Пористость песка: Свойства песка: основные характеристики песка

Свойства песка: основные характеристики песка

Главная > Часто задаваемые вопросы > Свойства песка

Свойства песка во многом зависят от того, какое происхождение имеет материал, как его добывали, обрабатывали ли песок дополнительно.

Важные характеристики материала:

Зерновой состав
Содержание пылевидных и глинистых частиц
Содержание глины в комках
Содержание ила
Класс песка
Пористость
Влажность
Модуль крупности
Коэффициент фильтрации
Насыпная плотность
Радиоактивность

Ниже мы подробно расскажем о каждой из них.

Зерновой состав песка

По сути, это то, из чего состоит материал: много ли в нем посторонних примесей, слишком крупных или слишком мелких зерен.

В этот показатель входят две характеристики:

Полные остатки на ситах
Содержание зерен различной крупности

Полные остатки на ситах

Для определения этого показателя песок пропускают через сита с размерами ячеек:

2,5 мм
1,25 мм
0,63 мм
0,315 мм
0,16 мм
менее 0,16 мм

Таким образом, самые крупные зерна остаются на верхнем сите, а самые мелкие проходят сквозь ячейки диаметром 0,16 мм. Далее рассчитывают процентное соотношение зерен на каждом сите к общей массе пробы.

В соответствии с требованиями ГОСТа, полный остаток на сите с ячейками 0,63 мм должен варьироваться в диапазоне от 10 до 75%, в зависимости от модуля крупности сырья. Для других сит конкретных требований не установлено, показатели определяются в ходе лабораторных испытаний.

Содержание зерен различной крупности

В данном случае измеряется количество зерен следующих размеров:

более 10 мм
более 5 мм
полный остаток на сите №063
менее 0,16 мм

Зерна размером менее 0,16 мм — это, попросту говоря, пыль, а частицы крупнее 5 мм — не что иное, как гравий (галька). Наличие тех и других зерен негативно отражается на общих характеристиках сырья и возможности его применения без дополнительной обработки. Так, например, приготовление раствора для расшивки швов кирпичной кладки потребует полного отсутствия крупных включений. Ведь такие зерна не позволят создать тонкий слой затирки или выпадут из шва после его высыхания.

Поэтому чем ниже процент их содержания, тем выше качество песка.

Содержание пылевидных и глинистых частиц

Это, пожалуй, самая важная характеристика песка. Ведь от нее зависит степень чистоты материала, а, следовательно, и возможность применения в тех или иных работах. Пылевидные и глинистые частицы имеют размер менее 0,063 мм. Они понижают сцепление более крупных зерен, что приводит к понижению прочности изделий с использованием этого материала. Поэтому, например, для приготовления бетона необходим только чистый песок.

Наличие пылевидных и глинистых частиц напрямую зависит от способа обработки исходного сырья. Наиболее чистым является мытый песок.

Для определения количества пылевидных и глинистых частиц зерна обычно просеивают через специальные сита с отверстиями размером 0,063 мм. Таким образом, все, что проходит через сита, является пылевидными и глинистыми частицами.

ГОСТом установлены требования к содержанию таких частиц. Например, в природном песке их должно быть не более 3%, а в искусственном – не более 5%. Конкретное значение определяют по отношению количества отсеянных частиц к основной массе.

Конечно, наличие таких включений важно только для определенных видов работ. Особенно – для устройства фундаментов, возведения мостов и других инженерных сооружений. Там пыль и глина могут сыграть роковую роль и со временем привести к разрушению конструкций. Если же вам нужно просто отсыпать дорожку на даче, подойдет практически любой песок.

Кроме того, в зависимости от способа добычи, среди зерен могут содержаться либо комки глины (если песок был добыт в карьере или эфельным методом), либо ил (если он был добыт со дна рек и озер). Эти включения также негативно влияют на прочность конструкций с использованием данного материала.

Об этом и поговорим далее.

Содержание глины в комках

Глина – это пластичное вещество, отличающееся вязкостью. В песке ее должно быть не более 0,5% от всей массы. Чтобы определить конкретный показатель, пробу материала смачивают водой, а затем прощупывают иглой. Глина, как правило, имеет низкую прочность, поэтому ее легко определить тактильно (на ощупь). После этого сравнивают отношение количества глины к количеству песка.

Глина хорошо вымывается водой, а вот сухим просеиванием от нее не избавиться. К тому же, попадая в любой строительный раствор, она остается в нем навсегда. Наличие комков глины в бетоне понижает его водостойкость, что недопустимо для гидротехнических сооружений, а также для подводных конструкций.

Содержание ила

Ил часто используют для повышения плодородных качеств почвы. Но в песке этот компонент является лишним. Например, наличие большого количества ила в бетоне требует повышенного расхода воды и цемента.

Впрочем, содержание ила не так критично, как, например, глины или пыли. Оно даже не регламентируется требованиями ГОСТа.

На основании описанных выше трех характеристик определяется так называемый класс песка.

Класс песка

Этот параметр относится к качеству зернового состава материала.

Всего выделяют 2 класса:

I класс – более качественный

II класс – менее качественный

Теперь разберемся, в чем их отличие.

Песок I класса

Он обладает более однородным составом и меньшим процентом содержания вредных примесей.

Например, в нем должно присутствовать не более 0,5% зерен крупностью более 10 мм.

Допустимое содержание пылевидных и глинистых частиц у такого песка – не более 2% для крупных фракций и не более 3% — для мелких.

Глины в комках должно быть не более 0,25% для крупных фракций и не более 0,35% — для мелких.

Песок II класса

Здесь допускается менее однородный состав и большее содержание вредных примесей.

Для сравнения, у данного песка может быть до 5% зерен размером более 10 мм (для крупных фракций) и до 0,5% (для мелких фракций).

Пылевидных и глинистых частиц может содержаться до 3% (для крупных фракций) и до 10% (для мелких фракций).

Глины в комках может быть до 0,5% (для крупных фракций) и до 1% (для мелких фракций).

Согласно требованиям ГОСТа, предъявляемые к материалам для строительных работ, песок I класса идет на более ответственные работы (фундамент, несущие конструкции, инженерные сооружения). Для менее серьезных работ подойдет продукция II класса.

Пористость песка

Это наличие пустот размером более 2 мм (пор) между зернами материала. Отношение объема пор к объему самого материала и есть показатель этой характеристики.

Для песка пористость составляет от 37 до 47%. Конкретный показатель зависит от вида продукции. Наибольшим показателем обладают речные пески, поскольку их зерна более окатанные. Зерна, полученные путем дробления породы, будут иметь более острые края; соответственно – и пористость будет ниже.

Данная характеристика особенно важна там, где песок используется в качестве самостоятельного материала, а не в составе растворов. Например, очень важна низкая пористость для устройства различных оснований (подушек под фундаменты или под дорожное покрытие).

Чем выше пористость, тем больше водопоглощение материала. Это особенно опасно для нашего климата, потому что зимой влага, скопившаяся в порах песка, превращается в лед. Это, в свою очередь, понижает прочность, как самого материала, так и изделий, в которых он используется.

Влажность песка

Название говорит само за себя. Это процентное количество влаги, содержащееся в песке. Разумеется, это не статичный показатель. Влажность может меняться в зависимости от степени просушки песка, условий его хранения, климатической обстановки и прочих факторов.

При этом, для некоторых областей применения песка существуют четкие требования к влажности поставляемой продукции.

Например:

Для приготовления сухих цементных смесей допускается влажность до 5%.

Для приготовления бетона влажность тоже не должна превышать 5%. В противном случае приходится менять пропорции добавления воды в раствор. Кстати, строители умеют определять влажность на глаз. Для этого берется горсть песка и сжимается в кулаке. Если после этого она остается в виде комка и не рассыпается, то влажность более 5%.
А вот для песочниц, используемых в железнодорожных составах для сокращения тормозного пути, предел влажности песка – всего 0,5%. Если этот показатель будет выше, то зерна не смогут создать достаточного сцепления.

Не имеет значения влажность такого песка, который предполагается использовать на открытом воздухе. К примеру, если вы делаете дорожки в саду, то вам подойдет материал с любой влажностью. Главное – чтобы он не был откровенно мокрым, иначе будет неудобно работать.

Модуль крупности

Несмотря на то, что каждая песчинка имеет свою неповторимую форму и размер, в целом обычно выделяют преобладающую фракцию (крупность). Модуль крупности – это и есть то среднее значение, которому соответствует размер большинства отдельных частиц в песке.

Чтобы определить показатель модуля крупности, необходимо пропустить песок через вибросита. В процессе отсеивания мелкие частицы проходят сквозь его ячейки, а крупные задерживаются.

По модулю крупности выделяют следующие виды песка:

Это классификация из ГОСТа. К ней обращаются при ответственных работах, когда к качеству материала предъявляются очень высокие требования. Другое дело – частное строительство, благоустройство или ландшафтный дизайн. Там это не критично, поэтому классификацию упрощают.

В упрощенном варианте существует всего 3 группы песка:

Модуль крупности влияет на возможность применения материала для тех или иных работ. Так, например, для кладочных растворов используют более крупные зерна – они обеспечивают прочную связь. Крупный песок идет и на отсыпку дорожек, площадок и песочниц (если насыпать мелкий, то он будет пылить). А мелкие зерна хорошо подходят, например, для внутренней отделки – то есть там, где важно, чтобы раствор ложился тонко и ровно.

Коэффициент фильтрации песка

Еще одна важная характеристика, от которой зависит качество готовых изделий из данного товара. Если вода, попадающая в песок, свободно проходит сквозь него и впитывается нижележащим грунтом, то зерна могут хорошо переносить тяжелые климатические условия. Между ними не будет скапливаться влага, соответственно они не будут испытывать деформаций, связанных с морозным расширением льда.

И здесь определяющую роль играет наличие глины. Этот материал является отличным препятствием для воды. В определенных ситуациях это становится большим преимуществом, но не здесь. Присутствие глины в песке способствует скоплению влаги между зернами. Поэтому степень очистки материала сильно влияет на коэффициент фильтрации.

Что касается конкретных показателей, то они таковы:

Конечно, подручными средствами невозможно определить конкретное значение. Для этого используют сложное лабораторное оборудование.

Чтобы понять, как данная характеристика влияет на практическое применение материала, можно привести небольшой пример. Вспомните, как на грунтовых дорогах скапливаются лужи после дождя. Вода может неделями и месяцами оставаться на поверхности, как будто что-то мешает ей впитаться в землю. Точно такая же ситуация и с песком. Поэтому, если вы будете делать дорожку или площадку с использованием недостаточно очищенного материала, то приготовьтесь к тому, что после каждого дождя ваше покрытие будет превращаться в болото.

Насыпная плотность

Это соотношение массы песка и его объема. Иными словами, характеристика показывает, сколько килограмм в кубометре материала. Здесь важно сказать, что конкретный показатель зависит от нескольких факторов.

На насыпную плотность влияют:

Пористость
Влажность

Так, если вам везут не утрамбованный сухой песок, то его насыпная плотность будет значительно ниже, чем если бы вам привезли утрамбованный материал, да еще и не высохший после дождя.

Таким образом, заранее узнать насыпную плотность невозможно. Для каждой отдельной партии она будет отличаться. Обычно используется среднее значение, с учетом основных характеристик материала.

Например, для песка средняя насыпная плотность будет следующей:

При влажности до 2% — 1 150 кг/м3
При влажности до 5% — 1 180 кг/м3
При влажности до 10% — 1 220 кг/м3
При влажности до 15% — 1 500 кг/м3
При влажности до 20% — 1 890 кг/м3
При влажности до 30% — 2 160 кг/м3

Но чаще всего берут совсем усредненные показатели, колеблющиеся в пределах 1 300-1 500 кг/м3.

Подробнее об этом свойстве читайте на странице Насыпная плотность сыпучих материалов. Если вы хотите узнать насыпную плотность разных видов песка, рекомендуем ознакомиться со страницей Насыпная плотность песка.

Радиоактивность песка

По сути, все материалы, добываемые из горных пород, обладают определенным радиационным фоном. Песок – не исключение.

ГОСТом определены допустимые значения радиоактивности для всех строительных материалов. Они измеряются в беккерелях на килограмм (Бк/кг).

Выделяют 4 класса радиоактивности:

1 класс – показатель радиоактивности тут менее 370 Бк/кг
2 класс – показатель до 740 Бк/кг
3 класс – до 1500 Бк/кг
4 класс – свыше 1500 Бк/кг

В строительстве используется продукция, радиоактивность которой не превышает 1500 Бк/кг. И это – слишком высокая цифра. На деле же обычно берут материалы с радиоактивностью менее 370 Бк/кг.

Подавляющее большинство песков относится к первому классу. Это значит, что использование их абсолютно безопасно.

Исключение составляет лишь так называемый «черный песок». Он представляет собой скопление тяжелых минералов, среди которых ильменит (содержащий титан) и монацит. Черные пески распространены по всей планете. В России они встречаются в Таганрогском заливе, на Украине – по берегам Азовского моря. Они имеют достаточно высокий радиационный фон (до 1000 микрорентген в час). Такие пески не используются ни в строительстве, ни в других областях.

Мы рассмотрели основные виды песка. Любая характеристика влияет на область применения материала. Однако далеко не для всех работ нужно детально изучать свойства и высчитывать показатели. Поэтому действуйте по ситуации: для каких-то задач эти характеристики чрезвычайно важны (например, при производстве тротуарной плитки или кирпича), для каких-то – это просто цифры, на которые можно не обращать внимания (скажем, при обратной засыпке).

Рекомендуем также ознакомиться с другими статьями из этого раздела:

Если вы хотите узнать о разновидностях песка, рекомендуем следующие страницы:

О том, как добывают песок, читайте здесь:

О том, как можно использовать песок и для каких работ он подходит, вы можете узнать на наших страницах:

В компании Грунтовозов вы можете приобрести следующие виды песков по фракциям:

В продаже имеются следующие разновидности карьерного песка:

В продаже имеется кварцевый песок:

Если вы хотите купить речной песок, рекомендуем следующие страницы:

У нас вы также можете купить эфельный песок:

Коэффициент пористости грунта – формула и описание

Главная > Часто задаваемые вопросы > Свойства грунтов > Физические свойства грунтов > Коэффициент пористости грунта

Коэффициент пористости грунта – это соотношение между объемами пустот и твердых частиц грунта. Его определяют экспериментальным путем или с помощью вычислений по плотности, массе и объему образцов. Показатель характеризует пористость грунта, которая влияет на многие другие свойства материала.

В этой статье мы подробно поговорим о такой величине как пористость грунта, опишем, какой она бывает и на что влияет. Мы подробно расскажем про коэффициент пористости и приведем формулу, по которой она высчитывается.

Что такое пористость грунта

Пористость – это объем пустого пространства, которое располагается между твердыми частицами грунта. Оно заполнено водой или воздухом. Вблизи месторождений полезных ископаемых в порах также могут находиться природный газ или нефть.

Пористость обозначается буквой n, измеряется в процентах и вычисляется по следующей формуле:

Пористость формируется в процессе выветривания. У скальных грунтов она очень низкая, но резко увеличивается при появлении трещин и разрушении породы. Если грунт образовался из вулканических (пепла, туфа) или органических (известняка, ракушечника) отложений, его пористость изначально высокая.

На объем пор влияет ряд факторов, таких как размер и форма частиц. Показатель низкий у мелкодисперсных грунтов с округлыми зернами. Если частицы ребристые, неокатанные, между ними может быть больше пустого пространства.

Пористость дисперсных грунтов всегда выше, чем скальных. Она уменьшается по мере удаления от поверхности земли. На глубине грунт плотнее, так как испытывает давление верхних слоев. Кроме того, степень выветривания грунта здесь всегда ниже.

Влияют на показатель и органические примеси. Так, плодородные почвы обладают высокой пористостью, они дополнительно разрыхляются организмами, живущими в верхних слоях земли. Один из самых высоких показателей у торфяников из-за особенностей сложения полуразложившихся остатков растений.

Пористость влияет на многие свойства грунта, поэтому определение ее коэффициента – это одно из важнейших геодезических исследований.

Ведь от показателя зависят такие характеристики как:

Несущая способность
Грунт с большим количеством пустот неустойчив, склонен к деформациям, не выдерживает больших статических и динамических нагрузок.
Усадка и сжимаемость
Под давлением объем пор уменьшается, грунт сжимается, и сооружения дают усадку.
Сопротивление сдвигу
Грунт с высокой пористостью легче смещается под влиянием динамических боковых нагрузок. Но на этот показатель также влияют форма частиц и особенности их поверхности. Шероховатые неокатанные зерна имеют лучшее сцепление, а значит и более высокое сопротивление сдвигу.
Влагоемкость
В пористом грунте может задерживаться больше жидкости. В первую очередь это касается глины, которая имеет способность связывать воду и набухать.
Водопроницаемость
Хорошей водопроницаемостью обладают грунты с открытыми порами, которые сообщаются между собой.
Коррозийные свойства
В пористых грунтах накапливается влага с растворенными солями. В них создаются оптимальные условия для роста бактерий, разлагающих сульфаты. Все это ведет к повышению коррозийных свойств грунта. Поэтому металлические конструкции в такой среде быстрее разрушаются.

Для грунтов, которые используются в строительных работах, высокая пористость является недостатком. Единственное исключение – установка дренажных систем. Ведь грунт вокруг них должен иметь разную пористость, чтобы пропускать и фильтровать воду.

В садово-огородных работах также используются пористые почвы. Они способны накапливать воду и воздух, необходимые для роста и развития растений. Но слишком высокий показатель здесь также нежелателен, так как почва с большим количеством открытых пор обладает большей водопроницаемостью. Влага при этом быстро уходит в нижние горизонты, а верхние в это время пересыхают.

Показатели пористости колеблются в широких пределах – от 0,5-3% (у скальных грунтов из магматических и метаморфических пород) до 90% (у торфа).

В таблице даны показатели пористости самых распространенных материалов.

Таблица пористости грунтов

Также скальные грунты, в зависимости от пористости, могут разделяться на разновидности. Их классификация описана в ГОСТ 25100-2011. Все данные вы найдете в таблице ниже.

Разновидности скальных грунтов по пористости

Таким образом, если соотнести две таблицы, мы увидим, что:

Непористыми скальными грунтами считаются, например, габбро, гранит, диорит, гранодиорит, мрамор, пироксенит, порфирит
Слабопористые скальные грунты – это базальт, кварцит, прочный песчаник
К среднепористым можно отнести доломит, известняк, слабый песчаник
Сильнопористым скальным материалом считается опока

Также существует разделение грунтов в зависимости от размера пор.

Они могут быть:

Мелкопористые (поры составляют тысячные доли миллиметра)
Крупнопористые (от десятых долей до 2 мм)

Во многих дисперсных грунтах, особенно с преобладанием мелких частиц, присутствуют поры разного размера. Поэтому такое разделение всех материалов на мелко- и крупнопористые является довольно условным.

Дальше вы узнаете об основных видах пористости.

Виды пористости грунта

Пористость грунта бывает:

Активной
Вода проходит через поры при определенном напоре (давлении). Активная пористость уменьшается с увеличением количества глинистых частиц. Она наиболее характерна для песчаных и гравелистых грунтов.
Вторичной
Это пористость, которая возникла в процессе растворения солей уже после формирования грунта. Такое явление характерно для пород с высоким содержанием гипса, хлорида и гидрокарбоната натрия, карбонатов.
Динамической
Она включает лишь тот объем пор, который может пропускать жидкость и газы. Она всегда меньше общей.
Критической
Это пористость песчаного грунта, при которой он становится устойчивым к сдвигу. Определяют показатель при испытании двух одинаковых образцов, один из которых находится в естественном сложении, а второй – в разрыхленном состоянии.
Насыщенной
Это пористость грунта при полном заполнении его пустот водой.
Неэффективной
При такой пористости жидкость и воздух не проходят через поры, так как они изолированы от внешней среды.
Эффективной
Это объем пор, через которые могут проходить вода и газы при определенном напоре.
Общей
Этот показатель определяется общей суммой открытых и закрытых пор.
Трещинной
Этот тип характерен для скальных трещиноватых грунтов.

Кроме разных типов пористости существуют и свои разновидности грунтовых пор. О них вы узнаете в следующей части статьи.

Виды грунтовых пор

Грунтовые поры – это пустые пространства неправильной формы. Они могут располагаться между отдельными частицами или внутри породы.

По расположению относительно твердых частиц их разделяют на:

Межагрегатные
Эти поры находятся между сцементированными агрегатами осадочных пород, окаменевшими остатками животных и растений.
Межгранулярные
Поры располагаются между частицами или обломками зернистых осадочных грунтов.
Межзерновые
Поры образуются из-за дефектов кристаллической решетки скальных грунтов, часто имеют форму тонких трещин.

Также пустоты в грунтовом массиве могут сообщаться между собой внешней средой или быть изолированными.

По этому свойству поры разделяют на:

Открытые
Закрытые

Открытые поры располагаются между твердыми частицами. Через них свободно проходят вода и воздух, обеспечивается фильтрация. Закрытые поры образуются внутри породы или конгломератов. Они уменьшают плотность грунта, но не влияют на его водопроницаемость и влагоемкость. При давлении объем закрытых пор остается стабильным. Он может уменьшиться лишь в том случае, когда частицы грунта разрушаются, и поры открываются.

Грунтовые поры разделяются и по размерам. Основные характеристики этих разновидностей даны в таблице.

Характеристики грунтовых пор

Мелкие поры иногда также разделяют на:

Субкапиллярные (менее 0,2 мкм)
Капиллярные (0,2-100 мкм)
Сверхкапиллярные (больше 100 мкм)

В следующей части текста мы расскажем, как определяется коэффициент пористости с помощью вычислений и экспериментальным путем, приведем показатели для некоторых типов грунтов.

Что такое коэффициент пористости грунта

Коэффициент пористости грунта – это соотношение объема пор к объему твердой части, выраженное в долях единицы. Он обозначается буквой е. Экспериментальным путем его определяют для скальных грунтов. Для этого измеряют объем воды при полном насыщении влагой грунта. Он соответствует объему пор.

Затем показатель высчитывают по формуле:

e=n/m,

где n – объем пор грунта, m – объем твердых частиц.

Определить коэффициент пористости в песчаных грунтах опытным путем трудно, а в глинистых – невозможно. Поэтому на практике чаще применяют вычисления, в которых учитывается плотность скелета сухого грунта, твердых частиц или их объем.

Согласно ГОСТ 25100-2011, коэффициент пористости вычисляется по формуле:

Как определяют плотность разных компонентов, вы можете прочитать в нашем разделе Плотность грунта.

Для определения коэффициента пористости можно воспользоваться и готовыми данными для разных типов грунтов:

Гравий – 0,25-0,3
Супесь – 0,4-0,45
Суглинок – 0,45-0,5
Глина – 0,5-0,65

Как видно из приведенных цифр, коэффициент пористости не превышает единицы. Это значит, что объем пустот в грунте всегда меньше, чем его твердая часть. Исключение составляют лишь некоторые почвы с высоким содержанием торфа или грунты на основе вулканического пепла.

Коэффициент пористости – это один из показателей, по которому проводится классификация песчаных грунтов. В таблице даны его значения в зависимости от разновидности материала.

Песчаный грунт с пористостью больше 0,7-0,8 считается непригодным для строительства. При насыщении водой он легко теряет связность, разжижается под механическим воздействием. Такой песчаный (иногда супесчаный) материал называется плывуном.

Пористость – это нестабильная величина, которая во многом зависит от степени уплотнения грунта. Ее обязательно определяют при строительстве, чтобы правильно подготовить площадку под основание дома или дороги. Для уменьшения показателя проводят трамбовку. Положительной считается эффективная открытая пористость – такой грунт хорошо пропускает воду, не давая ей задерживаться под основаниями.

В сельском хозяйстве, наоборот, предпринимают меры, чтобы повысить показатель пористости почв. Ведь растения могут нормально развиваться лишь в почвогрунтах с достаточным количеством пустот, заполненных водой и воздухом. При этом желательно, чтобы большая часть пор была закрытой. Почвы с открытой пористостью быстро пропускают воду в нижние горизонты, а верхние слои при этом пересыхают.

Пористость — песок — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Пористость — песок

Cтраница 1

Пористость песка изменяется сравнительно мало. [2]

Пористость песка определяют методом насыщения. Для этого сосуд определенного объема заполняют сухим песком и наливают воду до заполнения всех пор. Предположим, что объем, занятый песком, составлял 250 см3, а для насыщения этого объема пошло 78 см3 воды. [4]

При пористости песка 30 % и начальной нефтенасыщенности его 80 % количество удержаний в виде пленки нефти достигает — 19 % начального ее запаса. [5]

С увеличением пористости песка п, окатанности его зерен ( рис. 6.54) и интенсивности динамического воздействия коэффициент vn возрастает от нулевого значения до величины, отвечающей обстановке сотрясения. Характер изменения vn для некоторого песка, в зависимости от указанных факторов, иллюстрируется рис. 6.55. Необходимо во всех случаях определять значение этого коэффициента в лабораторных условиях применительно к интересующему нас песку. [7]

Пористость известняков и доломитов меньше пористости песка и песчаника и имеет другое происхождение — объем пустот в них образован трещинами и каналами, возникшими в результате растворения части вещества породы. [8]

Фильтрующие свойства шлака выше, чем песка; пористость также превышает пористость песка, однако по механической прочности шлак уступает песку. [10]

Фильтрующие свойства шлака выше, чем песка, пористость также превышает пористость песка, однако по механической прочности уступает песку. [12]

Если по каким-либо причинам отобрать образец песка с ненарушенной структурой не представляется возможным, то, естественно, пористость песка определяется приближенно. [13]

Пусть q и, где k — коэффициент, а и меняется от нуля до глтах, определяемого пористостью песка. [14]

Причинами, вызывающими затруднения в укреплении песков вяжущими, являются специфические особенности и свойства мелких песков: большая пористость и малая величина трения и сцепления. Уменьшение пористости песка, применяемого в дорожном строительстве ( что способствует увеличению его плот-ости) является одним из основных вопросов, связанных с укреплением песка. Сопротивление песка сжатию и сдвигу ( что важно при эксплуатации дорожных одежд) может быть достигнуто увеличением его плотности, созданием сил трения и сцепления. [15]

Страницы: 1 2

2.

2 Определение коэффициента пористости грунта

Коэффициент пористости грунта е определяется (как для песка, так и для глинистого грунта) по формуле

Для песка (2,51 – 1,46) / 1,46 = 0,7

Для глинистого грунта (2,68 – 1,57) / 1,57 = 0,71

где ρ_s – плотность частиц грунта г/см³ (т/м³)

ρ_d – плотность сухого грунта г/см³ (т/м³).

2.3 Наименование песка по крупности зерен

Наименование песка ИГЭ-1 устанавливается путем совместного рассмотрения данных табл.2 (по конкретному варианту) и табл. Б10 ГОСТ 25100-95, приведенной в приложении к данному пособию (табл. А1).

Установим наименование песка ИГЭ-1 для варианта 3.

Песок не является «гравелистым», содержание частиц более 2мм составляет при данном варианте 7% , что меньше табличного значения 25% (табл. А1)

Песок не является “крупным”, процентное содержание частиц более 0.5мм составляет 20% (7+13=20). Это меньше табличного значения 50%.

Песок не является «песком средней крупности», содержание частиц более 0,25 мм составляет 38% (7+13+18=38), меньше 50%.

Также не является “мелким”, потому что содержание частиц более 0,1 мм составляет 60% (7 + 13 + 18 + 22 = 60), меньше 75%.

Песок является «пылеватым», так как процентное содержание частиц более 0,1 мм составляет 60 % < 75%.

2.4 Определение плотности сложения песка

Плотность сложения песка определяется по коэффициенту пористости, причем все определения ведутся раздельно для каждого вида песка (по крупности). Используется таблица Б18 ГОСТ 25100-95, приведенная в приложении к данным методическим указаниям (табл. А2)

Определим плотность «пылеватого» песка коэффициент пористости которого составляет 0. 7. Согласно табл. А2 данный песок попадает в диапазон 0.60…0.80, что для песков пылеватых соответствует пескам “средней плотности”.

Определение коэффициента водонасыщения

Коэффициент водонасыщения (степень влажности) S_rопределяется по формуле

Для песка (0,29 * 2,51) / (0,7 * 1,00) = 1,00

Сравним полученное значение Sr песка с табличным (ГОСТ 25100-95 табл. Б17), приведенное в приложении (табл. А3)

Величина Sr = 1,00 попадает в диапазон 0,8…1,00, что соответствует грунтам «насыщенным водой».

Для глины (0,22 * 2,68)/ (0,71 *1,00) = 0,83 (насыщенные водой)

где w, e – соответственно природная влажность и коэффициент пористости,

_s , _w– соответственно плотность твердых частиц и плотность воды.

Влажность берется не в процентах, а в долях единицы.

Наименование глинистого грунта

Для выяснения наименования пылевато-глинистого грунта ИГЭ-2 определяем “число пластичности” I_p

= 27,2 – 19,2 = 8

где w_L, w_p– влажности на границе текучести и на границе раскатывания соответственно.

Полученное значение I_p сравнили с приведенным в табл. А4 приложения (соответствующей табл.Б11 ГОСТ 25100-95) и установили название данного пылевато-глинистого грунта «суглинок».

Оценка консистенции пылевато-глинистого грунта

Оценка консистенции грунта ИГЭ-2 делается путем определения “показателя текучести” I_L

= (22 – 19,2) / 8 = 0,35

Полученное значение I_Lсравнили с приведенным в табл. А5 приложения (соответствующей табл. Б14 ГОСТ 25100-95) и установили консистенцию грунта «тугопластичный», так как показатель текучести лежит в диапазоне 0,25…0,50.

Плотность скелета грунта

Плотностью скелета грунта (плотность сухого грунта) называют массу твердой компоненты в единице объема грунта при естественной (ненарушенной) структуре. Ее значения изменяются в более узком пределе по сравнению с плотностью грунта, поскольку она зависит только от минерального состава и характера сложения (пористости) грунта. Чем ниже пористость и выше содержание тяжелых минералов в грунте, тем выше плотность его скелета. В дисперсных грунтах, не содержащих значительных примесей органических веществ, плотность скелета грунта практически зависит только от характера его сложения.

Плотность скелета грунта (ρ_d) определяется экспериментально или чаще вычисляется по величинам плотности грунта (ρ) и его влажности (W) по формуле:

ρ_d=ρ/(1+W), г/см³

где W — весовая влажность в долях единицы.

Для песчаных грунтов (в силу невозможности практического определения плотности скелета при естественной структуре) часто проводят определение ρ_d на воздушно-сухих образцах с нарушенным сложением при двух состояниях: предельно рыхлом и плотном. Соответственно этому может быть получена плотность песков при рыхлом и плотном сложениях.

Величина плотности скелета грунта широко используется для вычисления пористости, коэффициента пористости, а также для характеристики степени уплотненности глинистых грунтов в теле земляных плотин [1, 2].

Использование показателей плотностных свойств для расчёта пористости и коэффициента пористости

Для расчета пористости (n) и коэффициента пористости (е) обычно используется зависимость, связывающая эти величины с плотностью твердых частиц (ρ_s) и плотностью грунта (ρ) или плотностью скелета грунта (ρ_d).

Пористость характеризует объем пор в единице объема грунта и вычисляется по формуле:

n = 1-V_s = 1-ρ_d/ρ_s = (ρ_s-ρ_d)/ρ_d,

где V_s — объем твердых частиц в единице объема грунта. Пористость выражается в % или долях единицы.

Коэффициент пористости, равный отношению объема пор к объему твердой компоненты грунта, выражается в долях единицы и рассчитывается по формуле:

e = n/V_s = (ρ_s-ρ_d)/ρ_d

Показатели, характеризующие пористость грунтов, используются в грунтоведении и механике грунтов для различных целей. Они часто служат классификационными характеристиками и входят в формулы для расчета водопроницаемости, сжимаемости и других свойств грунтов.

По величине коэффициента пористости песчаные грунты подразделяются на группы по характеру (плотности) их сложения (Таб. 3). При этом предусматривается, что его величина рассчитывается по данным определения плотности грунтов по образцам, отобранным без нарушения природного сложжения [1, 2].

При инженерно-геологических исследованиях путем сравнения величины коэффициента пористости песка при естественном или искусственно созданном в насыпи (е), предельно рыхлом (е_р) и плотном (е_пл) сложениях рассчитывают коэффициент плотности (относительную плотность) песчаных пород:

D=(е_р-e)/(е_р-е_пл).

По величине этого коэффициента пески подразделяются на три категории: рыхлые (0D≤0,33), средние (0,34≤D≤0,66) и плотные (0,67≤D≤1).

Для характеристики способности песков к уплотнению используется коэффициент уплотняемости песка (F), который вычисляется по формуле:

F=(е_р-е_пл)/е_пл.

Чем выше его значения, тем большей способностью к уплотнению обладают пески [1, 2].

Характеристики песка

Характеристики песка. Песок для строительных работ. Назначение и применение.

Песок (или песчаный грунт) — представляет собой сыпучий нерудный материал, который используется практически при любых строительных работах.

Песчаные грунты сложены угловатыми и окатанными обломками минералов, размером от 2 до 0,005 мм (мелкозернистые пески имеют размеры 0,1-0,25 мм). Основная масса песков состоит из кварца и полевых шпатов. В качестве примесей всегда присутствуют другие минералы – силикаты, глинистые и т. д. Пески на поверхности земли имеют широкое распространение, как на суше, так и в морях.

Пористость песков в рыхлом состоянии около 47%, а в плотном – до 37%. Рыхлое сложение легко переходит в плотное при водонасыщении, вибрации, и динамических воздействиях. Плотность песков оценивается по значению коэффициента пористости е: плотное сложение (для мелкозернистых песков е0,75).

За счёт открытой пористости пески всегда водопроницаемы. В плотном сложении пески хорошо воспринимают нагрузки и рассеивают напряжение в основаниях под фундаментами. Модуль деформации мелкозернистых песков колеблется от 30 до 50 Мпа.

Пески в строительстве имеют широкое применение. Они являются надёжным основанием, служат хорошим материалом для изготовления различных строительных изделий, цементных растворов и т. д. Применимость песков, как сырья для производства строительных материалов, находится в зависимости от крупности частиц и основного в количественном отношении минерала, а также от примесей, таких как слюды, соли, гипс, глинистые минералы, гумус. Эти примеси в ряде случаев ограничивают использование песков.

В песке размеры обломков (зерен) колеблются от 0,1 до 1 мм. В зависимости от размеров зерен различают разновидности песка крупнозернистый, пылевидный и глинистый песок.

Основными характеристиками песка являются:

· Модуль крупности;

· Коэффициент фильтрации;

· Объемно-насыпная масса;

· Класс радиоактивности;

· Содержание пылевидных, илистых, глинистых частиц.

Видов строительного песка очень много. Отличается он содержанием в его составе глинистых и пылевидных частиц (поэтому загрязненные пески перед использованием следует просеять, а иногда и промыть), а так же модулем крупности, за счет чего имеет различное применение в строительстве. Плотность строительного песка очень зависит от содержания в нем глины — чистый песок может иметь плотность 1,3 т. в кубическом метре, а песок с большим содержанием глины и влаги 1,8 т. в кубическом метре.

Речной песок самый чистый; морской песок загрязнен солями и требует промывки пресной водой; горный и овражный песок загрязнен глиной, а глина снижает прочность раствора.

Песок является важным строительным материалом. Его используют:

· Для кладки, стяжки, штукатурки;

· При производстве цемента и бетона;

· В дорожном строительстве;

· В стекольной промышленности;

· В сельском хозяйстве.

К строительному песку можно отнести следующие его разновидности:

Речной песок
Карьерный песок

Песок для строительных работ должен быть изготовлен в соответствии с требованиями настоящего стандарта ГОСТ 8736—93 по технологической документации, утвержденной предприятием-изготовителем.

Песок для строительных работ в зависимости от значений нормируемых показателей качества (зернового состава, содержания пылевидных и глинистых частиц) подразделяют на два класса.

Основные параметры и размеры

В зависимости от зернового состава песок подразделяют на группы по крупности:

I класс — очень крупный (песок из отсевов дробления), повышенной крупности, крупный, средний и мелкий;

II класс — очень крупный (песок из отсевов дробления), повышенной крупности, крупный, средний, мелкий, очень мелкий, тонкий и очень тонкий.

Каждую группу песка характеризуют значением модуля крупности, указанным в таблице 1.

Таблица 1

Группа песка	Модуль крупности Мк
Очень крупный	Св. 3,5
Повышенной крупности	>> 3,0 до 3,5
Крупный	>> 2,5 >> 3,0
Средний	>> 2,0 >> 2,5
Мелкий	>> 1,5 >> 2,0
Очень мелкий	>> 1,0 >> 1,5
Тонкий	>> 0,7 >> 1,0
Очень тонкий	До 0,7

Добыча песка для строительных работ производится в карьерах или руслах рек (откуда название: речного и карьерного песка). Доставляется песок самосвальной техникой.

По виду обработки после добычи песок делится на сеянный и намывной.

Сеянный песок — это просеянный песок, очищенный от камней и больших фракций.

Намывной песок ГОСТ 8736-93 — нерудный материал получается путем промывки обычного карьерного песка. Песок промывается большим количеством воды, из него вымывается глина и пылевидные частицы. Обычно намывной песок бывает очень мелких фракций (в среднем 0,6 мм.) Применяют этот вид строительного песка

для штукатурки и других работ, где нежелательно присутствие глины.

Поступающий в строительство песок должен отвечать требованиям ГОСТ 8736—93 и ГОСТ 8735—88 по зерновому (гранулометрическому) составу, наличию примесей и загрязнений.

Зерновой состав песка определяют на стандартном наборе сит с размерами ячеек: 5; 2,5; 1,25; 0,63; 0,315 и 0,16 мм. Навеску сухого песка просеивают через набор сит и определяют сначала частные (%), а затем полные остатки на каждом сите. Полный остаток на любом сите равен сумме частных остатков на этом сите и всех ситах большего размера. Размеры полных остатков характеризуют зерновой состав песка.

Для строительных растворов рекомендуется применять пески с модулем крупности не менее 1,2, а для бетонов — не менее 2. Причем зерновой состав песка для бетонов нормируется ГОСТ 10268—80 по остаткам на всех ситах. В строительстве часто используют фракционированный песок, разделенный на крупную (5…1,25 мм) и мелкую (1,25…0,16 мм) фракции.

Влажность и насыпная плотность песка.

Насыпная плотность природного песка 1300…1500 кг/м3. Песок изменяет свой объем и соответственно насыпную плотность при изменении влажности в пределах от 0 до 20 %. При влажности 3…10 % плотность песка резко снижается по сравнению с плотностью сухого песка, потому что каждая песчинка покрывается тонким слоем воды, и общий объем песка возрастает. При дальнейшем увеличении влажности вода входит в межзерновые пустоты песка, вытесняя воздух, и насыпная плотность песка снова увеличивается. Изменения насыпной плотности песка при изменении влажности необходимо учитывать при дозировке песка по объему.

Пористость грунтов

Пористость грунта определяется отношением объема промежутков (пор) между частицами к общему объему грунта.

При производстве взрывных работ в гидротехническом и мелиоративном строительстве пористость является основным показателем свойств грунтов, обусловливающим их деформируемость и сжимаемость после взрыва заряда ВВ. Величина пористости часто используется при классификации грунтов, при оценке основных свойств грунтов.

Пористость пород зависит от формы и размеров слагающих частиц, степени однородности и плотности их сложения.

Объем всех пор в грунте независимо от их размера и характера взаимосвязи характеризуется общей пористостью, которая обычно выражается отношением объема пор в породе к общему объему грунта.

Общая пористость пород может изменяться от десятых долей процента до 90%. Наибольшей пористостью обладают, как правило, рыхлые обломочные породы. Пористость крупнообломочных и песчаных пород около 30—45%, пористость глинистых отложений 35—50%.

Общая пористость породы выражается также в виде коэффициента пористости или приведенной пористости.

Коэффициент пористости изменяется в весьма широких пределах и не превышает, как правило, единицы. И только для слабо уплотненных дисперсных пород величина е может быть больше единицы.

При исследовании песка под действием статических и импульсных взрывных нагрузок пористость его в процессе сдвига может оставаться неизменной. Пористость, при которой объем песка не изменяется, называется критической и может служить границей между плотным и рыхлым сложением песка. Величина критической пористости песка зависит от его состава и нормального давления при сдвиге. Пески, имеющие естественную пористость выше критической, после взрыва заряда ВВ могут оказаться неустойчивыми, особенно при залегании ниже уровня грунтовых вод, и, наоборот, плотные водонасыщенные пески могут иметь повышенное сопротивление сдвигу.

Для инженерно-строительной оценки песка необходимо знать отношение его естественной пористости к пористости в самом рыхлом и самом уплотненном состоянии.

Свойства почвы | Неделя наук о Земле

«Пористость почвы» означает количество пор или открытого пространства между частицами почвы. Поровые пространства могут образовываться из-за движения корней, червей и насекомых; расширение газов, захваченных в этих пространствах грунтовыми водами; и / или растворение исходного материала почвы. Текстура почвы также может влиять на пористость почвы

Есть три основных текстуры почвы: песок, ил и глина. Частицы песка имеют диаметр от 0,05 до 2,0 мм (видимые невооруженным глазом) и являются песчаными на ощупь.Ил гладкий и скользкий на ощупь во влажном состоянии, а размер отдельных частиц составляет от 0,002 до 0,05 мм (намного меньше, чем у песка). Глина имеет размер менее 0,002 мм и липкая во влажном состоянии. Различия в размере и форме песка, ила и глины влияют на то, как частицы почвы подходят друг к другу, и, следовательно, на их пористость.

Пористость почвы важна по многим причинам. Основная причина в том, что поры почвы содержат грунтовые воды, которые пьют многие из нас. Другой важный аспект пористости почвы касается кислорода, находящегося в этих поровых пространствах.Всем растениям необходим кислород для дыхания, поэтому для выращивания сельскохозяйственных культур важна хорошо проветриваемая почва. Уплотнение строительной техникой или нашими ногами может уменьшить пористость почвы и отрицательно повлиять на способность почвы обеспечивать кислород и воду.

Материалы

Четыре градуированных цилиндра по 100 мл на группу (или мерный стакан и две прозрачные пластиковые бутылки)
Мелкий песчаный песок и крупный аквариумный гравий
Чистый лист бумаги и что-то для записи
Карандаш или ручка
Линейка
Металлическая ложка или садовая лопата

Процедура

Разделитесь на небольшие группы.На листе бумаги составьте таблицу данных, подобную приведенной ниже, для каждой группы.
Тип частиц почвы Объем использованной воды (мл)
Гравий
Песок
В каждой группе по четыре градуированных цилиндра, заполните один цилиндр 100 мл песка, один 100 мл гравия и два по 100 мл воды.
Обсудите эксперимент. У какого вещества больше порового пространства: гравия или песка? Как вы приняли это решение?
Попросите каждую группу наполнить цилиндр с песком водой (не допускайте перелива воды).Запишите количество использованной воды в таблицу данных.
Повторите шаг 4 с гравием и вторым цилиндром с водой.
Обсудите в группе, что произошло и почему? Была ли ваша первоначальная гипотеза верной?
Однако, прежде чем покинуть класс, наполните два мерных цилиндра 100 мл воды. Вам также понадобятся бумага, ручки и карандаши для записи наблюдений. Нарисуйте приведенную ниже таблицу данных для каждой группы.

Площадь исследования Объем использованной воды (мл)
№ 1
# 2

Найдите место на улице, где разрешено собирать небольшие пробы почвы, и попросите каждую группу выбрать район исследования.

Запишите наблюдения на этом участке съемки. Посмотрите на типы растений, растущие в почве, на признаки дикой природы и т. Д. Находится ли почва в тени или под прямыми солнечными лучами? Набросайте то, что вы видите.
После проведения наблюдений в районе исследования возьмите небольшой образец почвы для определения ее текстуры. Почва влажная или сухая? Если он влажный, ощущается ли он песчаным (песок), гладким и скользким (ил) или липким (глина)? Можете ли вы увидеть и измерить отдельные частицы? Запишите все свои наблюдения за текстурой.
Теперь пусть каждая группа заполнит свой пустой мерный цилиндр 50 мл почвы. Вылейте воду из одного градуированного цилиндра в почву, пока вода не покроет верх. Запишите объем использованной воды в таблице данных рядом с областью исследования №1.
Выберите новую область исследования (если возможно, с другой растительностью). Повторите шаги с 3 по 5 и запишите объем использованной воды в таблице данных рядом с областью исследования № 2.
Вернитесь в класс и обсудите свои результаты: Была ли разница в пористости почвы? Были ли сходства? Для образцов грунта с аналогичной пористостью был ли у них одинаковый состав почвы? Как вы думаете, эти почвы обеспечивают растениям достаточным количеством воды и воздуха? Какие виды растений обитают на этих почвах? Влияют ли на пористость почвы такие факторы, как солнечный свет или текстура почвы?

Для получения дополнительной информации посетите NPS.

Пористость и проницаемость — Специалист по подземным водам

Поровое пространство водоносного горизонта — это промежутки или пустоты между твердым материалом. Пористость водоносного горизонта — это объем пустот по отношению к общему объему, обычно выражаемый в процентах.

Эффективная пористость — это пространство , доступное для потока жидкости , и рассчитывается как объем взаимосвязанных пустот по отношению к общему объему, обычно выражается в процентах.

Пористость может быть первичной или вторичной. Пустоты в первичной пористости образовались во время создания геологического материала. Пустоты в вторичной пористости образовались после создания породы. Примеры вторичной пористости включают трещины, образовавшиеся в растворе каналы и т. Д.

Пористость сильно зависит от расположения, формы и размера материала. Однако диаметр зерна не влияет на пористость, поскольку это отношение объема открытого пространства к общему объему.Например, коробка, полная футбольных мячей, и коробка, полная теннисных мячей, будут иметь одинаковую пористость, если они упакованы одинаково. Чтобы проиллюстрировать это, см. Следующий пример:

Как уже упоминалось, упаковка зерен также влияет на пористость образца:

T
he a
r
r
a
n
g
e
m
en от
до
f различные зерна называются t
h
e
степень сортировки
a
ил.
с рейтингом ниже.Хорошо отсортировано sa
m
ples
обычно имеет более высокое значение
p
или
t
os
i
y, чем
плохо s
o
rted sampl
es. P
Полностью отсортированные образцы содержат зерна, которые стремятся заполнить пустоты.

Угловатость также может влиять на пористость. Образцы с угловатыми зернами, как правило, имеют более низкую пористость
r, чем
n хорошо округленных зерен, особенно близких размеров:

Пористость горных пород и рыхлых отложений различается.Некоторые примеры включают (Источник: Cheery and Freeze, 1979):

1
Породы Пористость (%)
Трещинный базальт
Карстовый известняк 0,05 — 0,50
Песчаник 0,05 — 0,30
Известняк, доломит 0,00 — 0,20
Сланец 0.00 — 0,10
Трещинчатая кристаллическая порода 0,00 — 0,10
Плотная кристаллическая порода 0,00 — 0,05

Неконсолидированные отложения
Гравий 0,25 — 0,40
Песок 0,25 — 0,50
Ил 0.35 — 0,50
Глина 0,40 — 0,70
Проницаемость — это легкость, с которой вода протекает через пористую структуру породы. Порода может быть очень пористой, но если поровые пространства не соединены, она не проницаема. На следующей диаграмме представлены гипотетические пути потока через пористую среду.

Оценка влияния изменений пористости на отражательную способность и коэффициент пропускания природных песков

1. Введение

Почвы в основном состоят из минеральных частиц (зерен) выветрившейся породы, погруженной в среду (например, воздух и / или воду). ¹ Они классифицируются в соответствии с гранулометрическим составом составляющих их частиц. ² Первоначально это достигается путем распределения отдельных частиц по классам, называемым отдельными частями почвы, в соответствии с их размером. Затем сравниваются относительные массы каждой отдельной почвы для определения текстуры образца почвы.³

Различные агентства по-разному определяют состав и структуру почвы. В этой работе мы используем систему, разработанную Министерством сельского хозяйства США. ⁴ Он определяет три отдельных слоя почвы: песок (содержащий самые крупные частицы), ил и глина (содержащий самые мелкие частицы). Встречающиеся в природе почвы с текстурой песка, далее называемые природными песками или песчаными отложениями, содержат не менее 85% частиц размером с песок. ⁴ Эти почвы составляют более 20% поверхности суши Земли.⁵

Пористость образца почвы соответствует доле его общего объема, занимаемой его поровым пространством (объем, не занятый составляющими его частицами). ⁶ Пористость природных песков обычно варьируется от 0,35 до 0,5, ² ^, ⁷ со значениями от 0,196 ⁷ ^, ⁸ до 0,66 ⁷ ^, ⁹ также упоминается в литературе. Кстати, значения пористости могут также появляться в связанных работах, выраженных в процентах.

Пористость является основным фактором, определяющим плотность и проницаемость отложений. Он представляет собой важный вклад в моделирование бассейнов и геофизические исследования, связанные с эрозией регионов, более уязвимых к изменениям окружающей среды, таких как прибрежные районы и дельты рек. ⁷ Например, эффективное оптическое датирование ¹⁰ песчаных отложений, обнаруженных в этих регионах ¹¹, основано на тщательной оценке их профилей проникновения (пропускания) света. На них влияют условия упаковки этих отложений, ¹², которые напрямую связаны с их пористостью.Влияние пористости на проникновение света также актуально для сельскохозяйственных и экологических исследований прорастания светочувствительных семян ¹³ ^— ¹⁵ и фотохимического преобразования веществ (например, пестицидов), которые могут присутствовать в этих почвах. . ¹⁶

Также стоит отметить, что пористость песчаного отложения можно использовать для расчета его сырой объемной плотности. ¹⁷ Эта величина, в свою очередь, представляет интерес для различных геоакустических ¹⁸ и геохимических ¹⁷ исследований, направленных на понимание свойств переноса наносов и диффузии воды в природных песках.Эта связь между пористостью и водным потоком также является одним из основных пунктов гидрологических исследований, связанных с проницаемостью водоносных горизонтов. ¹⁷

Эти приложения подчеркивают важность получения надежных оценок пористости целевых песчаных отложений. Это часто связано с измерением пористости образцов, взятых из этих отложений. Физическое обращение с образцами во время этих процедур может привести к разрушению зерна, а также к нарушению порового пространства, связанному с перестройкой зерна к зерну и потерей воды (в случае влажных образцов).⁸ ^, ¹⁷ ^, ¹⁸ Эти изменения во внутренней структуре образцов могут, в свою очередь, внести экспериментальные ошибки, которые подрывают точность измерений пористости. Совсем недавно были предложены метода измерения in situ, , такие как метод ядерного денситометра, ⁷, чтобы исключить физическое обращение с образцами.

Однако, когда дело доходит до удаленной оценки пористости и количественной оценки ее воздействия на профили светопроницаемости природных песков, предстоит еще пройти долгий путь.Во многом это может быть связано с относительной недостаточностью экспериментальных исследований предполагаемой зависимости спектральных характеристик этих почв от их пористости. ¹⁹ ^, ²⁰ Мы считаем, что для достижения ощутимых успехов в этой области необходимо более внимательно изучить эту зависимость.

Этот аспект побудил к исследованию, описанному в этой статье, которая представляет собой обновленную и расширенную версию презентации конференции. ²¹ Здесь мы исследуем влияние изменений пористости на коэффициент отражения и пропускание природных песков в интересующей спектральной области от 400 до 1000 нм.Наши основные цели — оценить предполагаемую зависимость спектральных характеристик этих грунтов от их пористости и изучить влияние изменений пористости на их профили светопроницаемости.

Чтобы преодолеть трудности, присущие традиционной экспериментальной практике, мы используем экспериментальный подход in silico , подкрепленный данными измерений и ориентированный на прогнозирующее компьютерное моделирование. Они выполняются с использованием первопринципной гиперспектральной модели для твердых частиц, известной как модель спектрального переноса света для песка (SPLITS), ²², которая учитывает конкретные минералого-морфологические характеристики природных песков.

Этот подход также был выбран для того, чтобы мы могли проводить контролируемые эксперименты с отражением и пропусканием света образцами природного песка. Другими словами, мы можем присвоить различные значения выбранным параметрам характеристики материала и проанализировать их влияние на отражательную способность и пропускание образцов, сохраняя при этом все остальные параметры фиксированными. Мы отмечаем, что такие контролируемые эксперименты обременительны для эффективного проведения с использованием традиционных лабораторных установок.

Наши результаты указывают на радиометрические тенденции, которые необходимо учитывать при разработке технологий, направленных на правильную интерпретацию вариаций спектральных характеристик природных песков и на надежную оценку их пористости и профилей светопроницаемости.Эти технологии, в свою очередь, позволят исследователям проникнуть в упомянутые ранее приложения, в частности, те, которые связаны с эффективным мониторингом и прогнозированием вызванных окружающей средой изменений в естественных песчаных отложениях.

Остальная часть этого документа организована следующим образом. В гл. 2 мы описываем экспериментальную структуру in silico , использованную в нашем исследовании. В гл. 3 мы представляем и обсуждаем наши результаты. Наконец, в разд. В разделе 4 мы завершаем работу и намечаем направления будущих исследований.

2.

In Silico Experimental Framework

Наше исследование сосредоточено на поверхностных нефтеносных песчаных отложениях. Помимо изменений пористости (P), он учитывает изменения других характеристик песка, а именно степени водонасыщенности (S) и формы зерен. ²² Первый представляет долю порового пространства, занятую водой. Последний обычно определяется двумя параметрами: округлостью (R) и сферичностью (Ψ). ²³ В то время как округлость указывает степень детализации деталей на поверхности зерна, сферичность означает степень, в которой зерно приближается к сферической форме.²⁴

Профили отражения, пропускания и поглощения природных песков в значительной степени определяются взаимодействием света с ослабляющими веществами (рассеивателями и поглотителями), особенно с оксидами железа (например, гематитом, гетитом и магнетитом), присутствующими в этих почвах. Эти взаимодействия полностью учитываются моделью SPLITS, ²², которая подчиняется принципу сохранения энергии, ²⁵, то есть значения коэффициента отражения, пропускания и поглощения, полученные на данной длине волны, равны единице.Таким образом, он позволяет прогнозировать расчет кривых спектрального отражения, пропускания и поглощения для этих твердых частиц. Поскольку в центре внимания данной работы находятся изменения профилей отражения и пропускания света природных песков в ответ на изменения их пористости, наши эксперименты in silico сосредоточены на вычислении соответствующих кривых отражения и пропускания для выбранных образцов этих почвы.

Помимо количества оксидов железа, присутствующих в природных песках, SPLITS также учитывает их различные модели распределения в этих почвах.²² Эти ослабляющие свет агенты могут встречаться в виде чистых частиц, ²⁶ в виде примесей, смешанных с исходным материалом, ²⁷ или в виде покрытий (в минеральной матрице), образующихся на зернах во время ветрового переноса. ²⁸ Обычно матрица покрытия состоит из каолинита и / или иллита, ²⁹, причем первый (используемый в данном исследовании) более распространен в природных песках. ³⁰ ^, ³¹ Кроме того, в этих почвах исходным материалом (ядром зерна) обычно является минерал, такой как кварц или кальцит, причем кварц (используемый в данном исследовании) является наиболее распространенным.³²

В качестве исходных данных моделирования для нашего исследования мы вычислили направленно-полусферические кривые отражения для двух выбранных образцов природного песка с различными морфологическими и минералогическими характеристиками. Эти кривые были получены с использованием фактических измерений коэффициента отражения для этих образцов ³³ в качестве эталонов. Эти измерения, которые были доступны в базе данных Топографического инженерного центра (TEC) армии США, ³³ соответствуют образцу из красной (богатой гематитом) дюне в Австралии (TEC # 10019201) и образцу из богатой магнетитом пляжный участок в Перу (TEC # 10039240).Основываясь на описании этих образцов, ³³ мы предположили, что присутствие частиц размером с глину и воды было незначительным.

Для расчета базовых кривых отражения, помимо учета сухого состояния (S = 0), мы использовали средние значения пористости (P = 0,425), округлости зерна (R = 0,482) и сферичности зерна (Ψ = 0,798). ) найдено в литературе. ² ^, ²³ Остальные значения параметров модели, используемые для характеристики выбранных образцов природного песка, приведены в таблице 1.Обратите внимание, что процентное содержание частиц размером с песок и ил, показанное в таблице 1, используется для расчета их размеров во время моделирования ²⁴ с использованием распределения частиц по размерам, предоставленного Shirazi et al. ³ Соответствующие размеры частиц приведены в таблице 2.

Таблица 1

Значения параметров, использованные для характеристики образцов природного песка, рассмотренных в данном исследовании. Текстура образцов описывается процентным содержанием песка (sa) и ила (si).Распределения типов частиц, используемые при моделировании, даны в виде процентного содержания чистых (μp), смешанных (μm) и покрытых (μc) зерен. Параметр rhg соответствует отношению массовой доли гематита к ϑhg (общая массовая доля гематита и гетита). Параметр ϑm представляет собой массовую долю магнетита, который, как предполагается, представляет собой чистые частицы. 24

48 hg

	sa	si	μp	мкм	μc	rhg	ϑhg
Австралийская дюна	85	15	0	90	10	0.75	0,01	0,0
Перуанский пляж	92,8	7,2	50	0	50	0,35	0,05	0,17

Средние размеры таблицы 2

даны в

мм) главных осей ma и mi, которые соответственно определяют эллипсоиды, используемые для представления частиц размером с песок и размером с ил, образующих образцы природного песка, рассматриваемые в данном исследовании.

	ma	mi
Австралийская дюна	0.236	0,045
Перуанский пляж	0,265	0,044

Модель SPLITS использует формулировку геометрической оптики, в которой взаимодействие света с данным образцом песка моделируется с помощью лучей. Они, в свою очередь, могут быть связаны с любой длиной волны (λ). Следовательно, SPLITS может предоставлять кривые отражения и пропускания с различным спектральным разрешением. Для единообразия все смоделированные кривые, изображенные в этой работе, имеют спектральное разрешение 5 нм.Эти кривые были получены с помощью виртуального спектрофотометра. ³⁴ В своих вычислениях мы рассмотрели 106 выборок лучей (на каждую выбранную длину волны), чтобы получить асимптотически сходящиеся показания, ³⁴ и угол падения 0 градусов для согласования с реальной системой измерения, использованной Rinker et al. ²² ^, ³³, чтобы получить эталонные кривые отражения.

Отражение и пропускание образцов песка имеют противоположное поведение по отношению к изменениям их толщины.В то время как коэффициент отражения быстро достигает плато (иногда его называют «бесконечным коэффициентом отражения» ¹⁶), при рассмотрении увеличения значений толщины коэффициент пропускания быстро стремится к нулю. ¹⁶ В случае образцов природного песка, характеризующихся наличием сильных поглотителей света (например, оксидов железа), это плато достигается при значениях толщины порядка миллиметров. ³⁵ Соответственно, отражательная способность естественных песчаных отложений гарантированно достигает этого плато, поскольку эти отложения обычно имеют довольно большую глубину, порядка нескольких метров.Таким образом, без ограничения общности, мы рассматриваем образец толщиной 1 м при вычислении смоделированных кривых отражательной способности, представленных в этом исследовании.

Для расчета кривых пропускания мы использовали образец толщиной 1 мм. Это значение было выбрано по двум причинам. Во-первых, он соответствует стандартной глубине проникновения света, необходимой для сельскохозяйственных и экологических применений. ¹³ ^— ¹⁵ ^, ³⁶ Во-вторых, он позволяет обнаруживать относительно большие сигналы пропускания, что облегчает их анализ.

Чтобы упростить воспроизведение наших экспериментальных результатов in silico , мы сделали SPLITS доступным онлайн ³⁷ через систему распространения моделей. ³⁸ С помощью этой системы исследователи могут указывать экспериментальные условия (например, угол падения и спектральный диапазон) и значения параметров характеристики песка с помощью веб-интерфейса ³⁷ и получать индивидуальные результаты моделирования. Кроме того, мы также сделали доступными в Интернете вспомогательные данные (например, кривые показателя преломления и коэффициента экстинкции), использованные в нашем исследовании.³⁹

Как видно из графиков, представленных на рис. 1, смоделированные по базовой линии кривые отражения, рассчитанные для двух выбранных образцов природного песка, показывают близкое соответствие с их измеренными аналогами. Соответственно, кривые отражения и пропускания, возникающие в результате изменений пористости, округлости и сферичности зерна, также были получены с использованием наборов характеристических данных, представленных в таблице 1. Однако для расчета этих кривых мы использовали нижнюю и верхнюю границы для P (0 .196 и 0,66), ⁷ S (0 и 1), R (0,2 и 0,7), ²³ и Ψ (0,6 и 0,95), ²³ соответственно. Обратите внимание, что S, равное 1, представляет собой поровое пространство, полностью заполненное водой, R, равное 0,7, соответствует наиболее гладким зернам, а Ψ, равное 0,95, описывает зерна, геометрия которых наиболее близка к форме сферы.

Рис. 1

Измеренные и смоделированные кривые отражательной способности для двух образцов природного песка, использованных в качестве исходных данных в данном исследовании.(а) Богатые гематитом (красные) дюны в Австралии (TEC # 10019201). (b) Богатый магнетитом (темный) пляж в Перу (TEC # 10039240). Измеренные кривые были получены из базы данных Топографического инженерного центра армии США (TEC). ³³ Смоделированные кривые были рассчитаны с использованием модели SPLITS. ²² ^, ³⁷

Наконец, чтобы количественно оценить изменения в отражении света, вызванные изменениями пористости, мы вычисляем средние относительные различия (MRD) между соответствующими кривыми отражения относительно видимого (от 400 до 700). нм) и ближней инфракрасной (от 700 до 1000 нм) части интересующей спектральной области.Этот показатель, выражаемый в процентах, рассчитывается по следующей формуле:

Ур. (1)

MRDρ = 1N∑i = 1N | ρP = 0,196 (λi) −ρP = 0,66 (λi) | ρP = 0,66 (λi) × 100, где ρP = 0,196 и ρP = 0,66 соответствуют кривым отражения, полученным с учетом пористость установлена на 0,196 и 0,66 соответственно, а N — общее количество длин волн, отобранных с разрешением 5 нм в выбранной части интересующей спектральной области.

Аналогичным образом, чтобы количественно оценить изменения светопропускания в результате изменений пористости, мы вычислили MRD между соответствующими кривыми пропускания (τP = 0.196 и τP = 0,66). Этот показатель, который также выражается в процентах, рассчитывается по следующей формуле:

Ур. (2)

MRDτ = 1N∑i = 1N | τP = 0,196 (λi) −τP = 0,66 (λi) | τP = 0,66 (λi) × 100.

3. Результаты и обсуждение

Первоначально мы оценили влияние изменений пористости на отражательную способность выбранных образцов природного песка. Затем мы приступили к оценке влияния этих изменений пористости на коэффициент пропускания образцов. Эти оценки проводились с помощью экспериментов по отражению и пропусканию света in silico, , результаты которых представлены и обсуждаются в разделах.3.1 и 3.2 соответственно. Практические вопросы, связанные с верностью наших выводов, рассматриваются в гл. 3.3.

3.1.

Эксперименты по отражению света

В нашей первой серии экспериментов по отражению света мы исследовали, как на отражательную способность образцов влияют комбинированные эффекты изменения их пористости и степени водонасыщенности. Полученные графики, изображенные на рис. 2, показывают ожидаемое снижение коэффициента отражения, связанное с увеличением степени водонасыщения.¹⁶ ^, ⁴⁰ ^, ⁴¹ Они также показывают относительно небольшие изменения, связанные с различными значениями пористости. Точнее, в случае образца австралийских дюн, который был смоделирован с учетом меньших размеров частиц, можно наблюдать небольшое уменьшение отражательной способности с 400 до 950 нм, когда P увеличивается с 0,196 до 0,66, а S устанавливается на 0 [Рис. 2 (а)]. Кроме того, при тех же условиях можно наблюдать небольшое увеличение отражательной способности между 950 и 1000 нм.Когда S установлен на 1 [Рис. 2 (c)], изменения коэффициента отражения становятся немного меньше в видимой части интересующей спектральной области и немного больше в ближней инфракрасной области. Эти наблюдения подтверждаются соответствующими значениями MRDρ, представленными в таблице 3. В случае образца перуанского пляжа, который был смоделирован с учетом больших размеров частиц, можно наблюдать незначительное уменьшение отражательной способности по всей интересующей спектральной области, когда P увеличивается от 0,196 до 0.66 и S установлен на 0 [Рис. 2 (с)]. Когда S установлен на 1 [Рис. 2 (d)], изменения коэффициента отражения становятся немного больше. Эти наблюдения также подтверждаются соответствующими значениями MRDρ, приведенными в таблице 3.

Рис. 2

Сравнение смоделированных кривых отражения, полученных для образца австралийских дюн [(a) и (c)] и образца перуанского пляжа [(b ) и (d)] с учетом изменений пористости (P) и степени водонасыщения (S). (а) и (б) S = 0. (в) и (г) S = 1.

Таблица 3

Значения MRDρ (в процентах), вычисленные для смоделированных кривых отражательной способности, изображенных на рис.2, полученные с учетом вариаций пористости (P = 0,196 и P = 0,66) и степени водонасыщенности (S = 0 и S = 1).

Параметр характеристик	Австралийская дюна		Перуанский пляж
Параметр характеристик	Видимый	Ближний инфракрасный диапазон	Видимый	Ближний инфракрасный диапазон
S = 0		0,4 3,30
S = 1	4,94	0.83	5,92	5,39

В нашей второй серии экспериментов по отражению света мы исследовали, как на отражательную способность образцов влияют комбинированные эффекты изменения их пористости и округлости составляющих их зерен. Результирующие графики, изображенные на фиг. 3, снова показывают относительно небольшие изменения, связанные с различными значениями пористости. В случае выборки австралийских дюн эти изменения более заметны в видимой части интересующей спектральной области.Однако в случае образца перуанского пляжа эти изменения заметны по всей интересующей спектральной области. Эти графики также показывают, что для обоих образцов величина этих изменений немного уменьшается, когда R установлено на 0,7. Это наблюдение подтверждается соответствующими значениями MRDρ, приведенными в таблице 4.

Рис. 3

Сравнение смоделированных кривых отражения, полученных для образца австралийских дюн [(a) и (c)] и образца перуанского пляжа [(b) и (d)] с учетом вариаций пористости (P) и округлости зерна (R).(а) и (б) R = 0,2. (в) и (г) R = 0,7.

Таблица 4 Значения

MRDρ (в процентах), рассчитанные для смоделированных кривых отражательной способности, показанных на рис.3, которые были получены с учетом вариаций пористости (P = 0,196 и P = 0,66) и округлости зерна (R = 0,2 и R = 0,7).

Параметр характеристики	Австралийская дюна		Перуанский пляж
Параметр характеристики	Видимый	Ближний инфракрасный диапазон	Видимый	Ближний инфракрасный диапазон
R = 0.2	7,90	0,63	4,15	3,95
R = 0,7	7,48	0,55	3,12	2,65

В нашей третьей серии экспериментов по отражению света мы исследовали, как образцы На коэффициент отражения влияют комбинированные эффекты изменения их пористости и сферичности составляющих их зерен. Как и в предыдущих сериях экспериментов по отражению света, полученные графики, изображенные на рис.4 показывают относительно небольшие количественные изменения, связанные с разными значениями пористости. Эта серия экспериментов, однако, привела к обнаружению заметно отличных качественных тенденций. В случае образца австралийских дюн можно наблюдать незначительное уменьшение отражательной способности в области от 400 до ≈620 нм при увеличении P с 0,196 до 0,66 и установке на 0,6 [рис. 4 (а)] можно наблюдать заметное увеличение коэффициента отражения в области от ≈620 до 1000 нм. Когда Ψ установлен на 0,95 [Рис.4 (c)], с другой стороны, можно наблюдать уменьшение отражательной способности по всей интересующей спектральной области, хотя и более выраженное в видимой части. В случае образца перуанского пляжа можно наблюдать незначительное снижение коэффициента отражения по всей интересующей спектральной области, когда P увеличивается с 0,196 до 0,66 и Ψ устанавливается на 0,6 [рис. 4 (б)]. Когда Ψ установлен на 0,95 [Рис. 4 (г)], однако можно наблюдать несколько более заметное уменьшение отражательной способности по всей интересующей спектральной области.Эти наблюдения подтверждаются соответствующими значениями MRDρ, приведенными в таблице 5.

Рис. 4

Сравнение смоделированных кривых отражения, полученных для образца австралийских дюн [(a) и (c)] и образца перуанского пляжа [(b) и (d)] с учетом изменений пористости (P) и сферичности зерен (). (а) и (б) Ψ = 0,6. (в) и (г) Ψ = 0,95.

Таблица 5

Значения MRDρ (в процентах), рассчитанные для смоделированных кривых отражательной способности, показанных на рис.4, которые были получены с учетом вариаций пористости (P = 0.196 и P = 0,66) и сферичность зерна (= 0,6 и Ψ = 0,95).

Параметр характеристики	Австралийская дюна		Перуанский пляж
Параметр характеристики	Видимый	Ближний инфракрасный диапазон	Видимый	Ближний инфракрасный диапазон
Ψ = 0,6	4,95 1,25
Ψ = 0,95	8,64	1,37	3,91	3,73

Моделирование и эксперименты для сред с мелкими частицами (диаметры <0.75 мм), представленные сборками из относительно однородных материалов (например, гранулированное кобальтовое стекло или оливиновый базальт), о которых сообщается в литературе ²⁰, указывает на уменьшение отражательной способности в видимой области после увеличения пористости. Хотя мы наблюдали эту тенденцию в большинстве наших экспериментов по отражению света, мы также обнаружили увеличение коэффициента отражения, особенно за пределами видимой области, в ответ на увеличение пористости, когда мы рассматривали верхнюю и нижнюю границы округлости зерен [Рис.3 (c)] и сферичность [Рис. 4 (а)] соответственно. Стоит отметить, что модели и эксперименты, описанные в литературе ²⁰, не учитывали изменения формы зерен и не учитывали сложные минералогические характеристики природных песков, в частности наличие примесей (например, оксидов железа, характеризующихся различными коэффициентами экстинкции). и характер их распределения в этих почвах.

Во всех наших экспериментах по отражению света (рис.2 Рис. 3–4), значительное изменение пористости от 0,196 до 0,66 привело к относительно небольшим изменениям отражательной способности (Таблицы 3, Таблицы 4–5). Также стоит упомянуть, что меньшие вариации других характеристик песка, особенно размера зерна и сферичности, приводят к значительно большим изменениям отражательной способности. ²² ^, ²⁴ С учетом этих аспектов результаты наших экспериментов in silico демонстрируют, что для природных песчаных отложений с типичными минералогическими и морфологическими характеристиками предполагаемая зависимость отражательной способности от пористости в интересующей спектральной области ²⁰ заметно слабее, чем его зависимость от этих других характеристик песка.

3.2.

Эксперименты по пропусканию света

В нашей первой серии экспериментов по пропусканию света мы исследовали, как на пропускание образцов влияют комбинированные эффекты изменения их пористости и степени водонасыщенности. Результирующие графики, изображенные на рис. 5, показывают ожидаемое увеличение коэффициента пропускания, которое следует за увеличением степени водонасыщения. ¹⁴ ^, ¹⁶ ^, ³⁶ Они также показывают увеличение пропускания после увеличения пористости.Эту тенденцию можно объяснить усилением эффекта сита. ⁴² ^, ⁴³ Это явление происходит, когда свет, проходящий через мутную среду, не попадает на основные поглотители в интересующей спектральной области, распределенные в этой среде. Это снижает вероятность поглощения света, особенно в отношении полос максимумов поглощения этих поглотителей. ⁴⁴ ^— ⁴⁶ Следовательно, через среду проходит больше света.

Рис. 5

Сравнение смоделированных кривых отражения, полученных для образца австралийских дюн [(a) и (c)] и образца перуанского пляжа [(b) и (d)] с учетом вариаций пористости (P) и степени водонасыщенности (S). (а) и (б) S = 0. (в) и (г) S = 1.

В случае выбранных образцов основными поглотителями в интересующей спектральной области являются оксиды железа, а именно гематит, гетит и магнетит, полосы поглощения которых расположены в видимой части (от 400 до 700 нм). этот регион.⁴⁷ ^— ⁴⁹ Следовательно, влияние на кривые пропускания должно быть больше в этой спектральной области. Это подтверждается соответствующими значениями MRDτ, приведенными в таблице 6. Изучая эти значения, мы также можем заметить, что различия между кривыми пропускания, полученными с учетом P, равного 0,196 и 0,66, относительно меньше, когда S установлено в 1. Это можно объяснить. тем фактом, что присутствие воды в поровом пространстве снижает влияние эффекта сита за счет небольшого увеличения вероятности поглощения света, ⁴³, особенно в ближней инфракрасной части (от 700 до 1000 нм) интересующей спектральной области .Отметим, что коэффициент экстинкции воды значительно выше в ближней инфракрасной области, чем в видимой области спектра. ⁵⁰ ^— ⁵²

Таблица 6 Значения

MRDτ (даны в процентах), рассчитанные для смоделированных кривых пропускания, изображенных на рисунке 5, которые были получены с учетом изменений пористости (P = 0,196 и P = 0,66) и степень водонасыщенности (S = 0 и S = 1).

Параметр характеристики	Австралийская дюна		Перуанский пляж
Параметр характеристики	Видимый	Ближний инфракрасный диапазон	Видимый	Ближний инфракрасный диапазон
S = 0	97.98	87,47	97,16	95,58
S = 1	93,51	69,14	94,57	91,61

Во второй серии экспериментов по пропусканию света мы исследовали, как зависит от совокупного воздействия изменений их пористости и округлости составляющих их зерен. Результирующие графики, изображенные на фиг.6, снова показывают увеличение коэффициента пропускания при увеличении P от 0.196 до 0,66. Эти графики также показывают, что увеличение R с 0,2 до 0,7 оказало незначительное влияние на кривые пропускания. Когда мы устанавливаем R равным 0,7, относительные различия между кривыми пропускания, полученными с учетом P, равного 0,196 и 0,66, становятся немного меньше, чем их аналоги, рассчитанные с учетом R, равного 0,2. Это наблюдение подтверждается соответствующими значениями MRDτ, приведенными в таблице 7.

Рис. 6

Таблица 7

Значения MRDτ (в процентах), вычисленные для смоделированных кривых пропускания, показанных на рис.6, которые были получены с учетом изменений пористости (P = 0,196 и P = 0,66) и округлости зерна (R = 0,2 и R = 0,7).

Параметр характеристики	Австралийская дюна		Перуанский пляж
Параметр характеристики	Видимый	Ближний инфракрасный диапазон	Видимый	Ближний инфракрасный диапазон
R = 0.2	98,02	87,74	97,45	96,11
R = 0,7	97,91	87,28	96,71	94,95

В нашем третьем наборе экспериментов по пропусканию света мы исследовали, как на пропускание влияет совокупное влияние изменений их пористости и сферичности составляющих их зерен. Как и в предыдущих сериях экспериментов по пропусканию света, полученные графики, изображенные на рис.7 показывают увеличение коэффициента пропускания при увеличении P с 0,196 до 0,66. Эти графики также показывают, что увеличение Ψ от 0,6 до 0,95 привело к заметному увеличению кривых пропускания. Когда мы устанавливаем Ψ на 0,95, относительные различия между кривыми пропускания, полученными с учетом P, равного 0,196 и 0,66, становятся немного меньше, чем их аналоги, рассчитанные с учетом Ψ, равного 0,6. Это наблюдение подтверждается соответствующими значениями MRDτ, приведенными в таблице 8.

Рис.7

Сравнение смоделированных кривых отражения, полученных для образца австралийских дюн [(a) и (c)] и образца перуанского пляжа [(b) и (d)] с учетом вариаций пористости (P) и сферичности зерен (Ψ) . (а) и (б) Ψ = 0,6. (в) и (г) Ψ = 0,95.

Таблица 8

Значения MRDτ (в процентах), рассчитанные для смоделированных кривых пропускания, показанных на рис.7, которые были получены с учетом вариаций пористости (P = 0,196 и P = 0,66) и сферичности зерна (= 0,6 и and = 0.95).

Параметр характеристики	Австралийская дюна		Перуанский пляж
Параметр характеристики	Видимый	Ближний инфракрасный диапазон	Видимый	Ближний инфракрасный диапазон
Ψ = 0,6 9003	5 98,21 97,33
Ψ = 0,95	97,24	84,87	95,38	93,07

Во всех наших экспериментах по пропусканию света (рис.5 Рис. 6–7), изменение пористости от 0,196 до 0,66 привело к значительному увеличению пропускания (Таблицы 5, Таблицы 6–7). Эти эксперименты также показали, что совокупное влияние вариаций пористости и степени водонасыщения (рис. 5) на кривые пропускания может быть заметно сильнее, чем влияние компаундных вариаций пористости и округлости зерен (рис. 6). Кроме того, эти эксперименты показали, что комбинированные эффекты вариаций пористости и сферичности зерен могут привести к значительным изменениям пропускания (рис.7). Отметим, что эти тенденции наблюдались для обоих отобранных образцов природного песка, несмотря на их минералогические и морфологические различия.

3.3.

Практические вопросы

Стоит отметить, что проведение экспериментов без предубеждений, связанных с физическим обращением с образцами песка, было одной из основных причин использования экспериментального подхода in silico в нашем исследовании. Мы отмечаем, что изменения образца, такие как измельчение зерна и перегруппировка зерна, вызванные обращением с этими сыпучими материалами, могут значительно повлиять на их пористость.Более того, эти изменения могут отрицательно сказаться на точности измеренных радиометрических величин, особенно пропускания, напрямую связанного с проникновением света в образцы. Следовательно, они также могут препятствовать проведению сельскохозяйственных и экологических исследований, основанных на надежных оценках профилей светопроницаемости целевых песчаных почв.

Как и в случае любого исследования, использующего физическое компьютерное моделирование, результаты наших экспериментов по отражению и пропусканию света все еще подлежат практическому подтверждению.Однако стоит подчеркнуть, что мы использовали данные измерений, представленные в литературе, не только для характеристики выбранных образцов природного песка, но и для определения их спектральных характеристик. Кроме того, мы выполнили наши эксперименты in silico , используя модель переноса света из первых принципов, предсказательные возможности которой были качественно и количественно продемонстрированы в предыдущих работах. ²² ^, ²⁴ ^, ⁵³ ^— ⁵⁵ Следовательно, мы уверены, что наши результаты будут подтверждены фактическими спектрофотометрическими экспериментами, поскольку in situ измерительные технологии, позволяющие избежать изменений в образцах. ‘межстраничная структура становится доступной.

4. Заключение и дальнейшая работа

Наши результаты показывают, что достижения в дистанционной оценке пористости песчаных отложений потребуют датчиков с высокой степенью чувствительности. Кроме того, отметим, что предыдущие работы ⁷ ^, ¹⁷ показали, что проницаемость песчаных отложений может коррелировать с размером зерна и сферичностью в дополнение к пористости. Следовательно, новые исследования в этой области, особенно те, которые поддерживаются технологиями дистанционного зондирования, должны учитывать потенциальные эффекты маскировки, которые могут иметь изменения отражательной способности из-за изменений в этих характеристиках зерен на изменения отражательной способности, вызванные изменениями пористости.

Отметим, что существует большое количество сельскохозяйственных, экологических и геофизических приложений, ориентированных на проникновение света в естественные пески. Эти области применения варьируются от проращивания светочувствительных семян ¹⁴ ^, ¹⁵ и фотохимического преобразования токсичных соединений, ¹⁶ до оптического датирования песчаных отложений ¹⁰ ^, ¹² и правильных интерпретация дистанционных сигналов, исходящих от целевых материалов, покрытых этими почвами.¹⁶ ^, ²⁰ Наши результаты также показывают, что инициативы в этих областях значительно выиграют от разработки более эффективных инструментов для оценки пористости, особенно с учетом ее влияния на количество света, который может проникать в эти почвы и достигать относительно низкие глубины, представляющие интерес для этих приложений.

В качестве будущей работы мы планируем исследовать влияние изменений пористости на двунаправленное поверхностное рассеяние природных песков. Мы также планируем расширить наши исследования на планетарный реголит, характеризующийся наличием зерен, образованных различными исходными материалами (например,g., базальты и кремнеземистые базальты).

Влияние текстуры на пористость и проницаемость рыхлого песка1 | Бюллетень AAPG

Было проведено исследование отношений между пористостью, проницаемостью и текстурой искусственно перемешанного и уплотненного песка, чтобы определить приблизительные значения пористости и проницаемости, которые следует ожидать для рыхлого песка восьми подклассов фракции и шести групп сортировки. . Образцы песка были приготовлены таким образом, чтобы массовые фракции распределялись нормально около среднего размера зерна.Значения пористости были определены для двух насадок, обозначенных как «сухой рыхлый» и «мокрый». Данные по пористости для образцов песка с мокрой набивкой остаются примерно такими же при изменении размера зерен при данной сортировке, но снижаются в среднем с 42,4 процента для очень хорошо отсортированного песка до 27,9 процента для очень плохо отсортированного песка. Эти экспериментальные данные согласуются в пределах 5 процентов пористости со значениями пористости каркаса, полученными для естественной упаковки 25 образцов песка барьерного острова голоцена ограниченного диапазона сортировки по размерам, и, по-видимому, являются репрезентативными для минимальной пористости, ожидаемой для естественной упаковки наиболее рыхлых, глинистых пород свободный песок.

Для определения проницаемости также использовались 48 экспериментальных песков с искусственным перемешиванием и влажной набивкой, выбранных для измерения пористости. Поскольку в экспериментальных данных есть некоторые неточности, вызванные невозможностью равномерно упаковать каждый образец, было вычислено среднее скорректированное значение проницаемости. Средние скорректированные значения проницаемости постепенно снижаются с уменьшением размера зерен и ухудшением сортировки и хорошо согласуются со значениями проницаемости, рассчитанными по формуле Крамбейна и Монка для большинства классов размера зерна и сортировки.

Справочные фотографии или визуальные текстурные компараторы позволяют быстро оценить форму, округлость, размер и сортировку зерен. Компараторы для сортировки по размеру зерен, представляющие собой микрофотографии тонких срезов образцов для испытаний на пористость и проницаемость, особенно полезны при оценке исходных текстурных параметров тонких срезов сильно уплотненных и цементированных кремнеземом песчаников.

Пористость почвы

Коэффициент пустотности почвы (е) — это отношение объема пустот к объему твердых частиц:

е = (В_в) / (В_с)

Где V_v — объем пустот (пустых или заполненных жидкостью), а V_s — объем твердых частиц.

Коэффициент пустотности обычно используется параллельно с пористостью почвы (n), которая определяется как отношение объема пустот к общему объему почвы. Положительность и коэффициент пустотности взаимосвязаны следующим образом:

e = n / (1-n) и n = e / (1 + e)

Значение коэффициента пустотности зависит от консистенции и упаковки почвы. На него напрямую влияет уплотнение. Некоторые типичные значения коэффициента пустотности для различных почв приведены ниже только в качестве общих рекомендаций.

Типичные значения коэффициента пустотности для разных почв

Некоторые типичные значения коэффициента пустотности приведены ниже для различных типов грунта USCS в нормально уплотненном состоянии, если не указано иное. Эти значения следует использовать только как ориентир для геотехнических проблем; однако для правильного выбора геотехнических параметров часто необходимо учитывать конкретное состояние каждой инженерной проблемы.

Описание	USCS	Коэффициент пустот [-]			Артикул
Описание	USCS	мин	макс	Удельное значение	Артикул
Гравий с хорошей сортировкой, песчаный гравий, с небольшими или нулевыми мелкими частицами	ГВт	0.26	0,46		[1],
Гравий с плохой сортировкой, песчаный гравий с небольшими или нулевыми мелкими частицами	GP	0,26	0,46		[1],
илистый гравий, илистый песчаный гравий	GM	0,18	0,28		[1],
Гравий	(GW-GP)	0.30	0.60		[2],
Глинистый гравий, глинистый песчаный гравий	GC	0,21	0,37		[1],
Глянцевая тилл, очень смешанная зернистость	(GC)	–	–	0,25	[4 цитируется в 5]
Песок с хорошей сортировкой, гравийный песок, с небольшими или нулевыми мелкими частицами	SW	0.29	0,74		[1], [2],
Крупный песок	(SW)	0,35	0,75		[2],
Мелкий песок	(SW)	0,40	0,85		[2],
Песок с плохой сортировкой, гравийный песок, с небольшими или нулевыми мелкими частицами	SP	0.30	0,75		[1], [2],
илистые пески	SM	0,33	0,98		[1], [2],
Пески глинистые	SC	0,17	0,59		[1],
Илы неорганические, илистые или глинистые мелкие пески, с небольшой пластичностью	мл	0.26	1,28		[1],
Ил неорганический однородный	(ML)	0,40	1,10		[3],
Глины неорганические, илистые, глины песчаные малопластичные	CL	0,41	0,69		[1],
Илы органические и глины органические малопластичные	OL	0.74	2,26		[1], [3],
Илистая или песчаная глина	(CL-OL)	0,25	1,80		[3],
Илы неорганические высокой пластичности	MH	1,14	2,10		[1],
Глины неорганические высокой пластичности	CH	0.63	1,45		[1],
Мягкая ледниковая глина	–	–	–	1,20	[4 цитируется в 5]
Жесткая ледниковая глина	–	–	–	0.60	[4 цитируется в 5]
Глины органические высокой пластичности	OH	1.06	3,34		[1], [3],
Мягкая органическая глина	(OH-OL)	–	–	1,90	[4] цитируется в [5]
Торф и другие высокоорганические почвы	Pt	–	–		[4 цитируется в 5]
мягкая органическая глина	(Пт)	–	–	3.00	[4] цитируется в [5]

ССЫЛКИ

Швейцарский стандарт SN 670 010b, Характеристические коэффициенты почв, Ассоциация швейцарских инженеров по дорогам и дорожному движению
Дас Б., Продвинутая механика грунтов. Тейлор и Фрэнсис, Лондон и Нью-Йорк, 2008.
Hough, B., Основы инженерии грунтов. Рональд Пресс Компани, Нью-Йорк, 1969.
Терзаги К., Пек Р. и Месри Г. Механика грунтов в инженерной практике.Уайли, Нью-Йорк, 1996.
Обрзуд Р. и Трути А. МОДЕЛЬ УПЛОТНЕНИЯ ПОЧВЫ — ПРАКТИЧЕСКОЕ РУКОВОДСТВО Отчет Z Soil.PC 100701, отредактированный 31.01.2012

Образец цитирования:
Geotechdata.info, Коэффициент пустотности почвы, http://geotechdata.info/parameter/soil-void-ratio.html (по состоянию на 16 ноября 2013 г.).

Что такое подземные воды? — Консорциум GroundWater

Подземные воды — это вся вода, которая хранится в пространствах, пустотах, порах и трещинах в почве и горных породах под поверхностью земли.Геологические образования, которые могут обеспечить полезное количество грунтовых вод в скважину, называются «водоносными горизонтами». Подземные воды пополняются в виде дождя, снега и других источников поверхностных вод, таких как реки и ручьи, которые просачиваются вниз через поверхностные почвы и заполняют любые открытые пространства под землей.

Подземные воды движутся значительно медленнее, чем поверхностные. Скорость потока грунтовых вод определяется множеством факторов, включая пористость, проницаемость, градиент водоносного горизонта и отток системы водоносных горизонтов.Отток состоит из рек, озер, ручьев, родников и эксплуатационных скважин. Движение грунтовых вод обычно измеряется в футах в день, но в некоторых системах движение может измеряться в дюймах в год! В нашем регионе было установлено, что грунтовые воды перемещаются примерно на 12 дюймов в день. По мере приближения к добывающим скважинам ситуация меняется.

Количество воды, доступной в водоносном горизонте, зависит от ряда факторов, включая толщину водоносного горизонта, количество осадков, топографию, типы поверхности почвы, пористость и проницаемость.

Пористость относится к способности грунтовых материалов удерживать воду в пространствах, находящихся внутри и между отложениями и горными породами. Хорошо отсортированные отложения, то есть равномерно распределенные отложения одинакового размера, обычно содержат от 26% до 48% открытого пространства. Эти открытые пространства или поры позволяют хранить и перемещать воду. Если водоносный горизонт содержит смесь размеров и типов отложений, таких как смешанная глина, песок и гравий, более мелкие частицы песка и глины будут заполнять поровые пространства, уменьшая количество открытых пространств, доступных для хранения и движения воды.Таким образом, хорошо отсортированные отложения имеют более высокую пористость, а плохо отсортированные отложения — низкую пористость.

Проницаемость означает, насколько легко вода проходит через отложения и горные породы. Проницаемость зависит от размера поровых отверстий. Если отложения хорошо отсортированы, поровые пространства имеют одинаковый размер, что позволяет грунтовым водам легко течь между отдельными частицами отложений. Если отложения плохо отсортированы, поровые пространства заполняются более мелкими отложениями, тем самым уменьшая движение воды через отложения.Эти месторождения будут поставлять меньшие объемы грунтовых вод.

Свойства хранения воды в почве — Руководство по ливневым водам Миннесоты

Рекомендуемые значения пористости, полевой емкости и точки увядания для различных почв. ¹
Ссылка на эту таблицу.

Почва	Гидрологическая группа почв	Пористость ² (объем / объем)	Вместимость поля (объем / объем)	Температура увядания (объем / объем)	Пористость минус полевая емкость (объем / объем) ³	Вместимость поля минус точка увядания (объем / объем) ⁴
Песок	A (GM, SW или SP)	0.43	0,17	от 0,025 до 0,09	0,26	0,11
Суглинистый песок	A (GM, SW или SP)	0,44	0,09	0,04	0,35	0,05
Суглинок	A (GM, SW или SP)	0,45	0,14	0,05	0,31	0,09
Суглинок	B (ML или OL)	0,47	0.25 к 0,32	от 0,09 до 0,15	0,19	0,16
Илистый суглинок	B (ML или OL)	0,50	0,28	0,11	0,22	0,17
Суглинок супесчаный	C	0,4		0,07
Суглинок	D	0,46	0,32	0,15	0,14	0.17
Суглинок илистый	D	от 0,47 до 0,51	от 0,30 до 0,37	от 0,17 до 0,22	0,16	0,14
Песчаная глина	D	0,43		0,11
Глина илистая	D	0,47		0,05
Глина	D	0,47	0,32	0.20	0,15	0,12

¹ Источники информации включают Saxton and Rawls (2006), Корнельский университет, USDA-NIFA, Minnesota Stormwater Manual
² Насыщенность почвы предполагается равной пористости.

Площадь исследования	Объем использованной воды (мл)
№ 1
# 2