Физико-механические свойства почв и энергетическое состояние почвенной влаги

• Автор: Аксенов, Алексей Викторович
• Шифр специальности: 06.01.03
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 107 с.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ

1Л. Структура почвы: обзор научных позиций

1.2. Энергетическая концепция физического состояния почв.

Основные положения

1.3. Реология. Основные структурно-механические характеристики почв, условия их проявления и методы определения.

Метод конического пластометра

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1. Объекты исследования. Краткая характеристика

природных условий почвообразования

2.1.1. Дерново-подзолистая почва
2.1.2. Серая почва
2.1.3. Глинистые минералы как объект исследования.
Каолинит и монтмориллонит
2.2. Методы исследования
ГЛАВА 3. ПРОЧНОСТНЫЕ И ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ
ХАРАКТЕРИСТИКИ ОБЪЕКТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ
3.1. Зависимость пластической прочности от влажности
при постоянной нагрузке
3.2. Зависимость пластической прочности от нагрузки
при влажности предела текучести
3.3. Зависимость пластической прочности от нагрузки
при уплотнении почвы
3.4. Липкость
3.5. Зависимость пластической прочности от нагрузки
при влажности максимального набухания
ГЛАВА 4. ОСНОВНЫЕ ГИДРОФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ.
СВЯЗЬ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОЧВ
С ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМ СОСТОЯНИЕМ ПОЧВЕННОЙ ВЛАГИ
ВЫВОДЫ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ПРИЛОЖЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ
Основная гидрофизическая характеристика (ОГХ) почв - важный показатель взаимодействия твердой и жидкой фазы почв. Характер этого взаимодействия выражается термодинамическим состоянием системы твердая-жидкая-газообразная фазы почвы. При изменении содержания жидкой фазы почвы термодинамическое состояние системы проходит через ряд предельных состояний равновесия, связанных с различным состоянием почвенной влаги, которые, по мнению А.Д. Воронина, являются предельными состояниями и в отношении реологических характеристик почвы. Поэтому многие физические, физико-механические, технологические показатели почв (такие, как прочность, пластичность, текучесть) есть следствие взаимодействия твердой, жидкой и газообразной фаз и должны иметь конкретное отражение в кривых ОГХ.
С другой стороны, кривая зависимости прочности от влажности показывает структурные характеристики исследуемого материала, критические параметры перехода из одного состояния в другое, так как физическое состояние определяется степенью и характером связей почвенных частиц. Сопоставление, совместный анализ этих зависимостей является актуальной задачей физики почв.
Цель данной работы - изучение взаимосвязи физико-механических свойств почв с энергетическим состоянием почвенной влаги.
Задачи исследования:
1. Определение основных свойств и характеристик объектов исследования (гранулометрический состав; удельная поверхность; содержание органического углерода). Получение основных гидрофизических характеристик (ОГХ) объектов исследования.

2. Определение зависимостей пластической прочности от влажности, плотности, нагрузки для объектов исследования.
3. Сравнительный анализ физико-механических свойств, прочностных характеристик и ОГХ объектов исследования.
4. Разработка методов совместного анализа характеристических кривых зависимости прочности почвы от влажности и ОГХ.
5. Сравнительное изучение энергетических (критические потенциалы влаги) и физико-механических свойств (предел текучести; предел пластичности; липкость; набухание) традиционными лабораторными методами, на пластометре Ребиндера и их расчет по ОГХ.
Научная новизна. Показано, что зависимость пластической прочности от влажности является характеристической кривой, отражающей физическое состояние почвы.
Установлено соответствие предельных состояний равновесий по характеристическим кривым (ОГХ и зависимость пластической прочности от влажности) в широком диапазоне изменения физического состояния почвы в зависимости от влажности и энергетического состояния почвенной влаги в единой системе координат.
Практическая значимость. Полученные в работе результаты могут быть использованы при прогнозе устойчивости почв к механической обработке, для оптимизации агротехнических условий выращивания сельскохозяйственных культур, при прогнозе противоэрозионной стойкости, а также позволяют оценить степень подверженности почвы деформационным изменениям.
Апробация. Основные результаты исследований доложены на VIII и IX Международной конференции студентов и аспирантов «Ломоносов-200 1» и «Ломоносов-2002» (Москва, МГУ).

Физическая природа липкости изучена пока недостаточно и представлена поэтому рядом гипотез. Одни исследователи (Вадюнина, Никольс и др.) при изучении липкости придают большое значение толщине водных пленок вокруг почвенных частиц. Другие (Дерягин, Кротова) предлагают электронную теорию липкости почвы. При этом они исходят из представлений о двойном электрическом слое (Манучаров, 1990).
Набухание
Набухание - увеличение объема почвы и грунта в процессе смачивания. В результате гидратации почвенных частиц и образования на их поверхности оболочек рыхло связанной воды уменьшаются силы сцепления между ними, происходит отдаление их друг от друга, что приводит к увеличению общего объема почвы. Способность почвенных частиц к набуханию связана с гранулометрическим, минералогическим и химическим составом, а также с их начальными плотностью и влажностью.
О природе процесса набухания существует несколько теорий. Капиллярная объясняет набухание действием капиллярных сил внутри и на поверхности смачиваемого образца. В основе теории сольватных оболочек - представление о двойном электрическом слое как конденсаторе, у которого одна обкладка находится в твердой фазе, а другая - в жидкой.
Осмотическая теория объясняет процесс набухания разностью концентраций растворов. Если концентрация раствора в поровом пространстве выше, чем концентрация окружающего раствора, то происходит набухание, а если ниже - наблюдается сжатие (Вадюнина, Корчагина, 1988).