Состав грунтов » Construction archive

В состав грунтов входят твердые частицы, вода в различных видах и состояниях, в том числе, льда, газов и воздуха. В зависимости от количественных соотношений составных частей в единице объема грунта, гранулометрического состава твердых частиц, их формы, размеров и окатанности, его физические и механические свойства меняются в широких пределах — от слабых водонасыщенных глинистых до крупнообломочных плотных грунтов.

Твердые частицы грунтов

состоят из грунтообразующих минералов с различными формами, размерами и окатанностью, которые в совокупности образуют пространственную структуру (каркас, скелет) грунта, способный сопротивляться объемным изменениям и формоизменениям, как и все твердые тела. Кварц, полевые шпаты, слюда, кремень и др. минералы — гидрофобны и не меняют свои свойства в водной среде. Кроме того, связь между частицами практически отсутствует, и поэтому грунты с такими минералами называют несвязными. К ним относятся крупнообломочные и песчаные грунты.
Следует, однако, отметить, что угол внутреннего трения несвязных грунтов частично зависит от степени их увлажнения. Кроме того, в песчаных грунтах при их увлажнении возникает некоторое сцепление.
Свойства несвязных грунтов во многом зависят от их гранулометрического состава, крупности, окатанности частиц и др. При однородном (гомогенном) строении этих грунтов их свойства зависят только от минералогического состава, крупности и окатанности части (например, кварцевый песок). При неоднородном (гетерогенном) строении несвязных грунтов, содержащих частицы грунта различного размера, физико-механические их свойства существенно зависят от гранулометрического состава, содержания крупных фракций (песчано-гравелистая смесь). Свойства гетерогенных грунтов, в том числе и гравелистых грунтов с песчаным или глинистым заполнителем, следует определять по специальной методике. Если же крупно-обломочные грунты составляют незначительную часть однородных песчаных или глинистых вмещающих грунтов, то и в этом случае следует определять их свойства по специальной методике.

Глинистые минералы

в большинстве случаев гидрофильны. Это обусловлено их поверхностной активностью по отношению к воде. Глинистые минералы (каолинит, монтмориллонит, иллит, аттапульгит) имеют пластинчатую или игольчатую форму, причем размеры кристаллов не превышают 1-2 мкм, а соотношение длины к толщине превышает десятки раз. В связи с этим они имеют огромную удельную поверхность (м2/гр.) Так, например, 1 гр. монтмориллонита имеет суммарную поверхность 800 м2, а в 1 гр. каолинита суммарная поверхность составляет 10 м2. Содержание глинистых минералов оказывает существенное влияние на свойства грунтов и в первую очередь на характер связности грунтов. Поэтому грунты, содержащие глинистые фракции, такие как глины, суглинки и супеси называются связными грунтами. Взаимодействие глинистых минералов с водой, обусловленное электромолекулярными силами поверхности минералов, с диполями воды, играет огромную роль в формировании свойств глинистых грунтов.
Немаловажную роль играют в формировании свойств грунтов растворимые в воде минералы, такие как NaCL, гипс CaSO4 2Н2О, кальцит CaSO3, и др. Так, например, лессовые просадочные и набухающие глинистые грунты обладают специфическими свойствами благодаря наличию этих минералов в их составе.
В сухом состоянии частицы лессового грунта скреплены растворимыми минералами, поэтому при увлажнении связи разрушаются, грунт теряет свою структурную прочность, становится пластичным и это приводит к просадкам под нагрузкой, а иногда и под собственным весом.

Органические вещества:

в грунтах органоминерального образования (торфы, илы, заторфованные грунты) содержится большое количество органики. В них процесс превращения органических веществ в неорганическое вещество может длиться долгое время, в том числе, продолжается и в настоящее время. В обычных грунтах у поверхности земли органические вещества находятся в виде микроорганизмов, корней растений и гумуса. Наличие органических веществ также влияет на физико-механические свойства грунтов, особенно если их содержание велико.

Вода в грунтах

играет огромную роль при формировании их физико-механических свойств. Это влияние особенно сильно проявляется в глинистых грунтах, т. к. глинистые минералы гидрофильны и они притягивают к своей поверхности диполи воды. Чем больше глинистых минералов, тем больше связной воды в глинистых грунтах. Однако вода в грунтах может находиться в различных видах и состояниях. Согласно A.Л. Лебедеву, П.А. Ребиндеру, Е.М. Сергееву, В.И. Осипову, Н.А. Цытовичу и др. вода в грунтах находится в кристаллизационном (химически связанном), связанном и свободном состояниях. При отрицательной температуре вода в порах может полностью или частично переходить в твердое состояние (лед).
Кристаллизационная вода находится в строении кристаллических решеток минералов, т.е. внутри частиц грунта, и ее можно удалить только путем длительного нагревания, что приводит к разложению самих минералов и к изменению свойств грунта.
Наибольший интерес для механики грунтов представляет вода в порах грунта, которая является химическим раствором слабой концентрации. Взаимодействие воды с ионами поверхностного слоя глинистых минералов и с ионами растворенных в ней веществ приводит к ориентации молекул (диполей воды) к поверхности частиц и к катионам в поровой воде.
Электрическое поле поверхности частиц обусловлено наличием неуравновешенных электронов, и это притягивает катионы порового раствора, образуя диффузные оболочки. Пo мере удаления от поверхности частиц силы электромолекулярного взаимодействия падают, концентрация катионов уменьшается, а концентрация анионов увеличивается, вследствие чего сила притяжения молекул воды поверхностью частиц существенно ослабевает (рис. 1.1).

Молекулы воды у поверхности и глинистых минералов испытывают огромное притяжение, эквивалентное напряжению в сотни МПа, и образуют так называемый слой

прочносвязанной

воды. Свойства ее существенно отличается от свойств связанной воды, в том числе плотность (1,2-2,4 г/см3), вязкость, температура замерзания (до -10°C) и пр.
В водонасыщенном глинистом грунте толщина диффузного слоя зависит от уплотняющей нагрузки, т. к. она уравновешивается силой отталкивания частиц глин, обусловленной увеличением концентраций катионов в контактной области. С ростом нагрузки вода в контактной области отжимается и концентрация ионов увеличивается. При снятии нагрузки процесс происходит в обратном направлении и частицы раздвигаются за счет притока воды в контактную зону, и концентрация ионов снижается.
Следует отметить, что при изменении химического состава раствора в поровой воде может измениться и толщина диффузного слоя. Это обстоятельство часто используется для изменения свойств глинистых грунтов, в частности, при устранении набухаемости глин. Изменяя свойства глинистых минералов путем специальной обработки, можно, наоборот, увеличить их набухаемость в десятки раз. Такой способ обработки глинистых минералов разработан в институте механики МГУ и широко используется в инженерной практике для создания противофильтрационных элементов.
Последующие слои молекул воды менее связаны и образуют

рыхлосвязанную

воду. С удалением от поверхности частиц силы притяжения ослабевают и определяющим становится тепловое движение молекул воды и ионов раствора в слое свободной воды. Этот слой может передвигаться в поровом пространстве грунта под воздействием гидравлического градиента и подчиняется законам фильтрации. Свободную воду часто делят на гравитационную и капиллярную. В крупнообломочных, крупнозернистых песчаных грунтах преобладает гравитационная вода. Капиллярная вода находится выше уровня грунтовых вод и содержится в мелкозернистых песчаных и глинистых грунтах. Высота столба капиллярной воды существенно зависит от гранулометрического состава грунта и колеблется от нескольких сантим в крупнозернистых песках до нескольких м в суглинках. В плотных глинах в силу отсутствия свободной воды капиллярная вода может отсутствовать. Вода в пределах столба капилляра испытывает растяжение, за счет образования мениска (рис. 1.2, а), равное весу столба воды т. е. Pк = γw*hк

Такое же давление испытывают частицы грунта вокруг капилляров, составляющие скелет грунта, но противоположного знака. В неполностью водонасыщенных грунтах на контакте минералов также образуются мениски воды и возникают силы притяжения частиц друг к другу (рис 1.2, б). В результате по всему объему грунта создается всестороннее сжатие или связность, например, в песчаных грунтах.
Следует отметить, что интенсивность капиллярного давления зависит от кривизны менисков, которая в свою очередь зависит от химического состава воды и минеральных частиц (смачиваемости), а также от явлений испарений воды с поверхности грунта, т.е. от влажности окружающей среды.
Знание физико-химических особенностей взаимодействия твердых частиц с поровой водой в грунте позволяет во многом объяснить особенности поведения глинистого грунта и разработать мероприятия но изменению поведения грунтов под нагрузкой.

Газообразная составляющая грунта

находится в

свободном

или в

растворенном в воде

состояниях. Свободный газ подразделяется на незащемленный и сообщающийся с атмосферой (сухие пески, грунты выше уровня грунтовых вод), и защемленный, находящийся в поровом пространстве между пленками воды в виде пузырьков, насыщенных парами воды. Растворенный газ всегда присутствует в грунтовой воде в соответствии с общеизвестным законом Клайперона — Менделеева — Генри о растворимости газов в жидкости. Объемы растворенного газа и пузырьков газа связаны между собой и зависят от изменения атмосферного и гидростатического давления на данной глубине. При изменении атмосферного и особенно гидростатического давления часть растворенного воздуха может переходить в пузырьки воздуха (как при открытии пробки бутылки шампанского) и наоборот.
Поэтому извлечение образцов глинистого грунта из больших глубин на поверхность приводит к их разрушению вследствие расширения пузырьков воздуха.
Содержание в грунте пузырьков и растворенного воздуха оказывает существенное влияние на физико-механические свойства грунтов. В частности, оно определяет объемную сжимаемость поровой воды, соизмеримую со сжимаемостью скелета грунта, а это приводит к снижению коэффициентов порового давления и фильтрации.
Скорость распространения сейсмических волн также зависит от содержания в грунте воздуха, что в конечном итоге отражается на балльности строительных площадок, сложенных грунтами, содержащими защемленный газ.
При кратковременном статическом и динамическом воздействиях на грунты, содержащийся защемленный в поровой воде воздух существенно влияет на распределение тотальных напряжений между скелетом и поровой водой. Чем меньше пузырьков воздуха в грунте, тем больше напряжений приходится на долю поровой воды, т. к. объемная жесткость воды при этом увеличивается. К этому вопросу мы еще неоднократно вернемся в последующих разделах настоящей работы при рассмотрении конкретных задач механики грунтов.
Таким образом, состав грунтов оказывает существенное влияние на их физико-механические свойства, и это обстоятельство необходимо учитывать при рассмотрении конкретных прикладных задач механики грунтов. Разумеется, что при рассмотрении задач, связанных с особыми видами грунтов (мерзлые, оттаивающие, просадочные, лессовые, набухающие и органоминеральные) также следует учитывать их состав и строение, что является предметом особых исследований.

Общие понятия о сцеплении в грунтах

Общие понятия о сцеплении в грунтах

Грунты — сложные образования, прочностные свойства которых в значительной степени зависят от структурных особенностей, в основном от характера и количества связей между структурообразующими элементами, т. е. от сцепления. Природа этого явления изучена еще недостаточно, но большинство исследователей считают, что прочность скальных грунтов, а также частиц, слагающих дисперсные грунты, обусловлена действием сил первичной валентности, которые удерживают атомы в пределах кристаллической решетки, а также сил, обусловленных вторичными валентными связями. Это силы взаимодействия между молекулами.

В нескальных дисперсных грунтах комплекс факторов, обеспечивающих взаимосвязь структурообразующих элементов, значительно сложнее. Принято считать, что в их основе лежат молекулярные силы, а характер действия зависит от поверхности раздела твердых, жидких и газообразных фаз, химической природы твердых минеральных частиц, структуры, свойств веществ, заполняющих межчастичные пространства. Грунты содержат в поровом межчастичном пространстве какое-то количество воды. Виды и свойства воды могут быть различными в зависимости от ее количества и сил взаимодействия с минеральными частицами, определяемых главным образом гидрофильностью частиц.

Поровую воду подразделяют на прочносвязанную (адсорбированную) , рыхлосвязанную (лиосорбированную) и свободную. При соприкосновении твердой минеральной частицы с водой возникают электромолекулярные силы взаимодействия, которые притягивают молекулы воды к поверхностям минеральных частиц с большой силой. Поэтому самые близкие к минеральной частице слои воды обладают аномальными свойствами. Они заключаются в том, что вода этих тонких пленок обнаруживает свойства твердых тел—обладает упругостью, прочностью на сдвиг и пределом текучести. Удалить эту воду не удается внешним давлением в несколько десятков атмосфер, в связи с чем ее принято называть прочносвязанной.

Рекламные предложения на основе ваших интересов:

Дополнительные материалы по теме:

Следующие слои рыхлосвязанной воды по мере удаления от твердой поверхности грунтовых частиц удерживаются значительно меньшими силами и их можно выдавить из пор грунта давлением в несколько раз меньшим, чем необходимо для выдавливания адсорбционной воды. Свободная же вода, находящаяся вне сферы действия молекулярных сил, может перемещаться в порах под действием гравитационных и капиллярных сил. Наличие пленок связанной воды блокирует влияние молекулярных сил и уменьшает их. В углах же и на ребрах частиц толщина пленок меньше, поэтому сила взаимного притяжения частиц при соприкосновении этими местами увеличивается.

При наличии адсорбционных оболочек между частицами существуют одновременно и отталкивающие и притягивающие силы. Отталкивающие обусловлены расклинивающим действием тонких слоев воды и отталкиванием одноименно заряженных диффузных слоев. Притягивающие — молекулярным притяжением частиц.

При сближении частиц обе силы увеличиваются. Однако силы притяжения возрастают быстрее, и на определенном расстоянии они начинают преобладать. Поэтому при высыхании грунта или сближении частиц давлением сильнее проявляются молекулярные силы, что и повышает прочность грунта.

Если воды в грунте окажется больше, чем это определяется адсорбционной способностью грунта (характеризуемой молекулярной шшгоемкостью), водные пленки, окружающие частички материала, утолщаются и сливаются. В этом случае количество воды в грунте определяется его капиллярной влагоемкостью. Капиллярная вода стягивает частицы грунта в соответствии с известной- из физики формулой Лапласа. Следовательно, при наличии капиллярной воды связность грунтов определяется в основном капиллярными силами, сближающими частицы. Капиллярные силы в грунтах при определенных условиях могут достигать довольно больших значений.

При дальнейшем увлажнении материала все поры заполняются водой (ее объем определяют дтолной влагоемкостью) и таким образом отключаются силы поверхностного натяжения. Однако в полностью увлажненных грунтах силы молекулярного взаимодействия не становятся снова превалирующими. Связи в этом случае будут коагуляционными.

Из физической химии известно, что увлажнение дисперсного материала влечет за собой образование на его поверхности двойного электрического слоя. Слой этот образуется либо вследствие адсорбции на поверхности частиц ионов из окружающего раствора, либо вследствие диссоциации молекул поверхностного слоя твердой фазы. В результате двойной электрический слой представляется аналогичным плоскому конденсатору, одна обкладка которого находится в твердой фазе, другая — в жидкой. Знаки зарядов твердой и жидкой обкладок зависят от минералогического состава дисперсных частиц. При взаимодействии их частицы с двойными электрическими слоями противоположной полярности притягиваются по известным законам электростатики. При уплотнении же таких коагуляционных структур до прямого соприкосновения зерен между ними снова начинают действовать молекулярные силы

Следовательно, дисперсные грунты можно уподобить сложным электрическим системам. Заряды отдельных частиц компенсированы через взаимное притяжение или вследствие взаимодействия их с диполями воды и катионами Отсюда следует, что в состоянии равновесия грунты в целом являются электрически нейтральными. Однако при нарушении двойного электрического слоя, разрушении или деформации кристаллической решетки поверхностных слоев зерен возможно появление новых электрических зарядов. Они возникают также в результате трения между частицами при прохождении через грунт упругих волн. Таким образом, в дисперсных грунтах при определенных условиях и под воздействием ряда факторов возникает статическое электричество, вследствие чего образуются дополнительные связи между довольно крупными частицами (0,01—• 0,25 мм). Это явление называется сейсмоэлектрическим эффектом.

Частицы грунта, соприкасающиеся с водой, взаимодействуют с ней. В результате происходят физико-химические реакции, связанные с выпадением из постепенно концентрирующихся растворов различных солей. Продукты этих реакций заполняют поры грунта, покрывают поверхность частиц пленками и корочками, цементируя тем самым грунт и способствуя его окаменению. Это — процесс возникновения так называемых кристаллизационных связей, сопровождающийся увеличением прочности грунтов. Так как зерновой состав нескальных грунтов имеет весьма широкий диапазон размеров, эффекты, связанные с теми или иными факторами, определяющими сцепление в грунте, также сильно отличаются друг от друга в зависимости от степени раздробленности частиц, слагающих скелет. Чем дисперснее материал, тем больше контактов приходится на единицу его объема и, следовательно, тем интенсивнее силы его сцепления. Например, сцепление грубодисперсных грунтов при отсутствии того или иного цементирующего вещества настолько слабо, что при свободной засыпке эти грунты легко рассыпаются и принимают вид конической кучи. Такие грунты называют несвязными. Тонкодисперсные грунты, имеющие большую удельную поверхность, могут не обладать сыпучестью и быть в зависимости от влажности твердыми, пластичными, текучими. Такие грунты принято называть связными. Такое разделение удобно, хотя и весьма условно, так как связностью в большей или меньшей степени обладают все грунты независимо от их структурных особенностей и вида веществ, заполняющих поровое пространство.

Знание структурных особенностей грунтов дает возможность изменять их свойства в некоторых пределах, т. е. управлять прочностными характеристиками. Это, в свою очередь, открывает возможность проектировать рабочие процессы наиболее эффективно и конструировать оборудование, воздействующее на грунты, различными способами. В частности, необходимо учитывать, что при замачивании лёссовых грунтов значительно ослабляются их кристаллизационные связи, что способствует их уплотнению; термическим же воздействием на лёссовые грунты их упрочняют.

Один из методов повышения несущей способности слабых грунтов — электрохимическое закрепление их.

Введение электролитов в грунты с коагуляционными связями приводит к объединению отдельных зерен в структурные агрегаты и к слипанию последних.

Постоянный электрический ток во влажных грунтах вызывает электроосмотическое движение воды, активизирующее капиллярные силы и сближающее частицы. При этом молекулярные силы увеличиваются тем больше, чем дисперснее грунт. Поэтому электроосмотическое закрепление наиболее эффективно в грунтах с достаточно высоким содержанием глинистых фракций.

ГЛАВА 2 — ПОЧВА И ВОДА

ГЛАВА 2 — ПОЧВА И ВОДА

2.1 Почва
2.2 Попадание воды
в почву
2.3 Условия влажности почвы
2.4 Содержание доступной воды
2.5 Уровень грунтовых вод
2.6 Эрозия почвы водой

2.1.1 Состав почвы
2.1.2 Почвенный профиль
2.1.3 Структура почвы
2.1.4 Структура почвы

2.

1.1 Состав почвы

Когда сухую землю раздавить в руке, можно увидеть, что она состоит из всевозможных частиц разного размера.

Большинство этих частиц образуются в результате деградации горных пород; их называют минеральными частицами. Некоторые образуются из остатков растений или животных (гниющие листья, кусочки костей и т. д.), их называют органическими частицами (или органическим веществом). Частицы почвы, кажется, соприкасаются друг с другом, но на самом деле между ними есть промежутки. Эти пространства называются порами. Когда почва «сухая», поры в основном заполнены воздухом. После полива или дождя поры в основном заполняются водой. Живой материал находится в почве. Это могут быть живые корни, а также жуки, черви, личинки и т. д. Они способствуют аэрации почвы и тем самым создают благоприятные условия для роста корней растений (рис. 26).

Рис. 26. Состав почвы

2.1.2 Почвенный профиль

Если в почве выкопать котлован глубиной не менее 1 м, то можно увидеть различные слои, разные по цвету и составу. Эти слои называются горизонтами. Эта последовательность горизонтов называется профилем почвы (рис. 27).

Рис. 27. Профиль почвы

Очень общий и упрощенный профиль почвы можно описать следующим образом:

а. Пахотный слой (толщиной 20-30 см): богат органическими веществами и содержит много живых корней. Этот слой подвергается подготовке земли (например, вспашке, боронованию и т. д.) и часто имеет темный цвет (от бурого до черного).

б. Глубокий пахотный слой: содержит гораздо меньше органических веществ и живых корней. Этот слой практически не подвергается воздействию обычных работ по подготовке земли. Цвет более светлый, чаще серый, иногда испещренный желтоватыми или красноватыми пятнами.

в. Подпочвенный слой: органических веществ и живых корней почти не обнаружено. Этот слой не очень важен для роста растений, так как до него доходят только несколько корней.

д. Материнский слой: состоит из породы, в результате деградации которой образовалась почва. Эту породу иногда называют материнским материалом.

Глубина различных слоев сильно различается: некоторые слои могут вообще отсутствовать.

2.1.3 Структура почвы

Минеральные частицы почвы сильно различаются по размеру и могут быть классифицированы следующим образом:

Количество песка, ила и глины, присутствующих в почве, определяет текстуру почвы.

В крупнозернистых почвах: преобладает песок (песчаные почвы).
В почвах среднего гранулометрического состава: преобладает ил (суглинистые почвы).
В почвах тонкого гранулометрического состава: преобладает глина (глинистые почвы).

В полевых условиях структуру почвы можно определить, растирая ее между пальцами (см. рис. 28).

Фермеры часто говорят о легкой и тяжелой почве. Крупнозернистая почва легкая, потому что с ней легко работать, а мелкозернистая почва тяжелая, потому что с ней трудно работать.

Структура почвы постоянна, фермер не может модифицировать или изменить ее.

Рис. 28а. Почва с грубой текстурой песчаная. Отдельные частицы рыхлые и распадаются в руке, даже когда они влажные.

Рис. 28б. Почва средней текстуры на ощупь очень мягкая (как мука) при высыхании. Его можно легко сжать, когда он влажный, и он становится шелковистым.

Рис. 28в. Мелкозернистая почва прилипает к пальцам во влажном состоянии и может образовывать шарик при нажатии.

2.1.4 Структура почвы

Структура почвы относится к группировке частиц почвы (песок, ил, глина, органические вещества и удобрения) в пористые соединения. Они называются агрегатами. Структура почвы также относится к расположению этих агрегатов, разделенных порами и трещинами (рис. 29).

Основные типы расположения агрегатов показаны на рис. 30, зернистая, глыбовая, призматическая и массивная структура.

Рис. 29. Структура почвы

При наличии в верхнем слое массивная структура блокирует доступ воды; прорастание семян затруднено из-за плохой аэрации. С другой стороны, если верхний слой почвы зернистый, вода поступает легко, и семена лучше прорастают.

В призматической структуре движение воды в почве преимущественно вертикальное, поэтому поступление воды к корням растений обычно плохое.

В отличие от текстуры, структура почвы непостоянна. С помощью агротехнических приемов (вспашка, окучивание и т. д.) фермер пытается получить зернистую структуру верхнего слоя почвы на своих полях.

Рис. 30. Некоторые примеры грунтовых конструкций

2. 2.1 Инфильтрация
процесс
2.2.2 Скорость инфильтрации
2.2.3 Факторы
влияние на скорость инфильтрации

2.2.1 Процесс проникновения

Когда на поле подается дождевая или поливная вода, она просачивается в почву. Этот процесс называется инфильтрацией.

Проникновение можно увидеть, налив воду в стакан, наполненный сухой измельченной почвой, слегка утрамбовав. Вода просачивается в почву; цвет почвы темнеет по мере увлажнения (см. рис. 31).

Рис. 31. Инфильтрация воды в почву

2.2.2 Скорость инфильтрации

Повторите предыдущий тест, на этот раз с двумя стаканами. Один заполнен сухим песком, а другой заполнен сухой глиной (см. рис. 32а и б).

Инфильтрация воды в песок происходит быстрее, чем в глину. Говорят, что песок имеет более высокую скорость инфильтрации.

Рис. 32а. В каждый стакан подается одинаковое количество воды

Рис. 32б. Через час вода просачивается в песок, в то время как некоторое количество воды все еще скапливается на глине. Обычно измеряется глубиной (в мм) водного слоя, который почва может поглотить за час.

Скорость инфильтрации 15 мм/час означает, что слой воды толщиной 15 мм на поверхности почвы будет инфильтроваться в течение одного часа (см. рис. 33).

Рис. 33. Грунт со скоростью инфильтрации 15 мм/ч

Диапазон значений скорости инфильтрации приведен ниже:

2.

2.3 Факторы, влияющие на скорость инфильтрации

Скорость инфильтрации почвы зависит от постоянных факторов, таких как структура почвы. Это также зависит от различных факторов, таких как влажность почвы.

я. Текстура почвы

Грунты с грубой гранулометрической структурой состоят в основном из крупных частиц, между которыми находятся крупные поры.

С другой стороны, мелкозернистые почвы состоят в основном из мелких частиц, между которыми находятся мелкие поры (см. рис. 34).

Рис. 34. Скорость инфильтрации и гранулометрический состав почвы

В грубых почвах дождевая или поливная вода легче проникает в более крупные поры; воде требуется меньше времени, чтобы проникнуть в почву. Другими словами, скорость инфильтрации выше для грубозернистых почв, чем для мелкозернистых почв.

ii. Влажность почвы

Вода быстрее просачивается (более высокая скорость инфильтрации) в сухую почву, чем во влажную (см. рис. 35). Как следствие, когда вода для орошения подается на поле, вода сначала легко просачивается, но по мере увлажнения почвы скорость инфильтрации снижается.

Рис. 35. Скорость инфильтрации и влажность почвы

iii. Структура почвы

Вообще говоря, вода быстро просачивается (высокая скорость инфильтрации) в зернистые почвы, но очень медленно (низкая скорость инфильтрации) в массивные и плотные почвы.

Поскольку фермер может влиять на структуру почвы (посредством агротехники), он также может изменять скорость инфильтрации своей почвы.

2.3.1 Влажность почвы
2.3.2 Насыщенность
2.3.3 Полевая вместимость
2.3.4 Точка постоянного увядания

2.3.1 Влажность почвы

Влажность почвы показывает количество воды, присутствующей в почве.

Обычно выражается как количество воды (в миллиметрах глубины воды), присутствующей на глубине одного метра почвы. Например: когда количество воды (в мм глубины воды) 150 мм присутствует на глубине одного метра почвы, влажность почвы составляет 150 мм/м (см. рис. 36).

Рис. 36. Влажность почвы 150 мм/м

Влажность почвы также может быть выражена в процентах от объема. В приведенном выше примере 1 м ³ почвы (например, при глубине 1 м и площади поверхности 1 м ² ) содержит 0,150 м ³ воды (например, при глубине 150 мм = 0,150 м и площадью 1 м ² ). В результате содержание влаги в почве в объемных процентах составляет:

Таким образом, влажность 100 мм/м соответствует влажности 10 объемных процентов.

Примечание: Количество воды, хранящейся в почве, не является постоянным с течением времени, но может меняться.

2.3.2 Насыщенность

Во время дождя или орошения поры почвы заполняются водой. Если все поры почвы заполнены водой, то говорят, что почва насыщена. В почве не осталось воздуха (см. рис. 37а). В полевых условиях легко определить, насыщена ли почва. Если сжать горсть влажного грунта, между пальцами потечет немного (мутной) воды.

Растениям нужен воздух и вода в почве. При насыщении воздуха нет, и растение будет страдать. Многие культуры не могут выдерживать условия насыщения почвы более 2-5 дней. Рис является одним из исключений из этого правила. Период насыщения пахотного слоя обычно длится недолго. После прекращения дождя или полива часть воды, находящейся в более крупных порах, будет двигаться вниз. Этот процесс называется дренажом или просачиванием.

Вода, вытекающая из пор, заменяется воздухом. В крупнозернистых (песчаных) почвах дренаж завершается в течение нескольких часов. В мелкозернистых (глинистых) почвах дренаж может занять несколько (2-3) дней.

2.3.3 Полевая емкость

После прекращения дренажа большие поры почвы заполняются воздухом и водой, в то время как меньшие поры все еще полны воды. На этом этапе говорят, что почва находится в полевой емкости. При полевой вместимости содержание воды и воздуха в почве считается идеальным для роста сельскохозяйственных культур (см. рис. 37b).

2.3.4 Постоянная точка увядания

Мало-помалу вода, хранящаяся в почве, поглощается корнями растений или испаряется с верхнего слоя почвы в атмосферу. Если в почву не подается дополнительная вода, она постепенно высыхает.

Чем суше становится почва, тем плотнее задерживается оставшаяся вода и тем труднее корням растений извлекать ее. На определенном этапе поглощение воды недостаточно для удовлетворения потребностей растения. Растение теряет свежесть и увядает; листья меняют цвет с зеленого на желтый. В конце концов растение погибает.

Содержание влаги в почве на стадии гибели растения называется точкой постоянного увядания. В почве еще содержится немного воды, но корням слишком трудно высосать ее из почвы (см. рис. 37в).

Рис. 37. Некоторые характеристики влажности почвы

Почву можно сравнить с водоемом для растений. Когда почва
насыщен, резервуар полон. Однако часть воды быстро стекает ниже
корневую зону до того, как растение сможет ее использовать (см. рис. 38а).

Рис. 38а. Насыщенность

Когда эта вода стечет, почва будет готова к работе.
Корни растений черпают воду из того, что осталось в водоеме (см. рис. 38б).

Рис. 38б. Полевая вместимость

Когда почва достигает точки постоянного увядания, оставшаяся вода больше не
доступным растению (см. рис. 38в).

Рис. 38в. Точка постоянного увядания

Количество воды, фактически доступное растению, представляет собой количество воды, хранящейся в почве при полевой емкости, за вычетом воды, которая останется в почве при точке постоянного увядания. Это показано на рис. 39..

Рис. 39. Доступная влажность почвы или содержание воды

Содержание доступной воды в значительной степени зависит от текстуры и структуры почвы. Диапазон значений для различных типов почвы приведен в следующей таблице.

Полевая емкость, точка постоянного увядания (PWP) и содержание доступной воды называются характеристиками влажности почвы. Они постоянны для данной почвы, но широко варьируются от одного типа почвы к другому.

2.5.1 Глубина
уровень грунтовых вод
2.5.2 Подземные воды
стол
2.5.3 Капиллярный подъем

Часть воды, подаваемой на поверхность почвы, стекает ниже корневой зоны и питает более глубокие слои почвы, которые постоянно насыщены водой; верхнюю часть насыщенного слоя называют УГВ или иногда просто УГВ (см. рис. 40).

Рис. 40. Уровень грунтовых вод

2.5.1 Глубина залегания грунтовых вод

Глубина залегания грунтовых вод сильно варьируется от места к месту, в основном из-за изменений рельефа местности (см. рис. 41).

Рис. 41. Изменения глубины залегания грунтовых вод

В одном конкретном месте или поле глубина залегания грунтовых вод может изменяться во времени.

После сильных дождей или орошения уровень грунтовых вод поднимается. Он может даже достичь и насытить корневую зону. Если эта ситуация затянется, это может иметь катастрофические последствия для культур, которые не могут противостоять «мокрым ногам» в течение длительного периода. Там, где уровень грунтовых вод выходит на поверхность, его называют открытым уровнем грунтовых вод. Так бывает в заболоченных местах.

Уровень грунтовых вод также может быть очень глубоким и удаленным от корневой зоны, например, после продолжительного засушливого периода. Чтобы корневая зона оставалась влажной, необходим полив.

2.5.2 Высокий уровень грунтовых вод

Поверх непроницаемого слоя можно обнаружить вздымающийся слой грунтовых вод довольно близко к поверхности (от 20 до 100 см). Обычно она охватывает ограниченную территорию. Верхняя часть поднятого слоя воды называется поднятым уровнем грунтовых вод.

Водоупорный слой отделяет выступающий слой грунтовых вод от более глубоко расположенного уровня грунтовых вод (см. рис. 42).

Рис. 42. Поднятый уровень грунтовых вод

Почву с непроницаемым слоем недалеко от корневой зоны следует орошать с осторожностью, поскольку в случае быстро подняться.

2.5.3 Капиллярный подъем

До сих пор было объяснено, что вода может двигаться как вниз, так и горизонтально (или в стороны). Кроме того, вода может двигаться вверх.

Если кусок ткани опустить в воду (рис. 43), вода всасывается тканью вверх.

Рис. 43. Движение воды вверх или капиллярный подъем

Тот же процесс происходит с уровнем грунтовых вод и почвой над ним. Грунтовые воды могут всасываться вверх почвой через очень маленькие поры, называемые капиллярами. Этот процесс называется капиллярным подъемом.

В мелкозернистой почве (глине) восходящее движение воды медленное, но покрывает большое расстояние. С другой стороны, в крупнозернистой почве (песок) восходящее движение воды происходит быстро, но покрывает лишь небольшое расстояние.

2.6.1 Плоская эрозия
2.6.2 Овражная эрозия

Эрозия – перенос почвы из одного места в другое. Климатические факторы, такие как ветер и дождь, могут вызывать эрозию, но она может возникать и при орошении.

В течение короткого времени процесс эрозии практически незаметен. Однако оно может быть непрерывным, и весь плодородный верхний слой поля может исчезнуть в течение нескольких лет.

Эрозия почвы водой зависит от:

— склон: крутые, наклонные поля более подвержены эрозии;
— структура почвы: легкие почвы более чувствительны к эрозии;
— объем или скорость стока поверхностных вод: большие или быстрые потоки вызывают большую эрозию.

Эрозия обычно наиболее сильна в начале орошения, особенно при орошении на склонах. Сухая поверхностная почва, иногда разрыхленная культивацией, легко удаляется проточной водой. После первого полива почва становится влажной и оседает, поэтому эрозия уменьшается. Новые орошаемые территории более чувствительны к эрозии, особенно на ранних стадиях.

Существует два основных типа водной эрозии: плоскостная эрозия и овражная эрозия. Их часто комбинируют.

2.6.1 Листовая эрозия

Плоская эрозия представляет собой равномерное удаление очень тонкого слоя или «листа» верхнего слоя почвы с наклонной поверхности. Это происходит на больших площадях земли и вызывает большую часть потерь почвы (см. рис. 44).

Рис. 44. Листовая эрозия

Признаками листовой эрозии являются:

— только тонкий слой почвы; или недра частично обнажены; иногда обнажается даже материнская порода;

— достаточно большое количество крупного песка, гравия и гальки в пахотном слое, более мелкий материал удален;

— обнажение корней;

— месторождение эродированного материала у подножия склона.

2.6.2 Овражная эрозия

Овражная эрозия определяется как удаление почвы концентрированным водным потоком, достаточно большим для образования каналов или оврагов.

Эти овраги несут воду во время сильного дождя или орошения и постепенно становятся шире и глубже (см. рис. 45).

Рис. 45. Овражная эрозия

Признаками овражной эрозии на орошаемом поле являются:

— неравномерные изменения формы и длины борозд;
— скопление эродированного материала на дне борозд;
— обнажение корней растений.

Почвенная вода | Почвы. Часть 2. Физические свойства почвы и почвенной воды

Почва действует как губка, впитывая и удерживая воду. Движение воды в почву называется  инфильтрация , а нисходящее движение воды в почве называется просачивание , проницаемость или гидравлическая проводимость . Поры в почве – это канал, по которому вода проникает и просачивается. Он также служит отсеком для хранения воды.

Скорость инфильтрации может быть близкой к нулю для очень глинистых и уплотненных почв или более 10 дюймов в час для песчаных и хорошо агрегированных почв. Низкая скорость инфильтрации приводит к образованию запруд на почти ровной поверхности и стоку на наклонной поверхности. Органические вещества, особенно растительные остатки и разлагающиеся корни, способствуют агрегации, в результате чего образуются более крупные поры почвы, что позволяет воде легче проникать в почву.

Проницаемость также зависит от текстуры и структуры почвы. Проницаемость обычно оценивается от очень быстрой до очень медленной ( Таблица 2.4 ). Это механизм, с помощью которого вода достигает недр и корневой зоны растений. Это также относится к движению воды ниже корневой зоны. Вода, просачивающаяся глубоко в почву, может достичь выступающего уровня грунтовых вод или водоносного горизонта. Если просачивающаяся вода содержит химические вещества, такие как нитраты или пестициды, эти резервуары для воды могут быть загрязнены.

Таблица 2. 4. Система классификации проницаемости

Инфильтрация и проницаемость описывают способ проникновения воды в почву и через нее. Вода, содержащаяся в почве, описывается термином содержание воды . Содержание воды можно количественно определить как гравиметрически (г воды/г почвы), так и объемно (мл воды/мл почвы). Наиболее часто используется объемное выражение содержания воды. Поскольку 1 грамм воды равен 1 миллилитру воды, мы можем легко определить вес воды и сразу узнать ее объем. В следующем обсуждении содержание воды будет рассмотрено в объемном выражении.

Насыщенность  – содержание влаги в почве, когда все поры заполнены водой. Содержание воды в почве при насыщении равно проценту пористости.   Полевая вместимость  – это содержание влаги в почве после того, как почва была пропитана водой и свободно дренировалась в течение примерно 24–48 часов. Свободный дренаж происходит из-за силы тяжести, притягивающей воду. Когда вода перестает стекать, мы знаем, что оставшаяся вода удерживается в почве с силой большей, чем сила тяжести. Точка постоянного увядания  – это содержание воды в почве, когда растения извлекли всю возможную воду. В точке постоянного увядания растение увядает и не восстанавливается. Недоступная вода — это содержание воды в почве, которая прочно связана с частицами и агрегатами почвы и не может быть извлечена растениями. Эта вода удерживается в виде пленок, покрывающих частицы почвы. Эти термины иллюстрируют почву от ее самого влажного состояния до самого сухого состояния.

Несколько терминов используются для описания воды, удерживаемой между этими различными водными элементами. Гравитационная вода  относится к количеству воды, удерживаемой почвой между насыщением и полевой емкостью. Водоудерживающая способность  относится к количеству воды, удерживаемой в почве против силы тяжести, или общему объему воды в почве при полевой вместимости. Доступная для растений вода или доступная влагоемкость  является той частью влагоемкости, которая может быть поглощена растением, и представляет собой количество воды, удерживаемой между полевой влагоемкостью и точкой увядания.

Измеренное объемное содержание воды – это общее количество воды, содержащейся в данном объеме почвы в данный момент времени. Он включает всю воду, которая может присутствовать, включая гравитационную, доступную и недоступную воду.

Взаимосвязь между этими различными физическими состояниями воды в почве можно легко проиллюстрировать с помощью губки. Губка похожа на почву, потому что она имеет твердое и пористое пространство. Возьмите губку размером примерно 6 x 3 x 1/2 дюйма. Поместите его под воду в посуду и дайте ему впитать как можно больше воды. В этот момент губка находится в состоянии насыщения. Теперь осторожно поддержите губку обеими руками и поднимите ее из воды. Когда губка перестает стекать, она достигает полевой емкости, а вода, которая свободно стекает, является гравитационной водой. Теперь сжимайте губку, пока не перестанет выходить вода. Губка теперь находится в точке постоянного увядания, и вода, выжатая из губки, является водоудерживающей способностью. Около половины этой воды можно считать доступной для растений. Вы можете заметить, что вы все еще можете чувствовать воду в губке. Это недоступная вода.

Вода в виде осадков или орошения просачивается на поверхность почвы. Все поры на поверхности почвы заполняются водой до того, как вода начинает двигаться вниз. Во время инфильтрации вода движется вниз из зоны насыщения в зону ненасыщения. Граница между этими двумя зонами называется фронтом смачивания . Когда прекратятся осадки или орошение, гравитационная вода будет продолжать просачиваться до тех пор, пока не будет достигнута вместимость поля. Вода сначала просачивается через большие поры между частицами почвы и агрегатами, а затем в более мелкие поры.

Доступная вода удерживается в почвенных порах силами, зависящими от размера пор и поверхностного натяжения воды. Чем ближе друг к другу частицы или агрегаты почвы, тем меньше поры и тем сильнее сила, удерживающая воду в почве. Поскольку вода в крупных порах удерживается с небольшой силой, она стекает легче всего. Точно так же растения сначала поглощают почвенную воду из более крупных пор, потому что для извлечения воды из крупных пор требуется меньше энергии, чем из мелких пор.

Использование оценок почвенных вод в процентном отношении к объему не допускает какой-либо практической интерпретации. Следовательно, вода обычно преобразуется из процента объема на основе глубины в дюймах воды на фут почвы ( Таблица 2.5 ).

		дюйма воды/фут почвы
	песок	суглинок	суглинок пылеватый
насыщенность	5,2	5,8	6.1
полевая вместимость	2.1	3,8	4,4
постоянная точка увядания	1,1	1,8	2,6
сушка в духовке	0	0	0
гравитационный	3. 1	2	1,7
водоудерживающая способность	1	2	1,8
в наличии	0,5	1	0,9
недоступен	1,1	1,8	2,6

Таблица 2.5. Оценка почвенной влаги для трех текстур почвы

Табличные значения получены на основе лабораторного анализа проб почвы. Часть этой информации также публикуется в Обзоре почв. Другие методы были разработаны для оценки почвенной влаги, если лабораторные данные недоступны. Как правило, считается, что полевая способность составляет 50 процентов от насыщения, а точка постоянного увядания составляет 50 процентов от полевой способности.

Водоудерживающая способность  обозначает способность почвы удерживать воду. Это полезная информация для планирования орошения, выбора сельскохозяйственных культур, учета загрязнения грунтовых вод, оценки стока и определения того, когда растения будут подвергаться стрессу. Доступная влагоемкость зависит от состава почвы ( Таблица 2.6 ).

Таблица 2.6. Диапазон доступной влагоемкости для разных структур почвы

Почвы со средним гранулометрическим составом (мелкие супеси, пылеватые суглинки и пылеватые суглинки) обладают самой высокой доступной влагоемкостью, в то время как грубые почвы (песок, суглинистый песок и супеси) имеют наименьшую доступную влагоемкость. Почвы средней текстуры со смесью частиц ила, глины и песка и хорошей агрегацией обеспечивают большое количество пор, которые удерживают воду против силы тяжести. В грубых почвах преобладает песок и очень мало ила и глины. Из-за этого мало агрегации и мало мелких пор, которые будут удерживать воду против силы тяжести. Глинистые почвы с тонкой текстурой имеют множество мелких пор, которые удерживают много воды против силы тяжести. Вода очень плотно удерживается в мелких порах, что затрудняет ее поглощение растениями.

Поскольку структура почвы зависит от глубины, то же самое происходит и с доступной влагоемкостью. Почва может иметь глинистую поверхность с илистым горизонтом В и песчаным горизонтом С. Чтобы определить доступную влагоемкость для профиля почвы, глубина каждого горизонта умножается на доступную воду для этого состава почвы, а затем значения для разных горизонтов складываются. Эти определения показаны для двух почв в Таблице 2.7.

Глубина от поверхности почвы (дюймы)	Глубина слоя (футы)	Структура почвы	Водоудерживающая способность (дюйм/фут)	Доступная вода (в пласте)	Доступная вода (дюймы/5 футов)
Почва А
0 — 6,0	0,5	суглинистый мелкий песок	1,2	0,6
6,0 — 24	1,5	суглинистый мелкий песок	1	1,5
24 — 60	3	мелкий песок	0,7	2. 1
Итого					4,2
Почва B
0 — 12,0	1	илистая глина	1,5	1,5
12,0 — 30	1,5	суглинок пылеватый	2	3
30 — 60	2,5	суглинистый песок	1,1	2,7
Всего					7,2

Таблица 2.7. Расчет доступной влагоемкости по профилю почвы

Культурные обычаи сильно влияют на водные отношения, но этот эффект в значительной степени косвенный.