Фізичні властивості грунтів і порід

Загальними фізичними властивостями грунту і породи є щільність твердої фази, щільність непорушеного грунту і пористість.

Щільність твердої фази (d) – інтегрована щільність усіх компонентів твердої фази грунту (уламки гірських порід, органічні частки, новоутворені мінерали) або маса одиниці об’єму грунту без пор.

Верхні, більш гумусовані, горизонти мають меншу щільність, ніж нижні, тому що щільність гумусу складає 1.4-1.8 г/см³, а щільність мінеральної складової - 2.3-3.3 г/см³. Найбільшу щільність мають ілювіальні та солонцові горизонти, найменшу – торф’янисті та сильногумусовані горизонти.

Щільність грунту (ρ) маса одиниці об’єму грунту в природному непорушеному і сухому стані.

Завдяки наявності пор, заповнених повітрям, щільність грунту значно менша, ніж щільність його твердої фази. Щільність грунту верхніх горизонтів становить 0.8-1.2 г/см³, а нижніх - 1.3-1.8 г/см³. Залежить ця величина від мінералогічного і гранулометричного складу грунту, його структури, вмісту органічної речовини, обробітку грунту. Оптимальна щільність становить 1.0-1.2 г/см³.

Вчені дослідили, що головною причиною фізичної деградації грунтів України є інтенсивний обробіток грунту, внаслідок чого руйнується природна структура, з’являються брили і пил, грунт переущільнюється, що веде до підсилення водної і вітрової ерозії, погіршується водно-повітряний режим грунту, умови розвитку і росту коренів рослин. Головним напрямком боротьби з фізичною деградацією грунтів є мінімалізація їх обробітку.

Пористість грунту (Р) – сумарний об’єм усіх пор між частками твердої фази одиниці об’єму грунту, виражених у відсотках.

Її можна розрахувати за формулою:

(2.1)

де ρ – щільність грунту, г/см³;

d – щільність твердої фази, г/см³.

Пористість залежить від мінералогічного складу, структурності, життєдіяльності біоти (особливо фауни) та від обробітку грунту сільськогосподарськими знаряддями. Пори в грунті утворюються між окремими механічними елементами й агрегатами, та в середині агрегатів.

Важливою екологічною характеристикою грунту є пористість аерації, тобто об’єм пор, заповнених повітрям. Повітря заповнює пори, не зайняті водою. Цей показник залежить від багатьох факторів, але в першу чергу від гранулометричного складу і агрегованості. У піщаних грунтах пористість аерації складає більше 25%, у суглинистих – 20-15%, у глинистих – не більше 10% від загального об’єму грунту. Проте, в глинистих грунтах на величину пористості аерації впливає ступінь аерації, якщо в такому грунті присутні структурні елементи розміром 5 мм, пористість аерації збільшується до 20-30%.

Загальні фізичні властивості грунту залежать від мінералогічного, механічного і структурного складу. Так, гумусовий горизонт структурного грунту (наприклад, чорнозему) має високу пористість (до 70%), а безструктурного глинистого грунту – значно менше (<50%).

Основними фізико-механічними властивостями грунту є: липкість, пластичність, набухання й усадка. Усі вони залежать від вмісту в грунті глинистих мінералів.

Пластичність – здатність грунту змінювати свою форму під впливом будь-якої зовнішньої сили без порушення суцільності та зберігати свою форму після закінчення дії зовнішньої сили. Ця властивість зумовлена наявністю в грунті мулистої фракції.

Сухий грунт не володіє пластичністю. Пластичність зростає при збільшенні вмісту обмінного натрію, зменшується при насиченості грунту катіонами кальцію, магнію, гумусовими речовинами.

Липкість – здатність вологого грунту прилипати до інших тіл, до сільськогосподарських знарядь. Визначається силою, що треба прикласти для відриву металічної пластини від грунту (г/см³).

Залежить від тих же факторів, що і пластичність. Обмінні катіони та гумус впливають на явище липкості аналогічно.

Набухання – збільшення об’єму грунту при зволоженні. Зумовлене сорбцією вологи грунтовими частинками і гідратацією обмінних катіонів.

Залежить від мінералогічного складу та складу колоїдів і обмінних катіонів. Найвища здатність до набухання встановлена у грунтів, багатих на монтморилоніт та вермикуліт, найменша – у збагачених каолінітом. Сильно набухають грунти насичені натрієм.

Усадка – зменшення об’єму грунту при його висиханні.

Усадка – явище протилежне до набухання, тому залежить від тих же факторів. Велика усадка призводить до утворення великих тріщин, розриву кореневих систем, до збільшення випаровування з поверхні грунту.

Пластичність, липкість, сильна усадка та набухання – негативні фізико-механічні властивості грунтів.

До механічних властивостей грунтів належать також твердість, зв’язність і питомий опір.

Зв’язність – здатність грунту в сухому стані опиратися зовнішній дії (розтиранню, стисканню, розриванню), яка спрямована на роз’єднання частинок грунту, або грунтових агрегатів.

Зв’язність залежить від механічного складу, структурності грунту, ступеню зволоження. Найбільшою зв’язністю володіють глинисті й особливо безструктурні грунти, найменшою – піщані.

Твердість – опір, який створює грунт проникненню в нього будь-яких предметів.

Значна твердість – ознака негативних фізико-хімічних властивостей грунту. Для обробітку такого грунту необхідні великі витрати. У тверді грунти погано проходить вода і повітря, що негативно впливає на розвиток рослин. Найбільшою твердістю володіють грунти важкого гранулометричного складу, безструктурні, малогумусні та ті, що містять в обмінному комплексі поглинутий натрій.

Питомий опір – це зусилля, які необхідно використати для обробки грунту.

Важливою характеристикою грунту є фізична стиглість, яка показує стан грунту при якому він найкраще піддається обробітку. Ця ознака залежить від вологості грунту і рівня розвитку мікроорганізмів в ньому.