Диссертация (Моделирование порового пространства и гидрофизических свойств почв для обоснования мелиоративных мероприятий и технологий), страница 10

В основе этих методов определение массыиспарившейся воды в процессе сушки.Удельнойповерхностьюбудемсчитатьотношениевеличиныповерхности Ssf твердой фазы к объему Vsf твердой фазыΩ0 = Ssf / Vsf ,(1.6.4)где Ω0 - объемная удельная поверхность м2/м3.Протекающие в почвах физико-химические процессы тем интенсивнее,чем выше значение свободной поверхностной энергии в единице объемапочвы. Поэтому использование такого стабильного во времени почвенногопараметра как удельная поверхность является весьма информативным.Величинаудельнойповерхностихарактеризуетдисперсностьпочвы.Удельная поверхность возрастает с уменьшением линейных размеров частицтвердой фазы.

Свойства высокодисперсных систем во многом зависят отхарактеристик поверхности соприкосновения частиц с воздухом или влагой(т.е.) окружающей их средой.Совместно с данными по гранулометрическому составу почвы онаможет характеризовать минералогический состав, состав поглощенныхкатионов и гидрофильность почвенных частиц.Значения удельной поверхности для почв меняются в широкомдиапазоне: от нескольких квадратных метров на метр в кубе для грубыхпесков до тысяч квадратных метров на метр в кубе для тяжелых глин.Пористость почвы (другие общепринятые названия – скважность ипорозность) показывает отношение объема пустот в образце почвы к общемуобъему этого образца. Ее вводят для количественной характеристикипорового пространства:П0 =VpV=Vg + VwV= П + w,(1.6.5)где П0 – пористость сухого образца; V - объем образца почвы, м3; Vp - объемпор в образце, м3; Vg - объем воздуха в образце, м3; Vw - объем воды в57образце, м3; П – пористость влажного образца; w - объемная влажность,м3/м3.Пористость зависит от размеров почвенных частиц, и составляет дляпесчаных и супесчаных почв - 40-50%, для глинистых и суглинистых почв –50-60 %.Присоединенииэлементарныхпочвенныхчастицвагрегат,образуются поры.

Почвенные поры отличаются друг от друга размерами ипространственной конфигурацией. Различные почвы имеют различныестепениагрегатированности,поэтомувыделяютсяследующиетипыпористости: внутриагрегатная, межагрегатная, внеагрегатная [158, 161, 164,165, 168]. Почва состоит из отдельных агрегатов, пронизанных трещинами имежагрегатных пор. Отдельные агрегаты размерами >0,25 мм в свою очередьсостоят из микроагрегатов.

Отдельные почвенные частицы представлены впервоэлементов почвы - микроагрегатах первичных минералов, кварца,органических остатков, тонких глинистых минералов.Пористость связана с плотностью твердой фазы почвы (ρsf) и объемноймассой (ρ) соотношением:П = 1−ρ.ρ sf(1.6.6)На практике иногда используется величина равная отношению объемапор к объему минеральной части почвы – приведенная пористость(коэффициент пористости):kП =V g + VwVsf,(1.6.7)где kп - коэффициент пористости; Vp - объем пор; Vsf - объем твердой фазыпочвы.Таким образом, согласно условиям (см.

с. 38), предъявляемым кчисловым характеристикам сложных систем, в оценочный базис входят какнеизменные (стабильные) параметры – плотность твердой фазы и удельнаяповерхность, так и изменяющиеся со временем – влажность и пористость.58Этот набор величин зависит от процессов функционирования системы,просто вычисляется исходя из описания, дает разноплановую информацию опараметрах системы и допускает проведение экспериментальной оценки.Поэтому для адекватного описания характеристик почвенного профилянеобходим поиск такого набора переменных (из ряда перечисленныхвеличин), для которого описание характеристик было бы полным.1.6.2. Учет функции влагопроводности, липкости, сил трения итвердости почвы при анализе результатов глубокого рыхления,фрезерования и плантажаНа интенсивность впитывания воды при орошении сильное влияниеоказывает наличие на некоторой глубине уплотненного слоя почвы (плужнаяподошва).Поэтомукчислуактуальнымиявляютсянаправленияисследований по решению проблемы снижения энергоэффективностимелиоративных агротехнических операций, связанных с воздействием наглубокие подпахотные горизонты (плантаж, разуплотнение и рекультивация),поскольку энергоёмкость при глубокой обработке почв и грунтов,достаточно высока.

Обоснование влажности почвогрунта, при которойнеобходимо проводить операции, и скорости движения агрегатов можноосуществлять с учетом зависимостей липкости и силы трения от влажности,пористости и удельной поверхности почвы.Для некоторых свойств почв в данной работе зависимости неизучались. Поэтому для исключения различного рода неопределенностей посодержанию материала, сначала коротко перечислим и опишем тетехнологические свойства почвы, моделирование которых, на наш взгляд, неявляется необходимым для обозначенных целей исследования [26, 27, 166,167]:Пластичность - свойство почвы деформироваться и сохранятьдеформацию после снятия нагрузки без распадения на части и образования59трещин. Поскольку пластичность преимущественно зависит от влажности имеханического состава почвы, то умения определять характерные значениявлажности достаточно и без моделирования самого свойства.

Верхний пределпластичности или нижний предел текучести (по Аттербергу) - влажностьпочвы, при которой она расплывается от небольшого сотрясения (будучипомещенной в фарфоровую чашку и разделенной на две половины шпателем,при ударе о чашку вновь сливается). Нижний пределом пластичности –влажность, прикоторой почвенный шарика диаметром 1 см прираскатывании в шнур диаметром 3 мм начинает крошиться. Числопластичности определяется разностью между влажностями почвы приверхнем пределе пластичности и нижнем пределе пластичности: wп = wв – wн.Песок непластичен. Для почв различного механического состава числопластичности меняется в пределах: супесь - 1÷7, суглинок - 7÷17, глина более 17.Упругость – свойство почвы восстанавливать свою форму послеснятия внешней нагрузки. Упругость почвы зависит главным образом отмеханического состава, влажности и задерненности. Относительное значениеупругих деформаций может колебаться от 30 до 80% и более.Вязкость – свойство почвы деформироваться во времени как поддействием нагрузки, так и без нее.

Величина деформации зависит отпродолжительности действие нагрузки. При рассмотрении большинстваопераций по сельскохозяйственной обработке почв можно пренебречьвязкими деформациями, поскольку продолжительность действия нагрузки непревышает долей секунды.Хрупкость - свойство, обычно противопоставляемое вязкости. Ухрупких тел предел прочности не превышает предела упругости, то есть вхрупком теле пластические деформации отсутствуют. Например, пересохшиепочвы становятся хрупкими и при разрушении практически не имеютостаточных деформаций.

Определенное влияние на характер деформациипочвы оказывает и скорость воздействия. При увеличении скорости почва60будет проявлять более хрупкий вид разрушения, так как для развития вязкихдеформаций необходимо значительное время, а оно будет сокращаться.Описанные свойства существенно меняются при изменении тех илииных параметров почвы. Они или утрачиваются или меняются соотношениямежду ними (например, при высыхании утрачиваются пластичность ивязкость, а хрупкость появляется). Поэтому почвы, в зависимости отвлажности, описываются разными реологическими моделями [53, 54, 79,131]. Подробное исследование связи гидрофизических свойств почв среологическими моделями приведено в п.2.2.6 «Изучение связи ОГХ среологическими моделями».Теперь рассмотрим те свойства, моделирование которых, на нашвзгляд, необходимо для обозначенных целей исследования, поскольку кромефизических свойств почвы важно иметь информацию о таких еехарактеристиках, влияющих на функционирования почвообрабатывающихмашин и орудий как твердость, фрикционные свойства, липкость, а такжефункции влагопроводности.Липкостью почвы называют свойство ее частиц склеиваться иприлипать к различным телам.

Кроме сопротивления отрыву находящихся вконтакте с почвой тел (колес, гусениц и т. д.) липкость проявляется черездополнительное сопротивление при скольжении почвы по поверхностирабочих органов. Поскольку с липкостью связана физическая спелостьпочвы, то есть такое значение влажности, при котором почва хорошокрошится, не прилипая к орудиям обработки, она является одним изважнейшихфакторов,определяющихусловияфункционированияпочвообрабатывающих машин и орудий.Количественной характеристикой липкости является усилие (частовыраженное в Н/см2 или г/см2), требующееся для отрыва прилипшегопредмета от почвы при различных ее влажностях.

Липкость почвы наиболееполно характеризуют три показателя: максимальное значение липкости Lmax,соответствующая ей wmax - влажность максимального прилипания и w0 -61влажность начального прилипания [213, 220]. По мере увлажнения почвылипкость повышается, а затем начинает уменьшаться (рисунок 1.7).LmaxLw0wmaxwРисунок 1.7 – Характерный вид зависимости липкости от влажностиКак видно из рисунка 1.6, липкость не проявляется ниже w0 – значениявлажности, отражающей равновесие давлений в «пленочном» и «манжетном»состояниях. Эта же влажность кроме начального проявления липкостисоответствуетразрывукапилляров,нижнемупределупластичности,оптимальному агрегированию частиц и микроагрегатов, т.е.

влажностиоптимальной для механической обработки почвы.Значениелипкостиопределяютсягранулометрическимиминералогическим составами почв, содержанием обменных катионов,состоянием почвы (влажностью, плотностью, структурой и др.), материалом,из которого состоит прилипающий предмет, типом его поверхности,значением нагрузки, прижимающей поверхность рабочего органа к почве, ирядом других факторов. Поэтому значения липкости должны функциональнозависеть от влажности, удельной поверхности, пористости и температурыпочв.

При анализе научной литературы по данной тематике такихзависимостей не найдено.Фрикционные свойства почвы проявляются при ее скольженииотносительно тела, которое находится с ней в контакте (внешнее трение), илискольжениячастицсоставляющихпочвуотносительнодругдруга62(внутреннее трение). Они оказывают существенное влияние на процессымеханической обработки почвы в агромелиоративных и культуртехническихмероприятиях (плантаж, глубокое рыхление, фрезерование) поскольку наработу по преодолению сил трения затрачивается от 30 до 50% энергии МТА[188, 190, 191].fcf maxabdw0wmaxΠ0wРисунок 1.8 – Характерный вид зависимости f от влажностиСледовательно, содержание влаги в почве является одним из ключевыхфакторов, определяющих ее фрикционные свойства [229].Как видно из рисунка 1.8 возрастание коэффициента трения f научастке bс объясняется появлением и возрастанием липкости и силмолекулярного притяжения почвенных частиц к поверхности металла.