Диссертация (1151678), страница 24
Текст из файла (страница 24)
Чувствительность определения уплотненного состоянияпочв по измерениям коэффициента фильтрации возрастает с увеличениемплотности. Если для неуплотненных почв чувствительность выше в 3,5-4раза, то для уплотненных примерно в 6-8 раз.В таблице 3.2 представлены данные исследований для основных типов164почв распространенных в Чувашской Республике.Таблица 3.2 – Оценка уплотненного состояния почв (сравнительная)2ПочваДерновоподзолистаяСветло сераялеснаяТемно сераялеснаяЧерноземвыщелоченный3δК/δρΩ, м /гρsf , г/мρ=1,3г/м3ρ=1,5г/м3ρ=1,7г/м3ρ=1,9г/м331,472,593,544,004,856,9646,282,643,694,185,657,5066,642,663,714,565,617,3392,082,764,755,596,738,383.3.2. Определение уплотнений в тонких почвенных слояхНаличие уплотненного слоя в почве оказывает существенное влияниена скорость впитывания воды и образование поверхностного стока.Использованиевкачествеиндикаторауплотнениякоэффициентафильтрации, а не плотности почвы, позволяет изучать непосредственно самипрофили, имеет большую информативность и точность.Ряд сельскохозяйственных культур имеет глубоко проникающие впочву плоды.
Если при развитии они наталкиваются уплотнения в почвенномслое, то их рост может приостановиться [134, 178, 271].Исследование динамики уплотненного состояния в зависимости отглубины идет путем вычислений коэффициентов фильтрации в достаточнотонких почвенных слоях [9, 10, 11]. Для их определения решается системауравнений, в каждом из которых «тонкие» почвенные слои вносят свойаддитивный вклад. Анализ распределения коэффициента фильтрации поглубине, позволяет точнее, чем по измерениям объемной массы почвы,локализоватьуплотнениеи,следовательно,повыситьэффективностьмероприятий по борьбе с уплотнением почв [209].Для исследования динамики уплотненного состояния в зависимости отглубинынеобходимоэкспериментальноопределятькоэффициент165фильтрации в достаточно тонких почвенных слоях с непосредственнымучетом изменения влажности почвы.
Образцы почвы отбирались с помощьюбура-пробоотборника,которыйпозволяетполучитьобразцыпочвсразличной глубины при минимальной деформации. Рабочая часть бура(кассета) представляет собой полый заостренный снизу цилиндрическийстакан высотой 2 см или 20 см, который расположен в режущем устройстве(рисунок 3.13).Рисунок 3.13 – Варианты расположения кассеты (заштрихована) с образцомИсследование динамики уплотненного состояния почвы в зависимостиот глубины проводится путем измерения коэффициента фильтрации 20-тисантиметрового слоя почвы. Далее решается система уравнений, в каждом изкоторых «тонкие» почвенные слои толщиной 2 см вносят свой аддитивныйвклад в 20 см слой. При протекании газа через почву имеют место потериэнергии газового потока в каждом слое.
Поэтому измеренная для почвывеличина K1−1 может быть представлена в виде суммы величин обратныхкоэффициентам фильтрации с 1-го по 10-й слой:k1−1 + k2−1 + ... + k10−1 = K1−1 ,(3.3.21)где ki−1 – вклад i-го слоя.Далее берутся образцы почвы с глубин соответствующих 2-11, 3-12 ит.д. слоям (рисунок 3.14). Для каждого случая определяется коэффициентфильтрации. Записав аналогично уравнения для глубины залегания слоев со1662-го по 11-й, с 3-го по 12-й и т.д. и объединив все уравнения, получаемсистему из (n-10) линейных уравнений, с n неизвестными. Для того чтобысистема имела единственное решение ее следует дополнить еще 10-юуравнениями. Влажность с глубиной в большинстве случаев увеличивается ина некоторой глубине становится возможным использование стаканавысотой в 2 см, поскольку более плотная почва в нем удерживается.1 - й слой2 - й слойh(n - 1) - й слойn - й слойРисунок 3.14 – Порядок взятия образцов для определения коэффициентафильтрацииАналогично записав уравнения для глубины залегания слоев со 2-го по11-й, с 3-го по 12-й и т.д.
составим систему (n-10) уравнений, с nнеизвестными. Для того чтобы система имела единственное решение еенеобходимо дополнить еще 10-ю уравнениями. Более высокие значениявлажностииплотностипочвыпозволяютопределитькоэффициентфильтрации для одного слоя, используя стакан высотой в 2 см. Этодостаточно тяжело сделать для более сухих и менее плотных верхних слоев,так как образцы почвы рассыпаются. Определив еще 10 значений, получаемсистему уравнений:167⎧ k1−+1i + k2−+1i + ...
+ k10−1+ i = K1−+1i ,⎨ −1−1⎩ kn −10 + i = K n −10 + i ,(3.3.22)где i = 0...10. С помощью прикладных программ система решается каканалитически, так и численно.3.3.3. Исследование процессов уплотнения-разуплотненияУдельную объемную энергию деформации почвы вычисляют какотношению работы деформации Ад=Fh к объему деформированной почвыΔV=hS. Графики экспериментальных данных для Ад/ΔV=f(h) и Ад/ΔV=f(П)приведены на рисунке 3.15 и 3.16. Данные аппроксимированы наиболеесоответствующими природе процессов экспоненциальными линиями тренда.Кроме того, способность почвы сопротивляться смятию, можно определитьчерез значения твердости.
Но, как было показано ранее, более логичнымявляется использование коэффициента объемного смятия почвы (длялинейного участка твердограммы) t =dT.dhЕсли рассмотреть классически полученную с помощью твердомерадиаграмму твердости, то участок вблизи начала координат хорошоаппроксимируется экспонентой. Она при разложении в ряд Тейлора завычетом единицы (ekx-1=kx+k2x2/2+k3x3/6+…) имеет самый весомый линейныйчлен. Поэтому, разлагая аналогичным образом экспоненциальные регрессии,полученные для зависимости удельной объемной энергии деформации почвыот глубины, можно определить линейные члены разложения. Важнымфактом является то, что коэффициенты, полученные из различных типовэкспериментов коррелируют между собой.168глубина h (мм)35y = 10,498e0,0096x2R = 0,89020,0233xy = 1,4148e2R = 0,965303040506070803Удельная энергия деформации (кДж/м )Рисунок 3.15 – Компрессионные кривые(ряд 1: W=19%, П0=0,44; ряд 2: W=29%, П0=0,49)пористость П (в долях)0,45y = 0,4626e-0,0034xR2 = 0,9443y = 0,4522e-0,0045xR2 = 0,9890,35020406080Удельная энергия деформации (кДж/м3)Рисунок 3.16 – Зависимость пористости от удельной энергии деформации3.3.4.
Потенциал деформируемости почв и его определениеДля совокупной оценки таких мелиоративных мероприятий, какразуплотнениеирекультивациявведенопонятие-потенциалдеформируемости почв (патент RU 2528551). Сопротивление нагрузкам идругиепрочностныесвойствапочвизученынедостаточно–нетуниверсальных формул подходящих для широкого ряда почв в широкомдиапазоневлажностей.Естькачественныеданныеобуменьшении169сопртивления почв нагрузке с увеличением влажности и повышением ееструктурности. Удельное сопротивление почв глубокой вспашке и плантажуопределяется как отношение общего сопртивления к общей площадизахватываемой орудием почвы.
Количественная информация в большинствеслучаев представлена в виде регрессий описывающих зависимости удельногосопротивленияотвлажности,степениуплотнения,задернелости,механического состава почв.При уплотненной почве и слабом развитии корневой системы корни ибоковые подземные побеги неспособны эффективно раздвигать почву. Ранеебыло показано, что значения твердости в том виде, в каком они в настоящеевремяизмеряютсяииспользуются,представляютсобойтрудносопоставимые данные, которые сильно зависят от человеческого фактора итребуют устранения ряда существенных недостатков. Поскольку значениятвердости T представляют собой отношение силы Р необходимой дляпенетрации плунжера в почву к площади S поперечного сечения наконечникаT=Р/S, то через объем смятой почвы V= ha S можно определить коэффициентобъемногосмятияпочвы(ha–длиналинейногоучастка,Рa–соответствующая линейному участку сила):t=PdT= a .dh ha S(3.3.23)В связи с вышеперечисленным, после анализа результатов большогоколичества экспериментальных исследований, напрашивается вывод о том,что использование величины t=dT/dh является логичным и более строгофизически обоснованным, чем использование твердости почв.
Эта величинаопределяет коэффициент объемного смятия почвы и вычисляется напрямолинейном участке твердограммы вблизи начала координат [167]. Прималых деформациях впереди основания цилиндрического наконечникатвердомеранеуспеваетобразовыватьсяконусообразныйнаростизпереуплотненной почвы. Кроме того, при малой деформации мало влияниесил трения о боковую поверхность наконечника твердомера. Самым важным170преимуществом использования величины t=dT/dh является независимость еезначенийотскоростивнедрениянаконечникавпочву.Поэтомуиспользование t и получение зависимостей t (П, Ω, w) является весьмаважным моментом при изучении состояния почвы. Достаточно быстро ипросто измеряемый по диаграммам твердости коэффициент объемногосмятия почвы можно использовать для оценки смятия почвы при гораздоболее трудоемком построении компрессионных кривых рассмотренных в п.5.2.В большинстве исследований связанных с изучением твердости почвыдо и после обработки используется величина Pb, из которой не всегдавозможно точно рассчитать t=dT/dh.
Однако возможно связать продольную ипоперечную твердость через пористость и удельную поверхность. Прианализе данных экспериментальных исследований по определению связимежду продольной и поперечной твердостями почвы и получениюобобщенных кривых, возникла идея их «обезразмеривания» относительноудельной поверхности и пористости.
Если, составив комбинацию из величинwlPnΩmПk или wltnΩmПk (l, n, m, k – некоторые числа) и подобравопределенные значения n, m и k, построить обобщенные кривые дляwlPnΩmПk, то практически все они сольются в одну обобщенную кривую. Спомощью этой кривой можно получать различные зависимости t=dT/dh длялюбой почвы без непосредственного измерения твердости, по измерениямудельной поверхности твердой фазы и пористости.Относительнаяиспользованаприуниверсальностьразработкерассмотреннойтакогопочвенноговеличиныtпараметрахарактеризующего механическое воздействие в агромелиоративных икультуртехнических мероприятиях как потенциал деформируемости почв.Потенциал деформируемости почв представляет собой отношение энергии,затраченной на деформацию и массообменные процессы к единице массыпочвы в конкретных условиях ее залегания [164]:171⎛ EА ⎞ ⎛ EА ⎞ϕ = −⎜⎜ 1 − 1 ⎟⎟ + ⎜⎜ 2 − 2 ⎟⎟⎝ mn 3 mn1 ⎠ ⎝ mn 4 mn 2 ⎠ϕ1 =ϕ2 =À1Pa1ha1,=mn1 2ρ s (1 − Π1 )V1Å1 ( E1 '+ E1 ' ' )Vîá 1 σlg 1Ω o1 (1 − Π1 )==×2mn 3mn 3Π12,5ρV 1⎧ (Π1 − W1 ) 2,5 (Π1 − W1 )1,5⎫×⎨++ (Π1 − W1 ) 0,5 − arcth(Π1 − W1 ) 0,5 ⎬,53⎩⎭ϕ3 =ϕ4 =À2Pa 2 ha 2=,mn 2 2ρ s (1 − Π 2 )V2Å2 ( E2 '+ E2 ' ' )Vîá 2 σ lg 2 Ω o 2 (1 − Π 2 )×==2mn 4mn 4Π 22,5ρV 2⎧ (Π 2 − W2 ) 2,5 (Π 2 − W2 )1,5⎫×⎨++ (Π 2 − W2 ) 0,5 − arcth(Π 2 − W2 ) 0,5 ⎬,53⎩⎭(3.3.24)(3.3.25)(3.3.26)(3.3.27)(3.3.28)где А1, А2 – механическая энергия, затраченная соответственно надеформацию почвы при тестировании твердомером до и после ее обработки,Дж;mn1, mn2 – соответственно масса деформированной почвы при тестированиитвердомером до и после ее обработки, кг;Е1, Е2 – свободная энергия Гиббса, определяющая энергию связей междуподвижными почвенными частицами в образце почвы до и послевоздействия, Дж;mn3, mn4 – соответственно масса почвы в образце, взятом на тестируемомучастке до и после механической обработки в тех же точках, где участоктестируется твердомером, кг.Ра1, Ра2 – соответственно усилия, определяемые на участке прямойпропорциональности твердограммы Р = f(h) при тестировании участкатвердомером до и после механической обработки, Н;hа1, hа2 – соответственно глубины погружения цилиндрических наконечниковтвердомера, соответствующая величине Ра1 и Ра2, и определяемая также по172диаграмме Р = f(h), м;ρs - плотность твердой фазы почвы, кг/м3;П1, П2 – соответственно пористость почвы на тестируемом участке до и послемеханической обработки, в долях;V1, V2 – соответственно объемы почвы деформированные цилиндрическиминаконечниками твердомера на участке ОА прямой пропорциональностидиаграммы Р = f(h) и соответствующая значениям Ра1, Ра2, hа1, hа2, м3;σlg1, σlg2 – соответственно удельные свободные поверхностные энергии награнице раздела вода – воздух в образцах почвы, взятых на тестируемомучастке до и после механической обработки, Дж/м2;Ω01, Ω02 - соответственно удельные поверхности твердой фазы почвы,определенные на тестируемом участке до и после механической обработки,м2/м3;W1, W2 – соответственно объемные влажности почвы на тестируемом участкедо и после механической обработки, в долях;ρV1, ρV2 – соответственно объемные массы почвы на тестируемом участке дои после ее механической обработки, кг/м3.В формуле (3.3.24) противоположные знаки слагаемых Е1 и А1, а такжеЕ2 и А2 показывают, что энергия связей между подвижными почвеннымичастицами в образце почвы после воздействия на нее рабочих органоввозрастает, а работа, затрачиваемая на механическую деформацию почвыуменьшается.Измерение входящих в формулу физических величин таких как усилиена участке прямой пропорциональности диаграммы Р=f(h), глубинапогруженияцилиндрическогонаконечникатвердомерапроизводяттвердомером на тестируемом участке до и после механического воздействияна почву.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
