ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЧВ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА РАБОТУ МАШИН

В районах защитного лесоразведения встречаются различные типы и подтипы почв, которые объединены по природным зонам и агролесомелиоративным районам в четыре группы по лесопригодности (С. В. Зонн и др., 1951): I - вполне лесопригодные, II - лесопригодные, III - условно лесопригодные, IV - нелесопригодные.

К лесопригодным, в т.ч. вполне и условно лесопригодным, почвам в лесостепной зоне относятся светло-серые, серые и темно-серые лесные, черноземы различных подтипов; в степной зоне - зональные черноземы; в сухостепной - каштановые и темнокаштановые почвы и в полупустынной - светло-каштановые.

Черноземы и почвы каштанового комплекса, распространенные в лесостепной, степной и сухостепной зонах страны, различаются по гранулометрическому составу, гумусированно-сти, содержанию пыли и натриевых солей, по водопроницаемости и сопротивлению воде. Водопрочность обыкновенного чернозема составляет 54,3%, южного чернозема 34...38%, а темнокаштановых и каштановых почв снижается соответственно до 24,5 и 17,5%. Скорость фильтрации обыкновенных черноземов 4,0...4,5 мл/мин и темно-каштановых почв 1,2 мл/мин, причем через 5 ч фильтрация воды в почвах каштанового комплекса прекращается, что свидетельствует об очень малой прочности почвенных агрегатов [29].

Важным показателем состава и свойств твердой фазы почвы, влияющим на качество работы машин, является ее твердость, характеризующая прочность или связность механических и агрегатных элементов и обусловленная сцеплением и трением. Наличие в почве цементирующих веществ (гумуса, карбонатов, иловых и коллоидных фракций) и действие ван-дер-ваальсовых молекулярных сил сцепления между поверхностями сближающихся почвенных частиц и агрегатов и высоких температур обусловли вают большую твердость почв, особенно в сухостепной зоне, которая повышается с уменьшением их влажности. Например, по данным А. Ф. Вадюниной [20], в гумусовом горизонте (0...28 см) солонца при влажности почвы W = 17...20% твердость составляет 3,4 МПа, а при W = 7... 13% возрастает до 11,4 МПа; твердость светло-каштановой почвы при W = 19% составляет 3,2 МПа, а при W = 11% - 8,3 МПа. В последнем типе почвы твердость с уменьшением влажности особенно возрастает в иллювиальном и карбонатном горизонтах на глубине 35...45 и

45.. . 100 см, в которых имеются скопления извести и гипса [19], достигая величины, не проницаемой для корней многих древесно-кустарниковых пород [19, 20].

Известно, что корни растений проникают в почву твердостью не более 3 МПа и совсем не растут при твердости 6 МПа и более. Оптимальные условия для развития растений складываются при твердости в пределах 0,5... 1,9 МПа и порозности

50.. .55% [20]. Это подтверждают полученные нами данные (табл. 2) по приживаемости сеянцев сосны на супесях и вяза мелколистного на светло-каштановых почвах [16].

Таблица 2

Влияние твердости почвы на приживаемость культур

Культура

Почва

Твердость почвы, МПа

Приживаемость, %

Сосна

Супесь

0,16

93,0

0,32

95,0

0,57

91,0

0,82

87,5

1,07

81,0

Вяз

Тяжелый суглинок

0,30

85,0

0,60

95,0

0,90

90,0

1,20

75,0

1,60

70,0

К другим важным технологическим показателям, влияющим на качество работы средств механизации и энергозатраты, относятся пластичность, упругость, липкость, трение, удельное сопротивление почв.

Пластичность, свойство почвы деформироваться под действием внешних сил или сохранять деформированное состояние после прекращения их действия, зависит от гранулометрического состава и степени ее влажности. Пластичность определяют числом, представляющим собой разность верхнего и нижнего пределов влажности (в относительных единицах). За нижний предел принимают такую влажность WH почвы, при которой она становится способной раскатываться на тонкие стержни диаметром 3 мм, а за верхний - влажность We, при которой даже при незначительном сотрясении почва начинает расплываться.

Под упругостью понимают свойство почвы после прекращения действия внешних сил, вызывающих деформацию, частично восстанавливать первоначальную форму и размеры. Упругие деформации некоторых почв при первом нагружении достигают 30...50%, а при повторных нагружениях 70...80% общей деформации.

Липкость, способность частиц почвы во влажном состоянии склеиваться между собой, прилипать к рабочим поверхностям рабочих органов, проявляется при скольжении почвы по рабочим поверхностям плужных корпусов, лап культиваторов, сошников сеялок и лесопосадочных машин, а также при отрыве от почвы металлических поверхностей (обода колеса при качении, гусениц при движении). Залипание рабочего органа машины почвой при ее скольжении происходит в тех случаях, когда сумма удельных сил трения и прилипания почвы к рабочей поверхности оказывается больше, чем временное сопротивление почвы сдвигу. Залипание колес и гусениц происходит тогда, когда удельная сила прилипания почвы к ободу колеса или траку больше, чем временное сопротивление почвы растяжению. Липкость почвы измеряют в ньютонах на 1 см2 поверхности, соприкасающейся с почвой, т.е. усилием, которое необходимо приложить, чтобы оторвать прилипшую почву от поверхности.

При воздействии рабочих органов почвообрабатывающих машин и их ходовых систем на почву преодолеваются силы трения внешние и внутренние. Трение при обработке почвы может играть как положительную, так и отрицательную роль. Отрицательная роль трения проявляется при движении почвы по рабочим органам машин, что увеличивает их тяговое сопротивление и ускоряет износ трущихся поверхностей. Положительная роль трения заключается в том, что оно увеличивает силу сцепления колес машин с почвой и уменьшает их буксование.

Внешнее трение, т.е. трение почвы о поверхность рабочих органов машины, находят по формуле

Tmp=fN, (1)

где/- коэффициент трения; N - нормальная сила.

Величина коэффициента трения (табл. 3) зависит от гранулометрического состава и влажности почвы, шероховатости рабочей поверхности, материала, используемого для изготовления рабочего органа, а также от удельного давления на поверхность контакта и скорости скольжения почвы. Меньшие значения коэффициента трения для почвы соответствуют низкой влажности, большие - высокой.

Таблица 3 Расчетные значения коэффициента/ и угла трения почвы о сталь (по данным Г. Н. Синеокова, 1965)

Почвы

/

<Р°

Песчаные и супесчаные: сыпучие связные

0,25...0,35

14,0...19,5

0,50...0,70

25,5...30,0

Легко- и среднесуглинистые

0,35...0,50

19,5...26,5

Тяжелые суглинки и глины

0,60...0,90

31,0...42,0

Процессу внешнего трения обычно сопутствует процесс прилипания почвы к металлической поверхности. Внешнее трение и прилипание - два разных явления одного и того же процесса - скольжения почвы по металлу. Однако законы трения и прилипания различны: если сила трения не зависит от площади контакта, то сила прилипания прямо пропорциональна ей.

Снижения сил трения поверхности рабочих органов, взаимодействующих с почвой, можно добиться, применяя полимерные покрытия, жидкостную или воздушную смазку.

Под действием приложенных к почве тангенциальных сил слои перемещаются один относительно другого. Этот вид деформации, называемый сдвигом [18], характеризуется показателем Т, представляющим собой отношение сдвигающего усилия Тс к силе нормального давления:

Tc/N. (2)

Для рыхлых, несвязных почв показатель сдвига равен ко эффициенту внутреннего трения/.

Сдвигающее усилие Тс зависит от внутреннего трения почвы, нормальной нагрузки, взаимного сцепления С частиц почвы при данном ее состоянии, сопротивления разрыву корней растений Тр, имеющихся в почве, и определяется выражением

Tc=fN+C. (3)

Удельное сопротивление почвы при вспашке Ко (Н/см2) является показателем трудности ее обработки. Величина коэффициента Ко зависит не только от физических свойств почвы, но и от геометрической формы и размеров рабочей поверхности основного корпуса и предплужника, массы плуга, наличия дисковых ножей, остроты лемехов и др. Значение коэффициента Ко находят по формулам:

для плугов Ко = (R -fnG)/ab, (4)

для культиваторов и дисковых орудий Ко = (R -fnG)/B,

где R - общее тяговое сопротивление почвообрабатывающей машины; а - глубина вспашки; b - ширина захвата корпуса плуга; В - ширина захвата культиватора, дисковой бороны; G - вес машины; fn - коэффициент сопротивления перекатыванию машины.

Почвы по трудности их обработки делятся на четыре группы: при обработке целинных земель - легкие о = 30.. .25 Н/см2), средние о = 45.. .50 Н/см2), тяжелые о = 70...85 Н/см2) и сверхтяжелые о = 95... 120 Н/см2); при обработке старопахотных земель - соответственно 25.. .30,40.. .45, 65.. .75 и 85.. .95 Н/см2.

Различают почвы структурные и бесструктурные. Структурные почвы могут распадаться на отдельные различные по величине и форме агрегаты, комочки, зерна и залегать рыхлым слоем. Наиболее ценная по структуре почва состоит из отдельных трудноразмываемых комочков диаметром 0,25... 10,00 мм. Бесструктурная почва обычно представляет собой плотную массу из мелких пылевидных частиц (диаметром меньше 0,25 мм) или же состоит из плотных крупных глыбистых комков диаметром от 1 до 10 см и более. Бесструктурные почвы плохо накапливают и сохраняют влагу и имеют слабую воздухопроницаемость. Тяговое сопротивление и залипание рабочих органов при обработке структурной почвы меньше, чем при обработке бесструктурной.

Свойство отдельных частиц почвы удерживаться друг около друга и сопротивляться механическим воздействиям называется связностью. Связность зависит от гранулометрического состава почвы. Почвы с большим содержанием иловатых частиц имеют большую связность, с большим содержанием песчаных компонентов - меньшую. Глинистые связные почвы при обработке плугом оказывают большое сопротивление и деформируются на крупные глыбы. Песчаные, менее связные, почвы оказывают меньшее сопротивление рабочим органам и разрушаются на более мелкие комки.

Почвы представляют собой пористое тело. Под пористостью или скважностью почвы понимают отношение объема всех пор, заполненных водой и воздухом, к объему почвы. Общую пористость определяют по формуле

vn

Р=~100%, (5)

%

где Vn объем пустот, Vo - объем исследуемой почвы.

Различают некапиллярные и капиллярные поры. Некапиллярные - это поры, промежуточные между почвенными агрегатами и отдельными структурными комочками. Имея сравнительно большие размеры, некапиллярные поры не задерживают дождевые воды, и они под действием собственного веса свободно стекают в нижние горизонты почвы, а промежутки заполняются воздухом. Капиллярные поры пронизывают преимущественно структурные агрегаты и комочки, имеют очень малые размеры, хорошо задерживают дождевую воду. По капиллярам поднимаются грунтовые воды.

Пористость (скважность) зависит от гранулометрического состава, структуры и степени уплотнения почвы. Общая скважность суглинков и глин 50...60%, песчаных почв 40...45%. Скважность одной и той же почвы зависит также от влажности. Во влажной почве частицы оказываются раздвинутыми прослойками воды, при высыхании почвы они сближаются.

Все крупные и мелкие поры почвы, не занятые водой, заполнены воздухом. Воздух, находящийся в крупных скважинах почвы, беспрепятственно сообщается с воздухом атмосферы. Воздух в мелких скважинах (капиллярах) почвы часто находится в защемленном состоянии. Пузырьки защемленного воздуха со всех сторон окружены твердыми частицами почвы и пленками капиллярной воды. Наличие в почве пузырьков воздуха уменьшает ее воздухопроницаемость и увеличивает упругость, так как при повышении давления (атмосферного и сжимающего почву) воздух претерпевает лишь упругие деформации. Защемленный воздух способствует хорошему крошению почвы, если она находится в состоянии спелости, т.е. при относительной влажности 50.. .70%.

Наличие в почве воды, физиологически доступной для растений, или влажность почвы, является основным условием их развития. Однако чрезмерное увлажнение почвы, заполнение водой всех мелких и крупных пустот может вызвать гибель растений из-за прекращения доступа воздуха к корням, а также закисание почвы. Оптимальной степенью увлажнения почвы считается та, при которой вода заполняет три четверти имеющихся в почве капиллярных скважин. Минимальная влажность почвы, при которой из-за нехватки воды начинается увядание растений, соответствует примерно удвоенному значению гигроскопической влажности почвы.

В почве различают четыре основные категории воды: связанную, капиллярную, свободную (гравитационную) и парообразную. Связанная вода тонким слоем располагается вокруг почвенных частиц и прочно удерживается адсорбционными силами. Капиллярная вода удерживается в наиболее тонких порах между почвенными агрегатами и во внутриагрегатных капиллярах и под действием менисковых сил может перемещаться в почве в направлении расположения капиллярных пор. Парообразная вода находится в почвенном воздухе в форме водяного пара. Она всегда находится в состоянии движения и может пассивно перемещаться вместе с потоками воздуха.

О количестве содержащейся в почве воды судят по величине абсолютной влажности почвы Wa, определяемой по формуле

m г

Wa = —----100%, (6)

тс у 7

где тви тс- массы влажной и сухой почвы.

Однако при определении степени увлажнения почв различного гранулометрического состава обычно приводят значения так называемой относительной влажности почвы. Ее находят по формуле

W(J=T7f~-100%, (7)

где Wn - полевая влажность почвы, %.

Полевой влажностью почвы называют количество воды, которое способна удерживать в себе обильно смоченная с поверхности почва после стекания гравитационной воды. Таким образом, количество воды, соответствующее полевой влажности почвы, предполагает заполнение влагой всех пор почвы, за исключением крупных некапиллярных.

Полевая влажность различных видов почв изменяется в широких пределах. В зависимости от погодных условий почва может быть воздушно-сухой, когда в ней содержится лишь гигроскопическая (связанная) вода; предельно насыщенной влагой, когда все ее мелкие и крупные поры заполнены водой, и находиться в промежуточных состояниях увлажнения.

В зависимости от степени увлажнения лесные почвы принято делить на три типа: дренированные, временно переувлажненные и избыточно увлажненные. Для каждого типа почвы разработаны и применяются свои технологии и комплексы машин для проведения лесохозяйственных и лесовосстановительных работ.

Изменение влажности по-разному сказывается на свойствах различных почв, существенно влияет на расход энергии и качество обработки почвы.

Сухой песок лишен связности и представляет собой сыпучее тело. При влажности, близкой к капиллярной влагоемкости, он обладает наибольшей связностью, обусловленной действием капиллярных сил. В переувлажненном состоянии песок, особенно мелкий, теряет связность и переходит в плывучее состояние.

Связность и твердость бесструктурных глинистых почв с уменьшением влажности всегда возрастает, а структурных суглинистых и глинистых почв, обладающих водопрочной структурой, с изменением влажности изменяется подобно песчаным почвам.

При вспашке сухих твердых суглинистых и глинистых почв, не имеющих водопрочной структуры, образуются крупные глыбы, размером в поперечнике до 0,5 м и более. В этих условиях тяговое сопротивление плуга максимально.

Отрицательные результаты дает и вспашка переувлажнен ных связных почв (при относительной влажности более 80%). Образующийся пласт имеет форму непрерывной ленты, его поверхность после оборота блестит, так как отвал "зализывает" пласт. После просыхания такая пашня непригодна ни для посева, ни для посадки. Кроме того, происходит сильное залипание отвалов и сгруживание почвы впереди корпусов плуга, оборот пласта неполный, растительные остатки заделываются плохо.

Наиболее благоприятные условия для работы почвообрабатывающих машин складываются, если почва находится в состоянии "спелости", т.е. при ее относительной влажности 50...70% или абсолютной влажности для черноземов 14...24%, серых и бурых лесных 17.. .23% и почв каштанового комплекса 13...20%.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >