной смеси прочности.

«Квопросу о»

Отопких болотах, зыбучих песках и плывунах

Отопкихболотах,которые«засасывают»людейиживотных,рассказывают самые страшные истории, нередко настолько приукрашенные, что трудно отделить правду от вымысла. Хотя и вправду это природное образование очень опасно для всего живого. Теперь, зная о физической основе явления тиксотропии,можнодостаточноподробнопредставитьмеханизмэтогоопасногоявления.Топкиеболота этоместа,гдераспространеныглинистыенасыщенныеводойтиксотропныеминералы. Внешнеэтиместадействительно кажутся твердыми,прочными,устойчивыми. Ностоиттольконанихступить,проявить какие-либо механические воздействия, как они начинают резко терять свою прочностьиустойчивость. Это тиксотропныеболота.Кнесчастью, выбраться из таких мест практически невозможно. Чем интенсивнее животное пытается выбраться из болота, чем быстрее двигает конечностями, тем сильнее «разжижается»болото,темсильнее«засасывает»оноживотное.Идажекогдаживотное совсем замрет, то и биения сердца бывает достаточно для перехода водонасыщеннойглиныиз прочного втекучеесостояние.

Зыбкие пески также тиксотропные образования. Это, как правило, насыщенные водой пески с примесью глин, способные к тиксотропному разжижению при воздействии механических нагрузок. Из такого песка выбраться еще труднее, чем из глинистого тиксотропного болота. А некоторые зыбкие (или зыбучие) пески обладают такой низкой величиной прочностных структурных связей, что не способны выдерживать и легких вибраций.

А вот плывуны проявляются только тогда, когда вода, насыщающая эти дисперсные породы, приходит в движение. Например, при копке колодца,

вгорной выработке. Но тоже при механическом воздействии, когда вода переходитизнеподвижного (связного)состояниявподвижное. Причемплывуны это не обязательно пески, но и лёссы, и глинистые породы. В исследованиях плывунных образований очень много сделано известным геологом и почвоведомАлександромФедоровичемЛебедевым.ВоткакобразноА.Ф.Лебедевописывал плывун: «Если встать на площадку вскрытого плывуна и попробовать раскачиваться, переминаясь с ноги на ногу, то плывун ведет себя как зыбун, причемвполне передается, по определению наглаз, нарасстояние4 5 м. Если такоераскачиваниепродолжатьминут10,то ногапогружаетсявплывунна10 15 см». Такое вот интересное явление и как образно описано, не правда ли?

Заметим, что, когда речь шла о тиксотропии и реопексии, отмечалось, что под механическим воздействием изменяется прочность глинистойсмеси.Прочность нечтоиное,какповедениепочвы(глинистой массы)поднагрузками,близкимиккритическим,когдапроисходитразрушение(изменение)структурныхсвязейпочвы.Болееподробнос механическими свойствами мы будем знакомиться позднее. Отметим два важных момента в отношении тиксотропии: (1) в случае тиксотропии

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.Основным реологическим понятием для почв является деформация,котораяподразделяетсянаупругуюипластическую(остаточную). Изучение деформаций почв основано на использо-

ванииследующихпараметров:напряженийсжатия(Р )исдвига (Р ), а для изменений порового пространства коэффициент пористости (е) и уплотнение (осадка) lp для напряжений сжатия, тангенсугла сдвига (tg ) , сдвиг ( ) искорость сдвига, или скорость деформации для сдвиговых деформаций.

2.Вклассическойреологиипредложенрядидеальных«образов»

реологических моделей: модели идеально упругого, идеально вязкого и идеально пластичного тел. Реальные природные объектымоделируютсяспомощьюразличныхкомбинацийуказанных идеальных моделей.

3.Вязкость структурированных суглинистых систем (почвенных паствдиапазоневлажности,близкомкнасыщению) величина переменнаяипринекоторомвоздействующемнапряжениирезко снижаетсязасчетразрушенияструктурныхсвязей,достигаяпостоянныхзначенийприминимальномнапряженииразрушенияили максимальном пределе текучести. Поведение почвенных паст описывается моделью Бингама Шведова. Зависимости эффективной вязкости от напряжения реологические кривые, на которыхопределяютхарактерныевеличины:напряженияР иР

предел текучести и максимальный предел текучести, 10 и м2

максимальная иминимальная эффективные вязкости,отражающие структурные свойства глинистых паст.

4.Одна и та же почва (даже почвенный образец) в зависимости от влажности может проявлять свойства текучего, упругого, пластичногоихрупкого(разрушающегосянаотдельности)тела. Привлажностипочвы,близкойкполномунасыщениюдоопределенного предела влажности,почва проявляет свойства текучести,которыеописываютсямодельюБингама Шведова.Этот предел назван «пределом текучести» (по Аттербергу). При понижении влажности в почве начинают проявляться слабоупругие свойства. Это диапазон вязкоупругого тела (модель Барджеса), но до определенного предела влажности предела пластичности. При дальнейшем понижении влажности почва распадается на отдельности это свойство хрупкости. Почва описывается моделью Пойнтинга Томпсона.

5.Реологические константы, константы Аттерберга, согласуются с определенными почвенными гидрологическими константами. Предел текучести с капиллярной влагоемкостью, предел пластичности с влажностью разрыва капиллярной связи. Эти реологические константы могут быть определены как в прямых экспериментах, так и с помощью «секущих» поА.Д.ВоронинуизОГХ.

6.Важнейшиереологические свойства,чащевполной мерепроявляющиеся в породах и реже в естественных почвах, это тиксотропия, реопексия, плывунность и дилатансия. Тиксотропия свойствотонкоглинистых (коллоидных) насыщенных влагой полутвердых систем разжижаться под влиянием механического воздействия, а затем, после прекращения воздействия, переходить в прежнее полутвердое (гелеобразное) состояние. Реопексия явление в целом противоположное тиксотропии: возрастание прочности структуры (вязкости) при действии напряжения. Плывунность это способность водонасыщенных грубодисперсных систем переходить в текучее состояние с очень низкой вязкостью при напряжениях выше предела прочности связей между частицами и оставаться (в отличие от тиксотропных пород) в текучем состоянии по прекращении механического воздействия. Дилатансия это свойство почв и пород самопроизвольно восстанавливатьисходноесопротивление деформациизасчет сил тяжести по прекращению действия механических сил. Дилатансия может сопровождаться изменением плотности почвы (грунта) при механическом воздействии (как правило, при деформации сдвига).

Литература

Сергеев Е.М.идр.Грунтоведение.М.:Изд-воМоск.ун-та,1971.

Манучаров А.С.,Абрукова В.В.,ЧерноморченкоН.И.Методы иосновыреологиивпочвоведении.М.:Изд-воМоск.ун-та,1990. Физико-химическая механика природных дисперсных систем. /Под ред. Е.Д.Щукина,Н.В.Перцова,В.И.Осипова,Р.И.Злочевской.М.:Изд-воМоск.ун-

та,1985.260с.

Щ у к и н Е. Д., П е р ц о в А. В., А м е л и н а Е. К. Коллоидная химия. М.:Изд-воМоск.ун-та,1982.348с.

2. Деформации сжатия (растяжения)

Из рис. XVI.1, с которого начинается эта часть курса, уже совершенно ясно, что почва будет по-разному вести себя под воздействиемдавления,оказываемогоперпендикулярноееповерхности или сбоку тангенциально. Первое воздействие уплотнение под колесом это деформации сжатия. Остановимся на количественном описанииэтоготипадеформации.

Процессыуплотнения поддействиемнормального давлениязависят от влажности почвы. Если уплотняется насыщенная влагой почва, то скорость уплотнения будет еще определяться и скоростью оттока влаги из образца. Этот процесс называется консолидацией. Если же образец не насыщен влагой, то его уплотнение будет происходить за счет уменьшения объема порового пространства, заполненного воздухом, т.е. за счет воздухоносной порозности, – это процесс уплотнения. А если образец сжимается за счет как уменьшения воздухоносной порозности, так и оттока воды, это процесс компрессии. Итак, компрессия в целом включает процессы уплотнения и консолидации. Длительные механические воздействия на насыщенную почву в природе встречаются редко. Поэтому в реальных условиях нередко отождествляют компрессию с уплотнением, хотя в общем виде следует помнить формулу «компрессия = уплотнение + консолидация».

Рассмотрим процесс компрессии почвы в следующем опыте. Образец не насыщенной влагой почвы поместим в цилиндр. На поверхность почвы в цилиндре поместим груз; тем самым будем сдавливать почву с некоторым давлением P , равным весу груза, деленного на площадь. Почвенный образец не в состоянии расширяться вбок. Механическое давление, оказываемое на почву сверху, будет вызывать уменьшение порозности почвы за счет уменьшения объема пор, занятых воздухом.

Не только механическое давление будет сдавливать образец не насыщенной влагой почвы его будет «сжимать»и собственная водная пленка в капиллярах и в тонких пленках. Эта величина, по моду- люравнаякапиллярно-сорбционномудавлению,называется,какука- зывалось ранее (см. часть VI), всасывающим давлением. Тогда общее давление на образец будет представлять сумму примененного нормального давления P , и всасывающего |Рк-с| и называться эф-

фективным напряжениемP :

P = P + |Рк-с|.

Изменениепористостипочвыподвлияниемэффективногодавленияможноизобразитьвкоординатах«коэффициентпористости» «нагрузка». Пример такой кривой приведен на рис.XVI.2, а. Она называ-

ется компрессионной кривой.

Рис. XVI.2. Зависимость коэффициента пористости почвы от нормальной нагрузки «компрессионная кривая» в линейных (а) и в полулогарифмических (б) координатах

На рис. XVI.2, а показано, что компрессионная кривая обычно имеет вид экспоненциально убывающей зависимости. Сначала почвенная структура способна выдержать малые нагрузки. А затем небольшое приложенное давление заметно уменьшает поровое пространство. По мере уменьшения порового пространства почвенные частицы начинают все больше и больше контактировать друг с другом, почва сжимается все меньше и меньше; кривая выполаживается.Какправило,используютполулогарифмическиекоординаты:«коэффициентпористости» «log(эффективнойнагрузки)»(рис.XVI.2,б). В этом случае деформационная часть кривой имеет вид, близкий к линейному. И значительно лучше выделяется начальный участок малогоизменения поровогопространства почвпри малыхнагрузках вплоть до некоторой величины Рстр. До Рстр структурные связи в почве способны выдержать прилагаемое давление. Это прежде всего ближние, сильнодействующиеструктурные связи.Если их нети связи представлены дальними коагуляционными, то этот участок не выражен,икриваяплавноэкспоненциальноубывает.Приналичииближних структурных связей, при достижении некоторого критического значениядавленияониразрушаются,порозностьпочвырезкоубывает.Величинукритическогодавления,прикоторомпроисходитрезкое изменение порозности, называют «структурной прочностью» (Рстр)