7. Общефизические свойства: объемная , удельная массы, коэффициент пористости, фильтрации,

Плотность твердой фазы — это масса твердой фазы почвы в абсолютно сухом состояний, выраженная весовыми единицами, на определенный объем (кг/м3, г/см3 и т. д.) или отношение массы твердой фазы (части) к массе равного объема воды при 4°С. Плотность твердой фазы зависит от минералогического состава и содержания органического вещества. Например, минерал кварц имеет плотность 2,65, а глинистые минералы — 2,45— 2,5 г/см3. Плотность органического вещества почвы не превышает 1,25—1,80 г/см3. В среднем плотность твердой фазы составляет 2,5—2,65 г/см3. В верхних слоях почвы, обогащенных гумусом, она не превышает 2,3— 2,5 г/см3 и увеличивается в нижних горизонтах (около 3 г/см3).

Объемная масса. Почва — пористое тело, поэтому, кроме плотности,, она обладает объемной массой. Этот показатель характеризует почву в сухом состоянии с ненарушенным сложением (со всеми порами и промежутками) и выражается в весовых единицах на объем (кг/м3, г/см3).

Объемная масса одной и той же почвы всегда меньше плотности твердой фазы. Величина объемной массы почвы зависит от минералогического и механического состава, содержания органического вещества, структурного состояния и сложения почвы.

Объемная масса пахотного слоя минеральных почв изменяется в широких пределах —от 0,8 до 1,5. Это связано с обработкой, свойствами почвы и сельскохозяйственной культурой. После обработки почва имеет наименьшую объемную массу, затем она постепенно уплотняется, и через определенный срок (неодинаковый для различных почв) величина объемной массы становится более или менее постоянной. Эту величину принято называть равновесной (И. Б. Ревут). Для различных типов почв имеются определенные пределы равновесной объемной массы — для пахотного слоя дерново-подзолистых почв она составляет 1,5—1,6 г/см3, для черноземных почв — 1,0—1,3 г/см3.

Величина объемной массы влияет на водный, воздушный, тепловой режимы почвы, а также на рост, развитие и продуктивность растений. Оптимальная величина объемной массы пахотного слоя различных почв зависит не только от свойств почвы, но и от биологических особенностей растений. Так, для зерновых культур, возделываемых на дерново-подзолистых средне- и тяжелосуглинистых почвах она составляет 1,20—1,35, на тех же почвах, но для картофеля — 1,0—1,2 г/см3. На каштановых почвах при возделывании пшеницы оптимальная величина объемной массы будет 1,0—1,2 г/см3. Увеличение объемной массы выше оптимальной снижает урожай сельскохозяйственных растений.

Пористость почвы (порозность, скважность) — суммарный объем всех пор, выраженный в процентах объема всей почвы. Это так называемая общая пористость, она зависнет от механического состава, содержания гумуса, структурного состояния и сложения почвы.

В верхних слоях почвы, обогащенных гумусом, общая пористость достигает 50—60%, в нижних — она снижается, составляя в суглинистых и глинистых почвах 35— 45%, а в песчаных —30—35%.

Величину общей пористости определяют экспериментально или рассчитывают, исходя из данных объемной массы и плотности твердой фазы почвы.

В зависимости от размера пор (мелких капилляров или крупных) выделяют капиллярную и некапиллярную пористость. Мелкие поры в почвах (капилляры) обычно бывают заполнены водой, а крупные — воздухом.

Таким образом, соотношение объемов твердой фазы, некапиллярных и капиллярных пор характеризует строение пахотного слоя.

Наиболее благоприятные условия водно-воздушного режима для произрастания растений в пахотном слое почвы наблюдаются при величине общей пористости 50—55% и соотношении некапиллярной и капиллярной 1:1 (в зависимости от зональных условий это соотношение может изменяться). В агрономическом отношении важно, чтобы почвы имели наибольшую капиллярную пористость (поры заполнены водой) и одновременно некапиллярную пористость (поры заполнены воздухом) — не менее 20% общего объема почвы.

Удельный вес почвы. Если взять отношение веса к.-л. объема почвы к весу такого же объема воды, то получим т. н. «кажущийся удельный вес» почвы, который меньше истинного удельного веса твердых почвенных частиц, так как твердые частицы почвы занимали не весь взятый объем, а были разделены промежутками. Есть способы определить истинный удельный вес; он оказывается в разных почвах неодинаковым; для большинства почв, не содержащих очень большого количества перегноя, он колеблется от 2,4 до 2,8; в торфяных почвах удельный вес падает до 1,2-1,4.

Зная кажущийся и истинный удельный вес почвы можно определить ее «порозность», т. е. долю данного объема, не занятую твердыми частицами. Так, напр., если истинный удельный вес почвы равняется 2,6, а кажущийся 1,3, то на долю промежутков придется половина всего объема,- порозность почвы будет 50%. Если при том же истинном удельном весе кажущийся будет только 1,1, то это будет говорить, о большей порозности, которая в этом случае равна 57%.

Коэффициент пористости - отношение объема пор к объему твердой фазы. Выражается в долях единицы. Значение коэффициента пористости для грунтов меняется в довольно широких пределах (примерно 0,20-1,5, а для органо-минеральных грунтов до 2-20).

Определение основных показателей сжимаемости грунтов производится путем их уплотнения под нагрузкой без возможности бокового расширения в условиях одномерной задачи. При такой схеме нагрузки деформации могут развиваться только в одном направлении. Испытания грунтов проводятся в жестком кольце (одометре), сам прибор называется компрессионным. Нагрузка на поверхность грунта прикладывается ступенями, величина ее устанавливается в зависимости от естественного состояния грунта и составляет 0,010; 0,025; 0,05 МПа. На каждой ступени нагрузки после стабилизации замеряется осадка и строится компрессионная кривая в координатах "давление - коэффициент пористости", для водонасыщенных грунтов в координатах - "давление - влажность".

Для вывода формулы, на основании которой можно определение коэффициента пористости при любой величине деформации образца, введем следующие обозначения: e0 - начальный коэффициент пористости грунта; e - коэффициент пористости грунта при любой нагрузке; si - полная осадка образца при данной ступени нагрузки, измеренная от начала загружения; Ap - изменение пористости грунта от начала загружения; h - начальная высота образца.

Таким образом, коэффициент относительной сжимаемости равен относительной осадке, приходящейся на единицу давления. Если изменение вертикального давления происходит на бесконечно малую величину, то коэффициент пористости изменяется пропорционально этому давлению. После дифференцирования исходного уравнения можно записать.

Зависимость выражает закон уплотнения грунта: бесконечно малое изменение относительного объема пор грунта прямо пропорционально бесконечно малому изменению давления. Основными характеристиками сжимаемости грунтов является модуль общей деформации и коэффициенты бокового давления и поперечного расширения.

Модуль общей деформации, как и для упругих тел, является коэффициентом пропорциональности между напряжениями и относительными деформациями. В то же время модуль общей деформации существенно отличается от модуля упругости тем, что определяется по ветви уплотнения и, таким образом, учитывает упругие и остаточные деформации грунтов. Модуль общей деформации является важной характеристикой, используемой для расчета оснований зданий и сооружений по деформациям, и определяется в полевых и лабораторных условиях. Наиболее распространенный способ - проведение компрессионных испытаний с последующей их обработкой. В этом случае модуль общей деформации, где p - коэффициент, учитывающий невозможность бокового, расширения грунта (для песков и супесей 6 = 0,76, суглинков - 0,63 и глин - 0,42).