Файл: Чайлдс Э. Физические основы гидрологии почв.pdf

в равновесии. Сосущая сила, показываемая манометром, соеди­ ненным с капилляриметром, есть то, что мы определили как сосу­ щую силу почвенной влаги.

Таким образом, равновесие глинистой массы поддерживается за счет сосущей силы, приложенной к поровому раствору, так же эффективно, как и с помощью механического давления, приложенного к твердым частицам. Если поднять манометр и тем самым уменьшить сосущую силу, равновесие нарушится, поскольку результирующее гидростатическое давление между глинистыми пластинками возра­

между парой пластинок глины зависит от гидростатического давления между ними. Теперь понятно, что аналогичные кри­ вые можно получить, если построить график зависимости ширины указанного зазора от механического давления или сосущей силы, требующихся для того, чтобы эта ширина зазора соответствовала равновесию. Далее, поскольку расстояние между пластинками про­ порционально влажности данного числа пластинок, или данной марсы глины, можно ожидать, что те же кривые будут характери­ зовать зависимость между сосущей силой почвенной влаги и влаж­ ностью, т. е. явятся влажностными характеристиками подобных глинистых материалов. Конечно, в общем случае нельзя ожидать удовлетворительного количественного согласия между указанными типами кривых, поскольку фактически глинистые массы состоят не из пачек строго параллельных пластинок. Однако эксперимен­ тальная кривая для каолина, показанная на рис. 8.13, имеет требуе-

мую монотонную форму, в отличие от влажностной характеристики ненабухающего материала. Варкентин, Болт и Миллер [167] описали опыты со специально подготовленным образцом глины, в которых расчетное давление набухания согласуется с измеренным.

Трактовка гистерезиса с помощью анализа положения наступаю­ щей и отступающей поверхности раздела вода — воздух в пористом пространстве неприменима к коллоидальному материалу, который остается насыщенным при всех влажностях. Поскольку теория Гуи предсказывает однозначную связь между влажностью и сосущей силой, она непригодна для объяснения любого наблюдавшегося в та­ ком материале гистерезиса.

Рис. 8.14. «Гистерезис» влажностной характеристи­ ки глины (по Р. К. Ско­ филду).

Допустим, что наблюдаемый гистерезис — истинный, а не тот, который связан с невозможностью дождаться установления равнове­ сия на каждом этапе (в случае глин необходимое для этого время мо­ жет быть очень велико). Тогда можно выдвинуть следующее объяс­ нение гистерезиса, являющееся предположительным, хотя, по-ви­ димому, противоречащих доказательств пока не встречалось. Если глинистая масса состоит из непараллельных пластинок, полости между ними больше, чем в пачке параллельных пластинок, рассмат­ ривавшихся ранее, и потенциальная энергия будет выше. Увеличе­ ние сосущей силы приведет не только к сближению пластинок, но и к переориентировке их в более параллельное положение с мень­ шей энергией. При этом произойдет потеря влаги. В ходе увлажне­ ния уменьшение сосущей силы при той же влажности позволит пла­ стинкам раздвинуться, но необязательно приведет к их прежней ори­ ентации. Поэтому впитается меньше воды, чем было потеряно при обезвоживании.

Согласно этой гипотезе, гистерезисная петля должна быть свой­ ственна только первому циклу сушки — увлажнения, поскольку если пластинки переориентировались во время первой сушки, по­ следующие циклы должны давать обратимые изменения влажности.

Действительно, картина такого рода, показанная на рис. 8.14, и наблюдалась Скофилдом [138]. Можно сослаться также на препа­ раты, исследовавшиеся Варкентином, Болтом и Миллером [167].

8 .8 . Различные механизмы потери влаги одним и тем же материалом

При определенных условиях вода может уходить из материала, вызывая эквивалентное замещение воздухом в одной части интервала

воздуха в поры, а частично — одновременной усадкой. Рассмотрим структурную глинистую почву, состоящую из агрегатов, внутри­ агрегатная пористость которых и количество удерживаемой ими воды J; определяются равновесием двойных слоев, тогда как меж­ агрегатная пористость определяется геометрией укладки агрегатов. Увеличение сосущей силы от нулевого значения (полное насыще­ ние) вызовет некоторую усадку агрегатов, а также втягивание по­ верхности раздела вода — воздух в межагрегатное пористое про­ странство. При обычных размерах агрегатов и комков порядка мил­ лиметра — сантиметра и случайной укладке их, возникающей при обработке пахотного слоя, межагрегатные поры велики и опусто­ шаются при малых сосущих силах — порядка сантиметров водяного столба [уравнение (8.3а)]. При таких сосущих силах агрегаты и комки теряют сравнительно мало воды за счет усадки. Поэтому на ранних

стадиях сушки потеря воды сопровождается эквивалентным заме­ щением воздухом, а влажностную характеристику, в соответствии с изложенным в параграфе 8.4, можно рассматривать как свидетель­ ство распределения структурных пор по размерам. В качестве ил­ люстрации на рис. 8.15 начальные участки влажностной характери­ стики глинистых агрегатов фракции 1 — 2 мм сопоставлены с влажно­ стной характеристикой зерен песка тех же размеров. Единственная существенная разница между обеими кривыми состоит в том, что первая смещена по отношению ко второй в направлении большей влажности, причем различие влажностей связано, конечно, с водой, удерживаемой внутри агрегатов; эта вода будет потеряна при усадке, вызванной более высокими сосущими силами.

Рис. 8.17. Дифференци­ альные влажностные ха­ рактеристики до и после разрушения непрочной структуры почвы.

Цифры обозначают стадии разрушения.

На рис. 8.16 сопоставлены влажностные характеристики почвы различных горизонтов одного и того же профиля с нарушенным при­ родным сложением. Это глинистая луговая почва. Отчетливо про­ слеживаются различия в межагрегатной пористости. На рис. 8.17 показаны дифференциальные влажностные характеристики (т. е. рас­ пределение пор по размерам) агрегатов до и после разрушения,. вызванного сушкой и быстрым увлажнением. Очевидно, что межагре­ гатная пористость у одного из образцов изменилась в большей сте­ пени, чем у другого. Таким образом, влажностные характеристики» являются эффективным средством исследования структуры и ее прочности.

Полной противоположностью является глина, начисто лишенная межагрегатной пористости. В маловероятном случае равной тол­ щины и параллельности всех ее пластинок увеличение сосущей силы, вызовет сближение пластинок до минимального расстояния между: ними, так что потеря воды будет сопровождаться усадкой вплоть: до ничтожных влажностей. В более вероятном случае пластинок различной толщины, расположенных более или менее произвольно,: контакт между некоторыми из них возникнет, когда другие будут еще отделены друг от друга заметным расстоянием. Усадка закон-, чится, когда в пористом пространстве будет содержаться значитель­ ное количество воды, а дальнейшее увеличение сосущей силы вызовет искривление поверхности раздела вода — воздух и потерю влаги, сопровождающуюся вступлением эквивалентного объема воздуха в пористое пространство. Указание на конкретный механизм удаления влаги содержится в кривых усадки.

На рис. 8.18 показана гипотетическая кривая такого типа. Взят некоторый объем насыщенной почвы, и для последовательных значе­ ний сосущей силы измерен объем вытекшей воды и объем усажива­ ющейся почвы. При этом получена кривая ABD. Часть кривой, соот­ ветствующая идеальной эквивалентности между потерей влаги и усад­ кой почвы, представляет собой прямолинейный отрезок A B с наклоном 45° при равенстве масштаба обеих осей; каждый кубический санти­ метр влагопотерь сопровождается усадкой почвы на один кубик. Если бы эквивалентность усадки и влагопотерь сохранялась до конца, график был бы прямолинейным (линия АВС), а конечный объем

ОС был бы равен объему твердой фазы, поскольку почва в этот мо­ мент уже сухая. Если, однако, усадка заканчивается на проме­ жуточном этапе в точке В, то участок BD параллелен OG, по­ скольку далее объем почвы по­ стоянен. В любой промежуточ­ ной фазе Н при влагосодержании OL при эквивалентной усадке объем был бы равен LJ, а фактически он равен LH. Следовательно, отрезок JH, ха­ рактеризующий отсутствие усадки после стадии В, пред­ ставляет объем воздуха, всту­ пившего в почву после этой стадии процесса. Поэтому, экс­ траполируя участок А В к точке С, можно интерпретировать кривую следующим образом.

Ордината EG любой точки Е линии А В состоит из величины GF (равной ОС), представляющей собой объем твердой фазы, и FE, пред­ ставляющей объем удерживаемой воды. Ордината LH любой точки Н линии BD состоит из величины LK (равной ОС), являющейся объе­ мом твердой фазы, участка K J (где J есть точка пересечения с АС), представляющего объем удерживаемой влаги, и остатка J H — объема почвенного воздуха. Влажностную характеристику, рассматривае­ мую одновременно с кривой усадки, можно интерпретировать либо в терминах сжатия двойных слоев, либо в терминах распределения пор по размерам, в зависимости от указаний на механизм обезвожи­ вания, содержащихся в кривой усадки при данном значении сосущей силы. Так, по рис. 8.13, где показана не только влажностная харак­ теристика каолина, но и его кривая усадки, можно заключить, что вся влажностная характеристика, полученная в этом опыте, соот­ ветствует режиму эквивалентной усадки и должна быть интерпрети­ рована в свете теории Гуи. Если бы влажностная характеристика была продолжена до больших сосущих сил, ее можно было бы истол­ ковать в терминах распределения пор усевшей глины по разме-

рам и проникновения поверхности раздела вода — воздух в пористое пространство.

В этом примере наблюдался резкий переход от усадки к проникно­ вению воздуха в поры, но в опытах с глинистыми почвами переход от одной стадии к другой часто бывает плавным. В области частичной усадки (т. е. усадки, объем которой меньше, чем объем удаленной

ставляет зависимость влажности почвы от сосущей силы. В условиях,

с давлением в окружающей почве на том же уровне. Следовательно, давление на глубине d под уровнем грунтовых вод и в воде, и в почве, если они находятся в равновесии, соответствует напору d водяного столба; в единицах CGS давление равно gpd, где р — плотность воды. Точно так же на высоте h над уровнем грунтовых вод давление мень­ ше, чем на уровне грунтовых вод, на величину напора h, т. е. имеет место сосущая сила, величина которой измеряется высотой h.

Если в почву на высоте h ввести тензиометр, описанный в пара­ графах 7.2 и 7.3, а манометрическую трубку опустить в скважину, как показано на рис. 8.19, то вода в зоне тензиометра будет находиться