Физико–механические показатели почв, представляют собой совокупность свойств, определяющих их отношение к внешним и внутренним воздействиям: текучесть, пластичность и др. Одна и та же почва в зависимости от влажности может проявлять свойства текучести, упругости, пластичности. С физико-механической точки зрения почву, прежде всего, характеризуют такие показатели, как гранулометрический и микроагрегатный составы, по результатам определения которых почвы называют тяжелыми или легкими. Это позволяет провести ряд оценок противоэрозионной устойчивости микроструктуры, которая характеризует способность почв противостоять смывающему действию водного потока или совместному действию потока воды и капель дождя. Количественно она выражается величиной размывающей скорости потока, размером водопрочных агрегатов и сцеплением частиц. Противоэрозионная стойкость, как и другие водно-физические свойства, в значительной степени определяются свойствами коллоидно-дисперсных минералов, преобладающих в илистой фракции, что особенно присуще муссонному климату Дальневосточного региона [1,2].
Цель работы: изучить физико-механические свойства природно-техногенной почвенной катены.
Объекты исследования: Реттиховская природно-техногенная почвенная катена расположена в системе хребта Сихотэ-Алинь, на территории отработанного буроугольного месторождения.
Результаты полевого обследования выявили многочисленные случаи проявления эрозионных процессов на склонах отвалов (рис. 1,2,3,4).
Аналитическая работа выполнена по общепринятым методам. В названии почв использовалась классификация [3].
Первый элемент катены – буроземы оподзоленные крайне мелкие неглубокоосветленные, развитые на западном склоне сопки, плавно спускающемся к верхнему техногенному озеру, образованному в результате отработки угольного месторождения открытым способом (рис. 5). Воды его впадают во второе техногенное озеро, образовавшееся в выработанном котловане, и расположенном между отвалами пустых горных пород — литостратов (рис. 6). Поверхность покрыта древесно-кустарниковой растительностью, преимущественно из березы, осины с отдельно стоящими кедрами.
AY (0-7 см) – серогумусовый горизонт, темно-серого цвета, свежий, мелкокомковатый, рыхлый, с многочисленными корнями диаметром от 1 до 4 мм и обломками гранита; переход в нижележащий горизонт через оподзоленную прослойку заметен.
ВМоп (7-21см) – верхний слой структурно-метаморфического горизонта, серого с палевым оттенком цвета, слоистый, мелкопористый, свежий, гравелистый, встречаются корни; постепенно переходит в нижележащий горизонт.
С (21-62 см) – почвообразующая порода бурого цвета, свежая, бесструктурная, мелкокаменистая, встречаются крупные корни деревьев.
Второй элемент катены – литостраты рекультивированного внешнего отвала горных пустых пород. По всей площади внешних отвалов насаждения из сосен и одиночные самосеянные экземпляры осины. Среди древесной растительности, в покрывающем дневную поверхность листово-хвойном опаде много грибов с замороженными шляпками, хвойных шишек. На свободных от растительности участках встречаются выходы горных геологических пород.
Слой (0-3 см) — сверху «засыпан» опавшей хвоей, свежий, светло-серый, много корней и мелких кусочков угля; по всему простиранию мелких тонких корней гумусовые черные образования в виде затёков – начало гумусообразования; плавно переходит в нижележащий слой, отличающийся по цвету.
Слой (3-15 см) — неоднородной окраски, пятнистый за счет разнородной по минералогическому составу вскрышной породы, свежий; по гранулометрическому составу опесчаненная глина, являющаяся основной корневой зоной; много кусков расслаивающегося на пласты угля и различной. По ходам мелких корней заметны следы гумусообразования. Переход по увеличивающемуся серому фону и нарастающей влаге.
Слой (15-30 см) — сырой, неоднородно окрашенных материал, с преобладанием участков плотной сизой глины с ржаво-ярко-оранжевыми пятнами. В профиле вразброс разместились буро-серо-ржавые куски полуразложившегося угля, которые разламываются при нажатии на них руками и расслаиваются на тонкие плоские отдельности; корни. Переход в нижележащий слой по увеличивающейся влажности и глыбистости.
Слой (30-60 см) — очень влажный, пёстрый с преобладанием шоколадно-бурых и серых тонов, крупно глыбистый, глинисто-опесчаненный с многочисленными включениями кусков разлагающегося угля и других горных пород, пронизан корнями древесных растений.
Третий элемент катены – литостраты внешнего самозарастающего отвала пустой горной породы. Вся площадь самосевом заросла древесными породами — берёза, осина, единично подрост сосны (около 5-6 лет).
Слой (0-3 см) — минеральный материал со слабо выраженной структурой, свежий, желтовато-серого цвета, многочисленные корни, дресвяно-песчанистый, переход слабо заметный.
Слой (3-12 см) — сырой, неопределенной структуры, грязно-желто-серого цвета, пронизан корнями различного диаметра, по профилю мелкие и крупные обломки угля, разламывающиеся в руках. Переход плавный, по увеличивающемуся количеству крупных обломков горной породы.
Слой (12-30 см) — влажный, неоднородной окраски, с преобладанием участков плотной ржаво-оранжевой глины. В профиле встречаются буро-серые с черным отливом куски полуразложившегося угля, разламывающиеся при нажатии на них руками и расслаивающиеся на тонкие плоские отдельности, корни разного диаметра. Переход в нижележащий слой по увеличивающейся влажности и глыбистости.
Слой (30-45 см) — очень влажный, пёстрый с преобладанием сизо-бурых и серых пятен, крупно глыбистый, плотный, глинисто-опесчаненный с многочисленными включениями кусков разлагающегося угля и других горных пород, пронизан корнями древесных растений. Переход постепенный.
Слой (45-60 см) — сырая, сизая глина, крупно глыбистая, много кусков полуразложившегося угля различного размера.
Обсуждение результатов:
Первый элемент катены. Гранулометрический и микроагрегатный анализы буроземов оподзоленных крайне мелких неглубокоосветленных показали следующее. Изученные почвы в целом относятся к суглинкам. Равномерно распределены по профилю все фракции, однако преобладающей является опесчаненная, что и отражается в названии: суглинки средние мелкоопесчаненные или суглинки легкие опесчаненные. Результаты микроагрегатного анализа выявили преобладание в почвах песка (61-69%). Содержание илистой фракции практически не изменяется по слоям и не превышает 1-3 %. По результатам гранулометрического и микроагрегатного анализов произведена оценка структурного состояния: почвы обладаю слабо водопрочной структурой и незначительной способностью к оструктуриванию, что связано с многочисленными обломками подстилающей породы в виде дресвы, насыщающими горизонты ВМоп и С. Известно, что с гранулометрическим составом почв связана величина интервала увлажнения от нижней до верхней границы пластичности, при котором почва деформируется с сохранением приданной ей формы, максимально набухает, обладает слабым сопротивлением при внешнем механическом воздействии.
При влажности, превышающей нижний предел пластичности, почва оказывает слабое сопротивление механическому воздействию. В серогумусовом горизонте описываемой почвы такой границей является влажность 48%. В соответствии с числом пластичности, находящемся в пределах от 16 до 10 (табл. 1), почвы имеют суглинистый
Таблица 1
Физико-механические свойства буроземов оподзоленных крайне мелких неглубокоосветленных
|
Го-ри-зонт |
Глуби-на,
см |
Граница клей-кости | Ниж-ний
предел плас-тич-ности |
Верх-ний
предел плас-тичнос-ти |
Гра-ница ска-
тыва ния в шнур |
Чис-ло
плас-тич-нос-ти |
Грануло-метричес-кий состав по пластич-ности |
|
| % | ||||||||
| АY | 0-7 | 49 | 48
|
57 | 32 | 16 | Суглинки | |
| ВМоп | 7-21 | 38 | 39
|
44 | 28 | 11 | Суглинки | |
| С | 21-62 | 37 | 39
|
44 | 29 | 10 | Суглинки | |
гранулометрический состав. Что касается показателей, соответствующих границе клейкости, то они несколько ниже значений верхнего предела пластичности на 6-8 %.
Противоэрозионная стойкость, как и другие водно-физические свойства, в значительной степени определяются свойствами коллоидно-дисперсных минералов, которые преобладают в илистой фракции. Противоэрозионная стойкость почв и грунтов количественно выражается величиной размывающей скорости водного потока, которая непосредственно определяется размером водопрочных агрегатов и сцеплением их друг с другом. Результаты непосредственных полевых и лабораторных исследований по установлению эрозионных констант показали, что илистая фракция в верхнем серогумусовом горизонте составляет 11%, а допустимая не размывающая скорость водного потока равна 0,227-0,232 м/с; следовательно, противоэрозионные свойства не высоки. Показатели противоэрозионной стойкости почв, полученные по соотношению фактора структурности к фактору дисперсности, выявили подобные результаты.
Второй элемент катены. Изучение состава и физических свойств литостратов рекультивированного отвала показало, что гранулометрический состав от слоя к слою меняется: до глубины 30 см он представлен суглинками средними пылевато-мелкопесчаными, ниже – глиной легкой иловато-крупно пылеватой. В целом преобладают фракции крупной пыли и мелкого песка. Значения показателей физической глины, как и илистой фракции, плавно повышаются с глубиной, свидетельствуя об утяжелении гранулометрического состава.
Из результатов микроагрегатного анализа следует, что в слоях литостратов преобладает фракции размерам 0,25–0,05 мм, а минимум приходиться на фракции средней пыли и ила. Физический песок и физическая глина составляют соответственно 69-79% и 21-31%. Расчёты показателей структурного состояния и противоэрозионной стойкости исследуемого материала литостратов произведены по результатам гранулометрического и микроагрегатного состава. Структура исследуемого материала литостратов в верхнем трёхсантиметровом слое неводопрочная за счет многолетних насаждений хвойных. Структура нижележащих слоев то же слабо водопрочная. Способность к оструктуриванию литостратов незначительная. Противоэрозионная стойкость материала, расположенного под верхним слоем, низкая, а гумусированный верхний слой имеет среднюю степень противоэрозионной стойкости, связанную с опадом.
Как показали результаты исследования реологических свойств литостратов, значение влажность, при которой частицы начинают двигаться, составляет 24-38 % (табл. 2). При дальнейшем увлажнении, соответственно, до 26-43% масса растекается. По влажности на границе скатывания материала литостратов в шнур, характеризующей нижний предел пластичности, рассчитаны числа пластичности, которые подтвердили гранулометрический состав литостратов.
Таблица 2
Физико-механические свойства литостратов рекультивированного внешнего отвала
|
Слой, см |
Нижняя
граница текучес- ти (%) |
Граница ска-
тыва- ния в шнур (%) |
Верхняя граница текучес-
ти (%) |
Гра-
ница клей- кости (%) |
Число пластич- ности
|
| Слой (0-3) | 26 | 19 | 27 | 22 | 7-суглинки |
| Слой (3-15) | 28 | 21 | 29 | 23 | 7-суглинки |
| Слой (15-30) | 24 | 18 | 26 | 22 | 6-суглинки |
| Слой (30-60) | 38 | 13 | 43 | 31 | 25-глины |
Результаты определения противоэрозионной стойкости материала литостратов, показывают низкую величину размывающей скорости потока (0,265 м/с), необходимую для начала эрозионного процесса на поверхности отвала. При условии выпадения интенсивных длительных муссонных дождей и размыва нижележащих слоев литостратов потребуется гораздо большая допустимая не размывающая скорость водного потока, 0,338-0,342 м/с, так как возрастает в 2,5 раза сцепление частиц (с 0,14 до 0,35 кг/см2) и нормативная усталостная прочность на разрыв с 0,0043 до 0,0117кг/см2.
Третий элемент катены. Гранулометрический и микроагрегатный составы материала литостратов самозарастающего внешнего отвала характеризуются следующими показателями. Верхний 3-сантиметровый слой представлен суглинком лёгким пылевато-мелкоопесчаненным. С глубиной (до30 см) он становится среднесуглинистым с увеличенной вдвое илистой фракцией (с 8 до 16%). В слое 45-60 см – это уже суглинок тяжелый пылевато-мелкоопесчаненный, в котором илистая фракция возросла до 19% с одновременным увеличением средней и мелкой пыли. В микроагрегатном составе прослеживается преимущество макроагрегатов, в частности, фракций мелкого песка (34-45%). По результатам этих двух анализов определены фактор структурности и фактор дисперсности, позволяющие установить противоэрозионную устойчивость материала литостратов. Как видно, структура литостратов слабо водопрочная при незначительной способности к оструктуриванию; противоэрозионная устойчивость низкая.
Реологические константы (табл. 3) заметно различаются вниз от слоя к слою, кроме чисел пластичности, которые определяют материал как суглинистый.
Таблица 3
Физико-механические свойства материала литостратов самозарас-тающего отвала
|
Слой |
Глуби-на, см | Граница клей-кости | Ниж-ний
предел плас-тич-ности |
Верх-ний
предел плас-тич-ности |
Гра-ницаска-
тыва ния в шнур |
Чис-ло
пла-стич-нос-ти |
Гранулометрический состав по пластич-ности |
|
|
% |
||||||||
| Слой | 0-3 | 30 | 34 | 39 | 28 | 6 | Суглинки | |
| Слой | 3-12 | 29 | 33 | 36 | 17 | 16 | Суглинки | |
| Слой | 12-30 | 22 | 25 | 27 | 19 | 6 | Суглинки | |
| Слой | 30-45 | 25 | 26 | 30 | 12 | 14 | Суглинки | |
| Слой | 45-60 | 24 | 31 | 33 | 13 | 17 | Суглинки | |
Результаты непосредственных полевых и лабораторных исследований по установлению эрозионных констант показывают, что илистая фракция в верхнем 3-сантиметровом слабогумусированном слое составляет 8%, а допустимая не размывающая скорость водного потока равна 0,307 м/с. С глубиной, с возрастанием процента ила, увеличивается и допустимая не размывающая скорость водного потока – до 329 м/с.
Выводы:
— по фактору структурности все элементы катены обладают незначительной способностью к оструктуриванию;
— по показателям степени агрегированности почвы и материал литостратов слабо устойчивы;
— по критериям противоэрозионной стойкости почвы и материал литостратов обладают очень слабой устойчивостью к эрозионным процессам.
Список литературы:
- Дербенцева А.М., Черновалова А.В.,Семаль В.А. Природно-техногенные почвенные катены юго-запада Приморья. Часть II. Физико-химические и химические свойства. Владивосток: Дальневост. федерал. ун-т.- 2014.- 84 с.
- Дербенцева А.М.,Черновалова А.В. Техногенно-промышленные системы: почвы и техногенно-промышленные образования. Ч.I. Физические, физико-механические и противоэрози-онные свойства Свидетельство о государственной регистрации базы данных № 2013621241. Дата госрегистрации в Реестре баз данных 25 сентября 2013
- Кассификация и диагностика почв России / Авторы и составители: Л.Л. Шишов, В.Д. Тонконогов, И.И. Лебедева, М.И. Герасимова.- Смоленск: Ойкумена, 2004.- 342 с.[schema type=»book» name=»ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА РЕТТИХОВСКОЙ ПРИРОДНО-ТЕХНОГЕННОЙ ПОЧВЕННОЙ КАТЕНЫ» author=»Брикманс Анастасия Владимировна, Дербенцева Алла Михайловна, Герасименко Артем Игоревич» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-05-08″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_ 28.02.2015_02(11)» ebook=»yes» ]