Видове водни и газови включвания в почвата
Водата в почвата, нейните видове и свойства могат да бъдат много различни в зависимост от нейното съдържание в почвата и големината на силите на взаимодействие с минералните частици, което се определя главно от хидрофилността на минералните частици.
Минералните почвени частици са отрицателно заредени, а водните молекули са диполи, положително заредени в единия (кислороден атом) и отрицателно в другия (два водородни атома) край. Когато твърда минерална частица влезе в контакт с вода, възникват сили на електромолекулно взаимодействие, които привличат водни диполи към повърхността на минералните частици с голяма сила (особено първите слоеве) и колкото по-голяма е специфичната повърхност на частиците, толкова по-голям брой водни молекули ще бъдат в свързано състояние. Електромолекулните сили на взаимодействие, според съвременните данни, са много големи и в близост до повърхността на минералните частици (за първия ред свързани водни молекули) са от порядъка на няколкостотин мегапаскала. При отдалечаване от повърхността на твърдите частици те бързо намаляват и на разстояние приблизително 0,5 μm стават близки до нула. Най-близките до минералната частица слоеве в 1-3 реда водни молекули, които са в контакт с твърдата повърхност, са така свързани от електромолекулните сили на привличане към повърхността, че не могат да бъдат отстранени нито чрез външно налягане от няколко атмосфери, нито чрез действието на водно налягане, и тези слоеве образуват филми от така наречената силно свързана адсорбирана вода.
Следващите слоеве от водни молекули, заобикалящи минералните частици, ще бъдат свързани и ориентирани от граничната фаза, докато се отдалечават от твърдата повърхност на почвените частици с все по-малко и по-малко сили; те образуват слоеве от слабо свързана (лиосорбирана) вода, която може да бъде изцедена от порите на почвата от външенналягане до няколкостотин килопаскала (понякога до няколко мегапаскала).
И накрая, водните молекули, които са извън обхвата на електрическите молекулни сили на взаимодействие с повърхността на минералните частици, ще образуват свободна (според проф. А. Ф. Лебедев) - гравитационна вода, движението на която се осъществява под действието на разликата в налягането, и капилярна, изтеглена на определена височина от нивото на подпочвените води сили на капилярното напрежение на водата (капилярна капилярна менис, образувана под действието на сорбционна сила s на повърхността в фините пори на почвите и определяне на ^капилярните сили в почвите).
На фиг. 1.3 показва диаграма на електромолекулното взаимодействие на повърхността на минералните частици с водата.
Газовите включвания (пари, газове) винаги се съдържат в почвата в едно или друго количество и могат да бъдат в следните състояния: затворени, разположени във вакуоли (кухини) между твърди минерални частици, заобиколени от филми от свързана вода, свободни, когато газовете (въздух) се комбинират с атмосферата, и накрая, разтворени във вода от пори.
Наличието на газови мехурчета, както затворени, така и съдържащи се във водата на порите, значително влияе върху деформируемостта на почвите, причинявайки свиваемостта на водата на порите и повишавайки еластичността на почвата.Съдържанието на свободни газове (въздух), които се комбинират с атмосферата, не е от особено значение в механиката на почвата, тъй като те практически не участват в разпределението на налягането между частиците.
За да се установят основните показатели за свиваемост на почвата, тя се тества за уплътняване при натоварване в едномерна задача, когато деформациите на почватаможе да се развива само в една посока и никакви други сили, освен външното натоварване, не действат. Експериментите (проф. К. Терцаги и др.) установяват, че за наситени с вода, но слабо пропускливи глинести почви всяко увеличение на външното налягане съответства на съвсем определена промяна във влажността. Връзката между влажността и налягането може да бъде представена като крива (фиг. 2.2, а), която се нарича крива на компресия. Тъй като за напълно наситени с вода почви има редовна връзка между съдържанието на влага и коефициента на порьозност [зависимост (1.7)], кривата на компресия (фиг. 2.2, а) е лесно да се възстанови в координатите "коефициент на порьозност - налягане". Ако обозначим: en - началният коефициент на порьозност на почвата; се изчислява по формулите (1.P и (1.2) и данните за специфичното тегло на сухата почва, съдържанието на влага и специфичното тегло на почвените частици; ei е коефициентът на порьозност на почвата при всеки етап на натоварване; Si е общото слягане на пробата при дадено натоварване (pi), измерено от началото на натоварването; Dya / е промяната в порьозността на почвата (обема на порите) от началото на натоварването; h е първоначалната височина на почвената проба , ei = en-(1 + en) Si / h е зависимостта на компресията Ако се ограничим до малка промяна в налягането (от порядъка на 0,1-0,3 MPa, която обикновено се извършва в основите на конструкциите), тогава с достатъчна точност за практически цели можем да вземем сегмента на права линия k1 от кривата на компресия) за права линия. el = eQ - tgapl. Тангентата на наклона на сегмент от кривата на компресия към оста на налягането tga характеризира свиваемостта на почвата в разглеждания диапазон на налягане (от p1 до pb), тъй като колкото по-голям е ъгълът на наклона a, толковаповече ще бъде свиваемостта на почвата. Тази стойност се нарича коефициент на свиваемост на почвата и се обозначава с това, т.е. m0 = tga. Коефициентът на свиваемост може да бъде изразен чрез 3 или, обозначавайки p2 - p\ = p (където p е увеличението на налягането или така нареченото ефективно налягане), имаме
6. m0 \u003d (el - e2) / pt т.е.коефициентът на свиваемост е равен на съотношението на промяната на коефициента на порьозност към стойността на действащото налягане.Замествайки стойността m0 в уравнение (2.3) вместо tga, получаваме уравнението на прав сегмент от кривата на компресия под формата el \u003d e0 - mGpi.i, където tg a' е коефициентът на набъбване. При изчисляване на уплътняването на утайката на почвите често се използва така нареченият относителен коефициент на свиваемост tnv, равен на
mv=m0/(\ + eQ). стойности на p и e за екстремните точки k и I на прав сегмент (фиг. 2.5): Закон за уплътняване. Уравнение (2.3') описва промяната в коефициента на порьозност само за изправената част от кривата на компресия, следователно е приблизително уравнение. Ако - промените в налягането са безкрайно малки, тогава промените в коефициента на порьозност ще бъдат строго (точно) пропорционални на промяната в налягането. Диференцирайки уравнение (2.3'), получаваме
de = -mQdp. Този закон се формулира по следния начин: безкрайно малка промяна в относителния обем на почвените пори е правопропорционална на безкрайно малка промяна в налягането.