Kurs_fiziki_pochv_Shein_E_V__2005

Сопротивлениепенетрациизависитотразнообразныхпочвенных свойств, так же как и компрессия, и сопротивление сдвигу. Прежде всегоэтовлажность,прикоторойпроизводятизмерение,ведь,какправило,измерениепроизводятвполевыхусловиях.ЭтазависимостьРpen

–W, весьма интересна она нелинейная, зависит от агрегированности почвы. Впесчаных и хорошо структурированных почвах помере подсыханияпочвынаблюдаетсямаксимумсопротивленияпенетрациипри влажности, близкой к 0.5 0.6 НВ (т.е. близкой к ВРК). А при дальнейшемиссушениисопротивлениепенетрацииубывает,таккакпочвараспадается на отдельные песчинки или агрегаты. А вот в бесструктурной почве или почве с призматической структурой сопротивление пенетрациивозрастаетприуменьшениивлажностипрактическилинейно. Схематически это представлено на рис. XVI.15.

сопротивлениеМПа ,

pen,пенетрации Р

Рис. XVI.15. Вид зависимости сопротивления пенетрации от влажности для разных по структурному состоянию почв

Крометого, сопротивлениепенетрации,конечноже, будетзависеть от таких фундаментальных свойств, как гранулометрический состав, минералогический состав и состав ППК, агрегатный состав, и, наконец, плотность почвы. Из общих закономерностей отметим следующие. Сопротивление пенетрации увеличивается при одной

итой же влажности (давлении влаги) в почве:

–в песчаных почвах (песок ведь непластичен, обладает жестким каркасом);

–приувеличенииплотностипочвы;

–при уменьшении доли Na+ в ППК;

–при снижении доли смектитовых минералов в составе глинистой части почвы;

–при снижении содержания агрономически ценных агрегатов в структуре почвы.

Даже это весьма упрощенное и схематичное представление озависимостисопротивленияпенетрацииотпочвенныхсвойствуказывает на его важность для оценки почв. Именно поэтому измерение этого свойства является одним из обязательных при агрофизических обследованиях почвенного покрова. Однако всегда следует учитывать состояние влаги в почве, ее влажность, а также метод (прибор), с помощью которого производится измерение этой важнойхарактеристики.Критическим значениемсопротивленияпенетрации,прикоторойзатрудненопроникновениекорнейв почвуирастения начинают заметно страдать от повышенного сопротивления проникновению корней, считается величина 3 МПа ( 30 кг/см2). Болееподробныеклассификации этого свойства в разделе«Справочные материалы».

Сопротивление пенетрации почвы сопротивление почвы внедрениювнеезондацилиндрическойиликонусообразнойформы небольшого диаметра (Рpen, кПа или другие единицы давления). Определяется с помощью специальных приборов пенетрометров,которыенеобходимотарировать,находявспециальных экспериментахпостояннуюприбора величинунапряжениясжатия или растяжения на единицу шкалы прибора (в Па/см, или (кг/см2)/см, т.е. [давление/длина].

Сопротивление пенетрации характеризует способность почвыпротиводействоватьпроникновениювнеенетолькоагротехническихорудий,ноикорнейрастений.Повышенноесопротивление пенетрации указывает на переуплотненность почвы. КритическоезначениеРpen длясуглинковсоставляетоколо3МПа.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.Деформациисжатия/растяженияисдвигаопределяются(1)соотношением сил притяжения отталкивания, проявлением «ближнего»или«дальнего»максимумапритяжения; (2)типом межчастичных контактов (кристаллизационный, коагуляционный, смешанного типа) и (3) формой частиц.

2.Деформация сжатия/растяжения характеризуется «компрессионной кривой» зависимостью «коэффициент пористости»

«нормальное давление». Вид компрессионной кривой определяется гранулометрическим и минералогическим составами, структурой, содержанием органического вещества, влажностью почвы. Характеристическими параметрами компрессионнойкривойявляются:«структурнаяпрочностью»(Рстр)илиравнаяейвеличина«предкомпрессионногодавления»,используемая

при характеристике уплотнения почв: Pprecom (Pprecom= Рстр), а такжеиндексуплотнения(Сс)иликоэффициентуплотнения( ),

показывающие изменение порового пространства почвы на единицу изменения давления [1/Па, 1/атм и проч.].

3.Деформации сдвига развиваются в почве под действием тангециальных(боковых)давленийихарактеризуютсясопротивлением сдвига. Эта величина определяется сцеплением, углом внутреннеготренияиприложимойнормальнойнагрузкой(уравнение Кулона).Сцеплениеиуголвнутреннеготрениявпочвахзависят прежде всего от гранулометрического состава, содержания корней,структурыпочвы,исходнойплотностиивлажности.

4.Уплотнение почв одна из важнейших глобальных проблем. Еерешениевозможнонаосновеэкспериментальнопредложенных критических (запрещающих) значений давлений техники напочвуипочвенныхусловий(преждевсегогранулометрического состава и влажности). Прогноз почвенного и подпочвенногоуплотнениявозможеннаосноверасчетараспространения впочве напряжений и применения педотрансферных функций для такого рода расчетов.

5.Сопротивлениепенетрациипочвы сопротивлениепочвывнедрению в нее зонда цилиндрической или конусообразной фор-

мы небольшого диаметра (Рpen , кПа или другие единицы давления). Повышенное сопротивление пенетрации указывает

напереуплотненностьпочвы.КритическоезначениеРpen составляет около 3 МПа (30 кг/см2).

Литература

Изменение агрофизических свойств почв под воздействием антропогенных факторов.НаучныетрудыПочвенногоинститутаим.В.В.Докучаева.М.,1990. Физико-механическая механика природных дисперсных систем. /Под ред. Е.Д.Щукинаидр.М.:Изд-воМоск.ун-та.1985,266с.

H o r n R. Compressibility of arable land. “Catena Supplement”, 1988. V.11. P.53-71. American Society for Testing and Materials. 1979. Standart test methods for moisturedensity relation of soils and soil-aggregate mixtures. Using5.5 lb rammer and 12 in drop. In 1979Annual Book ofASTM Standarts . Part 19:201-207.

новном осмотическую природу. Вполне понятно, что чем больше емкость катионного обмена, чем выше насыщенность ППК гидрофильнымиионами,чемсильнеевыраженагидрофильностьповерхности почвенных частиц, тем больше должно быть и набухание. Действительно, по способности глинистых вторичных минералов к набуханиюонивыстраиваютсявряд,аналогичныйемкостипоглощения:монтмориллонитовые>> гидрослюдистые>каолинитовые.Апри близких величинах емкости поглощения набухание уменьшается в рядуубывания уобменных катионов величины их радиуса, увеличения валентности ионов и снижения гидрофильности:

Li+>Na+>NH4+>K+>Mg2+>Ca2+>Al3+>Fe3+. Этообщая закономерность,

свойственная всем дисперсным природным объектам, различающимся по гидрофильности. И другая сторона осмотического характера набухания чем выше концентрация растворимых солей в окружающем растворе, тем меньше проявляются осмотические характеристикиионов вППК, темменьше набухание.Поэтомунабухание глинистых почв с высокой емкостью обмена может быть

инезначительным, если поровый раствор имеет высокую минерализацию. Так, глинистые солонцы при повышенном содержании иона Na вППКипринизкойминерализациипочвенныхрастворовнабухают весьма заметно. А вот солончаки даже при глинистом составе

иналичии Na+ в ППК могут вовсе не набухать вследствие высокого содержания легкорастворимых солей.

Кроме того, надо учитывать и силы, противодействующие расклинивающему давлению структурные связи между частицами, удерживающие частицы друг с другом. Если эти структурные связи коагуляционного типа и обусловленные дальнодействующими силами, набухание будет проявляться весьма заметно. Если же в почве представлены контакты кристаллизационного типа, да и силы этих контактов велики (близкого действия), набухание зарегистрировать трудно, почва относится к ненабухающим.

Различают 2 типа набухания по внутренней природе: 1) внутрикристаллическое и 2) междоменное. При внутрикристаллическом вода входит в межпакетное пространство кристаллической решетки минералов. Здесь очень важно отметить, что этот тип набухания

не регистрируется макроскопически. Его практически нельзя за-

метить визуально. А вот междоменное (2-й тип) регистрируется визуальноиизмеряетсяразличнымиприборами.Этоттипнабухания получил свое название благодаря активно разрабатывавшейся доменной теории строения дисперсных тел, когда основной структурной единицей было предложено рассматривать некоторый домен,

«область, участок», достаточно однородный, проявляющий себя как единое целое. Вот и получалось, что сам домен, состоящий из кристаллов, макроскопически не набухает, а между доменами внедряется вода, они отдаляются друг от друга. Явление становится заметным, почва набухает. Понятие домена близко к понятию ППК.

Итак, набухание как регистрируемое увеличение объема почвы приееувлажнениизависитот:

–дисперсности:чемвышесодержаниеилистыхчастиц,тембольшенабухание;

–минералогического состава (от емкости катионного обмена)

исостава обменных катионов; анионы также изменяют набухание:

в ряду I – >Br– >NO3– >Cl – >CH3COO– >SO42– анионы до Cl– усиливают набухание по сравнению с набуханием в чистой воде;

–содержания и свойств органического вещества почв;

–наличия структурных связей и их вида;

–минерализациивнутрипоровогораствора;

–внешнихсилиисходнойплотностипочвы.

Параметры набухания Основными параметрами набухания являются абсолютное (из-

менение объема образца, V) и относительное набухание как отношение абсолютного набухания к исходному объему образца ( V/V0). Этипараметрыаналогичнытрадиционным, применяемымприоценке почвенных деформаций. Вспомним (см. часть XV), деформации почвыоцениваютсяввидепроцента(доли)изменениялинейныхили объемных характеристик почвы:

где l и l0, V и V0 измененная и начальная длина (высота), объем почвенного образца. Эти оценки не носят абсолютного характера, а являются динамическими и зависят от влажности почвенного образца. А вот для сравнения почвенных объектов используют такие характеристические параметры, как степень набухания, влажность предельногонабухания,давлениенабухания.

В глинистых почвах давление набухания изменяется в среднем от 1.0 до 15 атм. Противодействующими давлению набухания будутпрочность структурных связей идавление внешней нагрузки. При отсутствии внешней нагрузки слитые почвы могут развивать весьма высокое давление набухания, разрушая фундаменты, ломая

Относительное набухание отношение абсолютного набухания ( V) к исходному объему образца (V0): V/V0.

Степень набухания это изменение объема или высоты образцапоотношениюкисходному:

где Hv , Hh степень набухания по объему и по высоте [% к исходному], vн , vк начальные и конечные объемы; hн , hк – начальные и конечные высоты образца.

Влажность предельного набухания влажность почвенного образца, при которой прекращается поглощение воды образцом почвы.Регистрируетсяпридостижениипочвойконечногообъемаиликонечнойвысоты приисследованиинабухания.

Давление набухания давление, которое развивается в процессе набухания.

металлические трубопроводы. Происходит это на небольших глубинахвпочве.Наглубинахниже50 80смтакогонепроисходит:сказываетсядавлениевышележащихслоев,причемтембольшее,чемвыше ихвлажность.(Заметим,чтоприобъемнойвлажностиоколо25 35% давление вышележащих слоев на глубине 50 см может составлять в среднем 0.9 1 атм, а на глубине 80 см 1.3 1.4 атм, вполне достаточно, чтобы противостоять давлению набухания в тяжелосуглинистых почвах.)

Характеристическими кривыми набухания являются динамика набухания зависимость абсолютного или относительного объема образца от времени, а также кривая набухания зависимость деформациинабуханияотвлажности.

Примердинамикинабуханияприведеннарис.XVII.1дляглинистой растертой, песчаной и глинистой ненарушенного сложения почв. На кривых выделяются следующие характерные моменты: (1) состояниеравновесия,котороедостигаетсячерезнекоторое,разноедляразличных почв время. В этот момент в почвенном образце достигается влажность предельного набухания; (2) изменение высоты или объема образца как разница начальной и конечной высот (объемов). Характеризует степень набухания в момент достижения предельного набухания; (3) для почв с разрушенной структурой, бесструктурных (например, песчаных) в начальный момент выражено отрицательное набухание: уменьшение объема при увлажнении (рис. XVII.1).

V

V

глинистая

0.4

0.2

0

t, час

Рис.XVII.1. Динамика изменения объема образца в процессе набухания для глинистой растертой, песчаной и глинистой агрегированной почвы

В этот момент образуются пленка воды, капиллярные мениски, «стягивающие» отдельные почвенные частицы. И лишь при наличии капиллярнойвлаги,заметномпроявлениирасклинивающегодавления будет проявляться регистрируемое (междоменное) набухание.

Отметим и особенности кривых динамики набухания для различных объектов. Наименьшим набуханием обладают песчаные почвы у них малая емкость катионного обмена, практически нет минераловснабухающейрешеткой.Наибольшеенабуханиехарактерно для растертых тяжелосуглинистых почв, вследствие того что у них высокая емкость обмена, межчастичные прочные кристаллизационные связи разрушены при растирании. Структурированные, хорошо агрегированные почвы проявляют меньшее набухание по двум при- чинам.Во-первых,сохранилисьсвязи,препятствующиенабуханиюв виде кристаллизационных связей, прежде всего в самих почвенных агрегатах. Кроме того, агрегаты, набухая, увеличиваются в объеме, но это увеличение происходит за счет межагрегатного пространства. Ивцеломобъемненарушенногообразцаувеличиваетсяслабо,иногда незаметно. Поэтому для характеристики основных явлений, обусловливающих набухание почв, нужно более строго определять набухание отдельных почвенных агрегатов. Чем оно выше у агрегатов, тем почва будет более трещиноватой в сухом состоянии и бесструктурной, заплывающей во влажном. Эти почвы называются слиты-

ми, вертисолями. Для этих почв характерен глинистый гранулометрическийсостав(>60%физическойглины),доминирующеесодержаниесмектитоввглинистойфракции,наличиегидрофильногоорганического вещества. А вот содержание обменного Na+ может быть невысоким,иназватьэтипочвыосолонцованныминельзя.Главными факторами высокой набухаемости этих почв являются гранулометрический, минералогический составы, состав органического вещества. Для этих почв характерны чрезвычайно высокие степени набухания,влажностьпредельногонабуханияидавлениенабухания все основные параметры набухания, которые могут оказать существенноевлияниенетольконаэкологиюрегионов,гдераспространеныэти почвы, но и на ход исторического развития (см. «К вопросу о»). Остановимся подробнее на определении этих параметров.

Очень важна для характеристики почвы кривая набухания зависимостьдеформации набуханииот влажностипочвы. Вэтом определенииоченьважнословосочетание«деформациинабухания».Оно диктует нам использование определенных размерностей для оценки этой кривой. Раз мы относим набухание к деформациям, значит оно будет характеризоваться либо коэффициентом порозности (е, объем пор/объем твердой фазы), либо удельным объемом пор (Ф, объем пор/массатвердойфазы).Вспомним,чтоэтивеличинысвязаныплотностью твердой фазы почвы s: е = Ф s .

В осях «e – W» эта кривая будет выглядеть следующим обра-

зом (рис.XVII.2).

e

1.0

0.75

0.5

0.25

Wпред. набух

Рис.XVII.2. Кривая набухания зависимость изменения коэффициента порозности от влажности

На этой кривой (рис. XVII.2) выделяется величина влажности, выше которой набухание уже не происходит. Эта величина носит название влажности предельного набухания Wпред.набух. Влажность предельного набухания также важная характеристика, указывающая наспособностьпочвыувеличиватьсвойобъемприувеличениивлажности: чем она выше, тем более набухающей является почва.

«К вопросу о.»

Почвав историивойн

Вся человеческая жизнь проходит на почве. Войны тоже. И нередко почва благодаря своим свойствам решала исход сражений. Во время Второй мировой войны военные действия происходили в том числе и в Африке, в основном в Северной Африке, в Тунисе, Алжире. В Северной Африке, как известно, широко распространены слитые почвы (вертисоли), отдельными участками разбросанные по всей ее территории. И вот исторический факт. Конец октября ноябрь 1942 года. Итало-немецкие фашистские войска расположились около ровной, сухой и твердой глинистой равнины перед броском на армию союзников, возглавляемую британским фельдмаршалом Монтгомери.Тяжелыенемецкиетанки,самоходныеорудия,артиллерия всебыло готово к бою. Но. пошел всего лишь дождь. Обычный дождь. И твердая глинистая равнина превратилась в непроходимое болото. Вертисоли сильнонабухающиепочвы,невыдерживающиево влажномсостоянии механических нагрузок, имеющие высокую пластичность, текучесть, оказались совершеннонепроходимымидлявоеннойтехники.Маневрыфашистскихчастей были невозможны. Время для них было потеряно. Британский фельдмаршал воспользовалсяэтим,и подЭль-Аламейномитало-немецкиевойскабылираз- биты. Как видим, почва сыграла в этом не последнюю роль.

Если заглянуть в еще более далекое прошлое, во времена Крестовых походов, совершенных такжев районы, где распространенысильнонабухающие, а в сухом состоянии твердые с крупными трещинами слитые почвы, то

ив те войны почва сыграла значительную роль. Битва между крестоносцами

исарацинамипод предводительствомСалахаэд-Динаибн Айюба, известного европейцам как Саладдин, происходила в июле в предгорьях Нижней Галилеи. Войска крестоносцев в полной боевой амуниции были вынуждены двигаться по выжженной солнцем глинистой пустыне с крупными трещинами. Вокруг нихкружили сарацины, легковооруженные, на легких лошадях. Большие трещины в слитой почве служили ловушками для коней крестоносцев, лошади оступались, их копыта застревали в трещинах, тяжесть всадников не позволяла им быстро выбраться из этих природных ловушек. Рыцари становились легкой добычей для кривых сабель сарацинов. Исход сражения, как

ивсей историческойкампании, был предрешен. И не последнююроль в этом сражении сыграла почва с ее уникальными «военно-стратегическими» свойствами. Хотя почва убежден! самоемирноеприродное создание наЗемле.