12

Лекція 2 ґрунт – гетерогенна, багатофазна, шпарувата система

2.1. Фази ґрунту, їхнє співвідношення.

2.2. Щільність твердої фази та щільність будови ґрунту.

2.3. Шпаруватість ґрунту, агрегатів, міжагрегатна.

2.4. Типові значення щільності будови і шпаруватості ґрунту.

2.5. Щільність будови ґрунту та врожай.

2.6. Розміри шпар і їхні функції. Диференціальна шпаруватість ґрунтів.

З точки зору фізики ґрунтів ґрунт – це гетерогенна багатофазна дисперсна система в визначеними верхньою (як правило, денна поверхня) і нижньою (межа з підстилаючою породою або рівень ґрунтових вод) границями (межами). Він володіє властивостями акумулювати і виділяти, проводити і трансформувати речовину і енергію. Зупинимось детальніше на властивостях гетерогенності, багатофазності і дисперсності ґрунту.

Гетерогенність – це характеристика, яка вказує на те, що різні ґрунтові частинки ґрунту можуть мати різне походження. Можуть, наприклад, представляти собою залишки рослинного походження, утворитись при подрібненні мінеральних частинок, бути вторинними (глинистими) мінералами. Навіть частинки дуже близькі за формою і розміром можуть мати різну природу і володіти різними властивостями, як частинки мінеральні та органічні. З іншої сторони, ґрунт – багатофазне, тобто складається з різних фаз (твердої, рідкої, газоподібної), тіло. Розглянемо ці фази і знайдемо їх співвідношення у ґрунті.

1. Фази ґрунту, їхнє співвідношення

Уявимо, що ми взяли одиницю об’єму ґрунту у вигляді деякого паралелепіпеда, всередині якого існують відповідні об’єми, зайняті повітрям, водою і твердою фазами ґрунту (рис. 2.1, а). Всі три вказані фази мають границі (межі) міжфазного розділу (міжфазові поверхні). Відповідно на цих границях проходять такі важливі явища, як адсорбція, десорбція та інші, тобто характерні явища на міжфазних поверхнях. Саме завдяки наявністю трьох фаз ґрунт і характеризується як багатофазне тіло.

Рис. 2.1. Схема, яка пояснює позначення трьох фаз ґрунту (а) і агрегатів ґрунту (б)

Співвідношення між об’ємами і масами різних фаз ґрунту визначає його родючість. Найбільш ідеальне співвідношення фаз ґрунту, при якому мають бути максимальні врожаї, складає 50 : 25 : 25 (тверда : рідка : газоподібна). Створення такого співвідношення фаз в ґрунті – основне завдання фізики ґрунту, а також меліорації.

2.2. Щільність твердої фази та щільність будови ґрунту

Якщо об’єм ґрунту, який розглядається, позначити V_t, об’єм твердої, рідкої і газоподібної фаз через V_s, V_w і V_air, а маси відповідних фаз через m_s, m_w і m_air (яка близька до нуля і далі розглядатись не буде), то можна одержати основні характеристики ґрунту.

Відношення маси твердої фази ґрунту (мінеральні, органічні і інші твердофазні частинки) до її об’єму – щільність твердої фази ґрунту :

, г/см³

Якщо віднести масу твердої фази ґрунту до загального об’єму, то одержимо величину щільності будови ґрунту – масу одиниці об’єму ґрунту в його природному, непорушеному стані:

, г/см³

Щільність будови ґрунту – одна із основних, фундаментальних властивостей ґрунту. Без знання цієї величини неможливі ніякі розрахунки, ніяка кількісна оцінка ґрунтів. Тому дані щільності і шпаруватості ґрунтових горизонтів обов’язково супроводжують повну характеристику ґрунтового профілю.

Слід підкреслити, що за визначенням розглядається об’єм ґрунту у природному стані, тобто зі всіма тріщинами, пустотами, макрошпарами, які входять в цей об’єм. Це дуже важливо при оцінці тріщинуватих ґрунтів, які набухають, лісових ґрунтів з великою кількістю ходів землерийок, каверн і ін. Тут доводиться відбирати такі об’єми ґрунту, щоб в них ввійшли вказані шпаруваті утворення. Крім того, хоч щільність будови ґрунту у більшості випадків наводиться як незалежна фундаментальна властивість ґрунту, все ж таки вона не константа для даного ґрунтового горизонту, а залежить від вологості ґрунту. У більшій мірі – для суглинистих і глинистих ґрунтів, в меншій – для піщаних. Ця залежність щільності будови ґрунту від вологості носить назву набухання (якщо вологість збільшується) або просідання (при висушуванні) ґрунту.

За величинами ρ_s і ρ_b розраховують шпаруватість ґрунту як відношення об’єму шпар ґрунту до об’єму всього ґрунту:

, см³/см³

Для того, щоб визначити об’єм, зайнятий повітрям ( ), потрібно вирахувати від загальної шпаруватості об’єм, який займає вода. Враховуючи, що шпаруватість відноситься до 1 см³ ґрунту, то і вміст води потрібно відносити до 1 см³, тобто об’єм води (або масу води, враховуючи, що її щільність (густина) у даній розмірності близька до 1) розділити на об’єм ґрунту. Це вираження об’ємної вологості ґрунту . Тоді

Можна до поняття шпаруватості і щільності будови ґрунту підійти з іншої сторони. Ми визначили, що щільність будови ґрунту – це маса одиниці об’єму ґрунту, тобто г/см³. Однак у ряді випадків рекомендується використовувати і іншу характеристику, зворотну, у вигляді відношення визначеного об’єму ґрунту до маси цього об’єму, см³/г. Вираз “маса одиниці об’єму ґрунту” одержало назву питомого об’єму шпар ґрунту (поняття “питомий” майже завжди означає “віднесено до маси, г, кг речовини) – відношення об’єму шпар ґрунту до маси твердої фази ґрунту:

, см³/г

Часто використовують і інше вираження шпаруватості у вигляді “приведеної шпаруватості” або коефіцієнта шпаруватості е як відношення об’єму шпар ґрунту до об’єму її твердої частини:

Відношення між вказаними характеристиками шпарового простору мають такий вигляд:

і

Коефіцієнт шпаруватості е і питомий об’єм шпар Ф характеризують об’єм шпар, віднесений до незміннимим при можливих деформаційних змінах ґрунтів об’єму або маси твердої фази. Саме тому ці параметри шпарового простору особливо корисні при характеристиці зміни шпар ґрунту при ущільненні, ґрунтових деформаціях, тріщиноутворенні та ін. У ґрунтознавстві традиційно найбільш часто використовується величина шпаруватості ґрунтів .

Щільність твердої фази ґрунтів – маса твердих компонентів ґрунту в одиниці об’єму без врахування шпар.

Щільність будови ґрунту – маса абсолютно сухого ґрунту в одиниці об’єму ґрунту з усіма властивими ґрунту шпарами.

Шпаруватість (синонім – пористість) – об’єм ґрунтових шпар у ґрунтовому зразку по відношенню до об’єму всього зразка (см³/см³, %). Розраховується за даними щільності будови і щільності твердої фази ґрунту : , см³/см³, %.

Шпаруватість аерації (синонім – повітромісткість) – різниця між загальною шпаруватістю і об’ємною вологістю ґрунту: .

Коефіцієнт шпаруватості (синонім – шпаруватість приведена) е – відношення загального об’єму шпар в ґрунті до об’єму твердої фази ґрунту. Коефіцієнт шпаруватості співвідноситься з шпаруватістю ґрунту або з щільністю будови і щільністю твердої фази ґрунту за рівнянням:

Питомий об’єм шпар ґрунту Ф (см³/г) – відношення об’єму шпар ґрунту до маси її твердої фази: