Прочностные свойства почвы это

Прочностные свойства почвы это

Глава 5. ОБЩИЕ ФИЗИЧЕСКИЕ И ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ

СВОЙСТВА ПОЧВ

Свойства почвы как единого физического тела во многом определяются составом, соотношением, взаимодействием и динамикой твердой, жидкой, газообразной и живой фаз. В этом аспекте особую роль играют физические свойства почвы. К ним относятся общие физические, физико-механические, водные, воздушные, тепловые свойства, структура. Физические свойства влияют на характер почвообразовательного процесса, плодородие почвы и развитие растений.

§1. Общие физические свойства

К общим физическим свойствам относятся плотность почвы, плотность твердой фазы и порозность.

Плотность почвы (объемная плотность, плотность сложения) – вес в граммах 1 см 3 почвы в естественном сложении (вместе с почвенным воздухом). Плотность почвы характеризует взаимное расположение почвенных частиц и агрегатов. Поскольку в объем почвы входят имеющиеся в ней поры, плотность почвы будет всегда меньше плотности твердой фазы. Обозначают d_V, выражают в т/м 3 или г/см 3 и рассчитывают:

где m – масса почвы в г, V – объем почвы в см 3 .

Плотность почвы зависит от гранулометрического и минерального состава, структуры, содержания гумуса и обработки почвы. От плотности почвы зависят поглощение влаги, воздухообмен, жизнедеятельность биоты и развитие корневых систем. Гумусовые горизонты характеризуются небольшой плотностью: для дерново-подзолистых почв – 1,1 – 1,2; подзолистых – 1,4 – 1,45; черноземов – 1,0 – 1,15; в болотных торфяных почвах и лесных подстилках – 0,15 – 0,40 г/см 3 . В подзолистых горизонтах она составляет 1,4 – 1,6, в иллювиальных – возрастает до 1,50 – 1,70, в материнской породе – 1,40 – 1,60 г/см 3 . Самый плотный – глеевый горизонт – 1,90 г/см 3 . Рыхлый после обработки пахотный слой постепенно уплотняется и через некоторое время приобретает определенную плотность, мало изменяющуюся во времени. Однако уплотнение почвы приводит к резкому снижению урожайности культур. Сильно уплотненная почва в сухом состоянии оказывает большое сопротивление почвообрабатывающим орудиям, угнетающе действует на развитие корневой системы растений, во влажном – характеризуется неблагоприятным соотношением воды и воздуха. Плотная почва обладает низкой водопроницаемостью, что вызывает процессы эрозии.

Предложена следующая шкала оптимальных показателей объемной плотности почвы (А.Г.Бондарев, 1985): глинистые и суглинистые – 1,00 – 1,30; легкосуглинистые – 1,10 – 1,40; супесчаные – 1,20 – 1,45; песчаные – 1,25 – 1,60; торфяные – 0,2 – 0,4 г/см 3 .

Для пропашных сельскохозяйственных культур оптимальная плотность почв равна 1,0 – 1,2, для культур сплошного сева может быть 1,3 – 1,4 г/см 3 .Оценка плотности суглинистых и глинистых почв с точки зрения ее окультуренности (по Н.А.Качинскому) приведена в таблице 4.

Плотность твердой фазы (удельная плотность) – это масса (m) 1 см 3 твердой фазы сухой почвы (V_S) (без почвенного воздуха). Обозначается D или d, выражается в т/м 3 или г/см 3 , рассчитывается по формуле:

Её величина зависит от природы и соотношения минералов, из которых состоит почва, содержания в ней органических веществ и характеризует среднюю плотность почвенных частиц. Может колебаться в пределах от 2,2 до 3,1 г/см 3 . Плотность гумуса 1,20 – 1,40 г/см 3 . В верхних горизонтах в зависимости от содержания органического вещества удельная плотность может быть 2,40 – 2,60, в черноземах – 2,2 г/см 3 . В минеральных горизонтах плотность твердой фазы почвы составляет: в подзолистых – 2,5 – 2,6, иллювиальных – возрастает до 2,7 – 3,0 (много оксидов железа), материнской породе – 2,6 – 2,8 г/см 3 . Самые лёгкие – торфяники, их плотность 1,4 – 1,8 г/см 3 в зависимости от степени разложения торфа. Таким образом, чем больше почва содержит органического вещества, тем меньше ее плотность.

Оценка почв по показателю плотности

Плотность почвы, г/см 3

Почва вспушена или богата органическим

Типичные величины для культурной и

Пашня сильно уплотнена

Типичные величины для подпахотных горизонтов различных почв (кроме черноземов)

Сильно уплотненные иллювиальные горизонты

Плотность твердой фазы в определенной степени служит признаком, по которому можно судить о минералогическом составе, содержании органического вещества, её используют для расчета порозности и скорости падения частиц по формуле Стокса при анализе механического состава почв.

Пористость (порозность, скважность) –это суммарный объем всех пор между частицами твердой фазы почвы. Обозначают P и определяют расчетным путем по соотношению показателей плотности почвы (d_V) и плотности твердой фазы (D), выраженному в процентах:

Пористость зависит от гранулометрического состава, структуры, плотности. В пахотных почвах пористость обусловлена обработкой и приемами окультуривания, при рыхлении – увеличивается, при уплотнении – уменьшается. Размеры пор, в совокупности образующих общую пористость почвы, варьируют от тончайших капилляров (для воды) до более крупных промежутков (для воздуха), которые не обладают капиллярными свойствами (должны составлять не менее 20 – 25 % от общей пористости).

Общая пористость почвы колеблется от 25 % (глина) до 90 % (торф). В культурной песчаной почве она равна 45 – 50 %, черноземах – достигает 60 – 63 %, вниз по профилю (кроме торфяников) она уменьшается. Оценка общей пористости (по Н.А.Качинскому) приведена в таблице 5.

Оценка почв по показателю пористости

Почва вспушена – избыточно пористая

Культурный пахотный слой

Неудовлетворительная для пахотного слоя

Характерна для уплотненных

Пористость – одно из важнейших свойств почвы. С ней связаны интенсивность и глубина фильтрации, водопроницаемость и водоподъемная способность, влагоемкость и воздухоемкость, процессы испарения на орошаемых землях. От порозности в значительной степени зависит плодородие почв.

§2. Физико-механические свойства почв

Физико-механические свойства почв по сравнению с физическими имеют более широкое использование не только в почвоведении, но и в грунтоведении, строительстве. К ним относятся: пластичность, липкость, набухание, усадка, связность, твердость и удельное сопротивление.

Пластичность – свойство почвы изменять свою форму под влиянием внешней силы без разрушения и сохранять ее после устранения воздействия. Это свойство имеет только влажная почва в определенном диапазоне влажности, т.е. есть верхний и нижний предел пластичности, разность между которыми называется числом пластичности – величина пластичности. Чем больше это число, тем более пластична почва. Песок имеет число пластичности 0, супесь – 1 – 7, суглинок – 7 – 17, глина – более 17. Пластичность обусловливается главным образом количеством глинистых частиц и составом поглощенных оснований (наибольшей пластичностью обладают глинистые солонцы, содержащие более 25 % обменного натрия, наименьшей – почвы, содержащие много кальция и магния), органическое вещество уменьшает пластичность.

Липкость – способность почвы прилипать к соприкасающимся с нею предметам, измеряется усилием, требующимся для отрыва от почвы прилипшей к ней пластины, и выражается в г/см 2 . Прилипание почвы к рабочим частям и колесам машин увеличивает тяговое сопротивление и ухудшает качество обработки почвы.

Липкость почвы зависит от ее гранулометрического и минералогического состава, от структуры и влажности. Сухие почвы не обладают липкостью. С повышением влажности до определенного предела (80 % от полной влагоемкости) липкость увеличивается, а далее уменьшается вследствие нарушения сцепления между частицами почвы. Чем больше глинистых частиц, тем липкость больше. Почвы глинистые и бесструктурные прилипают сильнее, чем легкие по гранулометрическому составу или структурные глинистые. Почвы по липкости делят на: предельно вязкие (> 15 г/см 2 ), сильновязкие (5 – 15), средневязкие (2 – 5) и слабовязкие ( 2 ).

На величину липкости влияет состав поглощенных оснований: с увеличением насыщенности почвы кальцием она уменьшается, а с возрастанием насыщенности натрием резко увеличивается. Поэтому почвы высокогумусированные, с достаточным количеством оснований (дерновые, черноземы) не обладают липкостью даже при высоком увлажнении.

Набухание – увеличение объема почвы при увлажнении. Способность почвы к набуханию связана с гранулометрическим, минералогическим и химическим составом, а также с их начальной плотностью. Набухание обусловлено образованием на поверхности почвенных частиц оболочек рыхло связанной воды, в результате этого ослабевают силы сцепления и увеличиваются расстояния между частицами, что приводит к возрастанию общего объема почвы.

Набухание характерно для минеральных илистых частиц и органических коллоидов, поэтому глинистые почвы больше подвержены этому свойству. Сильно набухает минерал монтмориллонит и практически не набухает каолинит. При насыщении почв одновалентными основаниями, особенно натрием, оно достигает 120 – 150 %, а при насыщении двух- и трехвалентными катионами значительного набухания не наблюдается, поэтому даже песчаные почвы могут набухать, если насытить их почвенный поглотительный комплекс натрием.

Усадка – уменьшение объема почвы или грунта при высыхании. Она зависит от тех же факторов, что и набухание. Чем сильнее набухание, тем сильнее усадка почвы. Усадку можно охарактеризовать степенью изменения объема, а также влажностью, при которой усадка прекращается (предел усадки). В результате сильной усадки в почве образуются трещины, происходит разрыв корней растений, усиливается испарение влаги из почвы.

Энергетические затраты на обработку почвы и износ сельскохозяйственных машин и другие показатели обусловливаются связностью и твердостью почвы.

Связность – способность почвы сопротивляться внешнему усилию, стремящемуся разъединить почвенные частицы, выражается в г/см 2 .Она вызвана силами сцепления между частицами почвы. Связность обусловлена гранулометрическим и минералогическим составом, структурностью и влажность, содержанием гумуса, составом обменных оснований.

Наибольшую связность в сухом состоянии имеют глинистые бесструктурные почвы, наименьшую – песчаные и супесчаные почвы. Связность возрастает при насыщении почвы ионами натрия, при оструктуривании – снижается. Влияние органического вещества двояко: на песчаных почвах гумус увеличивает связность, на глинистых – снижает за счет увеличения структурированности и снижения площади соприкосновения. Связные почвы лучше противостоят эрозии, но при увеличении ее повышается удельное сопротивление обработке.

Твердость – это сопротивление, которое оказывает почва проникновению в нее под давлением различных тел, выражается в кг/см 3 . На величину твердости влияют те же характеристики, что и на связность. Почвы с высоким содержанием гумуса, насыщенные кальцием и имеющие хорошую комковато-зернистую структуру, не обладают высокой твердостью и связностью.

Высокая твердость – признак плохих физико-химических и агрофизических свойств почв. При высокой твердости снижается прорастание семян, затрудняются проникновение корней в почву и развитие растений вследствие неблагоприятного водного, воздушного и теплового режимов. Твердость – важная технологическая характеристика почвы. Твердость прямо пропорциональна удельному сопротивлению почвы при обработке орудиями, а следовательно, больше и энергозатраты. Удельное сопротивление – это физическое усилие, которое затрачивается на подрезание пласта, его оборот и трение о рабочую поверхность плуга. Удельное сопротивление зависит от физико-механических свойств почвы и колеблется в пределах от 0,2 до 1,2 кг/см 2 .

§3. Спелость почвы

Спелость почвы – это такое состояние почвы, при котором она имеет высокую микробиологическую активность и лучше всего подвергается обработке при наименьшем тяговом усилии. Является важным технологическим свойством почвы. Различают физическую и биологическую спелость.

Под физической спелостью почвы понимают ее подготовленность к обработке. Она соответствует влажности, при которой почва не прилипает к почвообрабатывающим орудиям и крошится на комки с образованием прочных агрегатов (эта влажность достигается при содержании влаги от 60 – 90 % их полевой влагоемкости). Влажность, при которой почва находится в состоянии спелости, зависит от гранулометрического состава, поглощенных оснований и гумусированности почв. Легкие песчаные и супесчаные и более гумусированные почвы раньше других готовы для обработки весной.

Биологическая спелость – состояние почвы, показывающее ее готовность к посеву, характеризующееся оптимальным прогреванием и состоянием микробиологической активности. Наилучшим состоянием спелости считается такое, когда физическая и биологическая спелости совпадают.

Источник

Трактор Т-16 Устройство, принцип работы, характеристики и ремонт тракторов Т-16, Т-16 М и Т-16 МГ

Nav view search

Навигация

Искать

Технологические свойства почвы

Под технологическими свойствами почвы следует понимать лишь те ее физические свойства, которые существенно влияют на закономерности и характер протекания технологических процессов ее механической обработки. К технологическим свойствам почвы относят прочностные, фрикционные, липкость, пластичность, упругость, вязкость и хрупкость.
Сопротивление деформациям различного вида (прочностные свойства). Знание прочностных свойств почвы позволяет наметить пути и методы снижения энергоемкости ее механической обработки: правильно рассчитать и спроектировать рабочие органы и определить условия рационального их применения. Для этого необходимо знать предельную прочность почвы при ее сопротивлении деформациям различного вида.

Рис. 1.1. Зависимости прочностных характеристик глинистой почвы от влажности W_а (по данным А. Гарсиа): σ_с — предел прочности на сжатие; σ_и — то же, на изгиб; σ_р — то же, на растяжение; τ — то же, на сдвиг

На прочностные свойства почвы влияет ее влажность. Из рисунка 1.1 видно, что минимальный предел прочности соответствует деформации растяжения. При влажности почвы 18. 24% он в 3. 9 раз ниже, чем пределы прочности при сопротивлении деформациям других видов. При изменении влажности на 8. 10% от указанных значений предел прочности при ее сопротивлении деформации одного и того же вида уменьшается или увеличивается в несколько раз. Следовательно, для рыхления почвы с минимальным расходом энергии к ней нужно приложить деформации растяжения при определенной ее влажности.
Однако создание рабочих органов почвообрабатывающих машин, воздействующих на почву путем растяжения, сопряжено с техническими трудностями. Большинство рабочих органов таких машин, а также различные опорные поверхности и движители (колеса, гусеницы и т. п.) энергетических, транспортных и других машин при взаимодействии с почвой вызывают ее сжатие (смятие) и сдвиг. Поэтому этим двум видам деформации почвы уделялось наибольшее внимание и они оказались наиболее изученными.

Максимальное (предельное) касательное напряжение при разрушении образца связной почвы путем сдвига определяют по формуле Кулона

где С₀ — коэффициент сцепления почвы; σ — нормальное давление; φ — угол внутреннего трения (почвы по почве); f — коэффициент внутреннего трения.

Коэффициент сцепления С₀ — это предельное касательное напряжение, необходимое для разрушения связей между почвенными агрегатами в плоскости среза. В явном виде величина С₀ не зависит от давления σ. Значения С₀ изменяются в широких пределах: для сухих песчаных почв средней связности они равны 0,5. 1,0 Н/см2, для увлажненных глинистых — 6. 9 Н/см2. Значения τ, в свою очередь, составляют для увлажненных легких и средних почв 1. 3 Н/см2, для сухих тяжелых — 6. 9 Н/см2.
Формула (1.6) справедлива для связных почв. При несвязных сыпучих почвах (например, песке) она трансформируется в более простую:

т. е. сопротивление сдвигу зависит только от внутреннего трения.

Иными словами, предельное сопротивление сыпучих почв сдвигу есть сопротивление трению, прямо пропорциональное нормальному давлению. Сопротивление почвы сдвигу в наиболее явном виде проявляется при взаимодействии с ней почвозацепов колес и гусениц тракторов.
Твердость — способность почвы сопротивляться смятию (внедрению твердого тела — деформатора). Ее измеряют специальными приборами-твердомерами. Они разделяются на копровые (ударного действия) и непрерывного заглубления (со статическим нагружением). Для исследований чаше всего используют твердомеры, действие которых основано на непрерывном вдавливании в почву цилиндрического или конического наконечника (плунжера). Такие приборы по форме результатов измерений разделяются на интегрирующие (в виде цифр) и диаграммные (в виде графиков).

Рис. 1.2. Схема твердомера (а) и диаграмма (6) y = f(λ) при цилиндрическом (сплошная кривая) и коническом (штриховая) наконечниках: 1 — штанга; 2 — пружина; 3 — рукоятка; 4 — деформатор (плунжер)

Рабочий элемент диаграммного твердомера — плунжер 4 (рис. 1.2) посредством рукоятки 3 через силоизмерительную пружину 2 и штангу 1 вдавливается в почву. Сила нажатия, равная силе сопротивления почвы вдавливанию плунжера, измеряется по сжатию у пружины, а линейная деформация почвы — по глубине λ_п погружения в нее плунжера. Пишущее устройство вычерчивает диаграмму y = f(λ). Зная калибр (жесткость) пружины к и ее деформацию у, можно определить силу F = ky.
Для измерения твердости почв различной связности (песчаных и глинистых, старопахотных и целинных) прибор снабжен сменными пружинами (различной жесткости) и плунжерами (различного диаметра). Плунжеры могут быть цилиндрическими или коническими. При использовании плунжеров различной формы, но с одинаковой площадью поперечного сечения различие в силе сопротивления почвы их вдавливанию наблюдается лишь в начальной стадии погружения (на 5. 6 см), в дальнейшем сила F становится практически одинаковой и постоянной (см. рис. 1.2). Она вновь возрастает лишь после прохода плунжерами пахотного слоя, когда встречается более твердая «плужная подошва».

Рис. 1.3. Зависимость (а) удельного сопротивления почвы р смятию от ее линейной деформации λ и действие (б) плунжера на почву в фазе сдвига

Диаграмму твердомера можно аппроксимировать двумя прямыми ОАЛ и АБ (рис. 1.3, а), характеризующими две фазы деформации почвы, В течение первой фазы (ОА) происходит уплотнение почвы под плунжером, вследствие чего ее удельное сопротивление р возрастает пропорционально линейной деформации А, почва сопротивляется активно. Эта фаза получила название фазы уплотнения. Конец первой и начало второй фазы характеризуются небольшим переходным периодом, в течение которого под плунжером образуется жесткий конусообразный нарост из сильно уплотненной почвы (уплотненное ядро), который в дальнейшем служит как бы продолжением плунжера.
Во второй фазе (АБ) почва деформируется жестким конусообразным наростом, который расклинивает ее, смещая в стороны.
На каждый почвенный агрегат или элементарную частицу действует сила R, представляющая собой равнодействующую нормального давления N и силы трения F_тр . В результате агрегаты и частицы смещаются в направлении действующей на них силы R под углом φ внутреннего трения почвы к нормали N. При этом непрерывно формируются все новые и новые поверхности сдвига, вследствие чего сопротивление внедрению плунжера остается постоянным. Касательные напряжения, действующие в поверхностях сдвигов, достигают предельных значений, равных сумме сил сцепления и внутреннего трения. Эта фаза получила название фазы сдвигов. Соответствующее ей максимальное давление р_пр называют также пределом несущей способности почвы, который зависит не только от ее свойств, но и от площади плунжера.
С увеличением последней повышается и предел несущей способности, т. е. точка А перемещается в сторону более высоких предельных давлений.
Во второй фазе в отличие от первой почва «течет», т. е. сопротивляется пассивно, так как ее сопротивление р не повышается с увеличением деформации А. Таким образом, деформации почвы в первой фазе-фазе уплотнения — всегда затухающие, во второй — фазе сдвигов — они незатухающие и могут протекать не столько в функции нагрузки, сколько в функции времени ее действия.

Способность почвы сопротивляться смятию согласно ГОСТ 20915 (ОСТ 70.4.1-80) характеризуется средней твердостью

где h — средняя ордината диаграммы твердомера, см; k — калибр (жесткость) пружины, Н/см; S -площадь поперечного сечения плунжера, см2.

Способность почвы сопротивляться смятию по предложению В. Л. Желиговского определяется также коэффициентом объемного смятия, который показывает, насколько возрастает сопротивление почвы при смятии единицы ее объема (в фазе уплотнения):

q = F/V = F/(Sλ) = p/λ. (1.9)

Согласно формуле (1.9) и рисунку 1.3, а коэффициент объемного смятия может быть представлен и так:

где p₂ и p₁ — ординаты, взятые произвольно в пределах пропорциональности; λ₂ и λ₁ — соответствующие им абсциссы.

Коэффициент q свежевспаханной почвы 1. 2 Н/см3, жнивья, паров и лугов 5. 10 Н/см3.
Большое значение для инженерных расчетов имеет предел сопротивления почвы смятию или предел несущей способности почвы (см. рис. 1.3, а, точка А), который обычно характеризуют максимальным напряжением смятия:

Аналогичное значение имеет и предел пропорциональности, который, как видно из рисунка 1.3, а, несколько меньше предела несущей способности почвы. Нетрудно доказать, что при исследовании одной и той же почвы плунжерами различной геометрической формы значения q будут различны, а p_пр — одинаковы (это предлагается сделать студенту самостоятельно).
Затраты энергии на смятие почвы в пределах первой и второй фаз могут быть определены геометрически, как площади, заключенные между соответствующими отрезками графика и осью абсцисс (см. рис. 1.3, а). Они соответственно равны:

Так как F_пр = qV = qS λ_пр, а р_пр = q λ_пр то, подставив эти выражения в формулу (1.12), получим

Из выражения (1.14) следует, что расход энергии на смятие почвы зависит от ее способности сопротивляться смятию, площади плунжера и линейной деформации почвы, причем последняя оказывает наибольшее влияние (она в квадрате).
Если принять λ_б = 2 λ_пр , то получим λ₂ = λ_б – λ_пр = λ_пр. Подставив в формулу (1.13) вместо λ_п — λ_пр значение λ₂, получим E₂ = р_прS λ_пр. Сравнив полученное выражение для Е₂ с выражением (1.12) для E₁ обнаружим, что E₂ = 2E₁. Иными словами, при равенстве линейных деформаций в первой и второй фазах расход энергии во второй фазе в 2 раза выше, чем в первой, т. е. расход энергии на единицу линейной деформации почвы в фазе сдвигов в 2 раза выше, чем в фазе уплотнения. Об этом нужно помнить при проектировании опорных поверхностей и движителей сельскохозяйственных, энергетических и транспортных машин. Между параметрами, характеризующими способность почвы сопротивляться смятию, и тяговым сопротивлением различных почвообрабатывающих машин наблюдается высокая корреляционная связь.

Фрикционные свойства. Эти свойства проявляются в виде трения. Оно представляет собой сопротивление скольжению одного тела относительно другого, с ним соприкасающегося (внешнее трение), или одних частиц относительно других частиц одного и того же тела (внутреннее трение). Таким образом, сила трения — это сила сопротивления, или сила реакции, вызванная действием активной силы. Как и всякая сила реакции, сила трения равна той силе, которая ее возбуждает, и, как всякая сила реакции, имеет предельное значение, выше которого возрасти не может. Следовательно, в зависимости от изменения активной силы сила трения может изменяться от нуля до своего предельного значения (0 ≤ F_тр ≤ тр.max). Максимального значения сила трения достигает при скольжении. В этом случае ее численное значение определяют по формуле Амонтона

F_тр = fN или F_тр = N tg φ, (US)

где f и φ — соответственно коэффициент и угол трения; N — сила нормального давления.

Из выражения (1.15) следует, что сила трения прямо пропорциональна силе нормального давления N, зависит от фрикционных свойств трущихся поверхностей (значения f или φ) и направлена в сторону, противоположную относительному перемещению трущихся тел. Сила трения не зависит от площади трущихся поверхностей.
Принято различать величины f и φ покоя (в начале движения, при переходе от состояния покоя к движению) и движения. Последние всегда меньше первых.
Формула (1.15) была предложена в конце XVII в. К настоящему времени установлено, что значения f и φ зависят не только от материала и состояния трущихся поверхностей, но и от скорости их относительного движения (с увеличением скорости уменьшаются), а формула считается верной лишь в первом приближении. Произведение fN или N tg φ есть предел, до которого может возрастать сила трения.
Коэффициент трения почвы — величина непостоянная. Она зависит от многих факторов, главные из которых — механический состав и влажность почвы. Например, по Н. В. Шучкину, коэффициент трения глинистой почвы примерно в 2 раза выше, чем песчаной (рис. 1.4, а). Чем выше дисперсность (меньше размер элементарных частиц) почвы, тем больше коэффициент и угол ее трения.

Рис. 1.4. Зависимость коэффициент трении почвы: а — от содержания физической глины Г (по Н. В. Щучкину); б — от абсолютной влажности глинистой почий (по А. Гарсиа); 1 — о сталь;
2 — о фторопласт

Еще большее влияние на коэффициент трения оказывает влажность w_a почвы (рис. 1.4, б). При относительно низкой влажности почвенная влага не поступает к материалу и не влияет на процесс трения — происходит истинное, или сухое, трение и коэффициент трения не зависит от влажности (горизонтальные участки кривых). При дальнейшем увлажнении почвы возникают силы молекулярного притяжения между почвенной влагой и материалом и процесс вступает в фазу внешнего трения-прилипания — происходит резкое увеличение коэффициента трения (восходящие участки кривых). При w_a = 30. 40% (в зависимости от механического состава почвы) значения коэффициента трения достигают максимума. И наконец, если содержание влаги достаточно для того, чтобы обеспечить непрерывный ее приток к поверхности контакта почвы с материалом, то она играет роль смазки; процесс вступает в фазу, когда внутреннее трение между слоями влаги и коэффициент трения резко снижаются (нисходящие участки кривых). Для приближенных ориентировочных расчетов, т. е. без учета механического состава и влажности почвы, принимают f = 0,5 и φ = 25º31′.

Рис. 1.5. Принципиальные схемы приборов для определения фрикционных
свойств почвы а — горизонтальная плоскость; б — наклонная плоскость; в — линейка В. А. Желиговского; г — вращающийся диск; 1 — каретка; 2 — динамометр или динамограф; 3 — горизонтальная плоскость; 4 — плоскость с изменяемым углом наклона; 5 — линейка; 6 -направляющая ось; 7 — двуплечий рычаг, 8 — вращающийся диск

Коэффициенты и углы трения определяют приборами (рис. 1.5) действие которых основано на различных принципах. Различают приборы прямого и косвенного определения угла трения. Прибор конструкции Н. В. Шучкина представляет собой наклонную плоскость с переменным (регулируемым) углом наклона (рис. 1.5, б), а прибор, предложенный В. А. Желиговским, — движущуюся линейку (рис. 1.5, в). С помощью таких приборов определять угол φ легко.
Приборы, один из которых выполнен в виде горизонтальной плоскости (см. рис. 1.5, а), а другой — вращающегося горизонтального диска (рис. 1.5, г), снабжены динамометрами или динамографами. Посредством последних замеряют силу трения F_тр а затем, зная силу нормального давления N, по формуле Амонтона рассчитывают коэффициент трения f.
Например, перемещая каретку 1 (см. рис. 1.5, а), на которой укреплен образец одного из материалов, по горизонтальной плоскости 3, состоящей из другого материала, с помощью динамометра 2 определяют движущую силу Р, равную силе трения F_тр. Зная силу тяжести G каретки, равную силе N, по формуле (1.15) находят коэффициент f = F_тр/G, а затем угол φ = arc tg f.
Основные элементы прибора, разработанного В. А. Желиговским (см. рис. 1.5, в), каретка 1 и линейка 5, к которым прикрепляют исследуемые образцы материалов. Каретку 1 снабжают вертикальным карандашом для записи траектории ее движения, а к горизонтальной чертежной доске, на которой установлен прибор, прикрепляют бумагу. При движении линейки 5, установленной под углом β ≤ 90°- φ относительно направляющей 6, каретка будет скользить относительно линейки и между образцами с исследуемыми материалами возникнет сила F_тр , которая достигнет своего максимального значения. При этом на каретку будут одновременно действовать силы F_тр.max и N. Так как сумма этих сил равна равнодействующей R = N + F_тр.max, то каретка будет перемещаться в направлении действующей на нее силы R, а прикрепленный к ней карандаш прочертит на бумаге направление этой силы. Проведя к линейке перпендикуляр N, между направлениями N и R получим угол трения φ, а отложив на направлении N отрезок длиной 100 мм и восстановив в его конце перпендикуляр h, получим коэффициент трения f = tg φ = h/100.
Методику определения величин f и φ с помощью приборов, в основу действия которых положены наклонная плоскость (см. рис. 1.5, б) и вращающийся горизонтальный диск (см. рис. 1.5, г), студенту предлагается разработать самостоятельно.
Фрикционные свойства почвы, определяемые коэффициентами f и φ, — весьма важная ее технологическая характеристика. При этом, с одной стороны, высокие значения f и φ обусловливают большие силы трения почвы о рабочие органы почвообрабатывающих машин, на преодоление которых затрачивается от 30 до 50% энергии, с другой — большие силы трения, возникающие между почвой и движителями энергетических, самоходных сельскохозяйственных и транспортных машин, способствуют уменьшению коэффициента буксования и разрушения почвенной структуры.

Липкость. Это свойство почвы проявляется как сопротивление ее скольжению по поверхностям рабочих органов почвообрабатывающих орудий (плужных корпусов, лап культиваторов, зубьев борон и т. п.) и как сопротивление при отрыве находившихся в контакте с ней элементов опорно-ходовых систем тракторов и сельскохозяйственных машин (колес, гусениц и т. п.).
Сопротивление скольжению в случае прилипания определяют по формуле А. И. Кузнецова

где р0 — удельная касательная сила прилипания при отсутствии нормального давления, Па; S — видимая площадь контакта, м2; р — коэффициент, выражающий интенсивность действия удельных касательных сил прилипания, вызываемых нормальным давлением, 1/м2.

Сравнив выражения (1.15) и (1.16), видим, что законы трения и прилипания существенно различаются, хотя и проявляются одинаково — в виде сопротивления скольжению. Сила трения F_тр не зависит от площади контакта и при N = 0 отсутствует, в то время как сила прилипания Т_п зависит от площади контакта и проявляется даже при отсутствии нормального давления (T_пр = p₀S при N=0).
Липкость почвы характеризуется удельным сопротивлением отрыву прилипшей к ней пластины

Липкость почвы зависит главным образом от ее механического состава и влажности, материала рабочего органа и напряжения, создаваемого на поверхности контакта (удельного давления). С увеличением дисперсности липкость возрастает, поэтому тяжелые глинистые почвы более липкие, чем легкие песчаные; бесструктурные более липкие, чем структурные. Липкость начинает проявляться при определенной влажности: для почв с нарушенной структурой при относительной влажности 40. 50%, для структурных — 60. 70%. Схема прибора для определения липкости почвы изображена на рисунке 1.6.

1.6. Схема прибора для определения липкости почвы: 1 — емкость с почвой; 2 — направляющие ролики; 3 — блок; 4 — гибкая нить; 5 — станина; 6 — чашка с грузом; 7 — диск

С увеличением влажности липкость сначала возрастает, затем снижается; к капрону и фторопласту почва прилипает значительно меньше, чем к стали. В редких случаях на тяжелых бесструктурных мелкодисперсных почвах при больших давлениях на поверхности наблюдается сухое прилипание мельчайших диспергированных частиц твердой фазы к рабочим поверхностям отвалов, т. е. прилипание при относительно низкой влажности почвы. В этих случаях возникают настолько прочные связи, что для очистки рабочих поверхностей приходится применять инструмент типа долота.
Совместное действие сил трения и прилипания. При определенной влажности почвы трение и прилипание действуют совместно. Если при этом почва скользит по поверхности рабочего органа, то оба процесса проявляются одновременно в виде сопротивления ее скольжению. Тогда

F_п.м — сила трения потны по материалу рабочего органа.

Почва будет налипать на рабочую поверхность, если силы сцепления и трения между почвенными частицами или агрегатами движущегося пласта меньше, чем силы трения и прилипания между почвой и рабочей поверхностью, т. е.

Физическая сущность этих процессов может быть наглядно проиллюстрирована (рис. 1.7). Сумма сил трения F_п.м почвенных частиц по металлу и прилипания Т_пр почвенных частиц к металлу представляет собой силу сопротивления скольжению пласта по отвалу, которая способствует налипанию. Как видим (см. рис. 1.7), с увеличением нормального давления σ = N/S сила F_п.м = N tg φ_пм и сила Т_пр, а также сила сопротивления скольжению пласта F_п.м + T_пр, равная их сумме, возрастают. Однако сила трения пласта по налипшей на отвал почве F_п.п = N tg φ_п.л возрастает более интенсивно (более круто), так как φ_п.п > φ_п.м. В некоторой точке а графики сил F_п.м + Т_пр и F_п.л пересекаются. Эта точка может быть названа критической, так как она является переходной от залипания к самоочищению: влево от нее — зона I залипания, вправо — II самоочищения. Слева F_п.п F_п.м + T_пр и пласт силами трения по налипшим частицам почвы срывает их и увлекает за собой — происходит самоочищение. Замена сплошной поверхности отвала пластинчатой или прутковой приводит к уменьшению опорной площади движущегося пласта, в результате чего при той же силе нормального давления N удельное давление σ на рабочую поверхность возрастает (так как σ=N/S) и критическая точка как бы смещается влево, отчего вероятность налипания существенно уменьшается.
Абразивные свойства. Эти свойства почвы проявляются в износе рабочих органов почвообрабатывающих машин и орудий и зависят главным образом от механического состава и влажности почвы. Установлено, например, что износ лемеха при вспашке 1 га составляет на глинистых и суглинистых почвах 2. 30 г, на супесчаных и песчаных с небольшим количеством каменистых включений 30. 100 и на песчаных с большим количеством камней 100. 450 г. Следовательно, общим критерием абразивности почвы можно считать содержание в ней физического песка и каменистых включений. Высокая абразивность песчаных почв объясняется преобладанием в их составе кварца — самого твердого из минералов, образующих почву.
На абразивные свойства почв влияет и их влажность. С уменьшением ее абразивность глинистых и суглинистых почв увеличивается, а песчаных — уменьшается. Увеличение абразивности в первом случае объясняют увеличением удельных давлений почвы на рабочую поверхность, а уменьшение во втором — тем, что частицы сухого песка приобретают возможность не только скользить, но и перекатываться по поверхности рабочего органа.

Пластичность. Это свойство почвы деформироваться под действием внешней нагрузки без нарушения сплошности (образования трещин, распадения на части) и сохранять эту деформацию после снятия нагрузки. Пластичность зависит главным образом от механического состава и влажности почвы и измеряется числом пластичности, представляющим собой разность между влажностью почвы при верхнем и нижнем пределах пластичности:

где w_в и w_н — верхний и нижний пределы пластичности.

Под верхним пределом пластичности (нижним пределом текучести), по Аттербергу, понимают такую влажность почвы, при которой она расплывается от небольшого сотрясения (будучи помещенной в фарфоровую чашку и разделенной на две половины шпателем, при ударе рукой о чашку вновь сливается), а под нижним пределом пластичности — такую влажность, при которой почвенный образец в виде шарика диаметром 1 см при раскатывании в шнур диаметром 3 мм начинает крошиться. Число пластичности для почв различного механического состава такое:
супесь — 1. 7, суглинок — 7. 17, глина — более 17; песок непластичен.

Упругость. Это свойство почвы противопоставляют пластичности. Под упругостью почвы понимают ее свойство восстанавливать свою форму после снятия внешней нагрузки. Следовательно, упругая деформация существует, пока на тело продолжает действовать внешняя сила, вызвавшая эту деформацию. Упругость почвы зависит главным образом от механического состава, влажности и задерненности. Относительное значение упругих деформаций может колебаться от 30 до 80% и более.
Вязкость. Это свойство почвы медленно деформироваться как в функции нагрузки, так и в функции времени. Вязкость почвы обусловлена взаимным перемещением составляющих ее фаз: твердой, жидкой и газообразной. Чем продолжительнее действие нагрузки, тем значительнее деформация. Например, при движении трактора по болотистой почве (торфянику) глубина колеи тем больше, чем меньше скорость трактора, и наоборот. При вспашке, когда продолжительность действия нагрузки не превышает нескольких десятых долей секунды, вязкие деформации практически не успевают проявляться и ими можно пренебречь.

Хрупкость. Это свойство почвы обычно противопоставляют вязкости. У хрупких тел предел прочности не превышает предела упругости или совпадает с ним. Таким образом, в хрупком теле пластические деформации отсутствуют. Например, пересохшие почвы тяжелого механического состава становятся хрупкими, т. е. при разрушении они практически не испытывают остаточных деформаций. Определенное влияние на характер деформации почвы оказывает и скорость ее механической обработки. При увеличении скорости обработки почва будет проявлять более хрупкий вид разрушения, так как для развития вязких деформаций необходимо значительное время, а оно будет сокращаться.
Только в определенных частных случаях у почвы может быть одно из перечисленных свойств, т. е. только упругость или пластичность и т. п. В общем же случае почва — упруговязкопластичное тело. Однако с изменением тех или иных параметров почвы изменяются соотношения или утрачиваются те или иные ее фундаментальные свойства. Например, при сильном уменьшении влажности почва может утратить свойства пластичности и вязкости и приобрести свойство хрупкости.

См. также: радиоприборы, радио связь, микроэлектроника и схемы устройств.

Источник