CC BY
61
МЕХАНИЗМ ДЕФОРМАЦИИ ПОЧВЫ И МОДЕЛЬ КРИТИЧЕСКОЙ СКОРОСТИ ПРИЛОЖЕНИЯ НАГРУЗКИ
В.П. ДЬЯКОВ, кандидат технических наук ВНИИЗиЗПЭ
В отличие от минеральных грунтов, которые служат объектом исследований в инженерной геологии и строительном деле, почва используется в сельскохозяйственном производстве не в естественном сложении, а в таком физическом состоянии, при котором обеспечиваются необходимые для растений водный и воздушный режимы, эффективное течение химико-биологических процессов. На рыхление почвы расходуется более 40 % всех энергетических затрат в полеводстве, поэтому снижение энергоемкости технологических процессов её подготовки к посеву — одна из первоочередных задач механики почв.
По вопросу влияния скорости на энергоемкость процесса её рыхления и качество обработки проведено достаточное количество научных работ. Накоплен обширный и разнообразный теоретический и экспериментальный материал. Тем не менее, сущность и закономерность её влияния ещё не обобщены, что в значительной мере сдерживает решение прикладных задач.
Среди отечественных исследований определенное место занимает разработка математических моделей, характеризующих процессы взаимодействия рабочих органов с почвой на высоких скоростях движения, потому что они во многом определяют геометрические параметры рыхлящих почву рабочих органов. Точность оптимизации их параметров и режимов работы во многом зависит от выбора рациональных математических моделей деформирования почвы, которые в свою очередь обусловливаются реологической моделью, отражающей сущность процесса деформирования.
Воздействие рабочею органа на почву заключается в сжатии определенной её части до момента образования предельных значений напряжений или деформаций, подъеме пласта и транспортировке его в определенном направлении на некоторое расстояние. Однако ни механизм процесса сжатия почвы, определяющий главную часть затрат энергии, ни факторы и механизм их влияния на сопротивление до сих пор полностью не исследованы, несмотря на достаточно большое количество проведенных экспериментальных и теоретических работ. Из них в общих чертах следует, что разрушение материала наступает, когда напряжения, обусловленные внешней нагрузкой, окажутся выше внутренних связей и трения между его частицами. Затем происходит нарушение сплошности по возможным плоскостям скольжения и потеря прочности.
Согласно существующим теориям прочности, которые обосновываются соответствующими испытаниями, главный, с точки зрения уязвимости при сжатии,
прочностный показатель любых материалов — сопротивление сдвигу, зависящее от их физического и напряженного состояний.
Кулон, ещё в 1773 г. сформулировал модель, широко применяемую для физического описания разрушения при сдвиге до сих пор. Он установил, что для разрушения требуется, чтобы предельное усилие сдвига преодолевало силу сцепления почвенных частиц в плоскости разрушения и силу трения между поверхностями при их перемещении одна относительно другой. Математическая модель закона Кулона имеет вид:
г = с + ?Йр'а, (1)
где г— требуемое напряжение сдвига; с — сила сцепления, приходящаяся на единицу площади; о — нормальное напряжение на плоскости разрушения и <р' — угол внутреннего трения.
Согласно закону Кулона, требуемое для разрушения напряжение сдвига увеличивается при возрастании нормального напряжения на плоскости разрушения. При бесконечно большом напряжении па на плоскости разрушение по этой плоскости невозможно. Следовательно, чтобы произошло разрушение (отделение пласта) необходимо дополнительное сдвигающее усилие, которое обеспечивает вертикальная составляющая ЯЬ клина (рис. 1).
Рис. 1. Схема действия сил на пласт почвы при отношении касательных и нормальных напряжений меньше единицы.
Многочисленными исследованиями установлено , что величина <р' почти не зависит от скорости воздействия нагрузки. Следовательно, поскольку сопротивление почвы возрастает с увеличением скорости приложения нагрузки, от скорости деформации зависит только величина с. По данным [1] при изменении скорости приложения нагрузки изменение величины с в процентах сопровождается таким же изменением прочности, то есть между ними существует пропорциональная связь.
С объективной стороны величины с и <р' зависят от механического состава почвы, содержания влаги, порозности и др., следовательно, их можно рассматривать как свойства почвы. В реологии — науке об образовании и изменении во времени напряженно-деформированного состояния тел — фундаментальными свойствами почвы считаются упругость, вязкость и пластичность. Отстальные ее механические свойства — сложное сочетание этих трех в различных
комбинациях [2]. Степень проявления каждого из свойств зависит от минералогического состава и размера частиц, влажности, характера межчастичных связей (объективные факторы), а также величины и режима приложения нагрузки (субъективные факторы).
Систематизированное формирование фундаментальных свойств, в определенном (параллельном или последовательном) порядке, вытекающем из натурных наблюдений, представляет собой реологическую модель какого-либо тела. Например, реологическая модель почвы (рис. 2), включающая в себя параллель-
но соединенные тела Кельвина (К), Максвелла (М) и элемент сухого внутреннего (кулонова) трения (510, спроектирована на основе протекания деформации во времени. Поскольку в почвообработке процесс деформации происходит почти мгновенно, то упругие вязкие и пластические деформации накладываются одна на другую. Это обстоятельство отражено параллельным соединением основных составляющих модели.
Рассмотрим процесс взаимодействия неплотной почвы с практически полным заполнением пор водой или воздухом с внешним давлением, превышающим запас сцепления, что служит основным условием тягового усилия почвообрабатывающего агрегата.
В первый момент после приложения деформирующих напряжений сопротивление их действию будет оказано как скелетом, так и водой или воздухом. На рис. 2 эти напряжения воспринимаются упругими элементами, соответственно Пс0 и №0. Доля участия каждой из этих фаз будет пропорциональна величине их модулей упругости. Так как у скелета он выше, чем у воды (воздуха), то основную роль в сопротивлении почвы будет играть скелет. Суммарная величина мгновенной упругой деформации скелета и воды (воздуха) на рис. 3 отмечена участком 0—2. При этом установлено [2; 3], что деформация у0 не является полностью упругой, поскольку часть её (участок 1—2), есть немедленная остаточная (необратимая) деформация. Следовательно, и в первый момент после приложения нагрузки там, где упругие напряжения превысили запас сцепления, происходит взаимное перемещение частиц скелета одна относительно другой с пос-
ледующим уплотнением структуры. Это отражает элемент Сен-Венана, работающий одновременно с упругими элементами Н°0 и 1Р0. Вслед за первым моментом начинается движение к дренам воды (воздуха) и тем самым будет проявляться её вязкое сопротивление. На схеме реологической модели это отображено вязким элементом Ньютона (N).
На этой стадии деформации, стадии затухающей ползучести, сопротивление действию деформирующих напряжений оказывается и вязким сопротивлением перемещающихся одна относительно другой частиц скелета, которые отображаются элементом (SV). Деформация на участке 2—3 прямая длительная упругая [2; 3]. Она практически линейно связана с напряжениями и поэтому подчиняется принципу независимости действия сил так же, как и мгновенная упругая деформация. Из этого следует, что чем выше нагрузка или скорость ее приложения, тем больше значение длительной упругой и меньше — вязкой деформации; увеличение деформации Vsf с ростом скорости приложения нагрузки происходит (из условия V. = const) за счет уменьшения Vег (см. рис. 3).
На II и III стадиях деформации полностью необратимы и не зависят от скорости приложения нагрузки.
Согласно рис. 3, уравнение модели почвы:
T=i* + iJf + rsy, (2)
где Iй, г*, rw— соответственно сопротивление элементов Гука, Ньютона и Сен-Венана.
В развернутом виде формула (2) примет вид: г = Gy+ rjy + tgcp'o, (2’)
где G— модуль упругости почвы в целом; г] — коэффициент вязкости почвы; t&p'o — удельная сила трения; а—нормальные напряжения, <р' — угол внутреннего трения почвы; у и у — деформация и ее интенсивность соответственно.
Из анализа (2’) вытекает, что два первых слагаемых представляют собой сопротивление упруго-вязкой деформации. При этом сопротивление вязкой деформации зависит от скорости деформации. Если принять, что Gy+ г]у = С— сцеплению, то структура уравнения (2) будет идентична закону Кулона (1), то есть
Гольдштейну и др.): Уд — мгновенная упругая деформация; У1 — упруго-вязкая деформация; И — упругая деформация; }* — пластическая деформация.
г = (Оу + 7]у) + (8^'а. (2")
Согласно зависимости (2") сопротивление почвы возрастает с увеличением скорости приложения нагрузки до бесконечности по прямой, описываемой уравнением: у = а+Ьх. (а)
Действительно, до определенного момента сопротивление почвы сжатию линейно возрастает до некоторого значения с увеличением скорости приложения нагрузки, затем интенсивность его роста снижается. Абсцисса точки перегиба затухающей кривой т=/(у) называется критической скоростью.
Стабилизация сопротивления почвы с увеличением скорости приложения нагрузки объясняется перераспределением доли вязкой деформации в сторону упругой, не зависящей от скорости, на первой стадии ползучести. С учетом этого уравнение (2”) записывается в ввде:
= СК0е+[і,у-
-Лпу
-СК?)
(3)
где У/С — коэффициент пластичности почвы, характеризующий изменение пластической деформации с увеличением скорости приложения нагрузки [4]; С — скорость распространения упругих напряжений звука в почве; \*0 — мгновенная упругая деформация; длительная упругая деформация, Н.
Вполне очевидно, что начало стабилизации сопротивления почвы, проявится при таком значении критической скорости V , когда приращение упругого сопротивления будет равно или больше уменьшения вязкого сопротивления. На этом основании из (3) имеем:
пу-^чу
(4)
После преобразований относительно Vг значение критической скорости деформации можно определить из выражения:
V
(5)
Из (5) следует, что при постоянном значении скорости распространения упругих колебаний, критическая скорость деформации почвы тем выше, чем больше её вязкие свойства, то есть критическая скорость возрастает при увеличении влажности и содержания глины в почве [1].
Если допустить, что в (5) Оу = г/у, то получим Кр > 0,5С или значение критической скорости деформации почвы не меньше половины значения скорости распространения в ней звука.
Литература.
1. КуленА., КциперсХ. Современная земледельческая механика. Перевод с англ. А.Э. Габриэлена. Под ред. Ю.А. Смирнова. ■ миздат, 1986.
2. Гольдштейн М.Н. Механические свойства грунтов. — М.: Госстройиздат, 1978.
3. Вялов С.С. Реологические основы механики грунтов. — М.: Высшая школа, 1978.
4. Горячкин В.П. Собрание сочинений в 3-х томах. — М.: Колос, 1968.
- М.: Агропро-
СОВРЕМЕННЫЕ ПРОТИВОФИЛЬТРАЦИОННЫЕ КОНСТРУКЦИИ МЕЛИОРАТИВНЫХ КАНАЛОВ И МЕТОДЫ ИХ РАСЧЕТА
А.Г. АЛИМОВ, кандидат технических наук
Поволжский НИИэколого-мелиоративных технологий
Эколого-мелиоративное состояние орошаемых земель в значительной степени зависит от фильтрационных потерь воды из каналов и водоемов. Это одна из главных причин локального или регионального подтопления земель.
Поэтому очень важно применять научно обоснованные водосберегающие конструкции противо-фильтрационных покрытий (бетонных, железобетонных и др.), которые исключают такие потери или хотя бы сводят их до допустимого минимума.
Слабое звено бетонных и железобетонных покрытий — деформационные швы и стыки, так как даже при хорошей их герметизации образуются трещины в
результате температурно-усадочных и неравномерных деформаций основания, в частности от морозного пучения, набухания или просадки подстилающих грунтов, что вызывает значительные потери воды.
Создание эффективной противофильтрационной защиты на каналах и водоемах направлено на рациональное использование водных ресурсов и предотвращение подтопления, заболачивания и засоления окружающих земель, что служит одним из приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в Российской Федерации, утвержденных Президентом РФ 21 мая 2006 г.
На основании теоретических, экспериментальных, натурных и патентно-информационных исследований автором разработаны современные водосберегающие конструкции противофильтрационных покрытий каналов и водоемов, технологии их устройства и методы расчетов [1,2].
