ПОЧВОВЕДЕНИЕ, 2004, № 5, с. 588-595
УДК 631.46
ФИЗИКА ПОЧВ
СВЯЗЬ ПРЕДЕЛА ТЕКУЧЕСТИ, ЕМКОСТИ КАТИОННОГО ОБМЕНА И НАБУХАНИЯ ГЛИНИСТЫХ ПОЧВ ТУРЦИИ
© 2004 г. И. Илмаз
Кафедра геологии инженерного факультета, Кумхуриет университет, 58140, Сивас, Турция
Поступила в редакцию 22.11.2001 г.
Анализировались тонкоизмельченные пробы почвы, отобранной в различных местах. Анализ включал определение емкости катионного обмена и предела текучести. Обнаружена корреляция между определяемыми показателями и рассчитано уравнение регрессии с высоким коэффициентом корреляции (Я = 0.97). Предложена классификация глинистых почв, основанная на значениях емкости катионного обмена и предела текучести, и диаграмма их набухаемости.
ВВЕДЕНИЕ
Методы предсказания изменений объема почвы могут быть подразделены на эмпирические, тензиометрические и одометрические. Эмпирические методы используют набухающую способность, определенную на основе коэффициента пористости, естественной влажности, пределов текучести и пластичности и показателя активности (показателя пластичности глинистой фракции). Однако, поскольку определение параметров пластичности проводится в образцах с нарушенным строением, влияние таких существенных факторов как сложение, естественная влажность, всасывающая способность и химический состав по-ровой воды не учитывается. Одним из свойств, широко используемым для предсказания набухаемости глинистых почв, является их активность. Однако набухающие почвы могут оказаться в области низкой набухаемости на диаграмме активности, предложенной Ван Дер Мерве [30], и наоборот. Поэтому надежность результатов этого простого анализа сомнительна. Следовательно, эмпирические методы должны рассматриваться только как методы простой индикации набухаемости почвы [7, 8].
Системы классификации набухающих почв основаны на их поведении при строительстве фундаментов (расчетное набухание) [14]. Основные схемы классификации, описанные в литературе, приведены в табл. 1 и на рис. 1. Определение набухаемости по диаграмме, отраженной на рис. 1,а, основано на тестировании образцов уплотненной почвы; в качестве вводных параметров используются содержание ила (<0.002 мм) и показатель активности. На рис. 1,6 представлено определение степени набухаемости по диаграмме пластичности образца; в качестве входных параметров используются индекс пластичности и предел текучести. На рис. 1,в представлен график для определения набухаемости по содержанию ила и
индексу пластичности. Наконец, по графику, представленному на рис. 1,г набухаемость определяется на основе данных о содержании почвенной влаги, всасывающему давлению и изменению объема при высушивании образца. Однако ни один из этих методов не учитывает емкость катионного обмена, которая является существенным фактором, влияющим на набухаемость глинистых почв.
Целью настоящей работы было выявление соотношения между емкостью катионного обмена (ЕКО) и пределом текучести (ПТ) глинистых почв. Эти факторы определяют набухающую способность почв. Принято считать, что существует соотношение между ними, но точная природа этого соотношения еще не определена. Емкость катионного обмена почв меняется в зависимости от типа глинистых минералов, с увеличением содержания набухающих глин она возрастает. Предел текучести соответственно увеличивается: известно, что он принимает чрезвычайно высокие значения в Ы- или Ка-монтмориллонитах.
Для выявления соотношения между ЕКО и ПТ был проведен регрессионный анализ результатов, полученных при лабораторных испытаниях, и выбрано уравнение, дающее лучшее соответствие. На основании полученного соотношения были предложены новая классификация и диаграмма набухаемости почв.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
В настоящей работе исследовались мелкозе-мистые фракции аллювиальных почв из различных регионов Турции. Достаточные количества разрыхленных почв были отобраны в различных регионах с глубин от 1 до 4 м. ЕКО и ПТ для 139 проб почвы были определены в лабораторных условиях.
Таблица 1. Обзор некоторых критериев для определения набухаемости почв [2]
Источник Критерии* Примечание
Хольц [17] CC > 28, PI > 35, SL < 11 (очень высокая); 20 < CC < 31, 25 < PI < 41, 7 < SL < 12 (высокая); 13 < CC < 23, 15 < PI < 28, 10 < SL < 16 (средняя) На основе данных о СС, Р1 и БЬ
Сиид с соавт. [24] См. рис. 1, а Одометрический тест уплотненного образца; данные о содержании и активности ила
Альтмейер [4] LS < 5, SL > 12, PS < 0.5 (некритическая); 5< LS < 8, 10 < SL < 12, 0.5 < PS < 1.5 (пограничная); LS > 8, SL < 10, PS > 1.5 (критическая) Оценка Р8 по Ь8 и 8Ь нарушенного образца; увлажнение при 6.9 кПа
Дакшанаманти и Раман [13] См. рис. 1,6 Определение основано на диаграмме пластичности
Раман [23] PI > 32, SI > 40 (очень высокая); 23 < PI < 32, 30 < SI < 40 (высокая); 12 < PI < 23, 15 < SI < 30 (средняя); PI < 12, SI < 15 (низкая) Используются сведения о Р1 и
Сауэрс и Сауэрс [26] SL < 10, PI > 30 (высокая); 10 < SL < 12, 15 < PI < 30 (средняя); SL > 12, PI < 15 (низкая) Набухание незначительно, если при влажности и0 Ь1 = 0.25
Ван Дер Мерве [30] См. рис. 1,в По данным о Р1 и содержании и активности ила (<2 мкм)
Строительные правила [29] EI > 130 (очень высокая); 91 < EI < 130 (высокая); 51 < EI < 90 (средняя); 21 < EI < 50 (низкая); 0 < EI < 20 (очень низкая) Одометрический тест образца при степени влагонасыщения около 50% и при давлении влаги 6.9 кПа
Снетен [25] LL > 60, PI > 35, Tnat > 4, SP > 1.5 (высокая); 30 < LL < 60, 25 < PI < 35, 1.5 < Tnat < 4, 0.5 < SP < 1.5 (средняя); LL < 30, PI < 25, Tnat < 1.5, SP < 0.5 (низкая) Возможно использование вероятной набухаемости при полевой влажности без данных о тпа1, но точность уменьшается
Чен [11] PI > 35 (очень высокая); 20 < PI < 55 (высокая); 10 < PI < 35 (средняя), PI < 15 (низкая) Используются сведения о Р1
МакКин [19] См. рис. 1, г По данным о содержании и всасывающем давлении влаги и изменении объема при высыхании
Вышвергия и Газзали [31] log SP = (1/12)(0.44LL - w0 + 5.5) Эмпирическое уравнение
Найак и Христенсен [21] SP = (0.00229PI)(1.45c)/w0 + 6.38 Эмпирическое уравнение
Вестон [32] SP = 0.00411(LL)4179-3'86 w02'33 Эмпирическое уравнение
* СС - содержание ила (<0.002 мм), %; Ь1 - индекс текучести, % ([и^ - РЬ]/Р1); ЬЬ - предел текучести, %; РЬ - предел пластичности, %; Ь8 - линейное сжатие, %; Р1 - индекс пластичности, %; т^тах - максимальная плотность в сухом состоянии; Е1 - индекс расширения (100 х содержание набухающей фракции в мелкоземе <4.76 мм); РБ - вероятная набухаемость, %; q - давление почвенной влаги; 81 - индекс усадки (ЬЬ-БЬ), %; БЬ - предел усадки, %; БР - потенциал набухания, %; И0 - полевая влажность, %; тпа1 - естественное давление почвенной влаги,
Из 175 почвенных проб были отобраны 139 проб с одинаковым содержанием ила и минералов и близким гранулометрическим составом. Также определяли содержание органических веществ.
На первой стадии лабораторных экспериментов гранулометрический анализ осуществлялся методами просеивания и гидрометрии [5]. Результаты гранулометрического анализа показали,
л
£ з
расчетная набухаемость 25 % 5 % 1.5%
И
В
О
к
н н о св
4 к
о
5
н
120 100 80 60 40 20
20 40 60 80 100 0 Содержание ила (< 0.002 мм), %
100
&
¡3 6
о
о к
^ 5 о о о
к л о 4
W
се
Q 3
се я
§ 2
се о
га
50 100
Содержание ила (< 0.002 мм) в цельной пробе, %
20 40 60 80 100 120 140 160 Предел текучести, %
I особый случай
II высокая
III средняя
IV низкая
V ненабухающая
10 20 30 40 50 60 Влажность почвы, %
Рис. 1. Общепринятые критерии для оценки расчетной набухаемости [2].
100 90 80 70 60 50 40
я —
В
а ч т н
о я
а 30 С 20 10
0.00010.0020.006 0.02 0.06 0.2 Размер частиц, мм
Илистая фракция
т С к т С к
Пылеватая фракция Песчаная фракция
Т - тонкая, С - средняя, К - крупная фракции пыли и песка
Рис. 2. Гранулометрический состав глинистых почв.
что большая часть исследуемых проб относилась к глинистым почвам (рис. 2).
Геотехнические характеристики глинистых почв связаны с их минералогическим составом, особенно с минералогическим составом глинистых минералов. Например пластичность и набухаемость возрастают вследствие увеличения содержания смектита [34]. Минералогический анализ проводился в два этапа, включая дифракцию на порошке исходной породы и рентгенострук-турный анализ ориентированных проб илистой фракции. Согласно результатам рентгенострук-турного анализа, преобладающими минералами илистых частиц были смектит и каолинит, а ил-лит и хлорит были обнаружены в меньших количествах. Частицы пыли и песка состояли из кальцита, полевого шпата и кварца (табл. 2).
Число пластичности несколько возрастает при увеличении содержания органических веществ до 10%, а затем снова уменьшается. Свободное набухание иллитовых почв также возрастает с увеличением содержания органических веществ [18].
4
2
1
0
7
1
0
0
Содержание органических веществ в почвах определялось по методу Уолки-Блэка [22]. Оно находилось в пределах от 0.54 до 0.85%, при среднем значении 0.71%. Такое низкое содержание органических веществ, по-видимому, не оказывает сколько-нибудь значительного влияния на структурные характеристики почв.
Если тонкодисперсная почва содержит глинистые минералы, она может быть разрыхлена без крошения в присутствии некоторого количества влаги. Когезионные свойства обусловлены адсорбированной водой, окружающей илистые частицы. Предел текучести возрастает при увеличении количества набухающих глинистых материалов, таких как монтмориллонит и другие. Предел текучести определяли в соответствии с методикой, описанной в британском стандарте [9].
Величина ЕКО влияет на величину набухаемо-сти почв; другими словами набухаемость тесно связана с ЕКО. Степень набухания возрастает с увеличением ЕКО [12]. В литературе имеются также указания на то, что катионы определяют набухаемость почвы [3]. Одно из существенных отличий между глинистыми минералами заключается в количестве и природе обменных катионов на их поверхности и избыточном отрицательном заряде кристаллической решетки, нейтрализуемом этими катионами. Способность к ионному обм
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.