Материал: 1010-pochvovedenie-2013-7

Таблица 1. Значения постоянной А для основных ти пов почв Чувашской Республики

ность и неявно отражающая гранулометрический состав функция D(w, Π0).

Теперь расчетная формула для зависимости потенциала влаги от объемной влажности – ос новной гидрофизической характеристики – мо жет быть записана в виде:

Для эквивалентного давления зависимость имеет вид:

Поскольку постоянная А, входящая в уравне ние ОГХ, меняется в широких пределах в зависи мости от типа почв (5 × 10–22–5 × 10–18 Дж) [2], возникает некоторая неопределенность при по строении кривых ОГХ.

Полученное нами выражение для оценки зна чения постоянной А выглядит следующим обра зом [1]:

3

A = σlg w02 , (24)

Ω0

Вакууметр

Кран

Почва

Рис. 3. Схема устройства для определения пористости. Обозначения: 1, 2 – первый и второй сосуды.

где w0 – влажность, при которой происходит раз рыв капиллярных пленок.

Значения постоянной А, вычисленные по формуле (24), согласуются с данными Дерягина. Однако если построение ОГХ идет в разрезе ПТФ [8, 10, 11], то вполне целесообразно использо вать функционально параметрический регрес сионный подход к определению А, как парамет ра для точного согласования значений почвен но гидрологических констант (критических влагосодержаний) при определенных значениях потенциалов.

Преимуществом использования аналитиче ского выражения ОГХ является возможность ма тематического исследования как логарифма, так и самой функции. Это существенно уменьшает ошибки, возникающие от того, что часто аппрок симируется не сам потенциал почвенной влаги, а его десятичный логарифм.

На практике после рассмотрения идеализиро ванной модели и задания зависимости D(w, Π0) проводятся эксперименты, в результате которых определяются пористость, влажность, константа А, время протекания заданного объема воздуха через образец при заданном перепаде давления. Затем строится график. Использование практи чески любых современных пакетов аналитиче ских вычислений или электронных таблиц позво ляет достаточно оперативно строить графики ОГХ.

Измерение гидрофизических параметров образ цов почвы проводилось с помощью устройств, раз работанных при Чувашской ГСХА. Использован пробоотборник, минимально деформирующий почву, что дает возможность получить образец практически ненарушенного сложения. Кассета пробоотборника имеет относительно большие раз меры (диаметр 80 мм и высоту 100 мм) для уменьше ния влияния пристенного уплотнения.

Для расчета пористости использовался метод, основанный на расширении порового воздуха в область с пониженным давлением. Принципи альная схема устройства для определения пори стости представлена на рис. 3.

Взятый пробоотборником образец почвы из

вестного объема Vпочвы помещают в сосуд 1 объе мом V1, который может быть соединен через кра

ны с вакуумметром, атмосферой или вакуумным насосом. С другой стороны вакуумметр через кран соединен с другим сосудом 2 известного объема V2, который, в свою очередь, может быть соединен с атмосферой или вакуумным насосом. Оба сосуда герметичны. Если при отсеченном кранами сосуде 1 с образцами задать в сосуде 2 разрежение р2, в то время как в сосуде 1 и порах образца давление р1 равно атмосферному, а затем соединить оба сосуда, то произойдет расширение

воздуха из сосуда 1 и пор образца в сосуд 2 и уста новится общее для системы давление р, по кото рому можно определить объем пор в почве и вы числить пористость.

После определения пористости этот же обра зец почвы используется для определения удель ной поверхности почвы в аэродинамическом пер миметре (рис. 4).

В резервуар 1 заливается вода, после чего он герметично закрывается завинчивающейся крышкой 2. Для слива воды предназначен кран 3. Мерный стакан 4 позволяет контролировать объ ем сливаемой воды V, а секундомер 5 – время ее истечения t. Воздух в надводной части резервуара сообщается с атмосферой через трубку 6, свобод ный конец которой соединен с камерой 7, в кото рой между крупнопористыми мембранами распо лагается образец почвы. При возникновении на концах камеры перепада давлений р начинается

всасывание воздуха. Для измерения перепада дав лений р используется манометр 8, представляю щий собой U образную стеклянную трубку с под крашенной водой. Одно колено манометра сооб щается через трубку 6 с воздухом в резервуаре, а другое (открытое) – с атмосферой. Уровни воды в коленах манометра h1 и h2 измеряются с помощью шкалы 9.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Одним из инструментальных экспресс мето дов оценки водоудерживающей способности почв является центрифугирование – использова ние центробежного поля для удаления влаги. Этот метод отличается простотой в использова нии и точностью [5]. Поэтому эксперименталь ные данные, полученные центрифугированием, были использованы для проверки адекватности

предложенной нами модели. На графиках (рис. 5) вместе с ОГХ почв построенных по уравнению (22) представлены данные, полученные при центри фугировании.

Результаты проверки степени соответствия кривых ОГХ построенных по уравнению (22) экс периментальным данным с помощью χ2 теста представлены в табл. 2. Соответствующее 95% уровню надежности критическое значение со ставляет χ2 = 3.2551.

Данные табл. 2 показывают, что различия меж ду экспериментальными данными и построенны ми ОГХ недостоверны. При выбранном уровне надежности критическое значение χ2 превышает наблюдаемые значения во всех рассмотренных случаях. Значит, экспериментальные данные от ражены адекватно.

ВЫВОДЫ

1. Реализована возможность экспрессного по строения основной гидрофизической характери стики аэродинамическим методом на базе идеа лизированных моделей почвы. Предложенные для этого выражения являются своего рода аль тернативой, позволяющей использовать преиму

4.Скворцова Е.Б., Уткаева В.Ф. Строение порового пространства как геометрический показатель поч венной структуры // Почвоведение. 2008. № 11. С. 1354–1361.

5.Смагин А.В. Колоночно центрифужный метод определения основной гидрофизической характе ристики почв и дисперсных грунтов // Почвоведе ние. 2012. № 4. С. 470–478.

6.Теории и методы физики почв. Коллективная мо нография / Под ред. Е.В. Шеина и Л.О. Карпачев ского. М.: Гриф и К, 2007. 616 с.

7.Шеин Е.В. Гранулометрический состав почв: про блемы методов исследования, интерпретации ре зультатов и классификаций // Почвоведение. 2009. № 3. С. 309–317.

8.Deinert M.R., Dathe A., Parlange J.=Y. et al. Capillary pressure in a porous medium with distinct pore surface and pore volume fractal dimensions // Physical Review. 2008. V. 77.

9.Development of pedotransfer function in soil hydrology / Ed. by Ya. Pachepsky, W.J. Rawls. Developments in Soil Science. 2004. V. 30. 512 p.

10.Seki K. SWRC fit – a nonlinear fitting program with a water retention curve for soils having unimodal and bi modal pore structure // Hydrol. Earth Syst. Sci. Dis cuss. 2007. V. 4(1). P. 407–437.

11.Vogel T., van Genuchten M.T., Cislerova M. Effect of the shape of the soil hydraulic functions near saturation on variably saturated flow predictions // Adv. Water Res. 2000. V. 24(2). P. 133–144, 420.

ВВЕДЕНИЕ

Антропогенные воздействия на почву оказы вают существенное влияние на ее физические свойства. Современные технологии возделыва ния сельскохозяйственных культур требуют мно гократных проходов по полю мобильной сельско хозяйственной техники. При возделывании зер новых культур 65–80% площади поля испытывает воздействие ходовых систем машин от 1 до 6 раз. Переуплотнение почв в результате воздействия ходовых систем тракторов и других мобильных машин вызывает ухудшение агрофизических свойств почв, снижение их плодородия и урожай ности сельскохозяйственных культур [22].

Результаты воздействий ходовых систем мо бильной сельскохозяйственной техники на плот ность ρ и плодородие почв выявлены в работах целого ряда ученых [3, 4, 9–12, 16–19, 22–29]. Для решения практических задач весьма важно нахо дить зависимости между внешними нагрузками и соответствующими им деформациями почв с уче том фактора времени, то есть с учетом реологиче ских свойств почв. Математическое моделирова ние процессов деформирования и уплотнения

почв, основанное на результатах исследований их реологических свойств, позволит разработать эф фективные меры защиты почв от вредных воздей ствий работающих на полях машин [8–14].

При влажностях w почвы, меньших ее полной влагоемкости, и при сжимающих напряжениях σ, меньших предела ее прочности σпр, почва под действием нагрузки уплотняется и упрочняется. Неуплотненные почвы при таких w и σ обладают вязкоупругими свойствами [6, 7, 10–13, 16–20, 22, 24].

Работа на полях тракторов и сельскохозяй ственных машин сопровождается их колебания ми. Колебания тракторов и другой мобильной сельскохозяйственной техники при выполнении полевых работ приводят к ухудшению плодоро дия почв вследствие увеличения уплотняющего воздействия на почву [5]. Необходимо разрабаты вать и широко использовать меры, способствую щие повышению плавности хода машин. Колеба ния тракторов исследовались многими авторами [2, 25, 27], однако до сих пор они изучены не пол ностью. Мало исследовано влияние колебаний машин на уплотнение почв.

Цели данной работы состояли в следующем:

1)выполнить математическое моделирование процесса воздействия на почву динамических на грузок при вертикальных колебаниях работающе го на уплотняющейся почве колесного трактора;

2)разработать на основе результатов, полученных нами ранее [7, 9–10, 15–17, 19], метод расчета по казателей уплотнения почвы при работе тракто ра, учитывающий влияние его колебаний на ис следуемые показатели. В задачи исследования входило также выявление влияния на изменение реологических свойств и плотности почвы скоро сти деформирования почвы при проходе трактора с учетом его колебаний, влажности почвы, верти кальных динамических нагрузок на почву.

ОБЪЕКТ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ

Экспериментальные исследования реологиче ских свойств почвы, результатов воздействия на почву динамических нагрузок и колебаний колес ного трактора при его работе, уплотнения почвы при проходах трактора проведены на поле опыт ного хозяйства РГАУ–МСХА им. К.А. Тимирязе ва. Некоторые свойства почвы определены в Ис пытательном центре почвенно экологических исследований РГАУ–МСХА. Выявлено, что поч ва на этом поле супесчаная дерново подзолистая. Содержание частиц размером 1–0.25, 0.25–0.05, 0.05–0.01 и <0.01 мм составляет соответственно 30.4; 31.12; 26.88 и 11.60%; содержание органиче ского вещества – 5.2%, показатель pH солевой вытяжки равен 6.5 единиц.

Экспериментальные данные о реологических свойствах почвы, закономерностях ее уплотне ния и влиянии колебаний трактора на уплотне ние почвы получены при качении эластичных тракторных колес.

На экспериментальном поле в каждой из пяти серий опытов выполнено по шесть последова тельных проходов по одному и тому же следу трактора МТЗ 82 на постоянном пути S = 30 м. Тяговую нагрузку на МТЗ 82 создавал сцеплен ный с ним трактор Т 25А, которым управлял вто рой тракторист. Для раздельной оценки уплотне ния почвы передние колеса с шинами 11.2–20 и задние колеса с шинами 13.6–38 трактора МТЗ 82 были расставлены на разную колею (Т 25А дви гался по колее, отличной от следов переднего трактора).

РЕЗУЛЬТАТЫ ТЕОРЕТИЧЕСКОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ВЕРТИКАЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ ОСЕЙ КОЛЕСНОГО ТРАКТОРА НА ОСАДКУ ПОЧВЫ

Рассмотрим работу машинно тракторного аг регата (МТА), состоящего из колесного трактора с полужесткой подвеской и агрегатируемой им машины на уплотняющейся связной вязкоупру гой почве. Эластичные тракторные колеса при качении по почве деформируются как практиче ски упругие [20]. Скорость v агрегата при одном проходе по почве примем постоянной, поверх ность почвы – горизонтальной. Угловые скоро сти ω1 передних и ω2 задних колес трактора также постоянны. Коэффициенты буксования колес трактора равны δj = 1 – vωj R j (здесь и далее для переднего колеса j = 1, а для заднего – j = 2). Ли нию контакта каждого упругого колеса с почвой ап проксимируем дугой окружности условного жест кого колеса, имеющего приведенный радиус Rпрj ;

его угловая скорость равна ωпрj . Жесткое колесо радиуса Rпрj оказывает на почву такое же резуль тирующее деформирующее воздействие, как эла стичное радиусом Rj.

При полужесткой подвеске задние колеса трактора не подрессорены [27]. Пусть МТА рабо тает на уплотняющейся почве. Введем связанные с передним и задним колесами трактора направ ленные вертикально вниз оси координат x1 и x2, расположив начало каждой из осей на опорной поверхности. Обозначим через x1 и x2 вертикаль ные отклонения от положения равновесия при колебаниях соответственно передней и задней осей трактора.

Передняя подвеска представляет собой упру гий элемент с приведенной жесткостью cпр =

= cрc1 (cр + c1 ) , где сp – жесткость рессоры; c1 = = G1/f1 – жесткость шины переднего колеса (здесь

G1 и f1 – вертикальная нагрузка на ось переднего колеса и вертикальное перемещение его оси [27]).

Для нахождения колебаний x1 и x2 передней и задней осей трактора, воспользовавшись прин ципом Даламбера, составим систему дифферен циальных уравнений:

где c2 = G2/f2 – жесткость шины заднего колеса; G2 – вертикальная динамическая нагрузка на его ось; f2 – вертикальное перемещение этой оси; mj – подрессоренные части массы трактора, приходя щиеся соответственно на его переднюю и заднюю полуоси; aj – амплитуды колебаний вертикаль