CC BY
11Б01: 10.15393/]2.аП.2020.5362
УДК 674.81
Статья
Исследование влияния температуры мёрзлого почвогрунта на его свойства
Рудов Сергей Евгеньевич
кандидат технических наук, старший преподаватель, Военная академия связи имени Маршала Советского Союза С. М. Будённого (Российская Федерация), [email protected]
Куницкая Ольга Анатольевна
доктор технических наук, профессор, Арктический государственный агротехнологический университет (Российская Федерация), [email protected]
Григорьев Игорь Владиславович
доктор технических наук, профессор, Арктический государственный агротехнологический университет (Российская Федерация), [email protected]
Получена: 16 сентября 2020 /Принята: 23 сентября 2020 / Опубликована: 29 сентября 2020
Аннотация: Установление закономерностей влияния температуры мёрзлых грунтов на их физико-механические свойства позволяет произвести более точные оценки параметров процесса взаимодействия лесных машин и трелёвочных систем с массивом почвогрунта при выполнении лесосечных работ с заранее заданными статическими нагрузками. Адекватная оценка состояния краевой части мёрзлого массива почвогрунта является основой для формирования начальных условий при расчётах параметров разрушения напряжённо-деформированного мёрзлого слоя почвогрунта, процессов его уплотнения и колееобразования под действием статических нагрузок, возникающих при эксплуатации различных лесных машин и трелёвочных систем. В статье представлены методика, аппаратное обеспечение и результаты натурных экспериментальных исследований по определению влияния температуры мёрзлого почвогрунта на его прочностные и деформационные свойства, а также на процесс колееобразования при работе лесных машин на мёрзлых почвогрунтах. Для выявления закономерностей изменения температуры почвогрунта по глубине, а также с целью отбора проб почвогрунта для проведения испытаний механических свойств по глубине были вскрыты уступы грунта с площадкой 1 х 1 ми глубиной до 1,0 м. Исследованы срезы на трёх участках
с преобладанием: мерзлотно-палево-бурых почв с супесчаной грунтовой основой; перегнойно-карбонатных почв с суглинистой основой; криозёмных глеевых почв с глинистой основой. Измерение температуры грунта проводили вблизи поверхности уступа почвенным электронным термометром HI 98501 Hanna (Германия) с разрешением 0,1 оС и погрешностью ± 0,3 оС. При помощи проникающего зонда термометра в контрольных отверстиях по глубине уступа с шагом 0,1 м замеряли значение температуры по мере увеличения глубины.
Ключевые слова: лесные почвогрунты; колееобразование; лесные машины; лесозаготовки
http://rt.petrsu.ru
DOI: 10.15393/j2.art.2020.5362 Article
Study of the influence of frozen soil temperature on its properties
Sergej Rudov
PhD in engineering, senior lecturer, Military Academy of communications named after Marshal of the Soviet Union S. M. Budyonny (Russian Federation), [email protected]
Ol'ga Kunickaya
Doctor of engineering, Professor, Arctic state agrotechnological University (Russian Federation), [email protected]
Igor Grigorev
Doctor of engineering, Professor, Arctic state agrotechnological University (Russian Federation), silver [email protected]
Received: 16 September 2020 /Accepted: 23 September 2020 /Published: 29 September 2020
Abstract Establishing the regularities of the influence of frozen soil temperature on their physical and mechanical properties allows us to make more accurate estimates of the parameters of forest machines and skidding systems interaction with the soil mass when performing logging operations with pre-set static loads. An adequate assessment of the state of the marginal part of the frozen soil mass is the basis for the formation of initial conditions for calculating the parameters of destruction of the stress-strain frozen soil layer, the processes of its compaction and rutting under the influence of static loads that occur during the operation of various forest machines and skidding systems. The article presents the methodology, hardware, and results of field experimental studies to determine the effect of the temperature of frozen soil on its strength and deformation properties, as well as on the process of rutting during the operation of forest machines on frozen soils. To identify patterns of changes in soil temperature in depth, as well as for the purpose of sampling soil for testing mechanical properties in depth, soil ledges were opened with a platform of 1x1 m and a depth of up to 1.0 m. Sections were studied on three sites with a predominance of: permafrost-pale-brown soils with sandy loam soil base; humus-carbonate soils with loam base; cryosemeral gley soils with clay base. Soil temperature was measured near the surface of the ledge using a HI 98501 Hanna (Germany) electronic thermometer with a resolution of 0.1oC and an error of ±0.3oC. Using a penetrating probe of the thermometer, the temperature value was measured in control holes along the depth of the ledge in increments of 0.1 m as the depth increased.
Keywords: forest soils; rutting; forest machines; logging
1. Введение
Натурные экспериментальные исследования являются одним из наиболее распространённых методов научного проникновения при изучении процессов и взаимосвязей в лесозаготовительном производстве. Это касается и исследований в области экологической эффективности лесозаготовительного производства, воздействия лесных машин на почвогрунты лесосек. Отечественными и зарубежными учёными выполнено большое количество работ в этой области, например публикации [1—16]. Но теоретическое и экспериментальное изучение взаимодействия лесных машин с почвогрунтами криолитозоны проводится участниками научной школы «Инновационные разработки в области лесозаготовительной промышленности и лесного хозяйства» впервые. Ранее работ в этой области при направленном информационном поиске выявить не удалось.
В работах [17—26] выполнены теоретическое обоснование и разработка прогнозных моделей воздействия лесных машин на мерзлотные почвогрунты, а также обоснованы направления снижения негативного воздействия лесных машин на экосистему лесов криолитозоны.
Для получения материалов, позволяющих судить об адекватности выполненных теоретических исследований, были проведены натурные эксперименты.
2. Материалы и методы
Образцы почвогрунтов для исследований отобраны в условиях ГКУ РС(Я) «Колымское лесничество». Протяжённость территории лесничества с запада на восток составляет 600 км, с севера на юг — 440 км. Территория лесничества разделена на три участковых лесничества (таблица 1). Основными путями транспорта являются зимние автомобильные дороги. Из основных дорог по территории лесничества проходит одна дорога федерального значения «Колыма»: Якутск — Зырянка — Среднеколымск — Черский (автозимник).
Таблица 1. Структура Колымского лесничества
Table 1. The structure of the Kolyma forest
№ Наименование Административный район Общая площадь,
n/n участковых лесничеств (муниципальное образование) га
1 Верхнеколымское В ерхнеколымский 6634825
2 Черское Нижнеколымский 1864348
3 Среднеколымское Среднеколымский 12184757
Всего по лесничеству 20677218
В породном составе насаждений Колымского лесничества преобладает лиственница. Среднестатистическая продолжительность пожароопасного сезона составляет 110 дней.
Верхнеколымское участковое лесничество Республики Саха (Якутия) расположено в границах Верхнеколымского административного района.
Общая площадь лесхоза составляет 6634825 га. Контора находится в районном центре пос. Зырянка, расположенном на расстоянии 2440 км севернее г. Якутска на автомобильной дороге федерального значения Якутск — Магадан («Колыма»).
Лесничество граничит на западе с Момским, на севере — со Среднеколымским, на юго-восток — с Магаданским лесничествами. Юридический адрес: Верхнеколымское участковое лесничество ГКУ РС(Я) «Колымское лесничество», 678770, Верхнеколымский район, пос. Зырянка, ул. Строительная, д. 2.
Для лесничества характерен резко-континентальный климат с холодной продолжительной зимой и коротким, сравнительно тёплым летом. Колебания температуры составляют более 90 оС, а среднегодовая температура отрицательная (-11,7 оС), отсюда и повсеместное распространение вечной мерзлоты. Безморозный период составляет всего 70—80 дней, но и в это время могут быть заморозки, поэтому вегетационный период очень короток, что обусловливает замедленный рост древостоя и непредсказуемость будущего урожая.
Вечная мерзлота не только замедляет почвообразование, но и, являясь водоупором, способствует заболачиванию. Болота, мари и тундра занимают 11,4 % площади улуса. Вечная мерзлота обусловливает низкий температурный режим почв в течение вегетационного периода, что сказывается на произрастании древесной растительности.
Преобладает лиственничное редколесье. Леса из лиственницы, тополя украшены подлеском из кустарников берёзы, ивы, рябины, ольховника. В горах широко распространены заросли кедрового стланика, ивы, образующих разорванный пояс субарктических кустарников. Основные климатические данные по Верхнеколымскому лесничеству приведены в таблице 2 и на рисунке 1.
В условиях зоны многолетней мерзлоты процессы почвообразования осложняются присутствием близко залегающей многолетней мерзлоты и сезонными процессами промерзания и оттаивания.
В нашем исследовании изучены закономерности изменения температуры по глубине залегания и физико-механические свойства трёх типов почв, характерных для района проведения опытов, это мерзлотно-палево-бурые почвы; перегнойно-карбонатные почвы; криозёмы глеевые.
Палево-бурые почвы (фото 1 ) занимают значительную площадь северной тайги, такие почвы уникальны и встречаются лишь в Якутии. Полигоны плоские или выпуклые, имеют высоту 10—20 см, диаметр варьирует от 40—80 см до 1—2 м. Почвы оттаивают за лето на 1,0—1,5 м. Морфологический профиль отличается слабой дифференциацией на генетические горизонты с монотонной палево-коричневой окраской, но в нём заметна аккумуляция гумуса и органики. По гранулометрическому составу это супесчаные
http://rt.petrsu.ru
и легкосуглинистые почвы. Основной характерной чертой является наличие ясно выраженного подвешенного, светлоокрашенного карбонатного горизонта, реже карбонаты залегают в нижней части профиля.
Таблица 2. Основные климатические данные (Верхнеколымское лесничество)
Table 2. Basic climate data (Verkhnekolymsky forestry)
Параметр Значение
Температура воздуха наиболее холодных суток (°С) -54
с обеспеченностью 0,98
Температура воздуха наиболее холодной пятидневки (°С) -53
с обеспеченностью 0,98
Абсолютная минимальная температура воздуха, °С -58
Среднесуточная амплитуда температуры воздуха наиболее холодного 8
месяца, °С
Продолжительность (сут.) 237
и средняя температура воздуха (°С) -23,7
периода со среднесуточной температурой воздуха < 0 °С
Продолжительность (сут.) 287
и средняя температура воздуха (°С) -18,9
периода со среднесуточной температурой воздуха < 8 °С
Продолжительность (сут.) 301
и средняя температура воздуха (°С) -17,5
периода со среднесуточной температурой воздуха < 10 °С
Климатические данные тёплого периода года
Барометрическое давление, гПа 1010
Температура воздуха (°С) с обеспеченностью 0,95 16,6
Температура воздуха (°С)с обеспеченностью 0,98 23
Средняя максимальная температура воздуха наиболее тёплого месяца, °С 19
Абсолютная максимальная температуря воздуха, °С +36
Среднесуточная амплитуда температуры воздуха наиболее тёплого 10,4
месяца, °С
Суточный максимум осадков, мм 45
Рисунок 1. Среднемесячная температура воздуха, °С Figure 1. Monthly air temperature, °С
Фото 1. Срез мерзлотной палево-буровой почвы Photo 1. Section of permafrost pale-brown soil
Перегнойно-карбонатные почвы (фото 2) формируются по высоким частям водоразделов в автоморфных условиях на элювии карбонатных пород под лиственничными редколесьями в условиях хорошего внутрипочвенного дренажа. Профиль этих почв характеризуется сильной мерзлотной деструктивностью, слабой оглеенностью и карбонатностью всей минеральной части. Глубина сезонного протаивания до 70—80 см. По гранулометрическому составу это средне- и тяжелосуглинистые почвы, они имеют равномерное распределение илистых частиц по всему профилю. Почвы содержат в верхних горизонтах большое количество грубого перегноя, потеря при прокаливании составляет до 40—70 %. Содержание гумуса довольно высокое по всему профилю: 6—10 % в верхних и 2—4 % в нижних горизонтах.
Фото 2. Срез перегнойно-карбонатной почвы Photo 2. Section of humus-carbonate soil
Криозёмные глеевые почвы (фото 3), как правило, характерны для равнинных территорий, где они формируются в условиях затруднённого дренажа (застойного увлажнения) на породах суглинистого и глинистого механического состава при постоянном присутствии в почвенном профиле мерзлотного льдистого горизонта на небольшой глубине. Профиль их состоит из влажной подстилки из опада хвои, листьев, лишайников и мхов. Горизонт рыхлый, побуревший, ниже расположен тёмно-бурый органогенный горизонт небольшой мощности, оторфованный или торфянисто-перегнойный, затем в надмерзлотном горизонте следует минеральная часть в той или иной степени оглеения.
Фото 3. Срез криозёмной глеевой почвы Photo 3. Cross-section of cryozem gley soil
Для выявления закономерностей изменения температуры почвогрунта по глубине, а также с целью отбора проб почвогрунта для проведения испытаний механических свойств по глубине были вскрыты уступы грунта с площадкой 1 х 1 м и глубиной до 1,0 м. Исследованы срезы на трёх участках с преобладанием:
— мерзлотно-палево-бурых почв с супесчаной грунтовой основой (экспериментальные срезы № 1—3);
— перегнойно-карбонатных почв с суглинистой основой (экспериментальные срезы № 4—6);
— криозёмных глеевых почв с глинистой основой (экспериментальные срезы № 7—9). Измерение температуры грунта проводили вблизи поверхности уступа почвенным
электронным термометром HI 98501 Hanna (Германия) с разрешением 0,1 оС и погрешностью ± 0,3 оС.
Далее, при помощи проникающего зонда термометра в контрольных отверстиях по глубине уступа с шагом 0,1 м замеряли значение температуры Т по мере увеличения глубины z. При фиксированном значении h величину Т измеряли до 10 раз. В таблицах 3—5 представлены средние значения температуры почвогрунта в контрольных точках.
http://rt.petrsu.ru
Таблица 3. Результаты измерения температуры грунта по глубине массива (экспериментальные срезы № 1—3, мерзлотно-палево-бурая почва с супесчаной грунтовой основой)
Table 3. Results of measuring the soil temperature at the depth of the massif (experimental sections No. 1—3, permafrost-pale-brown soil with sandy loam soil base)
z, м № 1 № 2 № 3
T S T S T S
0,0 0,49 0,05676 -0,10 0 -0,61 0,08756
0,1 0,36 0,05164 -0,23 0,0483 -1,23 0,09487
0,2 0,20 0 -0,40 0,04714 -1,26 0,09661
0,3 0,05 0,0527 -1,06 0,1075 -1,40 0,18856
0,4 -0,10 0 -1,15 0,09718 -1,57 0,13375
0,5 -0,25 0,0527 -1,27 0,11595 -1,67 0,22632
0,6 -0,39 0,03162 -1,29 0,09944 -1,76 0,06992
0,7 -0,60 0,04714 -1,47 0,14181 -1,74 0,20111
0,8 -1,13 0,1567 -1,66 0,18974 -1,89 0,17288
0,9 -1,39 0,1792 -1,67 0,11595 -2,00 0,15635
1,0 -1,33 0,1567 -1,69 0,09944 -2,03 0,24518
Примечание', здесь и далее £ — стандартное выборочное отклонение экспериментальной величины.
3. Результаты
Результаты замеров для срезов мерзлотно-палево-бурой почвы с супесчаной грунтовой основой проиллюстрированы графиками на рисунках 2—6.
Анализ полученных данных показывает, что температура мёрзлой и оттаивающей мерзлотно-палево-бурой почвы с супесчаной грунтовой основой изменяется по глубине в соответствии с квадратичным законом, причём согласование экспериментальных данных с результатами аппроксимации весьма высокое (Я > 0,9). Установлено качественное и количественное согласование теоретической оценки функции относительного изменения температуры почвогрунта по глубине, полученное в теоретической части работы, с опытными данными, расхождение находится в пределах доверительных границ варьирования экспериментальной величины и не превышает 30 %.
http://rt.petrsu.ru
Рисунок 2. Изменение температуры грунта по глубине массива (экспериментальный срез № 1)
Figure 2. Change in soil temperature over the depth of the massif (experimental section No. 1)
о
-0,5
U
о
Е-Г
-1.5
-2
-2.5
Z, M
-•-теор.
Рисунок 3. Изменение температуры грунта по глубине массива (экспериментальный срез № 2)
http://rt.petrsu.ru
Рисунок 4. Относительное изменение температуры грунта по глубине массива (экспериментальный срез № 2)
Figure 4. Relative change in soil temperature over the depth of the massif (experimental section No. 2)
(1 0.2 0.4 0,6 0.8 1
Л V - 1Д282Х2 - 2,3046x - 0,8026 Rz = 0,9403
z, м
Рисунок 5. Изменение температуры грунта по глубине массива (экспериментальный срез № 3)
http://rt.petrsu.ru
Рисунок 6. Относительное изменение температуры грунта по глубине массива (экспериментальный срез № 3)
Figure 6. Relative change in soil temperature over the depth of the massif (experimental section No. 3)
Результаты измерения температуры срезов перегнойно-карбонатного почвогрунта с суглинистой основой представлены в таблице 4 и на рисунках 7—11.
Как и в предыдущем случае, анализ полученных данных показывает, что температура мёрзлого и оттаивающего перегнойно-карбонатного почвогрунта с суглинистой основой изменяется по глубине в соответствии с квадратичным законом, причём согласование экспериментальных данных с результатами аппроксимации высокое (R > 0,9).
В таблице 5 и на рисунках 12—17 приведены сведения по изменению температуры почвогрунта на срезах криозёмного глеевого почвогрунта с глинистой основой.
Основываясь на результатах анализа полученных опытных данных, отметим, что для криозёмного глеевого почвогрунта с глинистой основой изменение температуры по глубине с высокой точностью описывается квадратичной зависимостью (R > 0,9).
http://rt.petrsu.ru
Таблица 4. Результаты измерения температуры грунта по глубине массива (экспериментальные срезы № 4—6, перегнойно-карбонатный почвогрунт с суглинистой основой)
Table 4. Results of measuring the soil temperature at the depth of the massif (experimental sections No. 4—6, humus-carbonate soil with a loamy base)
z, м № 4 № Г2 5 № 6
T S T S T S
0,0 0,10 0 -0,10 0 -0,73 0,09487
0,1 -0,07 0,0483 -0,25 0,0527 -0,89 0,08756
0,2 -0,20 0 -0,41 0,03162 -1,00 0,10541
0,3 -0,38 0,04216 -0,56 0,05164 -1,75 0,24152
0,4 -0,51 0,05676 -0,71 0,05676 -1,60 0,16997
0,5 -0,68 0,09189 -0,90 0,09428 -1,78 0,19322
0,6 -0,82 0,07888 -1,02 0,11353 -1,89 0,21318
0,7 -0,96 0,1075 -1,56 0,13499 -1,98 0,21499
0,8 -1,60 0,15635 -1,66 0,18379 -1,97 0,1767
0,9 -1,76 0,19551 -1,98 0,16865 -2,26 0,15776
1,0 -1,75 0,23214 -1,93 0,14944 -2,27 0,32677
0:6 0.8 1
N
V j
V --0,8298х2- 1Д411Х +0,0764 Rz = 0,9702
*- '■■.
■■
z, м
Рисунок 7. Изменение температуры грунта по глубине массива (экспериментальный срез № 4)
http://rt.petrsu.ru
j 0.2 0,4 0,6 0,8 1
у = -0,521х2 - 1,4908х- 0,0795 R2 = 0,9766
Z, M
Рисунок 8. Изменение температуры грунта по глубине массива (экспериментальный срез № 5)
Figure 8. Change in soil temperature along the depth of the massif (experimental section No. 5)
25 т-
0 -I-1-1-1-1-г
0 0.2 0.4 0.6 0,8 1
Z, М
Рисунок 9. Относительное изменение температуры грунта по глубине массива (экспериментальный срез № 5)
http://rt.petrsu.ru
Рисунок 10. Изменение температуры грунта по глубине массива (экспериментальный срез № 6)
Figure 10. Change in soil temperature along the depth of the massif (experimental section No. 6)
Рисунок 11. Относительное изменение температуры грунта по глубине массива (экспериментальный срез № 6)
http://rt.petrsu.ru
Таблица 5. Результаты измерения температуры грунта по глубине массива (экспериментальные срезы № 7—9, глина)
Table 5. Results of measuring the soil temperature at the depth of the massif (experimental sections No. 7—9, clay)
z, м № 7 № 8 № 9
T S T S T S
0,0 -0,10 0 -1,06 0,11738 -1,35 0,15811
0,1 -0,26 0,05164 -1,22 0,14757 -1,49 0,15239
0,2 -0,40 0,06667 -1,30 0,1633 -1,74 0,14298
0,3 -0,53 0,06749 -1,43 0,10593 -1,79 0,11972
0,4 -0,75 0,09718 -2,12 0,2044 -1,86 0,14298
0,5 -0,84 0,08433 -2,23 0,17029 -1,89 0,21318
0,6 -1,03 0,06749 -2,32 0,16865 -2,07 0,14181
0,7 -1,23 0,19465 -2,41 0,26013 -2,17 0,1767
0,8 -1,36 0,14298 -2,62 0,32931 -2,26 0,20656
0,9 -1,44 0,15776 -2,55 0,19003 -2,41 0,25144
1,0 -2,07 0,20028 -2,61 0,33149 -2,47 0,14944
N^i 0.2 0.4 076 0,8 1
V = -0,7005x2 - l,0386x - 0,1455 Rz = 0,9739
z, м
Рисунок 12. Изменение температуры грунта по глубине массива (экспериментальный срез № 7)
Рисунок 13. Относительное изменение температуры грунта по глубине массива (экспериментальный срез № 7)
Figure 13. Relative change in soil temperature over the depth of the massif (experimental section No. 7)
Рисунок 14. Изменение температуры грунта по глубине массива (экспериментальный срез № 8)
http://rt.petrsu.ru
Рисунок 15. Относительное изменение температуры грунта по глубине массива (экспериментальный срез № 8)
Figure 15. Relative change in soil temperature over the depth of the massif (experimental section No. 8)
U
о
-0,5
-1
-1.5
-2
-2.5
-J
-J .5
1) 0.2 0.4 0,6 0,8 1
-
V = 0Д55Х2 - l,2286x -1,3945 Rz = 0,9817
Z, M
Рисунок 16. Изменение температуры грунта по глубине массива (экспериментальный срез № 9)
http://rt.petrsu.ru
Рисунок 17. Относительное изменение температуры грунта по глубине массива (экспериментальный срез № 9)
Figure 17. Relative change in soil temperature over the depth of the massif (experimental section No. 9)
В результате исследования уступов мерзлотно-палево-бурого почвогрунта с супесчаной грунтовой основой (экспериментальные срезы № 1—3) было установлено, что температура замерзания почвогрунта составляет в среднем -0,6 оС. В таблице 6 и на рисунках 18, 19 приведены результаты испытаний образцов почвогрунта на сжатие при температуре вблизи границы замерзания.
В таблице 7 и на рисунках 20, 21 приведены данные по результатам испытаний того же типа почвогрунта, но при температуре T = -1 oC.
В таблице 8 и на рисунках 22, 23 приведены данные по результатам испытаний супесчаного почвогрунта при температуре T = -1,5 oC.
В результате исследования уступов перегнойно-карбонатного почвогрунта с суглинистой грунтовой основой (экспериментальные срезы № 4—6) было установлено, что температура замерзания почвогрунта составляет в среднем -1,0 оС. В таблице 9 приведены результаты испытаний образцов почвогрунта на сжатие при температуре вблизи границы замерзания.
Данные, полученные при испытании суглинистого почвогрунта при температуре -1,5 оС, представлены в таблице 10.
В таблице 11 приведём результаты испытаний на сжатие образцов суглинистого почвогрунта при T = -2,0 oC.
Результаты исследования прочности образцов криозёмного глеевого почвогрунта с глинистой основой (экспериментальные срезы № 7—9) при температуре T = -1,5 oC (вблизи границы замерзания) представлены в таблице 12.
Результаты исследования прочности образцов криозёмного глеевого почвогрунта с глинистой основой (экспериментальные срезы № 7—9) при температуре T = -2,0oC представлены в таблице 13.
Результаты исследования прочности образцов криозёмного глеевого почвогрунта с глинистой основой (экспериментальные срезы № 7—9) при температуре T = -2,5 oC представлены в таблице 14.
Таблица 6. Результаты испытаний мёрзлого почвогрунта на сжатие для супесчаной основы, опыт № 1 (здесь и далее M — среднее значение)
Table 6. Results of tests of frozen soil for compression for sandy loam base, experiment No. 1 (hereafter, M is the average value)
Р, кН а, МПа h, мкм E, МПа
M S M S
0,0 0,000 0,0 0,00 — —
0,1 0,051 94,1 5,63 81,59 5,055
0,2 0,102 184,8 10,10 83,04 4,731
0,3 0,153 276,9 19,84 83,30 6,298
0,4 0,204 362,3 19,21 84,69 4,703
0,5 0,255 451,8 24,34 84,89 4,669
0,6 0,306 539,0 36,91 85,53 6,003
0,7 0,357 608,7 29,94 88,17 4,386
0,8 0,407 689,6 35,09 88,96 4,617
0,9 0,458 762,7 31,73 90,21 3,700
1,0 0,509 880,1 49,65 87,01 4,993
1,1 0,560 921,0 35,97 91,33 3,494
1,2 0,611 1029,9 43,66 89,13 3,630
1,3 0,662 1044,0 36,07 95,21 3,290
1,4 0,713 1171,2 68,59 91,61 5,331
1,5 0,764 1201,0 73,57 95,75 5,627
1,6 0,815 1242,2 81,35 98,79 6,451
1,7 0,866 1356,5 65,88 95,98 4,646
1,8 0,917 1460,9 63,05 94,33 4,115
Разрушение:
M S
Рра3р, кН 1,87 0,0754
Рисунок 18. Деформация сжатия мёрзлого почвогрунта (опыт № 1, супесчаная основа, T = -0,6 oC)
Figure 18. Compression deformation of frozen soil (experiment No. 1, sandy loam base, T = -0.6 oC)
Рисунок 19. Модуль деформации мёрзлого почвогрунта (опыт № 1, супесчаная основа, T = -0,6 oC)
Таблица 7. Результаты испытаний мёрзлого почвогрунта на сжатие (опыт № 2, супесчаная основа)
Table 7. Results of tests of frozen soil for compression (experiment No. 2, sandy loam base)
P, кН а, МПа h, мкм E, МПа
M S M S
0,0 0,000 0,0 0,00 — —
0,1 0,051 63,7 3,09 120,34 5,653
0,2 0,102 123,7 5,38 123,90 5,410
0,3 0,153 182,3 9,81 126,23 6,994
0,4 0,204 242,1 11,42 126,64 5,964
0,5 0,255 301,1 18,75 127,48 7,811
0,6 0,306 361,6 28,02 127,67 10,338
0,7 0,357 421,8 13,41 127,06 4,021
0,8 0,407 469,2 25,05 130,75 6,850
0,9 0,458 533,6 28,86 129,10 7,173
1,0 0,509 581,9 22,08 131,37 4,907
1,1 0,560 637,9 31,61 131,98 6,780
1,2 0,611 674,1 38,81 136,39 8,096
1,3 0,662 724,3 31,67 137,35 6,112
1,4 0,713 790,9 25,30 135,36 4,285
1,5 0,764 846,8 42,51 135,63 6,884
1,6 0,815 882,6 42,30 138,80 7,060
1,7 0,866 920,2 44,92 141,48 7,009
1,8 0,917 997,9 52,52 138,20 7,475
1,9 0,968 1036,1 69,39 140,70 9,671
2,0 1,019 1053,3 77,92 145,85 11,105
2,1 1,070 1090,7 30,36 147,27 4,140
2,2 1,120 1131,2 35,95 148,79 4,664
2,3 1,171 1176,5 38,36 149,56 4,880
2,4 1,222 1245,9 44,80 147,41 5,325
2,5 1,273 1364,9 56,66 140,23 5,783
Разрушение:
M S
3,0
Рисунок 20. Деформация сжатия мёрзлого почвогрунта (опыт № 2, супесчаная основа, T = -1,0 oC)
Figure 20. Compression deformation of frozen soil (experiment No. 2, sandy loam base, T = -1.0 oC)
200 180 160 140 ^ 120 S 100 fei 80 60 40 20
0 1-1-1-1-1-1-1
0,0 0.2 0.4 0,6 0.8 1,0 1.2 1.4
a, МПа
Рисунок 21. Модуль деформации мёрзлого почвогрунта (опыт № 2, супесчаная основа, T = -1,0 oC)
Таблица 8. Результаты испытаний мёрзлого почвогрунта на сжатие (опыт № 3, супесчаная основа)
Table 8. Results of tests of frozen soil for compression (experiment No. 3, sandy loam base)
Р, кН о, МПа h, мкм E, МПа
M S M S
0,0 0,000 0,0 0,00 — —
0,1 0,051 49,0 2,05 156,38 6,718
0,2 0,102 92,7 3,68 165,27 6,370
0,3 0,153 140,9 6,05 163,14 6,965
0,4 0,204 193,0 11,35 159,03 9,244
0,5 0,255 231,7 9,62 165,35 6,884
0,6 0,306 280,5 14,32 164,03 8,705
0,7 0,357 316,2 11,01 169,53 5,762
0,8 0,407 362,4 24,28 169,59 11,821
0,9 0,458 409,2 19,01 168,21 7,746
1,0 0,509 450,3 27,53 170,13 10,435
1,1 0,560 486,4 18,44 172,91 6,574
1,2 0,611 534,6 29,79 171,91 9,533
1,3 0,662 574,3 31,72 173,39 9,643
1,4 0,713 632,5 34,86 169,54 9,395
1,5 0,764 659,9 29,68 173,98 8,008
1,6 0,815 687,5 35,53 178,25 9,154
1,7 0,866 730,1 31,84 178,24 8,159
1,8 0,917 766,8 43,97 179,92 10,357
1,9 0,968 810,3 28,31 179,40 6,296
2,0 1,019 866,3 40,52 176,79 8,618
2,1 1,070 856,4 38,42 187,73 8,154
2,2 1,120 907,7 48,58 185,73 9,968
2,3 1,171 962,8 39,04 182,88 7,645
2,4 1,222 1010,4 41,08 181,84 7,345
2,5 1,273 1045,7 47,44 183,08 8,411
2,6 1,324 1071,0 21,90 185,65 3,754
2,7 1,375 1105,5 62,74 187,12 10,886
2,8 1,426 1148,1 41,78 186,53 6,696
2,9 1,477 1129,7 29,92 196,24 5,169
3,0 1,528 1213,9 78,21 189,55 12,722
3,1 1,579 1250,3 72,21 190,00 10,788
3,2 1,630 1225,2 28,65 199,66 4,698
3,3 1,681 1299,4 52,31 194,32 7,597
3,4 1,732 1442,4 90,72 180,80 12,111
Разрушение:
M S
Рразр, кН 3,71 0,2135
http://rt.petrsu.ru
Рисунок 22. Деформация сжатия мёрзлого почвогрунта (опыт № 3, супесчаная основа, T = -1,5 oC)
Figure 22. Compression deformation of frozen soil (experiment No. 3, sandy loam base, T = -1.5 oC)
Рисунок 23. Модуль деформации мёрзлого почвогрунта (опыт № 3, супесчаная основа, T = -1,5 oC)
Таблица 9. Результаты испытаний мёрзлого почвогрунта на сжатие (опыт № 4, суглинистая основа)
Table 9. Results of tests of frozen soil for compression (experiment No. 4, loam base)
Р, кН а, МПа h, мкм E, МПа
M S M S
0,0 0,000 0,0 0,00 — —
0,1 0,051 150,9 8,41 50,84 2,816
0,2 0,102 290,2 18,56 52,90 3,296
0,3 0,153 438,0 25,56 52,57 3,151
0,4 0,204 568,1 24,64 53,94 2,336
0,5 0,255 707,2 32,98 54,19 2,442
0,6 0,306 815,1 32,11 56,39 2,274
0,7 0,357 966,2 32,51 55,49 1,824
0,8 0,407 1063,0 59,14 57,73 3,257
0,9 0,458 1144,6 51,20 60,12 2,681
1,0 0,509 1283,4 53,24 59,58 2,507
1,1 0,560 1384,2 75,52 60,84 3,181
Разрушение:
M S
Рразр, кН 1,08 0,0452
Осжразр, МПа 0,552 0,0230
E, МПа 55,90 4,140
Рисунок 24. Деформация сжатия мерзлого почвогрунта (опыт № 4, суглинистая основа, T = -1,0 oC)
Figure 24. Compression deformation of frozen soil (experiment No. 4, loam base, T = -1.0 oC)
Рисунок 25. Модуль деформации мёрзлого почвогрунта (опыт № 4, суглинистая основа, T = -1,0 oC)
Таблица 10. Результаты испытаний мёрзлого почвогрунта на сжатие (опыт № 5, суглинистая основа)
Table 10. Results of tests of frozen soil for compression (experiment No. 5, loam base)
Р, кН а, МПа h, мкм E, МПа
M S M S
0,0 0,000 0,0 0,00 — —
0,1 0,051 90,4 5,23 84,89 4,914
0,2 0,102 177,1 9,50 86,62 4,792
0,3 0,153 268,1 9,02 85,71 3,021
0,4 0,204 356,0 27,05 86,41 6,615
0,5 0,255 436,4 26,78 87,95 5,446
0,6 0,306 516,7 26,31 89,02 4,415
0,7 0,357 595,4 22,53 90,08 3,441
0,8 0,407 666,9 27,99 91,92 3,866
0,9 0,458 744,6 44,67 92,57 5,666
1,0 0,509 819,4 34,69 93,34 3,985
1,1 0,560 885,2 29,10 94,98 3,140
1,2 0,611 965,7 58,03 95,22 5,738
1,3 0,662 1013,7 39,96 98,09 3,760
1,4 0,713 1099,4 54,93 97,50 4,823
1,5 0,764 1179,9 83,96 97,56 7,002
1,6 0,815 1246,2 69,44 98,40 6,097
1,7 0,866 1274,7 68,76 102,17 5,384
1,8 0,917 1334,8 76,08 103,37 6,029
1,9 0,968 1431,3 89,94 101,80 6,140
2,0 1,019 1477,1 47,97 103,58 3,278
2,1 1,070 1517,7 76,73 106,01 5,348
2,2 1,120 1600,8 96,74 105,36 6,202
2,3 1,171 1632,8 62,81 107,79 4,128
2,4 1,222 1779,8 70,56 103,21 4,045
Разрушение:
M S
Рра3р, кН 2,52 0,0561
Рисунок 26. Деформация сжатия мёрзлого почвогрунта (опыт № 5, суглинистая основа, T = -1,5 oC)
Figure 26. Compression deformation of frozen soil (experiment No. 5, loam base, T = -1.5 oC)
Рисунок 27. Модуль деформации мёрзлого почвогрунта (опыт № 5, суглинистая основа, T = -1,5 oC)
Таблица 11. Результаты испытаний мёрзлого почвогрунта на сжатие (опыт № 6, суглинистая основа)
Table 11. Results of tests of frozen soil for compression (experiment No. 6, loam base)
Р, кН а, МПа h, мкм E, МПа
M S M S
0,0 0,000 0,0 0,00 — —
0,1 0,051 71,6 4,38 107,19 6,313
0,2 0,102 141,1 9,36 108,87 7,416
0,3 0,153 197,5 13,24 116,67 7,890
0,4 0,204 270,0 14,79 113,64 6,195
0,5 0,255 338,2 17,59 113,39 6,296
0,6 0,306 410,3 12,36 111,97 3,359
0,7 0,357 462,3 17,07 115,98 4,396
0,8 0,407 535,6 23,32 114,46 5,030
0,9 0,458 603,7 35,97 114,15 6,714
1,0 0,509 659,3 20,49 115,90 3,676
1,1 0,560 695,4 34,86 121,08 6,179
1,2 0,611 768,6 36,15 119,47 5,567
1,3 0,662 814,7 32,63 122,07 4,972
1,4 0,713 890,6 60,51 120,57 7,894
1,5 0,764 919,0 38,65 124,90 5,290
1,6 0,815 985,2 40,57 124,30 5,217
1,7 0,866 1062,5 35,97 122,38 4,106
1,8 0,917 1093,8 50,10 126,00 5,713
1,9 0,968 1142,2 46,12 127,31 5,217
2,0 1,019 1213,9 67,71 126,26 7,021
2,1 1,070 1282,9 78,35 125,53 7,900
2,2 1,120 1283,8 64,01 131,28 6,561
2,3 1,171 1357,5 58,54 129,71 5,548
2,4 1,222 1387,0 43,16 132,37 3,947
2,5 1,273 1414,0 88,66 135,66 8,973
2,6 1,324 1498,5 89,94 133,06 8,120
2,7 1,375 1546,5 93,86 133,83 8,619
2,8 1,426 1573,2 55,39 136,12 4,864
2,9 1,477 1609,2 71,61 137,92 6,177
3,0 1,528 1654,8 95,15 138,91 7,757
3,1 1,579 1676,4 58,24 141,44 4,784
3,2 1,630 1726,5 71,29 141,84 5,870
3,3 1,681 1791,7 109,65 141,21 8,770
3,4 1,732 1867,5 123,43 139,65 8,768
3,5 1,783 1845,2 85,98 145,23 6,830
3,6 1,833 1899,5 90,50 145,12 6,619
3,7 1,884 2090,4 99,64 135,52 6,620
Разрушение:
M S
Рразр, кН 4,00 0,2031
асжрар, МПа 2,037 0,1030
E, МПа 126,80 12,350
http://rt.petrsu.ru
2500
P, кН
Рисунок 28. Деформация сжатия мёрзлого почвогрунта (опыт № 6, суглинистая основа, T = -2,0 oC)
Figure 28. Compression deformation of frozen soil (experiment No. 6, loam base, T = -2.0 oC)
60 40 20
0 -I-1-1-1-1
0,0 0,5 1,0 1.5 2,0
g, МПа
Рисунок 29. Модуль деформации мёрзлого почвогрунта (опыт № 6, суглинистая основа, T = -2,0 oC)
Таблица 12. Результаты испытаний мёрзлого почвогрунта на сжатие (опыт № 7, глинистая основа)
Table 12. Results of tests of frozen soil for compression (experiment No. 7, clay base)
P, кН а, МПа h, мкм E, МПа
M £ M £
0,0 0,000 0,0 0,00 — —
0,1 0,051 247,3 11,48 31,00 1,439
0,2 0,102 476,0 22,77 32,20 1,571
0,3 0,153 696,1 21,41 32,99 1,016
0,4 0,204 786,9 66,24 39,12 3,135
Разрушение:
P кН
1 разрi Л±± всжразр-, МПа
E, МПа
M 0,34 0,173 33,80
£
0,0242 0,0120 3,690
Рисунок 30. Деформация сжатия мёрзлого почвогрунта (опыт № 7, глинистая основа, T = -1,5 oC)
15 10 5
0 -1-1-1-1-1-1-1-1-1
0,0 0,0 0,0 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0.2 0.2
а, МПа
Рисунок 31. Модуль деформации мёрзлого почвогрунта (опыт № 7, глинистая основа, T = -1,5 oC)
Figure 31. Modulus of deformation of frozen soil (experiment No. 7, clay base, T = -1.5 oC)
3500 т-
3000
P, kH
Рисунок 32. Деформация сжатия мёрзлого почвогрунта (опыт № 8, глинистая основа, T = -2,0 oC)
Таблица 13. Результаты испытаний мёрзлого почвогрунта на сжатие (опыт № 8, глинистая основа)
Table 13. Results of tests of frozen soil for compression (experiment No. 8, clay base)
P, кН а, МПа h, мкм E, МПа
M S M S
0,0 0,000 0,0 0,00 — —
0,1 0,051 159,4 12,56 48,26 3,887
0,2 0,102 328,0 27,93 46,94 3,901
0,3 0,153 466,9 21,36 49,24 2,220
0,4 0,204 615,8 26,02 49,76 2,105
0,5 0,255 744,6 35,03 51,47 2,382
0,6 0,306 914,1 60,38 50,39 3,193
0,7 0,357 1016,5 57,45 52,82 3,052
0,8 0,407 1140,1 51,07 53,78 2,439
0,9 0,458 1260,0 55,32 54,61 2,323
1,0 0,509 1337,9 74,88 57,23 3,209
1,1 0,560 1486,9 45,87 56,54 1,763
1,2 0,611 1613,5 64,56 56,88 2,276
1,3 0,662 1716,3 112,31 58,10 3,994
1,4 0,713 1803,1 32,57 59,32 1,079
1,5 0,764 1866,7 80,20 61,49 2,627
1,6 0,815 2004,4 71,95 61,07 2,190
1,7 0,866 2047,0 148,04 63,76 4,508
1,8 0,917 2171,5 132,30 63,57 3,960
1,9 0,968 2283,7 122,24 63,74 3,285
2,0 1,019 2399,2 157,76 63,95 4,096
2,1 1,070 2425,9 108,23 66,29 2,921
2,2 1,120 2596,7 129,03 64,89 3,191
Разрушение:
M S
Рразр, кН 2,30 0,1519
http://rt.petrsu.ru
Рисунок 33. Модуль деформации мёрзлого почвогрунта (опыт № 8, глинистая основа, T = -2,0 oC)
Figure 33. Modulus of deformation of frozen soil (experiment No. 8, clay base, T = -2.0 oC)
Рисунок 34. Деформация сжатия мёрзлого почвогрунта (опыт № 9, глинистая основа, T = -2,5 oC)
Таблица 14. Результаты испытаний мёрзлого почвогрунта на сжатие (опыт № 9, глинистая основа)
Table 14. Results of tests of frozen soil for compression (experiment No. 9, clay base)
Р, кН а, МПа h, мкм E, МПа
M £ M £
0,0 0,000 0,0 0,00 — —
0,1 0,051 133,6 6,43 57,37 2,732
0,2 0,102 264,2 6,84 57,97 1,530
0,3 0,153 378,8 24,37 60,82 4,038
0,4 0,204 504,8 18,91 60,71 2,334
0,5 0,255 638,8 23,25 59,95 2,119
0,6 0,306 743,3 23,44 61,79 1,946
0,7 0,357 820,8 37,50 65,37 2,949
0,8 0,407 937,7 52,96 65,44 3,684
0,9 0,458 1050,4 66,53 65,67 4,283
1,0 0,509 1147,1 40,62 66,65 2,382
1,1 0,560 1238,2 60,94 68,00 3,424
1,2 0,611 1311,8 45,31 69,94 2,407
1,3 0,662 1423,0 40,96 69,83 2,004
1,4 0,713 1518,0 82,44 70,64 3,817
1,5 0,764 1614,4 117,99 71,33 5,257
1,6 0,815 1650,1 88,91 74,28 4,171
1,7 0,866 1726,2 104,62 75,49 4,522
1,8 0,917 1833,1 140,19 75,46 6,093
1,9 0,968 1897,4 95,86 76,71 3,903
2,0 1,019 2012,0 99,88 76,14 3,740
2,1 1,070 2083,6 99,61 77,19 3,726
2,2 1,120 2097,6 127,12 80,44 4,944
2,3 1,171 2213,8 118,91 79,63 4,377
2,4 1,222 2280,5 152,70 80,77 5,533
2,5 1,273 2315,9 122,82 82,73 4,578
2,6 1,324 2437,2 96,00 81,66 3,312
2,7 1,375 2511,2 167,89 82,44 5,271
2,8 1,426 2523,4 147,07 85,03 5,147
2,9 1,477 2605,0 118,32 85,21 3,967
3,0 1,528 2669,7 45,02 85,89 1,445
3,1 1,579 2689,3 106,51 88,18 3,516
3,2 1,630 2748,0 157,05 89,25 5,184
3,3 1,681 2858,2 85,90 88,30 2,676
3,4 1,732 2849,4 177,63 91,50 5,800
3,5 1,783 2995,8 111,24 89,39 3,321
3,6 1,833 2971,3 138,07 92,76 4,307
3,7 1,884 3086,3 91,70 91,68 2,739
3,8 1,935 3229,5 108,61 90,02 2,996
Разрушение:
M £
Рразр, кН 3,96 0,1179
100
40
20--
0 -I-1-1-1-1
070 0.5 1,0 1.5 2.0
<7, МПа
Рисунок 35. Модуль деформации мёрзлого почвогрунта (опыт № 9, глинистая основа, T = -2,5 oC)
Figure 35. Modulus of deformation of frozen soil (experiment No. 9, clay base, T = -2.5 oC)
В таблице 15 представлены сводные данные по прочности мёрзлых почвогрунтов на сжатие, в таблице 16 — оценки модуля деформации мёрзлых почвогрунтов при сжимающей нагрузке вблизи предела прочности.
Таблица 15. Предел прочности на сжатие [МПа] образцов мёрзлого почвогрунта (сводные данные)
Table 15. The limit of compressive strength [MPa] of frozen soil samples (summary data)
Мерзлотно-палево- Перегнойно- Криозёмные
бурые почвы карбонатные почвы глеевые почвы
с супесчаной с суглинистой с глинистой
T, oC грунтовой основой T, oC основой T, oC основой
(экспериментальные срезы № 1—3) (экспериментальные срезы № 4—6) (экспериментальные срезы № 7—9)
Средн. А Средн. А Средн. А
-0,6 0,9527 0,095 -1 0,5518 0,0575 -1,5 0,1727 0,03
-1 1,34 0,1 -1,5 1,2829 0,0725 -2 1,1732 0,195
-1,5 1,8893 0,2725 -2 2,0372 0,2575 -2,5 2,0181 0,15
Таблица 16. Модуль деформации [МПа] образцов мёрзлого почвогрунта (сводные данные)
Table 16. Modulus of deformation [MPa] of frozen soil samples (summary data)
T, oC Мерзлотно-палево-бурые почвы с супесчаной грунтовой основой (экспериментальные срезы № 1—3) T, oC Перегнойно-карбонатные почвы с суглинистой основой (экспериментальные срезы № 4—6) T, oC Криозёмные глеевые почвы с глинистой основой (экспериментальные срезы № 7—9)
Средн. А Средн. А Средн. А
-0,6 89,4 16,95 -1 55,9 10,35 -1,5 33,8 9,225
-1 135,4 26,2 -1,5 96 21,175 -2 57 16,525
-1,5 177,5 33,45 -2 126,8 30,875 -2,5 76,1 28,075
Данные таблиц 15, 16 проиллюстрированы графиками на рисунках 36, 37.
Т,° С
супесь —Ф-суглинок -•-глина
Рисунок 36. Предел прочности на сжатие [МПа] образцов мёрзлого почвогрунта (сводные данные)
Figure 36. The limit of compressive strength [MPa] of frozen soil samples (summary data)
Полученные экспериментальные данные свидетельствуют, что по мере понижения температуры, начиная с точки замерзания, модуль деформации и предел прочности почвогрунта на сжатие стремительно увеличиваются. Для почвогрунта с супесчаной и суглинистой основой снижение температуры на 1 oC от точки замерзания приводит к 2—4-кратному повышению механических характеристик, для почвогрунта с глинистой основой на
порядок отмечается повышение механических характеристик. Таким образом, теоретические положения по оценке изменения модуля деформации и прочности почвогрунта на сжатие, сформулированные в работах [17—26], нашли экспериментальное подтверждение.
Т,°С
-А—супесь —суглинок -•-глина
Рисунок 37. Модуль деформации [МПа] образцов мёрзлого почвогрунта (сводные данные)
Figure 37. Modulus of deformation [MPa] of frozen soil samples (summary data)
С целью проверки адекватности теоретической оценки глубины колеи были выполнены опыты по изучению колееобразования на мёрзлых почвогрунтах при различном давлении движителя на почвогрунт. Результаты экспериментальных замеров глубины колеи и модуля деформации почвогрунта в контрольных точках представлены в таблице 17.
Таблица 17. Результаты экспериментальных замеров глубины колеи и модуля деформации почвогрунта
Table 17. Results of experimental measurements of track depth and soil deformation modulus
q = 27 кПа q = 35 кПа q = 58 кПа
E, МПа h, см S, см E, МПа h, см S, см E, МПа h, см S, см
1,39 15,6 1,4 2,96 10,7 1,07 4,07 15,2 0,76
3,55 10 0,5 1,36 19,6 1,76 2,17 17,1 1,2
1,25 16,7 0,84 2,73 13,5 1,62 1,21 18,7 1,87
4,61 10,6 0,95 4,96 10,9 0,76 4,00 14,6 1,17
4,36 11 1,21 3,38 12 1,44 4,71 13,9 0,7
1,22 17,1 0,86 4,39 12,2 1,34 4,24 13,6 0,82
2,15 14,2 1,7 3,87 12,7 1,52 3,37 15,7 1,57
3,57 9,3 1,12 2,57 15,2 0,91 3,51 12,3 0,86
1,02 18,5 1,11 1,68 13,7 1,51 2,75 15,8 1,58
4,21 10,9 0,55 1,38 19,7 1,97 3,26 13,6 0,95
Табличные данные представлены на рисунках 38—40, там же приведены результаты теоретической оценки глубины колеи по результатам упомянутых выше теоретических исследований.
Рисунок 38. Сопоставление теоретической оценки глубины колеи, образующейся при работе техники на мёрзлом почвогрунте, с опытными данными (давление на грунт 27 кПа)
Figure 38. Comparison of the theoretical estimate of the depth of the track formed during the operation of equipment on frozen soil with experimental data (ground pressure 27 kPa)
Рисунок 39. Сопоставление теоретической оценки глубины колеи, образующейся при работе техники на мёрзлом почвогрунте, с опытными данными (давление на грунт 35 кПа)
http://rt.petrsu.ru
5 -
0 1 2 3 4 5
E, МПа
• Эксп. Теор. -Степенная (Теор.)
Рисунок 40. Сопоставление теоретической оценки глубины колеи, образующейся при работе техники на мёрзлом почвогрунте, с опытными данными (давление на грунт 58 кПа)
Figure 40. Comparison of the theoretical estimate of the track depth formed during the operation of equipment on frozen soil with experimental data (ground pressure 58 kPa)
В результате сопоставления теоретических и экспериментальных данных установлено, что теоретическая оценка глубины колеи на мёрзлых почвогрунтах с модулем деформации в пределах 1—5 МПа при давлении движителя в пределах 27—58 кПа отличается от эксперимента не более чем на 17 %; отличия находятся в пределах доверительных границ варьирования экспериментальной величины.
4. Выводы
В результате вышеприведённого анализа установлено: 1. Анализ полученных данных показывает, что температура мёрзлой и оттаивающей мерзлотно-палево-бурой почвы с супесчаной грунтовой основой, перегнойно-карбонатной почвы с суглинистой основой, криозёмной глеевой почвы с глинистой основой изменяется по глубине в соответствии с квадратичным законом, причём согласование экспериментальных данных с результатами аппроксимации весьма высокое (Я > 0,9). Установлено качественное и количественное согласование теоретической оценки функции относительного изменения температуры почвогрунта по глубине, полученное в теоретической части работы, с опытными данными, расхождение находится в пределах доверительных границ варьирования экспериментальной величины и не превышает 30 %.
2. Полученные экспериментальные данные свидетельствуют, что по мере понижения температуры, начиная с точки замерзания, модуль деформации и предел прочности почвогрунта на сжатие стремительно увеличиваются. Для почвогрунта с супесчаной и суглинистой основой снижение температуры на 1 ^ от точки замерзания приводит к 2—4-кратному повышению механических характеристик, для почвогрунта с глинистой основой на порядок отмечается повышение механических характеристик. Таким образом, теоретические положения по оценке изменения модуля деформации и прочности почвогрунта на сжатие, сформулированные в работах [17—26], нашли экспериментальное подтверждение.
3. В результате сопоставления теоретических и экспериментальных данных установлено, что теоретическая оценка глубины колеи на мёрзлых почвогрунтах с модулем деформации в пределах 1—5 МПа при давлении движителя в пределах 27—58 кПа отличается от эксперимента не более чем на 17 %; отличия находятся в пределах доверительных границ варьирования экспериментальной величины.
Список литературы
1. Бурмистрова О. Н., Чемшикова Ю. М., Григорьев И. В., Куницкая О. А., Тамби А. А. Теоретическое обоснование параметров средощадящего движителя гусеничного вездехода // Системы. Методы. Технологии. 2019. № 2 (42). С. 81—88. DOI: 10.18324/20775415-2019-3-81-88.
2. Добрецов Р. Ю., Григорьев И. В., Рудов С. Е., Тетеревлева Е. В., Чемшикова Ю. М. Увеличение подвижности гусеничных и колёсных машин // Ремонт. Восстановление. Модернизация. 2019. № 11. С. 4—10. DOI: 10.31044/1684-2561-2019-0-11-4-10.
3. Григорьев И. В., Рудов С. Е. Особенности эксплуатации колёсных лесных машин в сложных почвенно-грунтовых и рельефных условиях // Forest Engineering: Материалы научно-практич. конф. с междунар. участием. Якутск, 2018. С. 67—71.
4. Агейкин Я. С. Проходимость автомобилей. М.: Машиностроение, 1981. 232 с.
5. Saarilahti M. Development of a protocol for ecoefficient wood harvesting on sensitive sites (Ecowood). Soil interaction model. Helsinki: University of Helsinki, Department of Forest Resource Management, 2002. 39 p.
6. Григорьев И. В. Снижение отрицательного воздействия на почву колёсных трелёвочных тракторов обоснованием режимов их движения и технологического оборудования. СПб.: Санкт-Петербургская лесотехническая академия, 2006. 235 с.
7. Бартенев И. М., Драпалюк М. В. Снижение вредного воздействия лесных тракторов и лесосечных машин на почву и насаждения // Лесотехнический журнал. 2012. № 1 (5). С. 61—66.
8. Герасимов Ю. Ю., Сюнёв В. С. Экологическая оптимизация технологических машин для лесозаготовок. Йоэнсуу: Университет Йоэнсуу, 1998. 178 с.
9. Хахина А. М. Методы прогнозирования и повышения проходимости колёсных лесных машин: Дис. ... д-ра техн. наук. Архангельск: С(А)ФУ, 2018. 318 с.
10. Ларин В. В. Методы прогнозирования опорной проходимости многоосных колёсных машин на местности: Дис. ... д-ра техн. наук. М., 2007. 530 с.
http://rt.petrsu.ru
11. Песков В. Б. Совершенствование моделей для оценки колееобразования и уплотнения почвогрунтов под воздействием движителей колёсных лесных машин: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. Архангельск: С(А)ФУ, 2018. 20 с.
12. Золотаревская Д. И. Закономерности динамического деформирования почв при циклических нагрузках // Почвоведение. 2005. № 5. С. 565—574.
13. Золотаревская Д. И. Изменение реологических свойств и плотности дерново-подзолистой почвы при динамических нагрузках // Почвоведение. 2010. № 3. С. 313—323.
14. Золотаревская Д. И. Изменение реологических свойств и плотности дерново-подзолистой супесчаной почвы при воздействии колёсного трактора // Почвоведение. 2013. № 7. С. 829.
15. Золотаревская Д. И. Исследование и расчёт уплотнения почвы при работе и после остановки колёсного трактора // Тракторы и сельхозмашины. 2016. № 8. С. 33—38.
16. Иванов В. А., Хахина А. М., Устинов В. В., Коротков Р. К. Уточнённые зависимости для расчёта сдвиговой деформации лесного почвогрунта по величине буксования и параметрам пятна контакта // Системы. Методы. Технологии. 2015. № 4 (28). С. 116—120.
17. Рудов С. Е., Шапиро В. Я., Григорьев И. В., Куницкая О. А., Григорьева О. И. Особенности контактного взаимодействия трелёвочной системы с мёрзлым почвогрунтом // Известия высших учебных заведений. Лесной журнал. 2019. № 1 (367). С. 106—119. DOI: 10.17238/issn0536-1036.2019.1.106.
18. Рудов С. Е., Шапиро В. Я., Григорьев И. В., Куницкая О. А., Григорьева О. И. Исследование процесса разрушения мёрзлых и оттаивающих почвогрунтов при воздействии трелёвочной системы // Известия высших учебных заведений. Лесной журнал. 2020. № 2 (374). С. 101— 117. DOI: 10.37482/0536-1036-2020-2-101-117.
19. Рудов С. Е., Шапиро В. Я., Григорьев И. В., Куницкая О. А., Григорьева О. И. Обоснование исходных требований математической модели взаимодействия колёсных лесных машин с мёрзлым и оттаивающим грунтом // Системы. Методы. Технологии. 2020. № 1 (45). С. 72—79. DOI: 10.18324/2077-5415-2020-1-72-79.
20. Рудов С. Е., Шапиро В. Я., Григорьев И. В., Куницкая О. А., Григорьева О. И. Вариационный метод расчёта параметров взаимодействия трелёвочной системы с массивом мёрзлых и оттаивающих почвогрунтов // Системы. Методы. Технологии. 2019. № 1 (41). С. 68—77. DOI: 10.18324/2077-5415-2019-1-68-77.
21. Рудов С. Е., Шапиро В. Я., Григорьев И. В., Куницкая О. А., Григорьева О. И. Оценка несущей способности мёрзлого и оттаявшего грунта при неполной информации о состоянии его взаимодействия с трелёвочной системой // Системы. Методы. Технологии. 2019. № 2 (42). С. 80—86. DOI: 10.18324/2077-5415-2019-2-80-86.
22. Rudov S. E., Grigorev I. V., Kunitskaya O. A., Druzyanova V. P., Pekhutov A. S., Ivanov A. P., Ivanov A. K., Okhlopkova M. K., Pankov V. Yu., Borovikov R G. Specifi c features of accounting of state of the massive of the frozen soil grounds under cyclic loads // Bulgarian Journal of Agricultural Science. 2019. Т. 25, No. S2. P. 191—205.
23. Рудов С. Е., Шапиро В. Я., Григорьев И. В., Куницкая О. А., Григорьев М. Ф., Пучнин А. Н. Особенности учёта состояния массива мёрзлых грунтов при циклическом взаимодействии с трелёвочной системой // Лесотехнический журнал. 2019. Т. 9, № 1 (33). С. 116—128. DOI: 10.12737/article_5c92016f49c838.40242030.
24. Rudov S., Shapiro V., Grigorev I., Kunitskaya O., Druzyanova V., Kokieva G., Filatov A., SleptsovaM., Bondarenko A., RadnaedD. Specific features of influence of propulsion plants of the wheel-tyre tractors upon the cryomorphic soils, soils, and soil grounds // International Journal of Civil Engineering and Technology. 2019. Т. 10, No. 1. P. 2052—2071.
25. Rudov S. E., Grigorev I. V., Kunitskaya O. A., Ivanov N. A., Kremleva L. V., Myuller O. D., Gerts E. F., Chemshikova Yu. M., Teterevleva E. V., Knyazev A. V.Method of variational calculation of influence of the propulsion plants of forestry machines upon the frozen and
thawing soil grounds // International Journal of Advanced Science and Technology. 2019. Т. 28, No. 9. С. 179—197.
26. Рудов С. Е., Шапиро В. Я., Григорьев И. В., Куницкая О. А., Григорьева О. И. Математическое моделирование процесса уплотнения мёрзлого почвогрунта под воздействием лесных машин и трелёвочных систем // Системы. Методы. Технологии. 2018. № 3 (39). С. 73—78. DOI: 10.18324/2077-5415-2018-3-73-78.
References
1. Burmistrova O. N., Yu. M. Chemshikova, Grigorev I. V., Kunitskaya O. A., Tambi A. A. Tambi. Theoretical substantiation of parameters of the medium-range engine of a tracked all-terrain vehicle // Systems. Methods. Technologies. 2019. No. 2 (42). P. 81—88. DOI: 10.18324/20775415-2019-3-81-88. (In Russ.)
2. Dobretsov R. Yu., Grigorev I. V., Rudov S. E., Teterevleva E. V., Chemshikova Yu. M. Increased mobility of tracked and wheeled vehicles // Repair. Recovery. Modernization. 2019. No. 11. P. 4—10. DOI: 10.31044/1684-2561-2019-0-11-4-10. (In Russ.)
3. Grigorev I. V., Rudov S. E. Features of operation of wheeled forest machines in complex soil-ground and relief conditions // In the collection: Forest Engineering materials of scientific and practical conference with international participation. Yakutsk, 2018. P. 67—71. (In Russ.)
4. Ageikin Ya. S. Passability of cars. Moscow: Mechanical engineering, 1981. 232 s. (In Russ.)
5. Saarilahti M. Development of a protocol for ecoefficient wood harvesting on sensitive sites (Ecowood). Soil interaction model. Helsinki: University of Helsinki, Department of Forest Resource Management, 2002. 39 p.
6. Grigorev I. V. Reducing the negative impact on the soil of wheeled skidding tractors by justifying their movement modes and technological equipment. Saint Petersburg: Saint Petersburg forestry Academy, 2006. 235 p. (In Russ.)
7. Bartenev I. M., DrapalyukM. V. Reduction of harmful effects of forest tractors and cutting machines on soil and plantings // Forest Engineering journal. 2012. No. 1 (5). P. 61—66. (In Russ.)
8. Gerasimov Yu. Yu., Syunev V. S. Ecological optimization of technological machines for logging. Joensuu: Joensuu University, 1998. 178 p. (In Russ.)
9. ChahinaA. M. Methods to predict and improve cross-wheeled forest machines: Diss. ... doct. techn. sciences'. Arkhangelsk: WITH (A)FU, 2018. 318 p. (In Russ.)
10. Larin V. V. Methods of predicting the reference passability of multi-axis wheeled vehicles on the ground: Diss. ... doct. techn. science. Moscow, 2007. 530 p. (In Russ.)
11. Peskov V. B. Improvement of models for estimation of ruts and compaction of soils under the influence of movers of wheeled forest machines. The author's abstract diss. ... cand. techn. sciences'. Arkhangelsk: S (A)FU, 2018. 20 s. (In Russ.)
12. Zolotarevskaya D. I. Regularities of dynamic deformation of soils under cyclic loads // Pedology. 2005. No. 5. P. 565—574. (In Russ.)
13. Zolotarevskaya D. I. Change of rheological properties and density of sod-podzolic soil under dynamic loads // Pedology. 2010. No. 3. P. 313—323. (In Russ.)
14. Zolotarevskaya D. I. Changing the rheological properties and density of sod-podzolic sandy loam soil under the influence of a wheeled tractor // Pedology. 2013. No. 7. P. 829. (In Russ.)
15. Zolotarevskaya D. I. Research and calculation of soil compaction at work and after stopping the wheel tractor // Tractors and agricultural machines. 2016. No. 8. P. 33—38. (In Russ.)
16. Ivanov V. A., Khakhina А. М., Ustinov V. V., KorotkovR. K. Refined dependences for calculating the shear deformation of forest soil in terms of slip and contact spot parameters // Systems. Methods. Technologies. 2015. No. 4 (28). P. 116—120. (In Russ.)
http://rt.petrsu.ru
17. Rudov S. E., Shapiro V. Ya., Grigorev I. V., Kunitskaya O. A., Grigoreva O. I. Features of contact interaction of the skidding system with frozen soil // News of higher educational institutions. Forest magazine. 2019. No. 1 (367). P. 106—119. DOI: 10.17238/issn0536-1036.2019.1.106. (In Russ.)
18. Rudov S. E., Shapiro V. Ya., Grigorev I. V., Kunitskaya O. A., Grigoreva O. I. Study of the process of destruction of marslike thawing of soils under the influence skidding system // News of higher educational institutions. Forest magazine. 2020. No. 2 (374). P. 101—117. DOI: 10.37482 / 0536-1036-2020-2-101-117. (In Russ.)
19. Rudov S. E., Shapiro V. Ya., Grigorev I. V., Kunitskaya O. A., Grigoreva O. I. Justification of the initial requirements of the mathematical model of interaction of wheeled forest machines with frozen and thawing soil // Systems. Methods. Technologies. 2020. No. 1 (45). P. 72—79. DOI: 10.18324 / 2077-5415-2020-1-72-79. (In Russ.)
20. Rudov S. E., Shapiro V. Ya., Grigorev I. V., Kunitskaya O. A., Grigoreva O. I. Variational method for calculating parameters of interaction between a skidding system and an array of frozen and thawing soils // Systems. Methods. Technologies. 2019. No. 1 (41). P. 68—77. DOI: 10.18324/2077-5415-2019-1-68-77. (In Russ.)
21. Rudov S. E., Shapiro V. Ya., Grigorev I. V., Kunitskaya O. A., Grigoreva O. I. Evaluation of the bearing capacity of frozen and thawed soil with incomplete information about the state of its interaction with the skidding system // Systems. Methods. Technologies. 2019. No. 2 (42). P. 80—86. DOI: 10.18324 / 2077-5415-2019-2-80-86. (In Russ.)
22. Rudov S. E., Grigorev I. V., Kunitskaya O. A., Druzyanova V. P., Pekhutov A. S., Ivanov A. P., Ivanov A. K., OkhlopkovaM. K., Pankov V. Yu., Borovikov R G. Specifi c features of accounting of state of the massive of the frozen soil grounds under cyclic loads // Bulgarian Journal of Agricultural Science. 2019. T. 25, No. S2. C. 191—205.
23. Rudov S. E., Shapiro V. Ya., Grigorev I. V., Kunitskaya O. A., GrigorievM. F., Puchnin A. N. Features of accounting for the state of the frozen soil massif during cyclic interaction with the skidding system // Lesotechnicheskiy Zhurnal. 2019. Vol. 9, No. 1 (33). P. 116—128. DOI: 10.12737/article_5c92016f49c838.40242030. (In Russ.)
24. Rudov S., Shapiro V., Grigorev I., Kunitskaya O., Druzyanova V., Kokieva G., Filatov A., SleptsovaM., Bondarenko A., RadnaedD. Specific features of influence of propulsion plants of the wheel-tyre tractors upon the cryomorphic soils, soils, and soil grounds // International Journal of Civil Engineering and Technology. 2019. T. 10, No. 1. P. 2052—2071.
25. Rudov S. E., Grigorev I. V., Kunitskaya O. A., Ivanov N. A., Kremleva L. V., Myuller O. D., Gerts E. F., Chemshikova Yu. M., Teterevleva E. V., Knyazev A. V.Method of variational calculation of influence of the propulsion plants of forestry machines upon the frozen and thawing soil grounds // International Journal of Advanced Science and Technology. 2019. T. 28, No. 9. C. 179—197.
26. Rudov S. E., Shapiro V. Ya., Grigorev I. V., Kunitskaya O. A., Grigoreva O. I. Mathematical modeling of the process of compaction of frozen soil under the influence of forest machines and skidding systems // Systems. Methods. Technologies. 2018. No. 3 (39). P. 73—78. DOI: 10.18324 / 2077-5415-2018-3-73-78. (In Russ.)
© Рудов C Е., KyH^Kaa O. A., TpuropbeB H. B., 2020
