ПОЧВОВЕДЕНИЕ, 2007, № 7, с. 838-845
ФИЗИКА ПОЧВ
УДК 631.4
МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ СЦЕПЛЕНИЯ В ПОЧВЕННЫХ АГРЕГАТАХ*
© 2007 г. К. Ю. Хан1, А. И. Поздняков2, Б. К. Сон3
1 Приокско-террасный государственный природный биосферный заповедник, 142200, М. Данки
2 Факультет почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова, 119992, Москва, Ленинские горы 3 Институт фундаментальных проблем биологии РАН, 142290, Пущино, ул. Институтская, 2
Поступила в редакцию 04.10.2006 г.
Изложены теоретические основы и метод экспериментального определения прочности водоустойчивых связей в почвенных агрегатах. Показано, что прочность водоустойчивых агрегатов, характеризуемая через сцепление, является одним из важных структурно-механических свойств почвы. Закономерное изменение этого показателя в исследованных почвах связано с содержанием в них гумуса и физической глины.
ВВЕДЕНИЕ
Исследованию различных свойств почвенных агрегатов, механизмов формирования структуры почвы и созданию теории структурообразования почв посвящены фундаментальные работы [1-7, 9, 13]. Однако, несмотря на это в области физики твердой фазы почв по-прежнему актуальными остаются вопросы формирования механически прочных, водоустойчивых и в агрономическом отношении ценных почвенных агрегатов [19].
Методы, основанные на мокром и сухом фракционировании образцов почвы, безусловно, дают ценную информацию о количестве и характере распределения в почвах водоустойчивых и неводоустойчивых агрегатов. Однако на основании этих данных можно только косвенно судить о прочности водоустойчивых связей в почвенных агрегатах.
Устойчивость агрегатов является важнейшей характеристикой агрегатного уровня структурной организации почв. По определению Воронина [6], под устойчивостью понимается способность агрегатов сопротивляться распаду под действием потенциально возможных разрушающих сил. Из определения следует, что устойчивость должна оцениваться через допускаемые величины напряжения, которые может выдержать агрегат не разрушаясь. А.Д. Воронин справедливо отмечал, что ".....устойчивость почвы нельзя измерить в абсолютных выражениях, так как реакция почвы на действующие силы зависит не только от самой почвы, но также в большей степени от природы сил и способа их приложения. Скорее, это относительное и субъективное понятие. Однако это не уменьшает его значения" [6]. Очевидно, что, определив предельные величины сил, не вызывающих разрушения агрегата, а также пло-
*
Работа выполнена при поддержке РФФИ грант 05-04-49314.
щадь приложения этих сил, можно определить величины допустимых напряжений, которые являются количественным показателем устойчивости агрегата. В методическом отношении решить вопрос о природе сил и способах их приложения к испытуемому образцу сложно, потому что решение его должно базироваться на хорошо апробированной теории деформации глинистых систем, к которым, в частности, относится и почва.
В настоящее время практика почвоведения не располагает физически обоснованными методами определения сцепления в водоустойчивых почвенных агрегатах. Поэтому разработка таких методов является одной из актуальных задач экспериментальной физики почв. Решение этого вопроса позволит глубже понять природу водоустойчивости почвенных агрегатов, многие аспекты которой до сих пор исследованы недостаточно полно. Проблемы, связанные с исследованием широкого спектра структурно-механических свойств почвенных агрегатов, а, следовательно, и самой структуры почвы, могут выйти на качественно новый уровень, если будет вскрыта природа прочности водоустойчивых связей на макроскопическом и молекулярном уровнях.
В данной работе рассмотрены теоретические и методические вопросы, связанные с разработкой физически обоснованного метода определения прочности водоустойчивых связей в почвенных агрегатах.
ТЕОРИЯ
Оценка сил сцепления. Механические свойства почв в значительной мере определяются поверхностными явлениями. Поэтому, рассматривая силы, действующие между отдельными частицами в окружающей их дисперсионной среде, можно получить информацию о механических
свойствах всей системы. Особенности поведения сил межмолекулярного сцепления обусловлены изменением расстояния между взаимодействующими частицами.
Существование двух барьеров на силовой диаграмме (рис. 1) определяет характерные свойства дисперсных систем, находящихся под влиянием внешних воздействий [15]. Из рассмотрения силовой диаграммы (рис. 1) следует, что:
1) пока внешняя сила /ь, действующая на контакт, не превысит величины (правый барьер) дкр1, возможно обратимое увеличение расстояния между частицами после снятия или уменьшения нагрузки;
2) если сила /ь, действующая на контакт, превысит величину дкр1, то произойдет самопроизвольное сближение частиц на величину АН; частицы как бы попадают в "молекулярную ловушку". В этом случае для изменения расстояния между частицами требуется приложить к ним растягивающую силу/а, которая больше (левый барьер) силы 4кр.2, то есть /а > 4кр.2.
Изложенное свидетельствует о том, что все экспериментальные методы определения сил сцепления должны быть основаны на оценке величины растягивающего усилия /а. Оно должно быть больше величины дкр2, то есть /а > дкр2. До тех пор, пока такие силы не будут приложены, силы межмолекулярного сцепления создают прочность системы на разрыв.
Из механики сплошных сред известно, что в случае несжимаемых материалов, к которым относятся почвы и глинистые грунты, все виды деформации (растяжение, сжатие, кручение и др.) можно свести к деформации сдвига, возникающего под действием напряжения сдвига т [16]. Это положение имеет исключительно важное значение при создании методов определения сцепления в почвах и грунтах, так как появляется широкая возможность использования для этих целей различных видов деформации.
В настоящее время для оценки величины сцепления в почвах и грунтах используются различные методы. В целом их можно разделить на две группы: 1) методы, основанные на погружении конуса (метод Ребиндера) или вдавливания "шарика-штампа" (метод Цытовича) в почву и грунты под воздействием определенной нагрузки; 2) методы, основанные на использовании сдвиговых приборов, осуществляющих одноплоскост-ной сдвиг с различной скоростью под действием приложенных тангенциальных и нормальных напряжений, приложенных к образцу.
Методика определения сцепления в почвах и грунтах с помощью указанных приборов, а также способы количественной интерпретации экспериментальных данных подробно изложены в литературе [12, 13]. Поэтому эти вопросы в данной
Рис. 1. Силовая диаграмма: д - сила взаимодействия; Н - расстояние между частицами; дкр! - правый барьер (силы отталкивания); дкр 2 - левый барьер (силы притяжения); АН - расстояние самопроизвольного сближения частиц, если сила, действующая на контакт, превысит величину дкр 1 по ([15]).
работе будут рассматриваться по мере необходимости.
Все существующие приборы, предназначенные для определения сопротивления сдвигу, а также сцепления в почвах и грунтах, позволяют исследовать образцы нарушенного или ненарушенного сложения определенных размеров. С помощью этих приборов можно испытывать также растертые образцы почвенных паст. Однако они практически не пригодны для определения сцепления в самом почвенном агрегате. Обусловлено это тем, что при разработке вышеуказанных методов определения сцепления такая задача не ставилась. Поэтому конструктивные особенности этих приборов не позволяют исследовать прочностные свойства отдельно взятого почвенного агрегата.
Адаптация этих методов с целью их дальнейшего использования при определении сил сцепления в почвенных агрегатах, на наш взгляд, является не перспективной. В существующих приборах испытывать почвенные агрегаты принципиально невозможно, хотя бы только потому, что почвенный агрегат практически нельзя зафиксировать в этих приборах. Второй путь - это разработка нового способа определения сил сцепления в водоустойчивых агрегатах почв. Ниже излагаются теоретические основы метода, а также сама методика определения прочности водоустойчивых связей в почвенных агрегатах.
Условия разрушения почвенных агрегатов. Как отмечалось выше, все экспериментальные методы определения сил сцепления должны быть основаны на оценке величины растягивающего усилия /а, прикладываемого к системе. Оно должно быть больше величины дкр 2, то есть /а > дкр2. В противном случае силы межмолекулярного сцепления создают прочность системы на разрыв.
Агрегаты при взаимодействии с водой не разрушаются в том случае, если микроскопические силы сцепления, определяющие прочность водоустойчивых связей, больше разрушающих сил. К последним относятся расклинивающее давление, возникающее в межчастичном пространстве, и разрушающее усилие, создаваемое защемленным воздухом. При медленном капиллярном увлажнении макроагрегаты не размокают и не разрушаются. Обусловлено это тем, что разрушающее действие защемленного воздуха при медленном капиллярном увлажнении агрегатов снижено до минимального уровня и оно практически не проявляется [17, 18]. Растягивающее усилие /а, обусловленное действием расклинивающего давления, достигает максимальных величин во влаго-насыщенных агрегатах, но оно в водоустойчивых агрегатах оказывается меньше величины дкр2, то есть /а < дкр2. Поэтому силы межмолекулярного сцепления в водоустойчивых агрегатах создают прочность системы на разрыв, то есть при/а < # 2 агрегаты не разрушаются в состоянии капиллярного влагонасыщения.
Такой почвенный агрегат можно разрушить путем воздействия на него статических или динамических циклических усилий. В зависимости от целей и задач исследования в практике грунтоведения используется оба метода. О том, какой из методов - статический или динамический - следует использовать для определения прочности водоустойчивых связей в почвенных агрегатах необходимо обосновать. Очевидно, что выбор метода будет зависеть от конкретных целей и задач исследования.
Усталостная прочность агрегата. Согласно теоретическим представлениям, изложенным в работе Зарецкого с соав. [8], при формировании почвенного агрегата, как и в любом твердом т
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.