книги из ГПНТБ / Скотников В.А. Основы теории проходимости гусеничных мелиоративных тракторов [учеб. пособие]

ными PI грунтовыми водами). Первичная зола состоит главным образом из таких элементов, как кальций, железо, фосфор, ка­ лий, магний и др.; наносная зола — из мельчайших частиц гли­ нистых веществ, кварца, сернистых соединений. Минеральная часть торфа характеризуется зольностью. Зольность — лроцентное отношение массы золы к абсолютно сухой массе навески тор­ фа. Зольность торфа зависит в основном от типа торфа и степени его разложения.

Торфяники верхового типа питаются в основном за счет атмосферных вод или бедных грунтовых вод. Поэтому извне в них поступает мало золы и зольность зависит преимущественно от растеннй-торфообразователей. Зольность верховых торфов 3 - 4 % .

Торфяники низинного типа, образовавшиеся в условиях по­ верхностно-сточных и грунтовых вод, характеризуются значи­ тельным содержанием золы (до 10—16%).

С увеличением степени разложения торфа зольность торфа повышается. Особенно резкий рост зольности наблюдается в мелкодисперсной фракции торфа. В табл. 1.2 приведены резуль­ таты исследований зольности различных фракций торфа в зави­ симости от степени разложения.

Следует отметить, что увеличение зольности торфяного грун­ та улучшает его прочностные и деформативные свойства.

Дисперсность. Торфяные грунты, как обмечалось выше, — сложная полидисперсная система и отличаются многообразием размеров, форм и материалов дисперсной фазы. Даже для силь- HOFyM-ифицированных торфов размеры частиц изменяются от крупных неразложившихся остатков растений (размером более 3 мм) до коллоидных:

10

Для точного,определения степени дисперсности торфов при­ меняются три метода: ситовый — для грубодисперсной фракции (размеры частиц более 250 ж/с), седиментометрический (размеры частиц 250—1 мк) и электронно-микроскопический для мелкодис­ персной фракции (менее 1 мк).

По результатам дисперсного анализа строятся полные кри­

высокодиоперсного гумуса. вый,

Н. В. Чураевым предложены следующие дисперсности торфов:

1) средневзвешенный диаметр частиц грубодисперсной фрак­

характеристик степени дисперсности торфяного грунта — удель­ ная поверхность. Удельная поверхность — полная поверхность частиц торфа, отнесенная к 1 г сухого вещества

где <уу — плотность сухого вещества, которую принимают по­ стоянной и равной 1,5 г/см3.

11

Характеристики дисперсности торфов определяются на осно­ вании результатов дисперсионного анализа. Пример расчета по­ казателей дисперсности тростниково-осокового торфа, степень разложения которого 30%, приведен в табл. 1.3.

Т а б л . 1.3. Расчет показателей дисперсности торфа

Следует отметить, что подсчет удельной поверхности по ре­ зультатам дисперсионного анализа носит условный характер, так как.основан на том, что частицы торфа имеют гладкую ша­ ровую поверхность. В действительности подавляющее количество частиц имеет форму, отличную от шаровой (табл. 1.4). Кроме того, при расчетах не учитывается внутренняя пористость и ше­ роховатость, что приводит к значительному уменьшению удель- ной,-поверхности действительной величины.

Т а б л . 1.4. Распределение по форме частиц высокодисперсной фракции

Дисперсность торфа изменяется с изменением степени раз­ ложения его. Можно сказать, что степень дисперсности торфа определяется главным образом степенью гумификации органи­ ческого вещества торфа. При этом с увеличением степени раз-

12

ложения в верховых торфяниках наблюдается резкий рост час­ тиц мелких фракций; в низинных же торфяниках с ростом сте­ пени разложения наблюдается сравнительно малое изменение дисперсности. Поэтому при малых степенях разложения верхо­ вой торф обладает меньшей удельной поверхностью, чем низин­

теру связи с твердой фазой. Существует несколько классифика­ ций видов воды в торфе. Наиболее распространена классифика­ ция, предложенная А. В. Думанским и М. В. Чапеком.

По данным этих исследований, в зависимости от энергии связи с твердыми частицами торфа вода разделяется на четыре категории: химически связанную, физически связанную, осмоти­ ческую и свободную.

ствия на границе раздела фаз. Установлено, что частицы грун­ тов, в том числе и торфа, ведут себя, как заряженные тела. Ха­ рактер заряда грунтовых частиц может быть определен прави­ лом Коэна, по которому твердое тело получает отрицательный заряд, если его диэлектрическая постоянная меньше диэлектри­ ческой постоянной соприкасающейся с ним жидкости. Диэлек­ трическая постоянная воды — 61, частиц сухого торфа — 2,5— 3, т. е. частицы торфа в естественном залегании заряжены отри­ цательно.

Наличие электрического поля с избыточной энергией на по­ верхности частиц обусловливает притяжение ориентированных диполей воды к поверхности частицы. Молекулы воды, адсорбируясь на поверхности твердых частиц, притягивают в свою оче-

13

редь слои воды, образуя таким образом гидратные оболочки вокруг твердых частиц (рис. 1.3).

Электромолекулярные силы притяжения действуют на очень близких расстояниях. Их величина по мере удаления от твер­

жения торфа и колеблется в пределах 20—70% на 1 г сухого ве­ щества торфа.

С удалением от поверхности частицы интенсивность сил свя­ зывания уменьшается (пропорционально квадрату расстояния), и свойства физически связанной воды приближаются к свой­ ствам свободной воды. Эти ориентированные молекулы воды об­ разуют диффузную оболочку. Вода диффузных оболочек назы­ вается рыхлосвязанной.

Таким образом, физически связанная вода совместно с от­ рицательно заряженной частицей торфяного грунта образуют так называемый двойной электрический слой. Двойной электри­ ческий слой (рис. 1.3) подобен заряженному конденсатору. По­ верхность твердой частицы составляет как бы одну обкладку конденсатора, а находящиеся в жидкой фазе ионы — вторую об­ кладку.

•Полная разность потенциалов на разделе фаз при отсут­ ствии их взаимного перемещения называется термодинамическим потенциалом е, а снижение электрического потенциала по тол-

14

шине диффузного слоя до уровня в свободном растворе соответ­ ствует электрокинетическому потенциалу \. Чем больше g-потен- циал, тем большая толщина диффузного слоя.

Количество физически связанной воды в торфе зависит от степени разложения, ботанического состава, влажности и темпе­ ратуры. Исследованиями П. К. Мэля и А. Н. Новикова установ­

Это явление объясняется тем,' что при увеличении степени раз­ ложения имеют место два процесса: диспергирование раститель­ ного материала и изменение его химического состава. При пер­ вом процессе происходит рост связанной воды вследствие уве­ личения поверхностной энергии, но одновременно происходит и обогащение торфа битумами, обладающими гидрофобными свой­ ствами.

О с м о т и ч е с к а я в о д а находится в растительных клет­ ках, сохранившихся при неполном разложении растений-торфо- образователей. Стенки растительных клеток играют роль мем­ бран и при определенных условиях могут впитывать и отдавать'

фракциями коллоидного вещества. По содержанию в торфе осмо­ тическая вода занимает второе место после свободной. Ее коли­ чество в торфе зависит от степени разложения и вида торфа.

С в о б о д н а я в о д а неоднородна, обладает различными физическими свойствами и разделяется на воду ультрапор, ка­ пилляров и некапилляров.

Вода ультрапор (диаметром 1 0 ~ 5 — Ю - 7 см) по своим свой­ ствам приближается к физически связанной воде. Вода капилля­

В порядке уменьшения энергии связи с торфом рассмотрен­ ные категории воды располагаются в следующий ряд: химически связанная (давлением не удаляется), адсорбционная (удаляет­ ся при давлении свыше 1500 ат), вода ультрапор (15—1500 ат), осмотическая (1—100 ат)*, капиллярная (1—15 ат) и гравита­ ционная (0—1 ат).

Г а з о о б р а з н а я ф а з а торфяных грунтов состоит из свободных и растворенных в грунтовой воде. По условиям свое­ го размещения свободный газ разделяется на две части:

1) газ, имеющий сообщение с атмосферой, испытывает давле­ ние, равное атмосферному, и при нарушении этого равенства вы­ ходит наружу или проникает обратно в пустоты, восстанавливая

* По данным М. П. Воларовича и Н. В. Чураева, энергия связи осмоти­ ческой воды слабая (удаляется при давлении не более I ат).

15

равновесие с атмосферой. Взаимодействие этой части газа со скелетом просто и не связано с изменением физического состоя­ ния всей системы;

2) защемленный газ, потерявший сообщение с атмосферой и находящийся во взаимодействии с окружающей его грунтовой водой. Наличие защемленного газа в торфе связано главным об­ разом с неравномерным распределением воды по капиллярам, имеющим разные диаметры. При колебании уровня грунтовых вод вода может проникать из одних капилляров в другие, сосре­ доточиваясь в более узких участках капилляров. В расширенных участках капилляров образуется защемленный газ. Поэтому наи­ большее количество защемленного газа находится в верхней части торфяной залежи.

В условиях переменного физического состояния (температу­ ры, давления) защемленный газ является еще одним фактором, влияющим на свойства грунта и на передачу им внутренних сил. Это связано с наличием свободных поверхностей между части­ цами грунта, водой и пузырьками воздуха, в результате чего воз­ никают силы поверхностного натяжения, или капиллярные силы.

Следует отметить, что соотношение между твердой, жидкой и газообразной фазами торфяного грунта не постоянно, а изме­

называется отношение веса абсолютно сухого торфа к его объе­ му без пор

г\смъ. Для практических расчетов принимают уу =1>5 г/см5.

16

сухого грунта). К основным факторам, определяющим влаж­ ность торфяного грунта, относятся: ботанический состав, степень разложения, степень осушения торфяной залежи и внешнее дав­ ление, под которым находится грунт. Влажность неосушенных торфяников находится в обратной зависимости от степени раз­ ложения торфа. С увеличением степени разложения уменьшается количество неразложившихся остатков (следовательно, количе­ ство осмотической воды) и возрастает плотность (уменьшается количество свободной воды).

Для неосушенной торфяной залежи влажность торфа мож­ но подсчитать по приближенной формуле Ф. Н. Коваленко:

для верхового торфа w = 96 — 0,1 R; для низинного торфа w — 95 — 0,2 R,

где R — степень разложения торфа.

Влажность — одна из важнейших физических' характери­ стик торфяного грунта. С повышением влажности прочность тор­ фа уменьшается, и, наоборот, понижение влажности торфа спо­ собствует увеличнеию сопротивляемости его внешним нагрузкам.

Влагоемкость. Под влагоемкостыо торфяного грунта пони­ мают его способность впитывать и удерживать воду. Полной влагоемкостью грунта (Wn) называется влажность, соответст­ вующая полному заполнению пор водой.

Влагоемкость торфяных грунтов зависит в основном от рас- тений-торфообразователей (от размера внутриклеточных поло­ стей) и степени разложения торфа. По данным А. В. Пичугииа, наибольшие размеры внутриклеточных полостей имеют пушица, сфагновые мхи, шейхцерия, что обусловливает большую влагоем­ кость верховых торфов по сравнению с влагоемкостыо низинных.

С увеличением степени разложения полная влагоемкость торфов уменьшается, что объясняется естественным диспергиро­

18

шивании изменяется необратимо и не может поглощать то коли­ чество воды, которое он поглощал в естественном залегании. Это связано с тем, что коллоидная часть торфа при высыхании пре­ терпевает значительные необратимые изменения.

Отношение естественной влажности торфяного грунта к его

цами. Отношение объема пор к общему объему торфа, или объ­

Формула (1.10) получена из следующих рассуждений. Для единицы объема (1 см3) торфяного грунта абсолютная влаж­ ность может быть выражена как отношение веса воды (у — Yc) к весу скелета Yc

W = Y ~ 7 с 100.

Так как сумма объемов твердых частиц и пор равна объе­ му грунта

m - j - п = 1,

то объем пор

19