О критерии нормирования механической нагрузки на почву и экспресс-методе оценки ее значения

УДК 631.43.1

О КРИТЕРИИ НОРМИРОВАНИЯ МЕХАНИЧЕСКОЙ НАГРУЗКИ НА ПОЧВУ И ЭКСПРЕСС-МЕТОДЕ ОЦЕНКИ ЕЕ ЗНАЧЕНИЯ

ДЬЯКОВ В.П.,

кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник ВНИИЗ и ЗПЭ; тел.: 8-908-121-28-42.

ГРЕБЕНЩИКОВ Г.К.,

старший инженер ВНИИЗ и ЗПЭ; тел.: 8-910-310-39-07.

Реферат. Механическая обработка почвы, предназначенная для создания в почве необходимых благоприятных условий для всходов и роста культурных растений, в последнее время стала одним из источников негативного воздействия на почву. В результате воздействия ходовых систем тяжелых энергетических средств, особенно колесного типа, возросла опасность переуплотнения почв и, как следствие, снижение эффективного и потенциального их плодородия. Решение вопроса заключается, с одной стороны, в строгом контроле удельного давления колес на почву, некоторое не должно превышать значение критерия механической нагрузки. Его значения, в зависимости от влажности для каждого типа почвы, рекомендованы ГОСТ 26955-86, ГОСТ 26953-86, ГОСТ 26954-86. С другой стороны, в преодолении сложностей при измерении напряжений в почве существующими способами измерений. Каждый способ (их два) ориентирован на измерение либо упругих (метод Буссенеска), либо пластических (метод закладки окрашенных слоев почвы) деформаций почвы. В то же время исследования процессов, происходящих в почве под действием внешней нагрузки, показывают, что вид (упругой или пластической) деформации одной и той же почвы зависит от влажности ее, способа приложения нагрузки и величины ее. Поэтому оба существующих метода определения напряжений в почве по следу прохода колеса нельзя считать обоснованными. В этой связи более обоснованным представляется «способ 60о», автор Хоу Б. К.

Ключевые слова: почва, механическая обработка, тяжелая техника, ходовые системы, переуплотнение, диспергирование, механическая нагрузка, критерий нормирования, способы измерения

ABOUT THE CRITERIA FOR NORMALIZATION OF MECHANICAL LOADING ON SOIL AND EXPRESS-METHOD OF ESTIMATION OF ITS VALUES

DYAKOV V.P.,

Candidate of Technical Sciences, Leading Researcher «All-Russia Research Instiute of Arable Farming and Soil Erosion Control»; tel.: 8-908-121-28-42

GREBENSCHIKOV G.K.,

Senior Engineer of the All-Russian Research Institute of Arable Farming and Soil Erosion Control»; tel.: 8-910-310-39-07.

Essay. The mechanical treatment of the soil, designed to create in the soil the necessary favorable conditions for the emergence and growth of cultivated plants, has recently become one of the sources of negative impact on the soil. As a result of the impact of running systems of heavy energy, especially wheeled, the risk of soil reconsolidation has increased and, as a consequence, a decrease in their effective and potential fertility. The solution of the problem consists, on the one hand, in the strict control of the specific pressure of the wheels on the soil, which does not exceed the value of the criterion of mechanical loading. Its values, depending on the humidity for each type of soil, are recommended GOST 26955-86, GOST 26953-86, GOST 26954-86. On the other hand, in overcoming the difficulties in measuring the stresses in the soil by existing measurement methods. Each method (two of them) is oriented to measuring either elastic (Boussinesk's method) or plastic (the method of laying out colored soil layers) of soil deformations. At the same time, studies of processes occurring in the soil under the action of an external load show that the form of (elastic or plastic) deformation of the same soil depends on its moisture content, the way the load is applied and its magnitude. Therefore, both existing methods for determining the stresses in the soil along the trail of the wheel can not be considered justified. In this connection, the method 60o, author Hou BK, seems more justified.

Key words: soil, mechanical treatment, heavy machinery, running systems, overcompaction, dispersion, mechanical loading, normalization criterion, measurement methods.

Введение. Механическая обработка почвы (другой человечество не придумало) является весьма распространенным и, в значительной мере, определяющим состояние плодородного слоя земной поверхности родом человеческой деятельности. Ее цель - создание благоприятных условий для возделывания сельскохозяйственных культур. Вместе с тем научные исследования и опыт показывают, что, наряду с жизненно-необходимыми полезными функциями для культурных растений, процесс механической обработки почвы обусловливает негативные механические воздействия по ее деградации. Так, давление на почву ходовых систем сельскохозяйственной техники проявляется в переуплотнении и истирании почвы, что

приводит к снижению не только эффективного, но и потенциального ее плодородия. При этом наиболее выраженная деградация почвы наблюдается после прохода энергонасыщенных колесных тяговых средств нового поколения, а полное восстановление эффективного плодородия не достигается с помощью последующих единичных известных способов обработки почв [1]. В конечном счете, это негативное воздействие на почву приводит к ухудшению ее водного, воздушного, питательного режимов и повышению сопротивления механической обработке в целом.

Внешне негативные явления проявляются в диспергировании, чрезмерном (до глубины 60 120 см) уплот-

нении почвы и образовании глубокой колеи по следу контакта колес. При этом установлено [2,3], что размеры колеи: глубина, ширина, длина и форма поверхности контакта шины и почвы, зависят от давления воздуха в шине, проскальзывания колес относительно почвы и твердости ее, то есть управляемы. В этой связи целесообразно знать суть отрицательного влияния уплотнения и переуплотнения почвы на физические компоненты почвенной среды, которыми определяются плодородие почвы и урожайность сельскохозяйственных культур. Их несколько, и каждый из них реагирует по-своему. Так, при излишнем уплотнении почвы снижается воздухообмен и уменьшается поглощение солнечной радиации; уменьшается влагоемкость, скорость впитывании воды и водопроницаемость; снижается эффект азотных удобрений; наблюдается отставание растений в росте, развитие корневой гнили, снижается качество крошения почвы и повышается ее сопротивление рыхлению; увеличение плотности до 135 .. .140 г/см3 и выше ведет к снижению скорости разложения растительных остатков, то есть к снижению биологической активности почвы. В этой связи важнейшим фактором реализации почвенного плодородия является оптимальная плотность сложения (г/см3) или напряженное состояние (удельное давление) (кг/см2), с которыми связаны значения почвенных показателей, изложенных выше: при наличии известной зависимости между объемной массой почвы (г/см3) и напряженным состоянием (удельным давлением) почвы, контроль за уплотнением почвы осуществляют по давлению кгс/см2. Оптимальные значения плотности сложения почв разных по механическому составу различны: для суглинистых и глинистых почв - 1,0.1,3, легкосуглинистых - 1,1.1,4 и супесчаных - 1,2...1,.45 г/см3. Нижние пределы приведенных диапазонов необходимы для наиболее требовательных к плотности сложения пропашных культур, особенно корнеплодов. Верхние пределы приемлемы для менее требовательных к этому свойству почвы, например, зерновых культур. При этом распространение переуплотнения почвы, как следствие многократных проходов по одному следу, ниже пахотного слоя не допускается. По данным [4] уплотнение черноземных почв свыше 1,2 г/см3 не должно распространяться глубже 10 см (посевной слой) весной и глубже 25.27 см (пахотный слой) весной и осенью.

Важным этапом контроля механической нагрузки на почву является разработка и утверждение ГОСТ, которым регламентируются нормы допустимого давления на почву движителей мобильной сельскохозяйственной техники [5]. В нем нормируемые показатели заданы для пяти диапазонов влажности почвы и двух периодов полевых работ (весеннего и летнего). Эти нормы зависят также от механического состава. Кроме того, нормы и методы определения воздействия движителей на почву ориентированы на МТА в статическом состоянии, тогда как в рабочем состоянии в зоне контакта движителей с почвой действуют не только нормальные нагрузки от массы энерготехнического средства, но и тангенциальные, обусловленные тяговым сопротивлением. Следует учитывать и факт того, что сопротивление почвы механическому воздействию при одном и том же значении в опыте влажности отлично в зависимости от того, была ли почва до опыта увлажнена или, наоборот, высушена [6. - Т.2. - С. 450-451].

Регулируют величину механической нагрузки на почву установкой опорных колес или гусениц разных размеров по ширине следа и другими различными устройствами.

Результаты исследований. Для экспериментального определения степени уплотнения

почвы в земледельческой механике разработаны два главных способа, базирующихся на деформационных свойствах почвы: способности почвы под внешним давлением проявлять как упругие свойства - упругие (объемные) деформации, обратимые во времени, так и необратимые -пластические деформации. В том случае напряженное состояние сжатой почвы, соответствующее фазе уплотнения почвы, характеризуется следом (формой) изобар -линий равных напряжению сжатия (кг/см2) при условии наличия зависимости между напряженным состоянием б и объемной массой т. е. зависимости б = f (£) . Первый из этих способов позволяет определять картину напряженного состояния (кг/см2) твердой упругой части почвы методом вычисления по определенным зависимостям методом закладки на определенные глубины тензометриче-ских датчиков. Однако почва, обладающая малой упругостью и необратимо изменяющаяся в объеме в процессе пластической деформации, не может быть уподоблена упругому твердому телу, что является основным требованием метода Буссенеска - метода вертикальной точечной нагрузки. В тоже время наличие в почве датчиков, равно как и проводов, связывающих их с измерительными приборами, нарушает структуру и сложение почвы, также не обеспечивает получения достоверных данных при экспериментальном определении значений главных напряжений в почве при качении колеса.

Второй метод исследования деформаций почвы под воздействием колеса базируется на изучении лишь пластических деформаций почвы, возникающих после прохода колеса. Перед проведением этих опытов в почве, в определенной последовательности, размещают окрашенные слои той же почвы. После прохода колеса в почве делают вертикальные разрезы и по искривлению окрашенных слоев определяют величину и направление деформаций от воздействий колеса. К большой трудоемкости подготовительных работ при послойном заполнении почвой траншеи в результате последующего увлажнения и уплотнения почвы добавляется нарушение правильности укладки окрашенных слоев и, следовательно, низкая точность опыта.

Сжатие глинистых почв, вследствие перемещения их частиц, начинается с более или менее полного разрушения связей между ними. Если при этом влажность почвы превышает предел усадки, то ее сжатие приводит к возникновению новых связей между частицами, уложенными уже более компактно. Поэтому в таких случаях уплотнение сопровождается повышением связности (прочности) и последующим ухудшением агротехнических свойств почвы. В тех же случаях, когда почва обладает влажностью, меньшей предела усадки, разрушение связей между частицами не сопровождается непременным их восстановлением.

В скелетах почв минеральные частицы контактируют лишь в отдельных точках, образуя пористую структуру, поры которой заполнены водой и воздухом. В целом глинистые почвы рассматриваются как дисперсные системы, состоящие из сплошной среды (дисперсная среда -жидкостно-воздушная фаза или поровый раствор) и расположенных в ней отдельных мелких частиц (дисперсное вещество - минеральные частицы - твердая фаза). При этом основное значение в возникновении связности почв (структурных связей) имеют физико-химические процессы на границе твердой и жидкой фаз (частица - жидкая среда и частица - частица).

Структурные связи - продукт физико-химических условий формирования рыхлых горных пород: почв и грунтов. Они возникают или при осаждении минеральных почвенных частиц в воде, или образуются в последующем процессе диагенеза. В связи с этим по времени возникно-

вения структурные связи разделяются на первичные и вторичные.

Первичные связи обусловливаются молекулярными силами взаимодействия между минеральными частицами, а также между минеральными частицами и водой. В процессе этого взаимодействия возникают известные силы межмолекулярного сцепления - силы Ван-дер-Ваальса.

Вторичные связи возникают в результате появления в водной суспензии коллоидных частиц из минеральных или органических включений в начале возникновения процесса коагуляции. Необходимое условие для этого: наличие некоторой минимальной концентрации электролита, называемой порогом коагуляции (свертывания, слипания и т. п.). Вторичные связи, как правило, возникают вслед за связями межмолекулярного сцепления как результат влияния ионных связей между коллоидными частицами - продуктом пептизации минеральных частиц. Возникнув, вторичные связи становятся дополнительным межмолекулярным силам источником упрочнения почвы при ее уплотнении, придают почве новые свойства. В этой связи при исследовании прочности почвы сцепление между частицами ее следует разделять на две части.

При определенной влажности почвы соответствующей, например, пластической консистенции ее, первичные и вторичные связи в сумме своей именуются водно-коллоидными внутренними связями. Величина этих связей меняется в довольно широких пределах: от весьма незначительных сил первичного сцепления (минеральные частицы в чистой воде) до значительных сил молекулярного сцепления при сжатии рыхлой почвы внешним уплотняющим давлением (минеральные частицы, коллоиды, электролит и влага). В последнем случае гид-ратные оболочки, охватывающие минеральные частицы, становятся тоньше, в результате чего увеличивается эффективность действия молекулярных сил. Поскольку

Таблица 1 - Приросты уплотнения, г/см3, чернозема типичного легкосуглинистого в слое 0.. .10 см к исходной плотности сложения в зависимости от давления и влажности почвы [4]

толщина водно-коллоидных пленок, а соответственно и величина межмолекулярных сил, зависят от плотности почвы, то при уплотнении первичное сцепление почвы повышается. В то же время эти связи мало прочны, они легкоподвижные и после разрыва восстанавливаются.

При испарении влаги или уплотнении почвы при сжатии минеральные частицы почвы сближаются, между ними появляются сухие контакты, в местах которых появляются цементирующие вещества, обладающие связующим действием. Связь между частицами в данных условиях обусловливается ионными связями. Эти связи возникают внутри химических веществ, выпадающих из поровых растворов. Влияние ионных сил, возникающих после цементации частиц, придает глинистым почвам новые свойства, которые переводят их в категорию твердых тел. В рассмотренных условиях увлажнения почвы сцепление частиц осуществляется в основном коллоидными пленками, образованными вследствие выпадения коллоидов из растворов электролитов; поэтому эти связи называются конденсационными.

Конденсационные связи по мере высыхания почвы можно характеризовать переходными связями от водно-коллоидных связей к кристаллизационным связям. Они характерны для полутвердой консистенции почвы.

В процессе последующей дегидратации в почве возникают новые, кристаллизационные связи, обусловленные появлением в местах контактов минеральных частиц цементирующих веществ, а также выпадением из поро-вой среды солей железа, карбонатов кальция или магния и т. п. Кристаллизационные связи являются жесткими связями. Они могут быть нарушены лишь при определенной величине деформирующего усилия; разрушаются при весьма малом перемещении твердых частиц почвы.

Влажность почвы, % массы Давление, кПа

50 100 150 200 250 300

29 0,14 0,21 0,26 0,31 0,35 0,37

26 0,10 0,18 0, 23 0, 27 0,30 0,33

24 0,09 0,16 0,20 0,23 0,25 0,26

20 0,06 0,10 0,14 0,16 0,18 0,19

16 0,04 0,07 0.09 0,11 0,13 0,15

12 0,03 0,05 0,06 0,08 0,09 0,10

Таблица 2 - Изменение напряжения почвы по горизонтам

Давление, кг/см2 Ро = G/L2 Горизонт почвы, см

0-дно о колеи 0 ,5Ь Ь 2Ь 3Ь

Ро 0,44Ро 0,25Po 0,11Ро 0,06Ро

В механике грунтов и механике почв установлено, что нарушенные водно-коллоидные связи в период своего существования, хотя и меняются под влиянием внешних условий, но будучи нарушенными, восстанавливаются вновь, тогда как конденсационные и кристаллизационные (цементационные) связи, будучи нарушенными, не восстанавливаются. Связность каждой конкретной почвы обусловливается свойствами и физическим состоянием коллоидных пленок, поскольку они восстанавливают ее только в определенном интервале влажности [8] - примерно между пределом усадки и нижним пределом текучести почвы. Отсюда вывод: влажность почвы есть главный фактор, опреде-

ляющий и количественно изменяющий ее физические свойства (таблица 1).

Анализ таблицы 1 показывает, что прирост уплотнения почвы в зависимости от влажности значительно интенсивнее (вогнутая кривая) по сравнению с увеличением внешней нагрузки - пологая кривая, близкая к прямой линии. При этом интенсивность увеличения плотности почвы заметно падает при абсолютной влажности ниже 24 %, что соответствует 0,40.0,50 НВ ее. Так, при уменьшении абсолютной влажности на 6 % (с 26 до 20 %) прирост уплотнения почвы возрастает на 0,04 г/см3 при давлении 50 кПа и увеличивается до 0,14 г/см3 с ростом удельного давления до 300 кПа.

Из синтеза физико-механических условий процессов усадки почвы [9], преобразования ее водно-коллоидных структурных связей в конденсационно-кристаллические связи [7] совместно с физическими условиями, благоприятными для крошения почвы, следует, что все эти явления проходят в почве одновременно при определенном количестве влаги, соответствующем 35.40 % ее полной влагоемкости [6]. Уменьшение влажности почвы ниже 35 % приводит к снижению качества обработки почвы и в то же время увеличивает сопротивление ее уплотнению ходовыми системами сельскохозяйственных машин.

Отклонение влажности почвы вверх или вниз от указанного выше значения обусловливает превалирование при сжатии соответственно пластичных или упругих деформаций и, естественно, необходимость выбора того или иного способа контроля уплотнения. Избежать непременно возникающие при этом трудности помогает применение «способа 60» [10] для определения сжимающих напряжений, создаваемых колесом в почве и притом на разной глубине, таблица 2.

Сущность «способа 60» и его обоснование изложено в источнике [11]. Методика использования способа заключается в вычислении удельного давления Ро = в/Ь2, где в - масса трактора или орудия, приходящаяся на одно опорное колесо, кг; Ь- ширина следа

колеса (колеи). Согласно данным таблицы 2, аналитическим методом определяются напряжения в горизонтах почвы по следу колеса, глубина которых кратна ширине колеи Ь.

Выводы. 1. Переуплотнение почвы сверх допустимого значения в результате ее диагенеза или внешней нагрузки приводит к увеличению плотности и отрицательному изменению агротехнических свойств, обусловливающих снижение эффективного и потенциального ее плодородия.

2. Физическая сущность критерия механической нагрузки на почву - максимально допустимое с учетом реальной влажности внешнее удельное давление, не приводящее к снижению эффективного и потенциального плодородия.

3. Наиболее благоприятные условия качественной механической обработки почвы и минимального ее уплотнения ходовыми системами сельскохозяйственных машин и орудий соответствуют влажности почвы равной или ниже влажности ее предела усадки;

4. Среди известных методов измерения уплотнения почвы колесами сельскохозяйственной техники наиболее обоснованным является «способ 60», позволяющий определять напряжения в определенных горизонтах почвы по следу прохода колеса.

Список использованных источников

1. Изменение физических свойств и плодородия почв при их уплотнении движителями сельскохозяйственной техники / А.Г. Бондарев, П.М. Сапожников, В.Ф. Уткаева, В.Н. Щепотьев // В кн.: Воздействие движителей на почву. - Т. 118. - М., 1988. - С. 46-57.

2. Акпасов В.А. Повышение эффективности использования трактора «Кировец» за счет снижения воздействия на почву: автореф. дисс. ... канд. техн. наук: 05.20.01. - Саратов, 1998. - 22 с.

3. Злобин В.И. Повышение эффективности использования колесного трактора класса 1,4 за счет постановки сдвоенных колес в сельскохозяйственном производстве Амурской области: дис. ... канд. техн. наук: 05.20.01. -Благовещенск, 2006. - 138 с.

4. Медведев В.В., Цыбулько В.Г., Слободюк П.И. Нормирование допустимых нагрузок ходовыми системами МТА на почву // В кн.: Воздействие движителей на почву. - Т. 118. - М., 1988. - С. 57-67.

5. ГОСТ 26955 - 86, ГОСТ 26953- 86, ГОСТ 26954-86. Техника сельскохозяйственная мобильная. Нормы воздействия движителей на почву. Методы определения максимального нормального напряжения в почве. - М., 1986.

- 22 с.

6. Горячкин В.П. Собрание сочинений. - Т.2 - М.: Колос, 1968. - С. 450-451.

7. Цытович Н.А. Механика грунтов. - М.: Госстройиздат, 1963. - 636 с.

8. Денисов Н.Я. Природа прочности и деформируемости грунтов. - М.: Госстройиздат, 1972. - 279 с.

9. Вадюнина А.Ф., Корчагина З.А. Методы исследования физических свойств почв. - М.: Агропромиздат, 1986. - 370 с.

10. Хоу Б.К. Основы инженерного грунтоведения. Пер. с англ. под ред. Н.И. Маслова. - М.: Госстройиздат,

1966.

11. Синеоков Г.Н., Панов И.М. Теория и расчет почвообрабатывающих машин. - М.: Машиностроение, 1977.

- 328 с.

List of sources used

1. Changes in the physical properties and fertility of soils when they are compacted by propellants of agricultural machinery / A.G. Bondarev, P.M. Sapozhnikov, V.F. Utkaeva, V.N. Schepot'ev // In: Effects of propulsion on the soil. - T. 118. - M., 1988. - P. 46-57.

2. Akpasov V.A. Increasing the efficiency of using the tractor "Kirovets" by reducing the impact on the soil: the author's abstract. Diss. ... cand. Tech. Sciences: 05.20.01. - Saratov, 1998. - 22 with.

3. Zlobin V.I. Increase in the efficiency of using a wheeled tractor of class 1,4 due to setting of twin wheels in agricultural production of the Amur Region: dis. ... cand. Tech. Sciences: 05.20.01. -Blagoveshensk, 2006. - 138 p.

4. Medvedev V.V., Tsybulko V.G., Slobodyuk P.I. Rationing of allowable loads by MTA running systems to soil // In: Impact of propellers on soil. - T. 118. - M., 1988. - P. 57-67.

5. GOST 26955 - 86, GOST 26953- 86, GOST 26954-86. Agricultural mobile engineering. Norms of impact propulsion on the soil. Methods for determining the maximum normal stress in the soil. - M., 1986. - 22 p.

6. Goryachkin V.P. Collected works. - T.2 - M., Kolos, 1968. - P. 450-451.

7. Tsytovich NA Soil mechanics. -M., Gosstroyizdat, 1963. - 636 p.

8. Denisov N.Ya. Nature of strength and deformability of soils. - M.: Gosstroyizdat, 1972. - 279 p.

9. Vadjunina A.F., Korchagina Z.A. Methods for studying the physical properties of soils. - M.: Agropromizdat, 1986.

- 370 p.

10. Howe B.K. Fundamentals of engineering soil science. Trans. With the English. Ed. N.I. Maslova. - M.: Gosstroyizdat. 1966.

11. Sineokov G.N., Panov I.M. Theory and calculation of soil-cultivating machines. - M.: Mechanical Engineering, 1977. - 328 p.