Kurs_fiziki_pochv_Shein_E_V__2005

372	Ч. XVI. ДЕФОРМАЦИИ ПОЧВ

Это явление, как правило, оказывает заметное влияние в легких почвахименеераспространеновглинистых.Иещеодноявление,обусловливающеенапряжение сдвига, это внутреннеетрение. Придвижении почвенные частицы будут тереться друг о друга, формируя внутреннее трение. Нередко это явление отождествляют с формированием так называемого угла откоса грунта. Угол откоса образуется между почвенным образцом и горизонтальной поверхностью, на которую это образец помещен. Вполне понятно, что угол будет существенно зависеть не только от фундаментальных свойств образцов (гранулометрия, минералогия и пр.), но и от его влажности: чем она больше, тем меньше угол откоса. Итак, три основных явления обусловливаютсопротивлениесдвигу сцепление,дилатансияивнутреннее трение. Так как первыедва явления одного порядка, связанные с формированием прочностных свойств, оба они входят в величину сцепленияС.

Сопротивление сдвигу ( , Па, атм и проч.) это давление, оказываемое почвой при действии касательных (тангенциальных)напряжений.

Сцепление (С, Па, атм и проч.) это взаимодействие между отдельнымипочвеннымичастицами,обусловленное,какправило, жесткими необратимыми кристаллизационными и смешанными связями. Это часть сопротивления сдвигу, которая не зависит от нормального давления.

Сдвиговыедеформациивпочвевозникают,какправило,нетолько под действием касательных напряжений, но и оказываемых сверху напряжений сжатия (вспомним рис.XVI.1 деформации почвы под колесом). Поэтому в самом общем случае сопротивление сдвигу будет определяться еще и нормальным давлением P , которое будет воздействовать на величину внутреннего трения, и независимой отнормальногодавлениявеличинойсцепления.Этавзаимосвязьвы-

ражается классическим уравнением Кулона:		P tg C ,

где Р нормальное давление [кПа, атм], С сцепление [кПа, атм], tg – коэффициент внутреннего трения [безразмерная величина].

Изэтойформулыстановитсяпонятнымсмыслкоэффициентавнутреннеготрения этокоэффициентпропорциональностимеждувертикальным уплотняющим давлением и частью сопротивления сдвигу, обусловленного только возрастанием внутреннего трения за счет этого уплотняющего воздействия. Это хорошо видно из рис XVI.10, представляющего график зависимости сопротивления сдвигу от нормальногодавления прямой,имеющейнаклон, равныйtg ,иотсекающей

3. Деформации сдвига

373

				на оси ординат постоянную
				величину величину сцепле-
				ния С. Физический же смысл
				этого параметра заключает-
				ся в том, что по поверхности
				скольжения образуется тон-
				кая зона разрыхления, части-
				цы трутся друг о друга, что
				отражается в величине tg ,
С	сцепление			которая может быть больше
				единицы (т.е. увеличивать
			P	воздействие нормальной
				силы)вплотных,спризмати-
Рис. XVI.10. Зависимость сопротивления				ческой блочной структурой
сдвигу от нормального давления				почвах, в песках, и меньше

единицы врыхлыхглинах. Для понимания того, как влияют почвенные свойства на величины сцепления и угол внутреннего трения, какие значения принимают этивеличинывповерхностныхгоризонтахпочв,приведенатабл.XVI.2. Вэтойтаблицепредставленыхарактерныевеличинысцепленияиугла

внутреннего трения длянекоторых почвенных объектов.

Т а б л и ц а XVI.2

Величины сцепления и угла внутреннего трения для некоторых почвенных объектов при давлениях влаги 60 и 300 кПа. [Цит. по Р.Хорну (Horn, 1988)]

		Содержание <0.002,частицмм, %	Сцепление, С,			Угол
	3		кПа при			внутреннего
	Плотность, г/см		давлении			трения ,
Горизонт сложение( )			влаги (см водн.			[град] при		Структура горизонта
			ст.)			давлении влаги
						(см водн. ст..)
			–60		–300	–60	–300
Аh	1.32	20	38.1		44.4	53.1	56.9	Комко-
(ненарушенно-								ватая
го сложения
Аh (растертый)	1.10	19	11.1		15.8	47.4	50.4	Бесструк-
								турный
В	1.47	24.5	28.8		126.0	45.5	52.7	Призма-
(ненарушенно-								тическая
го сложения)
В (растертый)	1.45	24.5	14.4		26.2	38.4	44.2	Бесструк-
								турный

374	Ч. XVI. ДЕФОРМАЦИИ ПОЧВ

Изприведеннойтабл.XVI.2видно,чтосцеплениевповерхностных горизонтах может достигать десятков кПа, заметно повышаясь приснижениивлажности,уплотнениииувеличенииструктурированности почвы. А вот угол внутреннего трения в большей мере зависит от морфологии почвенной структуры, наличия корней растений. Общим же является то, что при обесструктуривании почв, потере агрегатности обеэти составляющиесопротивления почвысдвигу заметно уменьшаются; этоприводит к резкомуснижению и e.Таким образом, чем лучше выражена агрегированность и более стабильна структура, тем выше угол внутреннего трения. С другой стороны, чем выше уплотнениепочвинижеихвлажность,темвышеипочвенноесцепление. Авитогесопротивлениепочвысдвигуувеличивается,восновномпри увеличенииагрегированности,плотностипочвы,содержаниякорнейи уменьшениивлажности(давленияпочвеннойвлаги).

4. Природные и антропогенно обусловленные физико-механические явления при деформациях сжатия и сдвига

Просадочность почв. Явление чрезвычайно часто наблюдаетсявприроде,вособенностидляпочвналёссахилёссовыхпородах. В степной зоне нередко можно наблюдать бессточные котловины,такназываемые«степныеблюдца»,или«поды».Ониобразуются за счет просадки лёссовых пород. Именно для этих пород характерен особый вид компрессионной кривой, когда 1-й пологий участок слабогоизмененияпорозностиподнагрузкойрезкоменяетсякрутымпосле достижения критической величины структурной прочности Рстр (см. рис. XVI.2, б). Лёссы обладают низкой «структурной проч-

ностью» или низким Pprecom. Связано это со следующими особенностями лессовых пород:

лёссыобладаютвысокойпористостьюпридоминированиикоагуляционноготипасвязей;

лёссыимеютнизкую гидрофильностьприсреднесуглинистом гранулометрическом составе. Поэтомурезкие уплотнения, просадки начинаютсяпринизкойвлажности;

в лёссах нередко имеются легкорастворимые соли, которые при увлажнении переходят в растворимое состояние, повышают порозность,снижаютэнергиюкоагуляционныхсвязей.

Оползни. Это явление относится к деформациям сдвига. На рис. XVI.11 приведен пример, когда за счет ряда явлений (увлажнение почвы,изменениевнутреннихсвязейиуглавнутреннеготренияи проч.)

4. Природные и антропогенно обусловленные физико-механические явления		375
	часть почвы начинает скользить
поверхность	вниз. Образуется так называемая
скольжения	поверхностьскольжения.Сосколь-
	знувшие по этой поверхности по-
	чва или грунт могут иметь нема-
	лые объемы. Такие явления
	образуются не только на откосах
	дорог.Онинаблюдаютсяиприраз-
	личных искусственно или есте-
	ственно возникающих нагрузках
Рис. XVI.11. Деформации сдвига при	(например,опорахлинийэлектро-
откосе полотна и формирование	передач и проч.). В этом случае
поверхности скольжения	почваможет«выпираться»из-под
опоры,могутвозникнутьразрушения.
Уплотнение почвы под действием сельскохозяйственных
машин. Это чрезвычайно важная, актуальная, сложная и историчес-
кая проблема. Историческая так как человек уже веками применя-
ет плуг, а в настоящее время и разнообразные агротехнологии
(см. «К вопросу о»)
Проблема уплотнения важна и актуальна, потому что механи-
ческие нагрузки напочвы возросли за последнее времяво много раз,
преждевсеговсвязисинтенсификациейсельскохозяйственногопро-
изводства. Напомним, что простой колесный трактор оказывает кон-
тактное давление около 100 кПа, а такие мощные, как К-700 (701)
«Кировец» до190 220кПа.Вполнепонятно,чтоеслитакиеагрега-
ты будут проезжать по влажной рыхлой почве, да еще несколько раз,
уплотнение может достигнуть больших,критических величин и рас-
пространитьсяглубоко внижние слои.Поэтомупредложенынекото-
рыеэкспериментальнообоснованныекритическиевеличиныповесу
механизмовиихдавлениюнапочву,атакжепопочвеннымусловиям
обработки. В частности, А.Г.Бондарев (1990) указывает критичес-
киевеличиныконтактногодавлениянапочву:веснойпривлажности
выше НВ 80 кПа и при влажностиниже 0.5 НВ 180 кПа. Влетний

иосеннийпериодыкритическоедавлениеувеличиваетсядо100и210 кПа соответственно.

Этот подход по предотвращениюуплотнения почв назначение

исоблюдение границ применения сельскохозяйственной техники по параметрам давления ее на почву и по почвенным условиям (гранулометрия, влажность прежде всего) сейчас наиболее распространен.Он,безусловно,оказываетсвоеохранноевоздействиенапочвенный покров. Однако в задачи науки входит не только вводить

376	Ч. XVI. ДЕФОРМАЦИИ ПОЧВ

необходимые ограничения, но и предсказывать, прогнозировать явление. В данном случае уплотнение, причем не только поверхностное,ноиглубинныхслоевпочвы.

«К вопросу о.»

Обработкапочвы

Можно сказать,что историясовременногочеловечестваначаласьстого момента, как человек научился обрабатывать почву. Именно тогда, когда человек начал рыхлить почву, бросатьв нее семена растений, появилась первая возможность накапливать продукты питания, т.е. запасать продовольствие. Запасы продовольствия в свою очередь должны были привести к концентрации населения, появлению первых поселений, обмену товарами. Это и были первыеистокисовременнойцивилизациисееторговлей,специализацией,деньгами и городами (слово цивилизация почти дословно означает «городская жизнь»). И в это время наши предки уже имели достаточно полные знания о том, как надо рыхлить почву, вносить в нее органические остатки, как сохранять и регулировать влажность в почве. И что удивительно, с тех пор, с поры эмпирическихзнанийо почвенномплодородии, изменения происходилимедленно и незначительно. Плуг, изобретенный в Египте, почти не изменялся

всвоей конструкции около 1000 лет! И лишь примерно в 800 г. до н.э.

вМесопотамиипоявились плуги, обитыежелезом, что позволило вспахивать тяжелые плодородные почвы и способствовало первому скачку изобилия зерна. Апервыхкультурныхрастений, по мнениюмногихученых, быловсего семь: пшеницы однозернянка и двузернянка, ячмень, чечевица, вика, горох илен. Первыепосевыбылипроизведеныгде-то наБлижнемВостоке, возможно,в долинеИордана, возможно, вверховьях ТиграиЕвфрата.Именно вэтих местахархеологические исследования обнаруживают семена всехуказанных растений. А уж затем эти растения распространились по всему Леванту, а затем уже по Нилу, на север Африки. И древние люди, вспахивая землю, получая излишки зерна, и не заботясь ежедневно о добывании пропитания, ужемоглизаниматься делами, свойственнымитолько человеку, искусством, изобретательством, мифами инауками.

Это был первый всплеск формирования цивилизаций. Другой, также обязанныйпочвенномуплодородию, по-видимому, может быть приуроченко второйполовинеXIX века. Вэто время появляются промышленныетехнологии, позволяющие вбольшомколичествепроизводить дешевыеминеральные удобрения. Это усиливает ростгородов, повсюдуон идет высокимитемпами. К несчастью, массовое производство удобрений совпало тогда с изобретениембездымного пороха, апосемуи рост городов, и передел мирасопровождалисьвойнами.

Аначалось все с того, что около тысячи лет назад человек палкой или каменным орудием взрыхлил почву и бросил в нее несколько семян.

5. Прогноз уплотнения почв

377

5. Прогноз уплотнения почв

Проблемаэтаоченьсложная,преждевсегопотому,чточрезвычайно трудно прогнозировать распространение уплотняющего воздействия внутрь почвы предсказать уплотнение нижележащих слоев.Труднонетолькооттого,чтоэтораспространениеноситнелинейный характер,ноипотому,чтопочвеннаятолщаимеетгоризонты, нередко заметно различающиеся по своим свойствам. На данный момент наиболее широко распространены экспертно-экспериментальные способыпрогнозауплотнения.Методыоснованынаизвестныхобщихзакономерностях распределения давления нагрузки в почвах исоответственноуплотненияглубинныхслоевпочвы.Этизакономерности понятны из приведенных выше зависимостей компрессионной кривойидеформациисдвигаотфундаментальныхсвойствпочвы.Уплотнение будет больше и распространяться глубже, если:

–выше контактное давление техники на почву;

–тяжелее по гранулометрическому составу почва и выше содержание иона Na в ППК;

–мельче (а в пределе бесструктурней) почвенные агрегаты;

–влажность почвы находится в диапазоне от ПВ до НВ диапазоне наибольшей чувствительности почвы к уплотняющему

воздействию.

Эти закономерности должен знать эксперт. Располагая экспериментальными данными по конкретной почве (о ее гранулометрии, структуре, влажности во время проведения сельскохозяйственных работ и др.), он дает экспертную прогнозную оценку.

Интенсивноразвиваютсяпрогнозныеколичественныеподходы. В частности, физически обоснованный метод прогноза, использующийуравнениеБуссинеска(Bussinesq, 1885), исходитизпредположении что почва гомогенная и эластичная среда. Уравнение Буссинескапредсказываетвеличинудавлениянаглубинеz, Pz , повеличине радиуса(r), площадиприложениянапряжениянаповерхностипочвы

	(Р0) и по величине так называемого фактора концентрации напряже-
	ния(Mk):
							1
	Pz	P0
			1							.
						r 2		Mk
								1
						z

378	Ч. XVI. ДЕФОРМАЦИИ ПОЧВ

P0				P0
r
		распределение
A		давлений	A	B
		B
		в сечении АВ		Pz=const
Pz=const				(изобара)
Mk	=3		Mk=8

Рис. XVI.12. Зоны распространения внешнего уплотняющего давления (Р0) при различных значения фактора концентрации напряжения (Мк)

Конечно,самое сложное определитьфактор концентрациинапряжения Mk, тем более что он очень заметно влияет на форму распространениянапряженийвпочве,асамзависитотмногочисленных свойств почвы. Действительно, при увеличении фактора концентрации форма контура воздействующего напряжения заметно сужается, распространяясь вболее глубокие слои (рис. XVI.12). Поэтомуот Mk прежде всего будет зависеть и уплотнение почв в нижележащих слоях. В свою очередь Mk будет определяться морфологическими особенностями почвенной структуры, гранулометрическим составом и другими фундаментальными свойствами, а также влажностью. На рис. XVI.13 схематически приведено изменение Mk , полученное на основе данных Р.Хорна (R.Horn, 1988): Mk будет возрастать при потерепочвыструктурности,увеличениивлажности,содержанияглинистых частиц и органического вещества.

Соответственно в случае обесструктуривания почв, ее увлажнения почва будет уплотняться значительно глубже, это уплотнение будетнакапливаться,приводякформированиюуплотненныхвнутрипочвенныхслоев,затрудняющихдвижениеводы,воздуха,проникновениекорней.Этопроблема«подпочвенногоуплотнения».Какпредсказать это уплотнение? Надо знать величину Mk для данной конкретной почвы и с помощью реальной нагрузки на поверхность почвы рассчитать давление на глубине z. Далее, надо знать предкомпрессионное давление, Pprecom: если рассчитанное внешнее давление

будет превышать Pprecom , то будет происходить уплотнение на глубине z. Мы уже знаем, что и Mk и Pprecom зависят от влажности и от фундаментальных почвенных свойств структуры, грануломет-

рии,минералогии(которуюнередкопредставляютввидесоставапоглощенныхоснований),исходнойплотности,содержанияорганичес-

5. Прогноз уплотнения почв

379

Mk

10

снижение

влажности

5

призматическая комковатая бесструктурная потеря структурности

Рис.XVI.13. Изменениефактораконцентрациинапряжения(Мк)приизменении структуры, влажности почвы. Серым цветом схематично показано увеличение опасности внутрипочвенного уплотнения при росте Мк

кого вещества. Определить аналитический вид указанных зависимостей не представляется возможным. И здесь опять на помощь приходит уже известный нам подход педотрансферные функции. Мы использовали этот подход при расчете основной гидрофизическойхарактеристики(ОГХ)поотдельнымпочвеннымсвойствам.Тогда спомощьюразличныхуравнений,какправило,регрессионноготипа, находили зависимости точек на ОГХ от гранулометрического состава, плотности почвы, содержания органического вещества и других свойств,группируяихпоотдельнымпочвеннымтипамипочвенным горизонтам. Такой же подход предлагается и в случае расчета Mk иPprecom какнеобходимыхэлементовпрогнозауплотненияпочввнижних слоях. Этот подход активно разрабатывается немецким профессором Райнером Хорном. Он предлагает следующие этапы при использовании педотрансферных функций. Сначала надо рассчитать Pprecom.Предкомпрессионноедавлениедляслабоструктурных,например песчаных, почв будет зависеть лишь от исходной плотности по-

чвы и ее влажности. В этом случае уравнения для расчета Pprecom несложны, всего два параметра. А вот по мере агрегатообразования

в тяжелых почвах все большее влияние будут оказывать величины сцепленияиуглавнутреннеготрения.Поизвестнымданнымогранулометрии, содержании органического вещества, структурных классах(зернистая,комковатая,призматическая,блочная,глыбистая)рассчитывают по педотрансферным функциям сцепление и угол

внутреннего трения, а затем и Pprecom. Затем, зная величину контактного давления колеса, по величинам Pprecom и основным физическим свойствам i-го почвенного слоя рассчитывают величину Mk и напря-

380	Ч. XVI. ДЕФОРМАЦИИ ПОЧВ

жение в этом слое на глубине z. Если это давление будет больше предкомпрессионного слой будет уплотняться. Следует рассчитать напряжение и в (i+1)-м слое, на глубине (z+1). Если и в этом слое

Pprecom окажется меньше рассчитанного, (i+1)-й слой также будет уплотняться. Подобным образом рассчитывают уплотнение почвы

на всех возможных глубинах, так называемое «подпочвенное уплотнение».

6. Сопротивление пенетрации

В почвоведении всегда была потребность быстро и точно оценитьсостояниепочвывотношенииусловийпроникновениявнее корнейрастений,сельскохозяйственныхорудийипроч.Поэтомубыло предложено понятие «сопротивление пенетрации почвы (грунта),

Рpen» сопротивление почвы внедрению в нее металлического зонда цилиндрической или конусообразной формы небольшого диаметра (обычно от1 до5 мм). Оноявляется аналогомпредельного напряжениясдвига,используемоговколлоиднойхимии.Традиционнодосих порвпочвоведениивотношениисопротивленияпенетрациииспользуют и термин «твердость почвы». Таким образом, сопротивление пенетрации и твердость термины аналоги, но использование термина «сопротивление пенетрации» более физически строго, так как твердость сопротивлениематериалавдавливаниюилицарапаниюнеявляетсяфизическойпостоянной,апредставляетсобойсложное свойство,зависящеекакотпрочностиипластичностиматериала,так и от метода измерения.

Определениесопротивленияпенетрациипроводятспециальными приборами пенетрометрами,которые ранееназывалисьтвердомерами. При внедрении зонда пенетрометра в почве происходят разнообразныепроцессы.Лучшевсегоэторассмотретьнасхеме(рис.XVI.14, а). Как видно из этойсхемы, при внедрении конусного зонда происходятразнообразныепроцессы:уплотнениепочвы, деформации сдвига, а также трение металла о почву. Поэтомуполучаемый параметр несет в себе разнообразную информацию и в большинстве случаев важен как самостоятельная величина сопротивление пенетрации.

В результате при использовании пенетрометров мы экспериментально определяем силу, которая необходима для внедрения штампа (конусноголибоцилиндрического)впочву.Этусилуможноизмеритьс помощью пружины, как в пенетрометре МВ-2 или конструкции Н.А.Качинского. В этом случае следует обратить внимание на тарировкупенетрометра.Необходиморегулярнотарироватьпружинныепе-

6. Сопротивление пенетрации	381

Рис. XVI.14. Схема внедрения конического штампа пенетрометра (а) и основные типы пенетрометров: пружинный (б) и ударного типа (в)

нетрометры,прикладываяизвестныегрузыкпружине(илисдавливая пружинуи одновременноизмеряя сдавливающую нагрузку,например на весах, в кг или г) и определяя соответствующие показания шкалы пенетрометра. Значения регистрируемой силы (F) следует относить кпостояннойплощадицилиндрическогоилиоснованияконусногоштампа (S), получая значения сдавливающего напряжения (или давления): P = F/S.Зависимость показанияшкалы пенетрометраот придаваемой нагрузкилинейная(ведьэтожезаконГука!).Поэтомудляпружинных пенетрометров(МВ-2 иКачинского, рис.XVI.14,б)необходимонайти константу прибора К величину напряжения сжатия (МВ-2) или растяжения(пенетрометрКачинского)наединицушкалы(h)(вПа/смили (кг/см2)/см, т.е. [давление/длина]). И в случае пенетрометра Качинс-

кого сила внедрения составит PрепКачинского = Kh, а случае микропенетрометра Pреп микропенетрометр = Pm – Kh, где Pm – напряжение пружины при максимальном сжатии (максимальная отметка шкалы) на пло-

щадь конуса пенетрометра, [кг/см2].

Сопротивление пенетрации для пенетрометров ударного типа (рис. XVI.14, в) рассчитывается по массе скользящего груза, высоте и количеству падений. Используется следующая формула:

Pреn n m gh1 , Sh2

где n количество падений груза массой m (mg вес груза, кг) с высоты h1, S площадь погружаемого в почву стержня, h2 глубина внедрения стержня. Получаемая размерность [кг/см2].