CC BY
21
УДК.631.4.531
О ПРИРОДЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ ПОЧВЫ МЕХАНИЧЕСКОЙ НАГРУЗКЕ ДЬЯКОВ В.П.,
кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник, ведущий научный сотрудник лаборатории механизации ФГБНУ «Курский ФАНЦ» - Всеросийский научно-исследовательский институт земледелия и зашиты почв от эрозии»; тел.: 8- 908-121- 28-42.
Реферат. Почва, как и грунт, относится к рыхлой горной породе. Отличительной особенностью почвы от других массивных горных тел, является ее раздробленность, т. е. почва не принадлежит к сплошным телам, а к телам, состоящим из отдельных твердых частиц. При этом частицы связаны между собой так, что прочность связей между ними во много раз меньше прочности самих частиц. Прочность почвы в общем случае обусловливается межмолекулярными силами Ван-дер-Ваальса и при определенных условиях дополнением к сцеплению цементацией коллоидных частиц какого-либо химического вещества при определенном уровне влагосодержания. Поэтому вместо термина физико-механические свойства почвы, что почти одно и то же, следует читать физико-химические. Кроме природных факторов (мехсо-став, влажность) на прочность почвы оказывает способ приложения внешней нагрузки, передающей на ее твердые частицы клинообразными рабочими органами. Если в сплошных твердых телах максимальные деформирующие напряжения от внешней нагрузки воспринимаются мгновенно, то на твердые частицы дисперсных тел, воспринимающие максимально возможное (критическое) значение внешней нагрузки, эти напряжения передаются не сразу, а по мере включения их в сопротивление. Накапливаемая энергия упругой деформации почвы в одних напряженно-деформированных условиях играет роль упругого буфера, в других - природным энергетическим источником увеличения передачи деформирующих напряжений вглубь почвы.
Ключевые слова: почва, твердые частицы, сцепление, цементация, способ загрузки. ABOUT THE SOIL RESISTANCE NATURE TO MECHANICAL LOADING DYAKOV VP.,
сandidate of Technical Sciences, Leading Researcher, Leading Researcher of the Laboratory of Mechanization of the FSB "Kursk FANZ" - All-Russian Research Institute of Agriculture and the protection of soils against erosion "; Tel: 8- 908-121-28-42.
Essay. The soil, as well as soil, belongs to friable rock. Distinctive feature of the soil from other massive mountain bodies, is its dissociation, i.e. the soil does not belong to continuous bodies, and to the bodies consisting of separate firm particles. At the same time particles are connected among themselves so that durability of communications is many times less than durability of particles between them. Durability of the soil is generally caused by intermolecular forces of Van der Waals and under certain conditions addition to coupling with cementation of colloidal particles of any chemical at a certain level of moisture content. Therefore instead of the term physicomechanical properties of the soil that almost same, it is necessary to read physical and chemical.
Except natural factors (mekhsostav, humidity) the way of the application of the external loading transferring to its firm particles by wedge-shaped working bodies renders on durability of the soil. If in continuous solid bodies the maximum deforming tension from external loading is perceived instantly, then on the firm particles of disperse bodies perceiving the greatest possible (critical) value of external loading, this tension is transferred not at once, and in process of their inclusion in resistance. In one case elastic potential energy plays s role of the elastic buffer, in another - a power source of increase in transfer of the deforming tension deep into of the soil.
Key words: soil, firm particles, coupling, cementation, way of loading.
Введение. Механическая обработка почвы одна из высокоэнергоемких и малопроизводительных технологических операций в сельском хозяйстве. Энергетические затраты на ее производство составляют свыше 40 % от всех статей расходов в растениеводстве [1]. В то же время ей сопутствуют неблагоприятные физические факторы, снижающие плодородие почв, прежде всего переуплотнение почв. В последнее время положение усугубилось резким увеличением в сельскохозяйственном производстве удельного веса техники с колесными ходовыми системами.
При работе технологического комплекса почва деформируется и разрушается рабочими органами (целевая, полезная работа) и ходовыми системами энергетических средств (колесо, гусеница) и агре-гатируемых с ними почвообрабатывающих орудий. Для снижения резко отрицательного эффекта данных процессов все большую актуальность приобретают исследования, направленные на изучение физико-механических свойств почвы и механических процессов взаимодействия сельскохозяйственной техники и почвы.
Исследованиями поведения почвы под внешней нагрузкой занимается механика почв - раздел земледельческой науки, в котором рассматривается образование и изменение напряженно-деформированного состояния почвы от внешней нагрузки при постоянной скорости приложения ее. Исследования напряженно-деформированного состояния материала при сжатии и растяжении изучаются и в общей технике (сопротивление материала), и механике грунтов. Однако цели и задачи, решаемые науками, часто расходятся и поэтому обобщение результатов, исходя из различий условий и конечных результатов работы грунтов и твердых сплошных тел, при деформировании почвы не стыкуются. Например, при «... работе резцов по металлу и дереву стружка является отбросом, при работе пахотных орудий пласты или комки почвы той или иной величины составляют всю цель работы и характеризуют степень крошения почвы. Поэтому учение О. Мора о разрушении материалов, определяющее плоскости распадения материала при крошении, для земледельческой механики приобретает особое значение» [2]. Оценивая сказанное выше, следует заметить, что результаты исследований в общей технике и механике грунтов направлены на сохранение прочности объекта (грунта), в механике почв - на разрушение. С другой стороны, при обработке дерева или металла резец работает как наклонная камера (скорость резца равна нулю), при обработке почвы - неподвижна почва, тогда как резец (клинообразный рабочий орган) перемещается с определенной скоростью V [3]. В связи с этим результаты исследований приведен-
ных выше наук могут быть полностью использованы в механике почв только в качестве наглядного пособия.
Цель и задачи исследования. Возвращаясь к цели работы почвообрабатывающих машин и орудий, заметим, что, «. пласты или комки почвы той или иной величины.» характеризуются тремя видами отделения (подъема) пласта от почвенного массива; их форма и параметры обусловливаются типом и состоянием почвы и параметрами рабочих органов почвообрабатывающих машин и орудий. Типичными видами разрушения почвы являются: 1) подъем пласта со сдвигом; 2) подъем пласта с образованием открытой трещины - путем отрыва и 3) подъем пласта срезанием в виде сплошной ленты. Последний из трех, вид подъема пласта признан частным случаем подъема пласта отрывом, поскольку пласт поднимается рабочей гранью лемеха после подрезания его лезвием лемеха. Наиболее распространенными видами разрушения почвы являются подъем пласта путем отрыва и подъем пласта путем сдвига.
Разрушению почвы путем отрыва пласта подвержены связные почвы при малых углах резания рабочих органов почв и относительной влажности почвы не выше 70 %. Данный вид подъема пласта наиболее распространен в практике обработки хрупких почв. Он обусловливается действием нормальных напряжений. При обработке сухих связных почв рабочий орган отрывает уже отдельные глыбы неправильной формы; пласта почвы в обычном понимании этого слова при этом не образуется. Разрушение почвы происходит при весьма незначительных размерах остаточных деформаций.
При больших углах резания рабочих органов и высокой влажности пластичных почв наиболее вероятен подъем пласта сдвигом под действием касательных напряжений, разрушительному действию которых пластичные почвы сопротивляются хуже, чем действию нормальных напряжений. Следует заметить, что у пластичных почв без предшествующих, обычно довольно значительных, остаточных деформаций разрушение сдвигом вряд ли возможно.
Вместе со сказанным о виде разрушения почвы в зависимости от ее типа необходимо сказать об одновременном существовании у почв, как и у других материалов, двух видов сопротивления разрушению. Данное обстоятельство наглядно подтверждается опытами над разрушением двух типов почв, проведенными в ВИСХОМе Г.Н. Синеоко-вым [4]. Так, при воздействии клина с малым углом резания (10о) на влажный песок, для которого типичным видом деформации при угле крошения 20...60о является сдвиг, происходит образование пласта, имеющего вид сплошной ленты. Резание же
сильно увлажненного суглинка клином с углом резания 10...200 сопровождалось сливной стружкой, пронизанной на всю толщу трещинами отрыва, а при резании клином с углом резания 30.45о - образовывалась типичная стружка отрыва.
Вместе с тем нельзя не отметить существенного на наш взгляд противоречия в видах разрушения грунтов и почв, весьма близких по минералогическому и структурному образованиям. Из серии результатов исследований [4], следует, что все суглинистые почвы, а в отдельных физических состояниях и песок, под воздействием клина и клинообразных рабочих органов разрушаются путем отрыва. В механике же грунтов основной прочностной характеристикой грунтов является предельная величина сопротивления грунтов сдвигу [5]. Из общей теории деформирования тел известно, что внешняя нагрузка, действуя на почву и на грунт, вызывает в них, при равных прочих условиях, равно как нормальные к поверхности скольжения нормальные напряжения, так и касательные (сдвигающие). Разгадка данного обстоятельства заключается, очевидно, в соответствии или в несоответствии способа приложения внешней нагрузки физическому состоянию, а следовательно, поведению в опыте той или другой породы под внешним давлением.
Результаты исследования. Решение задачи по выявлению причины различия в деформировании почв и грунтов является, на наш взгляд, шагом вперед к открытию «черного ящика» в процессе деформации почвы.
Сложность поставленной задачи обусловливает, как показывает опыт проведенных исследовательских работ, необходимость перехода от феноменологического (формально-математического) методического направления исследований к структурно-динамическому методу исследований. Таким образом, для структурно-динамического направления исследований учет действительной структуры почвы и характера взаимодействия ее элементов является обязательным, поскольку оно базируется на изучении физических явлений в тесной связи со структурой соответствующей среды. В этой связи на передний план выдвигается необходимость знания о структуре почвы и взаимодействии твердых минеральных частиц между собой и между частицей и поровой средой. Следовательно, знания только физико-механических свойств почвы при исследованиях поведения ее под внешней нагрузкой становятся, крайне недостаточными, и они должны быть дополнены или заменены физико-химическими, которые, как показывает опыт, являются определяющим фактором поведения дисперсного тела под внешней нагрузкой.
Почвы и грунты, как горные рыхлые породы, не могут быть отнесены ни к одной категории тел,
изучаемых в физике, поскольку являются, в первую очередь, дисперсными телами. Поэтому при рассмотрении вопросов поведения пород под нагрузкой и природы прочности их следует, в первую очередь, учитывать их важнейшую особенность, заключающуюся в механической неоднородности. Это означает [5], что почвы и грунты относятся не к сплошным телам, а к телам, состоящим из отдельных твердых минеральных частиц не связанных между собой (песчаные почвы) или связанные (глинистые почвы) так, что прочность самих частиц существенно превышает прочность связей между ними. Внутренние связи в почвах, обусловливающие в процессе формирования и последующего существования её структуру, называются структурными связями. Следовательно, прочность структуры почвы, т.е. сопротивление перемещению частиц из одного равновесного состояния в другое и разрушение сформировавшейся морфологической структуры, зависит от наличия и типа структурных связей; их жесткость, упругость, эластичность, прочность и характер являются важными факторами. Поэтому, прежде чем говорить о прочности почвы в целом следует установить физическую природу того взаимодействия между частицами и поровой средой, которая и обусловливает эту прочность.
С точки зрения физико-химических свойств, почвы, как и грунты, представляют собой сложные коллоидные системы. Для понимания их структурно-механических свойств большое значение имеют развитые П.А. Ребиндером [6] представления о коа-гуляционных и конденсационно-кристал-лизационных структурах. В основу их разработки автор положил зависимость структурных связей от физико-химических условий формирования пород. Таким образом, прочность структурных связей и, следовательно, прочность почвы в целом, следует рассматривать в зависимости не от физико-механических, как обычно принято считать, а от физико-химических свойств исследуемой почвы. Первого определения зависимости прочности быть не может уже по тому, что физические свойства почв позволяют характеризовать только физическое состояние почвы, что позволяет их классифицировать; механическое же свойство - дает только оценку поведения почвы под действием внешних сил. Химические же связи, как известно, обусловливаются воздействием системы внешних и внутренних сил и возбуждаемыми ими энергетическими полями. К внешним энергетическим полям относят поля, которые возбуждаются приложенной нагрузкой. Внутренние поля возбуждаются силами взаимодействия между твердыми частицами, источниками которых являются сами компоненты почвы.
Каждой коллоидной структуре присущ соответствующий тип структурных связей, характеризующий данную структуру. Так, коагуляционная структура характеризуется водно-коллоидными связями. Природа этих связей обусловлена межмолекулярными силами Ван-дер-Ваальса и коллоидными пленками какого-либо химического связывающего (цементирующего) вещества. Понижение влажности почвы в результате уплотнения или высушивания приводит к более или менее значительной дегидратации коллоидных пленок, в результате чего повышается механическая прочность почвы. В отличие от межмолекулярных сил сцепления клеящая способность коллоидных пленок сохраняется в весьма широких пределах влажности - от верхнего предела текучести до абсолютно сухого состояния, чем и объясняется связность кусков сухой твердой почвы.
Следующая особенность коллоидных пленок цементирующего вещества заключается в способности восстанавливать связность почвы, но лишь в определенном интервале влажности - примерно между пределом усадки (~ 40 %) и нижним пределом пластичности. Однако следует заметить, что на восстановление разрушенной в процессе деформирования связности почвы требуется определенное время. Поэтому эффект восстановления связности возможен только тогда, когда скорость деформации меньше скорости восстановления, т. е. при скорости деформации меньше 0,7....0,9 м/сек, что соответствует минимальной скорости работы почвообрабатывающих машин. В процессе дальнейшей дегидратации коллоидные пленки становятся все более жесткими. Их способность восстанавливать связность почвы при этом утрачивается вовсе.
Таким образом, основное значение в возникновении связности (прочности) глинистых почв имеют физико-химические процессы на границе твердой и жидкой фаз (частица - поровая среда и частица - частица). В механике грунтов доказано, что образование коллоидных пленок кремнекислоты на поверхности глинистых частиц и даже на зернах чистого кварцевого песка является результатом взаимодействия глинистого материала с водой и выпадения из поровой воды солей железа, карбонатов кальция, магния и других тяжелых металлов. Эти образования делают возможной цементацию частиц осадка различной крупности, протекающую аналогично схватыванию обычных вяжущих (цемента), поскольку продуктам диспергирования силикатных пород присущи в той или иной степени свойства цемента. Возможность выпадения химических веществ из поровых растворов и их цементирующее влияние доказано исследованиями [7], [8] и др. Результатом цементации частиц является возникновение в почве ионных сил, влияние кото-
рых придает почве новые свойства. Это влияние переводит почвы, особенно глинистые, в категорию твердых тел - конденсационно-кристаллизацион-ные структуры П.А. Ребиндера. Данная категория тел характеризуется приближением прочности структурных связей к прочности материала минеральных частиц почвы.
Из рассмотрения физической сущности взаимодействия минеральных твердых частиц и порового раствора следует, что в процессе потери влаги происходит метаморфоза почвы, т. е. переход ее из пластического состояния в состояние хрупкого твердого тела. Одновременно с этим происходит и изменение ее прочностной характеристики: мало прочные водно-коллоидные структурные связи преобразуются в жесткие кристаллизационные. В этой связи сцепление (сопротивление структурных связей) глинистых почв разделяется на две части: сцепление, обусловленное влиянием сил Ван-дер-Ваальса, и сцепление, обусловленное воздействием ионных сил при цементации частиц. Следует заметить, что клеящее действие коллоидных пленок кремневой, алюминиевой и др. кислот присутствует в обеих частях сцепления.
Коллоидные структуры П.А. Ребиндера отражают крайние состояния почвы. По классификации В.П. Горячкина [2] эти структуры, исходя из практических условий работы сельскохозяйственных машин и орудий, аналогичны, соответственно, мягкому и твердому хрупкому родам состояния почвы. Однако опыт показывает, что наиболее благоприятные условия для работы пахотных орудий создаются при относительной влажности ее в пределах от 30 до 70 %. Из этого следует, что благоприятные условия для обработки почвы обусловливаются определенной комбинацией в ней водно-коллоидных и конденсационно-кристалли-зационных структурных связей.
Следующим обстоятельством, влияющим на прочность почвы, в отличие от сплошных тел является способ приложения внешней нагрузки. Если в сплошных твердых телах максимальные деформирующие напряжения от внешней нагрузки воспринимаются мгновенно, то на твердые частицы дисперсных тел, воспринимающие максимально возможное (критическое) значение внешней нагрузки, эти напряжения передаются не сразу, а по мере включения их в сопротивление.
В первое мгновение нагрузка, приложенная к почве, воспринимается частицами, расположенными непосредственно по площадке контакта со штампом (колесо, звено гусеницы), передающим внешнюю нагрузку. Затем эти частицы, смещаясь одновременно со штампом, оказывают, в свою очередь, воздействие на соседние частицы. После повышения деформирующих напряжений за пределы
сцепления сопротивление их действию будет оказано как твердыми частицами, так и воздухом/водою. Доля участия в сопротивлении каждой из этих фаз пропорциональна величинам их модулей упругости. Вслед за началом смещения твердых частиц начнется движение воды/воздуха. Чем больше воды стечет и удалится воздуха, тем большая часть внешней нагрузки будет переходить на минеральные частицы. В процессе перемещения твердых частиц относительно одна другой и проникание их в промежутки между ними развивается фаза структурно-упругих деформаций, обусловливающая концентрацию частиц твердой фазы с уменьшением абсолютного и относительного объема пор и заполняющих их воды и воздуха. В результате этого по фронту концентрации твердых частиц формируется условная граница, отделяемая уплотняемый объем почвы от окружающего массива.
Условная граница формируется таким образом, что сквозь ее проникают вода и воздух и не проникают твердые частицы, носители внешней деформирующей энергии. В результате этого деформирующая энергии за пределы условной границы не передается, и она накапливается в деформируемом объеме почвы в виде упругой потенциальной энергии. Полная стабилизация уплотнения почвы соответствует моменту, когда вся внешняя нагрузка передается на твердые частицы и напряжения в сжатом объеме почвы достигают максимального постоянного значения.
В процессе деформирования почвы момент стабилизации напряжения соответствует моменту образования уплотненного в результате структурно-упругой деформации объема почвы. Физический смысл стабилизации напряжений в почве, в отличие от стабилизации напряжений в уплотненном объеме грунта под фундаментом, заключается в том, что достигнутое их значение не является постоянным фиксированным, а лишь отражает их максимальную величину, соответствующую максимальному сопротивлению почвы в момент образования сжатого объема почвы. Таким образом, в момент «стабилизации» напряжений на почву передается не вся внешняя нагрузка, а только часть ее. К этому моменту в сопротивление почвы включается максимально возможное количество твердых частиц. Их количество в каждом отдельном опыте обусловливается физико-химическим состоянием почвы, скоростью деформирования и условиями приложения внешней нагрузки и характеризует возможную критическую нагрузку данной почвы в данном опыте. Пропорционально количеству твердых частиц в сжатом объеме почвы в процессе его формирования в фазе структурно-упругой деформации накапливается упругая потенциальная
энергия, обусловленная упругостью минеральных частиц, структурных связей и прочих химических и органических включений.
Представим себе, что в момент завершения формирования процесса стабилизации штамп, передающий внешнюю деформирующую энергию, остановился, а условная граница, выстроенная нами между сжатым, упруго напряженным объемом почвы и окружающим его массивом почвы, завершила свое формирование. Вследствие этого будем иметь картину напряженно-деформиро-ванного состояния, аналогичную картине в грунте в естественном основании под сооружением. В исследуемой ситуации сжатый объем почвы с накопленной упругой энергией стеснен с одной стороны неподвижным штампом, а с другой - выстроенной нами условной границей. При этом величина упругой потенциальной энергии в сжатом объеме почвы равна или несколько меньше сопротивления почвы на внешней стороне условной границы. Чтобы процесс деформирования получил дальнейшее развитие необходимо, чтобы стесненная упругая энергия преодолела сопротивление условной границы. Развитие данной ситуации возможно только при начале движения штампа, и штамп внезапно трогается. Это явление как бы расслабления материала, и расходуемая на него часть энергии в механике грунтов характеризируется как энергия активации.
Важно подчеркнуть, что в этом случае штампу необходимо преодолеть упругое сопротивление сжатого объема почвы и посредством его сопротивление почвы за условной границей. Таким образом, штампу предстоит в этом случае затратить энергию, превышающую в два с лишним раза величину упругой потенциальной энергии, накопленной в процессе структурно-упругой деформации, т.е. в начальной стадии деформации почвы. Данный вывод вполне согласуется с разработанной теорией хрупкого разрушения тела.
После преодоления сопротивления почвы на условной границе стесненный упруго сжатый объем почвы внезапно освобождается от нагрузки. Он начинает расширяться, и упругая потенциальная энергия преобразуется в кинетическую энергию почвенных частиц. Они начинают движение, которое, в конечном счете, приводит к разрушению морфологической структуры почвы и потере ею прочности, что крайне нежелательно.
Выводы. 1. Прочность почвы, как коллоидной системы, обусловливается физико-химическими процессами, происходящими на границах частица -жидкая среда и частица - частица. Термин физико-механические означает почти один и тот же смысл.
2. Одновременное существование у одной и той же почвы двух видов сопротивления механическому воздействию обусловлено проявлением новых
физико-химических свойств почвы при переходе ее из коагуляционной структуры в конденсационную и затем в кристаллизационную структуру и обратно.
При конденсационной структуре разрушение возможно как сдвигом, так и отрывом: вид разрушения обусловливается геометрическими параметрами рабочего органа.
3. В общем случае связность (сцепление) почвы разделяется на связность, обусловленную влиянием
сил Ван-дер-Ваальса, и связность, обусловленную цементацией коллоидных частиц.
4. При влажности почвы выше предела усадки деформирование ее следует производить при скорости, превышающей скорость тиксотропного структурообразования.
5. Понижение прочности почвы возможно путем снижения концентрации растворов электролитов в поровых растворах и скорости приложения нагрузки.
Список использованных источников
1. Панов И.М. Вопросы развития теории разрушения почвы // Тракторы и сельскохозяйственные машины. -1988. - № 10.
2. Горячкин В.П. Собрание сочинений. - Т.2. - М.: Колос, 1968.
3. Дьяков В.П. Взаимодействие клинообразного рабочего органа с почвой // Техника в сельском хозяйстве. - 2009. - № 5.
4. Синеоков Г.Н. Панов И.М. Теория и расчет почвообрабатывающих машин.- М.: Машиностроение, 1977. - 328 с.
5. Цитович Н.А. Механика грунтов. - 4-е изд. - М.: Госстройиздат, 1983. - 288 с.
6. Ребиндер П.А., Сегалова Е.Е. Образование и разрушение структур // Наука и жизнь. - 1955. - № 5.
9. Дьяков В.П., Гребенщиков К.Г. О критерии нормирования механической нагрузки на почву и экспресс-методе оценки ее значения // Вестник Курской государственной сельскохозяйственной академии. -2017. - № 7. - С. 40-44.
10. Дьяков В.П. О результатах исследований деформирования почвы рабочими органами машин и орудиями технологических комплексов // Вестник Курской государственной сельскохозяйственной академии. - 2017. - № 8. - С. 42-46.
List of used sources
1. Panov I.M. The development of the theory of soil destruction. - Tractors and agricultural machinery. -1988. - № 10.
2. Goryachkin V.P. Collected Works. - T.2. - M.: Kolos, 1968.
3. Dyakov V.P. The interaction of the wedge-shaped working body with the soil // Technique in agriculture. -2009. - № 5.
4. Sineokov G.N. Panov I.M. Theory and calculation of tillage machines. - M.: Mashinostroenie, - 1977. - 328
s.
5. Tsitovich N.A. Soil mechanics. - 4th ed. - M.: Gosstroyizdat, 1983. - 288 р.
6. Rebinder, PA, Segalov, E.E. Formation and destruction of structures // Science and Life. - 1955. - № 5.
9. Dyakov V.P., Grebenshchikov K.G. On the criterion of rationing the mechanical load on the soil and the express method of assessing its value // Bulletin of the Kursk State Agricultural Academy. - 2017. - № 7. - P. 4044.
10. Dyakov V.P. On the results of studies of soil deformation by the working bodies of machines and implements of technological complexes // Bulletin of the Kursk State Agricultural Academy. - 2017. - № 8. - P. 42-46.
