Evaluation of the linear dimensions of cohesive soil aggregates during erosion
Authors: Виноградов А.Ю. , Каширский В.И. , Лободенко И.Ю. , Зубова О.В. , Виноградов И.А. , Парфенов Е.А. , Кучмин А.В. , Банщиков А.А. , Войтенко А.С. 
Published: July 2024

Для связных грунтов, к которым относятся глинистые, суглинистые и супесчаные грунты, характерна структура, в которой важное место занимают агрегаты – конгломерат «слипшихся» элементарных почвенных высокодисперсных частиц, характеризующихся большими удельной поверхностью и поверхностной энергией. Поскольку агрегаты как первичная устойчивая к размачиванию единица связного грунта предположительно целиком смываются потоком воды, правильная оценка их прочности и линейных размеров позволит делать физически обоснованные расчеты размывов дна, в том числе водопропускных, водоотводных инженерных сооружений лесных дорог и мелиоративных каналов. В статье приведен разработанный авторами подход к оценке значения сцепления грунта, основанный на измерении линейных размеров и плотности агрегатов связного грунта. В качестве примера представлены расчеты размеров агрегатов супесей различных связных пород четвертичных грунтовых горизонтов Приильменской низменности (разрез и лабораторное апробирование выполнены авторами в 2020 году на правом коренном берегу старицы реки Порусья, Приильменская низменность, Поддорский район, Новгородская область), таких как супесь красно-коричневая, пятнистая супесь, бордовая супесь, серо-голубая плотная супесь. Рассмотрены простейшие из плотнейших упаковок агрегатов в теле грунта – гексагональная и кубическая. В качестве рабочей гипотезы сделано предположение, что взаимное расположение агрегатов находится в гексагональной плотноупакованной решетке. Сравнительный анализ результатов усредненных измерений и рассчитанных значений линейных размеров агрегатов по предложенной методике и методике, изложенной в СП 32-102-95, показал, что прямая линейная зависимость между значением сцепления грунта и размерами агрегатов, приведенная в указанном нормативном документе, не отвечает эмпирическим данным. С падением плотности грунта его сцепление уменьшается, размеры агрегатов для большинства связных грунтов увеличиваются, при этом их прочность падает, в дальнейшем они разрушаются на более мелкие и устойчивые.

For cohesive soils, which include clay, clayey and sandy loam soils, a structure is characteristic in which aggregates occupy an significant place. Since the aggregates are presumably completely washed away by the water flow, a correct assessment of their strength and linear dimensions will make it possible to make physically based calculations of bottom erosion, including culverts, drainage engineering structures of forest roads and meliorative channels. An approach developed by the authors to assess the value of soil adhesion based on measuring the linear dimensions and density of aggregates of cohesive soil is presented. As an example, calculations of the sizes of aggregates of sandy loam of various cohesive soils of quaternary ground horizons of the Priilmenskaya lowland, such as red-brown, spotted, burgundy and blue-gray dense sandy loams are presented. The simplest of the densest packages of aggregates in the soil body – hexagonal and cubic – are considered. As a working hypothesis, the assumption was made that the mutual arrangement of the aggregates is in a hexagonal close-packed lattice. A comparative analysis of the results of averaged measurements and the calculated values of the linear dimensions of the aggregates according to the proposed method and the method set out in SP 32-102-95, showed that the direct linear relationship between the value of soil cohesion and the dimensions of the aggregates given in the current regulatory document does not correspond to empirical data. With a decrease in the density of the soil, its cohesion decreases, the sizes of aggregates for most cohesive soils increase, while their strength decreases, in the future, they are destroyed into smaller and more stable ones.

bottom erosion; cohesive soils; soil aggregates; soil cohesion; soil porosity; density of aggregates