Kurs_fiziki_pochv_Shein_E_V__2005

и характеризуют соответствующей величиной давления: «предкомп-

рессионным давлением» Pprecom (Рстр=Рprecom). Этой величиной количественно оценивают внутрипочвенные структурные связи, которые

не разрушаются под действием эффективных нагрузок в диапазоне

напряжений от 0 до Pprecom . Она имеет большое значение для устойчивостиприродных объектовподдействиемвнешнихнагрузок,ина

ее природе и определении позже мы остановимся специально. Линейная часть компрессионной кривой (в полулогарифмичес-

кихкоординатах)характеризуетспособность,«податливость»почвы к уплотнению. Эту часть кривой можно описать с помощью линей-

Величина Сс это индекс уплотнения, показывающий, насколько изменитсяпоровоепространствоприизменениилогарифмаэффективногодавления.Учитывая,чтокоэффициентпористостиприуплотне-

Кроме того, в большинстве практических случаев размах применяемыхнапряженийнеслишкомвелик,чтопозволяетсчитатьблизкой к линейной и деформационную часть компрессионной кривой влинейныхкоординатах(рис.XVI.2, а).Вэтомслучаелинейноекомпрессионное уравнение будет иметь вид e = A – P , где А некоторая константа, характеризующая исходную пористость грунта, – коэффициент уплотнения, имеющий размерность [1/Па], или [см2/г]. Этот коэффициент, так же как и индекс уплотнения, характеризует способность почвы уплотняться под внешним воздействием при условии небольшого диапазона действующих напряжений и вида деформационнойчастикомпрессионнойкривой,близкойклинейной.Коэффициентуплотнениявомногомбудетзависетьотфундаментальных свойствпочвы(гранулометрический,минералогическийсоставы,агрегированность идр.), а такжеот исходной порозностии влажности. Последнее особо важно.

Процессуменьшенияпорозностиненасыщенныхводойпочвпод влиянием эффективного давления за счет уменьшения воздухоносной порозности называется уплотнением.

Консолидация процесс уплотнения первоначально насыщенной почвы путем отбора (медленного «выжимания») воды при свободном ее оттоке. Определяется скоростью оттока воды.

Компрессия процессуплотненияненасыщеннойвлагойводы, прикоторомпроисходитизменениепоровогопространствапочв как за счет уменьшения объема воздухоносных пор, так и за счет оттока влаги из порового пространства. Компрессия почвы включаетпроцессыуплотненияиконсолидации.

Деформация сжатия характеризуется компрессионной кривой:зависимостьюкоэффициентапористостиотэффективного давления (сумма нормального механического давления ивсасывающегодавленияпочвеннойвлаги).Оцениваетсяпоиндексу уплотнения (Сс) или коэффициенту уплотнения ( ), показывающемуизменение поровогопространство почвы на единицу изменения давления [1/Па, 1/атм и проч.].

Величина критического давления, при которой происходит первоначальноеизменение порозностииначинают проявлятьсядеформационные изменения, называется «структурной прочностью» (Рстр) и характеризуется соответствующей вели-

чиной давления «предкомпрессионным давлением»,

Pprecom (Pprecom= Рстр). Данная величина характеризует внутрипочвенные структурные связи, которые не разрушаются под дей-

ствиемнебольшихэффективныхнагрузок.

Дляхарактеристикигрунтовпосжимаемостииспользуютнетолькоприведенныевышекомпрессионныекривые,ноикривые,полученныеприперемежающихсянагрузках разгрузках.Этотакназываемые кривые деформации. Если сначала придать образцу почвы постояннуюнагрузку,превышающуюРстр,апотомееснять,тодинамикавеличины осадки образца (вспомним, что это l/l0 или V/V0) будет иметь следующий вид (рис. XVI.3).

2 1 обратимая

2 остаточная

1

t

Рис. XVI.3. Кривая деформации почв при динамических нагрузках

Каквидноизприведенной кривой,послеприменениядавления, значительно превышающего Рстр, сначала объем образца изменится быстро и резко произойдет условно-мгновенная деформация (этап 1). Затем уплотнение образца будет плавно изменяться, пока не достигнетнекоторогоравновесногозначения.Этоэтап2 упругогопоследействия. Если в момент достижения равновесия снять нагрузку (на рис.XVI.3 этотмомент обозначенстрелкой), тосначала произойдет быстрое увеличение объема образца, за которым последует длительная плавная стадия постепенного достижения нового равновесия. Это те же стадии 1 и 2 мгновенной деформации и упругого последействия.Совместноэтистадиихарактеризуютобратимуюдеформацию. Однако объем почвенного образца практически никогда полностью не восстановится. Всегда возникают так называемые остаточные деформации, а кривые деформации характеризуются необратимостьюинеоднозначностьюпроцессовнагрузки разгрузкиявлением гистерезиса. (Это явление нам уже знакомо из рассмотренияосновнойгидрофизическойхарактеристики,получаемойвциклах иссушения или увлажнения. В данном случае явление аналогично деформационнаякриваязависитот того,какнагружалсяиразгружалсяобразец.) Деформационныйгистерезисвомногомбудетопределяться также доминирующим типом структурных связей. Величина обратимойдеформацииопределяетсяналичиемкристаллизационныхсвязей, необратимой(остаточной) восновномкоагуляционными.

Вполне понятно, что вид и компрессионных, и деформационных кривых будет определяться свойствами частиц и условиями межчастичного взаимодействия. В условиях, когда в глинистых почвах (пастах) преобладают связи коагуляционного типа с дальними контактами, глинистые системы оказываются очень отзывчивыми к действию внешней нагрузки, а величина Рстр оказывается очень малой (рис. XVI.4). Характерными представителями такого типа компрессионных кривых являются пресноводные илы, глины, имеющие в почвенном поглощающем комплексе ионы Na. Более равномерно и постепенно уплотняются под действием нормальной нагрузки тяжелые, близкие к насыщению влагой почвы

сближними коагуляционными и смешанными контактами, в кото-

рых и величина Рстр может достигать от одной до нескольких атмосфер. Кривая же компрессионного сжатия для тяжелых почв

сфазовыми контактами имеет видпрямой, почти параллельной оси абсцисс, т.е. изменение объема таких систем практически не зависит от внешнего давления. Это обусловлено высокой устойчивостью фазовых контактов к различным внешним воздействиям.

Рис. XVI.4. Компрессионные кривые для почвенных объектов с различными типами межчастичных связей (по В.А.Королеву с соавт., 1985)

Этипочвенныеобъекты(уплотненныетяжелыеглинывненасыщенном влагой состоянии, опесчаненные суглинки, иссушенные почвы) обладаютвысокойпрочностью,акоэффициентуплотненияоченьнизок, достигая сотых долей 1/атм.

Пока еще не существует способов прямо и непосредственно определить тип межчастичных взаимодействий. Поэтому характер компрессионныхкривыхмыкраткорассмотримвзависимостиотфундаментальныхфизическихсвойствпочв,такихкакгранулометрический состав, плотность, минералогический состав, структура, содержание органического вещества, аналогично тому, как мы уже поступали в части курса при рассмотрении влияния на ОГХ и функциювлагопроводностиразличныхсвойствпочв.

Гранулометрический состав (рис.XVI.5, а). Вполне понятно,

чтоуплотнениювбольшеймереподверженыпочвытяжелогогранулометрического состава, в меньшей мере легкие почвы. Схематичноэтопредставленонарис.XVI.5,а.Наклонкомпрессионнойкривой более значителен в случае глинистых почв, а песчаные практическинеуплотняютсяподвлияниемвнешнейнагрузки.

Рис.XVI.5. Изменение компрессионных кривых при различных гранулометрическом (а), минералогическом (б) составах, содержании органического вещества (в) и структуре (г) почвы

Минералогический состав и обменные катионы (рис.XVI.5,б).

Почвы, содержащие минералы с подвижной решеткой, набухающие, такие как монтмориллонит, будут в большей мере подвержены уплотнению, чем содержащие минералы типа гидрослюд и каолина. И это вполне понятно именно для частиц минералов группы смектитовхарактерныкоагуляционныетипыконтактовсдальнимиислабыми связями. Эти же типы контактов распространены в глинистых почвах при преобладании в почвенном поглощающем комплексе одновалентных катионов типа ионов Na. Поэтому при осолонцевании и возникает целый «букет» проблем, связанных с бесструктурностью этих почв, подверженностью их уплотнению и др. Все эти влияния отражены на рис. XVI.5, б.

Органическое вещество почв содержание и качество (рис. XVI.5, в). В целом содержание органического вещества увеличивает крутизну компрессионной кривой. Однако во многом это увели-

чение уплотнения кажущееся. Дело в том, что, как правило, почвы, содержащие высокое количество органических веществ, рыхлые. А чем рыхлее почва, тем больше она подвержена уплотнению. Влияниепервоначальнойплотностимыспециальнорассмотримниже. Сейчас же следует отметить, что в деформационных кривых стадия обратимой деформации выражена значительно сильнее в почвах с повышенным содержанием органики. Кроме того, значение имеет не просто содержание органического вещества, но и его качество. Мы уже отмечали роль компонентов органических веществ, обладающихпреимущественногидрофобнымисвойствамивформировании водоустойчивой структуры. Во многом аналогичная картина складывается и при механических нагрузках почва обладает повышеннымсопротивлением,болеесильнымиструктурнымисвязямиприналичии гидрофобных компонентов в составе гумусовых веществ. Впрочем, количественные взаимосвязи и механизмы влияния гидрофобныхигидрофильныхкомпоненторганическоговеществапочвна механическую устойчивость почв еще предстоит подробно изучить.

Вэтом разделе отдельно следует отметить роль гифов грибов

икорней растений стабилизирующую. Благодаря корням растений деформационная кривая практическине имеет гистерезиса, остаточная деформация выражена весьма слабо.

Структура почвы (рис. XVI.5, г). Это влияние также во многом обусловлено первоначальной плотностью, которую та или иная структура образовывает. И чем рыхлее почва, чем «зернистее и комковатей» почвенная структура, тем в большей мере почва подвержена уплотнению. Все это отражено на рис. XVI.5, г, где в качестве примера приведены компрессионные кривые для зернистого, комковатого и призматического горизонтов.

Особо важное значение для характера уплотнения имеют влажность и начальная плотность почвы. Подробнее рассмотрим возникающие в этом случае эффекты.

Влияние влажности. Сухие почвы практически не изменяют своего объема под действием внешних нагрузок почвенные частицы находятся в непосредственном контакте друг с другом, их движение друг относительно друга весьма затруднено при отсутствии влаги. По мере увеличения влажности частицы получают возможность двигаться друг относительно друга. И чем влажнее, тем лучше. При некоторой влажности достигается максимум уплотнения почвы, так какпри дальнейшем увеличении влажностипочвы сжимаются хуже поровоепространствопостепеннозаполняетсяводой,начинаютпреобладать медленные процессы консолидации. Поэтому в определен-

Рис. XVI.6. Компрессионные кривые для почвы при различной влажности (а) и зависимости плотности от влажности при различных уплотняющих нагрузках (б)

ном, среднем (на рис. XVI.6, а влажность W2) диапазоне влажностей компрессионные кривые лежат ниже кривых для более влажных или более сухих образцов (рис. XVI.6, а). Отмеченное крайнее положениекривойозначает,чтоприэтойвлажностипроисходитнаиболее заметное уменьшение пористости, прежде всего за счет доли поровоговоздуха. Вэтом диапазонепочва внаибольшей степениподвержена механическим нагрузкам. Как правило, в почвоведении принято использовать не величину коэффициента пористости, а величину плотности, которую мы непосредственно определяем в поле. В этом случае зависимость будет иметь максимум плотности в некотором диапазоневлажностей(рис.XVI.6,б).Априразличныхуплотняющих воздействиях уже появится семейство кривых с одним максимумом.

Но что характерно чем слабее уплотняющее воздействие,

(1) тем меньше плотность при максимальном уплотнении и (2) тем при большей влажности наблюдается этот максимум (рис. XVI.6, б). Если первый отмеченный факт тривиален, то второй весьма интересен. Получается, что большие нагрузки способны «сломать» связи, разрушитьструктурупоровогопространстваужевдовольносухихобразцах, уплотнитьих до предельных значенийдля данного уплотняющего воздействия. Небольшие же, напротив, не способны разрушить структурные связи при низкой влажности, и для изменения порового пространстватребуетсявысокаявлажность.Толькопривысокойвлажностисоздаютсяусловия,прикоторыхвозможноразрушениедальних коагуляционныхсвязей,возможноуплотнениепочвы.Всеэтовсхематичномвидепредставленонарис.XVI.6,б.Ноэтодействительно«схематическое» представление. В каждом конкретном случае для каждого почвенного образца эти кривые будут различаться и изменяться в соответствии с вышерассмотренными правилами влияния грануло-

ставят груз определенного веса (2.49 кг) осуществляют статическуюнагрузку.Далееэтотгрузвцилиндреподнимаютисопределенной высоты несколько раз бросают. После такого воздействия определяют плотность образовавшегося образца. Таким образом, в тесте Проктора возможно исследование измененияплотности почвпри различной исходной влажности под влиянием: (1) статической нагрузки; (2) динамической(изменениявовремени)нагрузки;(3)попеременнойнагрузки/разгрузки деформациям, возникающим при тряске, ударных воздействиях и проч. Получение такого рода зависимостей одна из важных физико-механических оценокпочв, характеризующих ее подверженность уплотняющим воздействиям.

Следующим важным фактором, определяющим компрессионные и деформационные кривые, является исходная плотность почвы состояние перед уплотнением. Чем плотнее исходная почва, тем меньше она подвержена уплотнению. Это характеризует рис.XVI.7, на котором представлены компрессионные кривые для образцов почв с различной исходной плотностью и соответственно коэффициентомпористости.

Изприведенныхрисунковвидно,чтоуплотнениюбудутподвергаться лишь почвы, имеющие исходно невысокую плотность, почвы рыхлые. И это вполне понятно. В плотной почве уже создано повышенноепредкомпрессионноедавление(Pprecom,«precomression stress») или Рстр, за счет которого уплотнение будет меньше. И в естественных условиях в почве наблюдается такое предкомпрессионное давление, которое обусловлено структурными связями, деятельностью

почвеннойфауны,давлениемвышележащихслоев,образованиемледяных линз и проч. Уметь определять это предкомпрессионное напряжениеоченьважно,таккакрезультирующей,приводящейкизменению порового пространства почв, будет в этом случае не сама величина эффективного давления, а разность ее с величиной предкомпрессионного давления. При положительной разнице этих величинвозможнопочвенноеуплотнение.Этобылоясноиизрис.XVI.2,б. Такимобразом, нормальноерезультирующеедавлениеестьразность эффективногонапряженияP ипредкомпрессионногодавления:PN =

P – Pprecom , где PN результирующее нормальное давление сжатия, Pprecom предкомпрессионное напряжение. И если эффективное на-

пряжение будет выше Pprecom, то почва будет подвергаться уплотне-

нию, если будет равно или меньше (P Pprecom), то регистрируемых деформаций мы не обнаружим.

Вцеломпредкомпрессионноедавлениебудеттакжеопределяться фундаментальными свойствами почвы и ее влажностью. Оно будет тем выше, чем более глыбиста, призматична структура почвы (ниже агрегированность почвы), больше плотность почвы, и ниже влажность и содержание органического вещества в почве. Будет за-

висеть Pprecom также и от многих других свойств почвы. В табл.XVI.1 приведенынекоторыеклассификационныевеличиныPprecom.

Т а б л и ц а XVI.1

Классификация величин предкомпрессионого давления (Pprecom ) в почвах

(по Р.Хорну, 2000)

3. Деформации сдвига

Как и в случае определения компрессионной кривой, мы воспользуемсяобразцомпочвы,помещеннымвцилиндрическуюоболочку. Оболочка будет разрезана горизонтально посередине без повреждения почвенного образца. Нижнюю часть образца мы закрепим неподвижно, а на верхнюю будем давить сбоку (рис. XVI.8).