Лекция 1.2. Основные сведения о почве, физико-механические свойства почвы

1.2.1. Образование грунтов и почв

Верхний слой земной коры, мощность которого часто достигает нескольких сотен метров, представляет собой кору выветривания, возникшую в результате протекания разнообразных процессов выветривания, изменяющих состав и свойства горных пород.

Выветривание – это процесс разрушения и изменения горных пород, вышедших в поверхностные слои. Оно протекает под воздействием различных факторов (агентов): солнечного тепла, кислорода, углекислого газа, осадков и живых организмов. Выделяют три типа выветривания: физическое, химическое и биологическое.

Физическое – основной фактор резкие суточные и сезонные перепады температуры в наружных слоях горной породы, которые порождают температурные напряжения. Этот процесс называют термическим выветриванием, и при диаметре частиц менее 0,01мм оно перестаёт проявляться. В образовавшиеся от температурных напряжений трещины попадает атмосферная влага, которая углубляет и расширяет их под действием капиллярных сил. Из-за физического выветривания горная порода разрушается на обломки различной величины, которые становятся объектом действия других агентов.

Химическое – главнейшие факторы вода, кислород и углекислый газ. Изменяется химический состав, и образуются новые минералы, растворяются в воде минералы и горные породы, возрастает площадь соприкосновения и усиливается процесс химического выветривания.

Биологическое – механическое разрушение и химическое изменение породы, осуществляемое под воздействием живых организмов и их выделений. Корни растений развивают давление 6-10мПа и разрушают прочные породы. Выделяющиеся в окружающую среду живыми организмами кислород, углекислый газ и органические кислоты усиливают процесс химического выветривания. При разложении отмерших организмов в почве образуются и гумусовые кислоты. Кроме того, микробы и низшие растения обогащают верхние слои горной породы органическим веществом и питательными элементами, которые в породе находятся в весьма рассеянном состоянии. Они подготавливают породу для заселения её высшими растениями и знаменуют собой начало почвообразовательного процесса.

В теории мобильных машин используют такие термины, как «грунт», «почва», и «фон».

Грунт – это обобщённое наименование горных пород в строительном деле, а также в инженерной геологии. Различают скальные и рыхлые грунты. К рыхлым грунтам относятся песчаные и глинистые.

Почва – это поверхностный слой земной коры, покрытый растительностью и обладающий плодородием. Почва состоит из неживой (твёрдой, жидкой и газообразной) и живой частей. Включение в понятие «почва» живой части придаёт ей качественное отличие от понятия «грунт». Это означает, что при выполнении механизированных работ в первую очередь должна быть проявлена забота об экологии, заключающаяся в стремлении сохранить живую часть почвы и её плодородие. При изучении сельскохозяйственных тракторов логично пользоваться термином «почва», а не термином «грунт», используемым в теории мобильных машин промышленного и специального назначения, такие как промышленные тракторы и автомобили.

Фон – это верхний слой грунта или почвы, содержащий корни растений и органические отложения. К естественным фонам относятся целина, залежные земли и т.п. В процессе обработки получают новые виды фонов: стерня; поле, подготовленное под посев и т.д.

1.2.2. Механический состав почвы

В процессе выветривания горная порода превращается в рыхлую массу, состоящую из частиц различной величины. Эти частицы называются механическими элементами.

Механические элементы разделяются по их крупности, что и положено в основу их классификации. Все механические элементы размером более 0,01мм называются физическим песком, а менее 0,01мм – физической глиной.

Различные фракции механических элементов имеют неодинаковые свойства. Каменистая фракция (>3мм) состоит из обломков пород и минералов, не обладает связностью, капиллярность и влагоёмкость почти отсутствуют, водопроницаемость очень высокая.

Илистая фракция (0,001-0,0001мм) состоит из первичных и вторичных минералов. В ней содержится большое количество зольных элементов пищи растений, а также гумус. Она отличается высокой связностью, пластичностью и влагоёмкостью.

Механический состав определяется содержанием в почве отдельных фракций механических элементов, выраженных в процентах веса абсолютно сухой почвы.

В зависимости от механического состава различают: глинистый грунт, суглинок, супесок и песок.

В зависимости от величины сопротивления, оказываемого сельскохозяйственным орудиям при обработке, почвы подразделяются на лёгкие и тяжёлые.

Лёгкие – песчаные и супесчаные имеют невысокую связность и легко поддаются обработке. Они быстро впитывают влагу, хорошо аэрируемы и быстро прогреваются весной.

Тяжёлые – глинистые и суглинистые обладают высокой связностью, оказывают большое сопротивление почвообрабатывающим орудиям, их обработка требует больших тяговых усилий. Эти почвы хорошо удерживают влагу и элементы питания растений, но имеют плохой газообмен и низкую водопроницаемость.

1.2.3. Физико-механические свойства почвы, их измерители и способы их определения

Структура и механический состав почвы определяют тип почвы и её физико-механические свойства, такие как плотность, которая зависит от органического и минерального состава почвы и определяется главным образом культурой земледелия, влажность и твёрдость, которые зависят от внешних факторов и способности почвы пропускать через себя или задерживать воду.

Для оценки физико-механических свойств почвы вводятся следующие измерители (параметры):

- удельный вес почвы – это отношение веса её твёрдой фазы к весу воды в том же объёме при 4 град. С;

- объёмный вес скелета – это вес 1см³ абсолютно сухой почвы в граммах при естественном сложении;

- водопроницаемость – способность почвы впитывать и фильтровать через себя воду;

- влажность почвы – это отношение веса содержащейся воды в почве к сумме её абсолютно сухого веса и веса воды в ней, выраженное в процентах;

- твёрдость почвы – это есть сопротивление её вертикально приложенной силе при разрезании, расклинивании или сдавливании.

Первые два параметра характеризуют плотность почвы при её естественном сложении. Иногда под понятием плотность почвы подразумевают твёрдость почвы, что не совсем верно.

Влажность почвы зависит от количества выпадающих осадков, интенсивности потребления воды растениями и температуры воздуха. Данное выше определение влажности почвы по сути своей является абсолютной влажностью. Её иногда выражают и другими способами (например, в процентах к объёму почвы, в миллиметрах водного столба, в тоннах и м³ на 1га и др.)

Абсолютную влажность определяют различными способами, которые можно разделить на 2-е основные группы: методы сушки и химические методы. Кроме того в полевых условиях влажность почвы определяют на ощупь.

К методам сушки относятся: метод горячей сушки, сушка инфракрасными лучами, метод горящего спирта, метод холодной сушки и др.

Наиболее доступным и распространённым является метод горячей сушки. Сущность этого метода заключается в следующем. Пробу с почвой вместе со стаканчиком взвешивают до сушки дважды с целью контроля. Затем сушат в специальных термостатах при температуре 100-105 градусах, а песчаные и супесчаные почвы можно при температуре 150-160 градусах. Время сушки зависит от степени влажности. После сушки пробу взвешивают и абсолютную влажность определяют по формуле:

,

где - количество воды, определённое по разности весов до и после сушки;

- вес абсолютно сухой почвы, который определяют по разности весов пробы после сушки и веса стаканчика.

Метод сушки инфракрасными лучами сокращает время сушки, а метод горящего спирта используют для сушки теплом горящего спирта, которым заливают пробу.

Метод холодной сушки основан на использовании адсорбентов (СаСl₂, Н₂SО₄, Р₂О₅) и является наиболее точным.

Все химические методы основаны на химическом взаимодействии реагентов с водой и по количеству выделенного продукта разложения определяют абсолютную влажность по соответствующим градуировочным таблицам и графикам.

Кроме понятия абсолютной влажности вводится понятие относительной влажности. Для определения относительной влажности почвы определяют общую влагоёмкость. Общая влагоёмкость (ОВ) – это абсолютная влажность почвы в состоянии полного насыщения, когда отток воды из почвы происходит под действием гравитационных сил.

Относительная влажность почвы определяется по формуле:

.

Твёрдость почвы оказывает влияние на агротехнические свойства и на тяговое сопротивление трактора при её обработке. Кроме того чем больше твёрдость, тем меньше сопротивление движению при перекатывании.

Твёрдость почвы выражают в мПа, а приборы, которыми измеряется твёрдость почвы, называют почвенными твердомерами. В настоящее время наибольшее распространение получил твердомер ВИСХОМа, в основу работы которого положен принцип сжатия пружины под влиянием сопротивления, оказываемого почвой погруженному плунжеру. С помощью такого твердомера можно определить твёрдость почвы по всей глубине до 30см.

1.2.4. Деформация почвы. Сопротивление почвы сжатию

При воздействии на почву ходовых органов движущихся машин она подвергается сжатию и сдвигу в разных направлениях. В результате этого в ней возникают поля нормальных и касательных напряжений, распространяющихся в глубину и в разные стороны от места приложения нагрузки. От способности почвы выдерживать указанные нагрузки зависят глубина колеи, образуемой движущимися колёсами или гусеницами, величина сопротивления качению и сила сцепления ведущих органов с почвой.

Многочисленными опытами установлено, что сопротивление почвы сжатию меняется с изменением глубины h, её осадки.

Представленная зависимость показывает, что при некотором значении удельного давления на грунт равного _, почва «теряет» механическую прочность. Сцепление между отдельными частицами почвы становится меньше напряжения сдвига и уплотнение прекращается. Почва выпирает в стороны и начинает «течь» практически без дальнейшего увеличения давления.

Основными характеристиками сопротивления сжатию почвы являются коэффициент объёмного сжатия почвы , мПа и предельная несущая способность почвы , устанавливающая величину удельного давления, при которой осадка почвы растёт без увеличения нагрузки.

1.2.5. Сопротивление почвы сдвигу. Сцепление и внутреннее трение в почве. Взаимосвязь между нормальными и касательными напряжениями

Сдвигом почвы называется образование в ней под действием касательных сил плоскости скольжения. Сопротивление сдвигу почвы обусловлено силами сцепления и силами внутреннего трения между частицами почвы.

Сцепление и внутреннее трение зависят от механического и структурного состава почвы, наличия гумуса и почвенных минералов. На сцепление и внутреннее трение сильное влияние оказывает влажность почвы. С увеличением плотности почвы сцепление и внутреннее трение увеличиваются, а с увеличением влажности – они, наоборот, уменьшаются.

Сопротивление почвы сдвигу имеет большое теоретическое и практическое значение в механике почвы, так как большая часть энергии, например при пахоте, расходуется на деформацию сдвига. От величины сопротивления почвы сдвигу зависит энергоотдача трактора при движении его по полю. Чем больше сопротивление почвы сдвигу, тем больше её сопротивление почвозацепам гусеничных и колёсных тракторов и тем больше трактор отдаёт энергии на крюк. Величина сопротивления почвы сдвигу колеблется от 0,05 до 0,5мПа, а иногда и до 1,0мПа.

Источником создания толкающей реакции трактора являются касательные напряжения сдвига, которые в значительной степени зависят от удельного давления на почву или от нормальных реакций, возникающих при деформации сжатия почвы. Зависимость между касательными и нормальными напряжениями в почве представлена на рисунке 2.

Из рисунка видно, что с ростом удельного давления на почву увеличивается касательная сила тяги, а, следовательно, и толкающая реакция трактора. Однако пределы повышения касательных напряжений сдвига и касательной силы тяги зависят от сопротивления почвы сжатию (см. рис. 1). Следовательно, удельное давление на почву ходовых органов тракторов необходимо выбирать с учётом несущей способности почвы.

Сопротивление почвы сжатию и сдвигу зависят от её механической прочности, которая в значительной мере определяется твёрдостью и влажностью почвы. Влияние механического состава почвы на тягово-сцепные свойства трактора отражает следующий пример: один и тот же трактор на глинистой почве может развивать тяговое усилие в 2…3 раза больше, чем на грунтах органического происхождения.