Грунты любого рода — песок, глина, чернозем — в абсолютно сухом состоянии обладают большим удельным сопротивлением (свыше 10
4 Ом х м), т.е. являются практически непроводниками тока. Это справедливо для грунтов как с малым, так и с большим содержанием растворимых веществ, ибо, как известно, сухие соли, безводные кислоты и основания в твердом виде тока не проводят.Если же грунт увлажнить, то сопротивление его уменьшится в десятки и даже сотни раз благодаря растворению в воде солей, кислот и оснований, содержащихся в грунте, а также за счет проводимости самой воды.
Понятно, что сопротивление грунта значительно снизится и в том случае, если вода обладает большим сопротивлением, равным, например, сопротивлению сухого грунта.
Из сказанного следует, что основным проводником тока в грунте является его жидкая часть, т. е. почвенный раствор. Как всякая проводящая жидкость, почвенный раствор является электролитом и обладает ионной проводимостью, т. е. заряды в нем переносятся не электронами, как это имеет место в металлических проводниках, а ионами, образовавшимися в результате электрической диссоциации (распада) молекул солей, кислот и оснований при растворении их в воде. Под влиянием электрического поля в растворе возникает направленное перемещение ионов к электродам, что и обусловливает проводимость грунта. При этом чем больше переносится ионов в единицу времени через единицу площади (при данных напряженности поля и температуре раствора), тем больше ток, т.е. тем выше проводимость грунта. Отсюда можно сделать вывод: чем больше в грунте содержится воды и растворимых веществ, тем меньше будет его удельное сопротивление. Однако эта закономерность справедлива лишь в определенных пределах.
Так
, при высокой концентрации ионов в почвенном растворе, что соответствует большому содержанию растворимых веществ в грунте или малой его влажности, расстояния между ионами оказываютя небольшими; это приводит к возрастанию сил междуионного притяжения, снижению скорости перемещения ионов за счет тормозящего действия этих сил, а в результате — к росту удельного сопротивления грунта.При низкой концентрации ионов, что соответствует малому содержанию растворимых веществ в грунте или большой его влажности, тормозящая роль междуионных связей практически отсутствует и ионы перемещаются с большей скоростью. Тем не менее число ионов, проходящих через единицу площади за некоторый отрезок времени, может быть очень небольшим, что также свидетельствует о возрастании r грунта.
Таким образом, для грунтов существуют некоторые оптимальные значения влажности и содержания растворимых веществ, при которых r достигает минимума
.В практических условиях резкое снижение r грунта наблюдается обычно при увеличении влажности до 15—20% (по массе). Дальнейшее увлажнение мало влияет на его сопротивление. При влажности более 70—80% r грунта может возрасти за счет снижения концентрации растворимых в воде веществ (рис. 2.19).
Рис. 2.19. Изменение удельного сопротивления грунта в зависимости от содержания в нем влаги
1 – тонкодисперсный грунт; 2 – грубодисперсный грунт
Соотношение между количествами связанной и свободной воды в грунте также влияет на его удельное сопротивление.
Дело в том, что для перемещения ионов, содержащихся в связанной воде, требуется значительно больше энергии, поскольку в этом случае необходимо преодолеть усилия, удерживающие ионы около твердых частиц грунта. Иначе говоря, связанная вода обладает большим удельным сопротивлением, чем свободная, и изменение соотношения между количествами связанной и свободной воды в грунте будет влиять на его удельное сопротивление.
Так, например, при 100%-ном влагонасыщении грунта, т. е. при заполнении всех пор грунта водой, он будет иметь наибольшее количество воды обоих видов и будет обладать некоторым r. При уменьшении влагонасыщения грунта, например до 50%, в нем почти полностью сохраняется связанная вода, имеющая более прочные связи, а содержание свободной воды снизится больше чем на половину. Вследствие этого r возрастет, однако незначительно, так как в почве еще будет существовать непрерывная цепочка из хорошо проводящей воды.
Дальнейшее понижение влажности будет сопровождаться возрастанием доли связанной воды и более интенсивным ростом r и, наконец, приведет к тому, что в грунте останется лишь связанная вода в виде тонкого слоя вокруг твердых частичек грунта, которая также образует непрерывные электропроводящие цепочки, но с очень большим сопротивлением. Если еще уменьшить влажность, то возникнут обрывы этих цепочек, что вызовет резкое, скачкообразное возрастание r.