Рідкий або твердий пісок Енциклопедія; навколишнє середовище

рідкий

Пісок - один із поширених матеріалів у нашому середовищі. Символічно прикріплений до узбережжя, він, тим не менше, є одним з основних матеріалів, які входять до складу бетону. Крім того, це одна з основних складових ґрунтів, і як така вона знайома будь-якому інженеру-геотехніку. Народжений в результаті розкладання кристалічних порід, його часто подають як особливо наочний приклад гранульованих матеріалів, де невпорядковане розташування його зерен надасть йому дуже унікальних властивостей. Ця стаття має на меті переглянути деякі з цих властивостей після згадування походження піску.

1. Звідки береться пісок? ?

Піски становлять граничний стан деградації багатьох порід, зокрема магматичних порід, утворених глибокою кристалізацією, що складаються із зерен. Гранітні породи [1] є чудовим прикладом, вони є головними вершинами більшості високогірних масивів (Монблан, Екрін, Амбін, Аргентера). Внаслідок ерозійного ефекту, неминучого наслідку старіння матеріалу під впливом агресивних агентів (головним чином кліматичних), гірські породи фрагментуються на більш дрібні елементи, поки вони не розкладаються на зернистий склад, де l 'ми знаходимо зерна вихідної породи Фігура 1). Цей комплекс називається гранітною ареною. Наприклад, для граніту ми знаходимо кристали слюди, кристали польового шпату та кристали кварцу. Через фізико-хімічні зміни, які тривають, часто залишаються лише зерна кварцу, утворюючи пісок на березі річки або на пляжах.

2. Розповідь про зерна

Для інженера-геотехніка, який зацікавлений у ґрунтах в очікуванні майбутніх будівельних робіт (будівництво дорожньої споруди, будівлі, дамби, морської споруди), щільність піску, що становить ґрунт, має важливе значення, оскільки механічна поведінка (тобто спосіб деформації ґрунту під дією даного навантаження) буде зовсім не однаковою, залежно від того, наскільки щільний або пухкий пісок. І для більшості будівельних будівельних робіт важливо запобігти деформації ґрунту понад дуже сувору межу !

3. Тверда речовина, повітря і вода

Рисунок 3. Діаграма різних станів води в ґрунті: (а) гігроскопічний режим, (б) маятниковий режим, (в) фунікулерний режим, (г) капілярний режим. [джерело: За даними Luc Scholtes (2008): Мікромеханічне моделювання частково насичених гранульованих середовищ. Докторська дисертація, Інженерні науки [фізика], Інститут національної політехніки Гренобля.] Пісок у ґрунтах рідко складається лише з твердих зерен та повітря. Дійсно, порожнечі між зернами можуть бути зайняті рідиною (часто водою, але іноді також вуглеводнями, як у смоляних пісках Канади). Ця рідина може займати всі порожнечі (ми скажемо, що пісок насичений), або лише частину порожнин (рис. 3). Наявність рідини глибоко змінює механічну поведінку піщаного грунту. Якщо порожнечі між зернами містять трохи води, тоді між зернами розвиваються сили (які називаються капілярами), здійснюючи між ними привабливий ефект, відповідальний за зчеплення зразка. Ось як можна побудувати піщаний замок із вертикальними стінами! Якщо матеріал насичений (що трапляється, коли приплив піднімається), замок руйнується, зникаючи капілярні сили, а отже і зчеплення матеріалу.

Крім того, наявність рідини в піску може сприяти процесам вивітрювання та фізико-хімічних перетворень, що призводить до утворення твердих містків між зернами. Між зернами з’являється своєрідний цемент, який покращує механічну стійкість грунту. Коли це явище консолідації триватиме протягом дуже тривалих періодів часу в геологічному масштабі часу, ми будемо говорити про діагенез, що призведе до утворення породи під назвою пісковик.

4. У конфіденційності гранульованого матеріалу

Пісок, як приклад гранульованого матеріалу, не перестає кидати виклик механіці ґрунту з 18 століття засновником К.А.Кулона (див. Фокус 1). Через три століття світло залишається частковим щодо всіх таємниць, які цей матеріал нам запасав. Іноді стійкі, як "справжнє" тверде речовина, іноді рідина, як рідина. Подумайте про живий пісок! Більш катастрофічно ми маємо на увазі основні порушення, що виникають під час землетрусу на піщаних ґрунтах: ґрунти зріджуються, не дозволяючи стабільності конструкцій, які вони підтримують, що призводить до їх руйнування.

Не вдаючись у всі подробиці, складність піску, як гранульованого матеріалу, походить з двох аспектів:

  • З одного боку, перестановка між зернами, які можуть ковзати або котитися відносно один одного, змінюючи зернисту структуру (за рахунок зменшення або збільшення порожнеч між зернами). Цей відносний рух між зернами контролюється коефіцієнтом тертя між зернами (за законом Кулона) та формою зерен.
  • З іншого боку, колосальна кількість зерен, що містяться навіть у невеликому обсязі (жменька піску може містити мільярди зерен!). Це призводить до геометричної складності (ефект великої кількості, що спостерігається у будь-якої розширеної популяції, живого чи матеріального), яку ми можемо відчути в різноманітті схем переплутування, утворених зернами, що контактують, малюючи різновиди зв’язків, зерна посередині скупчень, дуже різного розміру та форми (рис. 4). Однією з найбільш унікальних властивостей пісків, яка частково зумовлена ​​колективним ефектом, є дилатантність (див. Фокус 2), що відображає здатність зразка піску збільшуватися в об'ємі, коли його піддають зсуву.

Рисунок 4. Існування мікроструктури в гранульованому складі. Бажані зернові ланцюги розвиваються, коли агрегат піддається механічному навантаженню (ліворуч, лабораторне випробування з використанням фотопружних частинок; праворуч, результати, отримані чисельним розрахунком із використанням методу дискретних елементів). [джерело: З Huaxiang ZHU (2015): З урахуванням проміжного масштабу при мікроструктурному моделюванні зернистих ґрунтів. Докторська дисертація, Технічні науки [фізика], Інститут національної політехніки Гренобля.] Однією з головних сучасних проблем інженерії піщаних ґрунтів є проходження цього плідного шляху розуміння поведінки пісків шляхом повернення до їх зернистої структури на більшість елементарних лусок: зерна або елементарного скупчення з декількох зерен. Між шкалою інженера, яка сягає кількох десятків метрів, і шкалою дослідника, яка опускається до суті збірки зерен, існує диз'юнкція, роздільна здатність якої становить справжню інтелектуальну ставку.

Посилання та примітки

Фото на обкладинці: Острів Реюньйон [джерело: Франсуа Ніко]

[1] Гранітні породи позначають сімейство, представником якого є граніт. До цієї родини належать гнейси або амфіболи масиву Беледони (Ізер).

[2] Мікрометр у тисячу разів менший за міліметр: 1 мм = 1000 мкм

Екологічна енциклопедія видається Асоціацією енциклопедій захисту навколишнього середовища та енергетики (www.a3e.fr), яка за контрактом пов'язана з Університетом Гренобля Альпи та Греноблем INP, і фінансується Академією наук.

Цитувати цю статтю: NICOT François (2021), Пісок: рідкий чи твердий?, Encyclopédie de l'Environnement, [Інтернет ISSN 2555-0950] url: https://www.encyclopedie-environnement.org/sol/les -sands /.

Статті в Екологічній енциклопедії доступні на умовах ліцензії Creative Commons BY-NC-SA, яка дозволяє відтворення за умови: цитувати джерело, не використовувати комерційне використання, однаково ділити ініціали умов, відтворювати при кожному повторному використанні або розповсюдженні згадування цієї ліцензії Creative Commons BY-NC-SA.