Механика почвы, ее свойства и процессы

Почва это то, что мы видим каждый день, поверхностный плодородный слой земли, который образовался в результате взаимодействия двух противоположностей живой (органической) и мертвой (неорганической) природы[1-6]. Человек использует почву для удовлетворения своих потребностей выращивает на ней продукты, сельхоз культуры и за частую не задумывается о том, что происходит с почвой, какие процессы происходят в ней во время механической обработки и тд.

По данным статистики в РФ 120 млн. га занимают пахотные площади. Ежегодно на обработку такого количества земель расходуется более 3 млн. т горючего это около 40% всех энергетических затрат в полеводстве [9-13].

К физическим параметрам состояния почв относятся: значения пределов прочности при деформациях, механический состав, влажность, структура, сложение, плотность, объемная масса, удельная поверхность, пористость (скважность) и другие, все это переменные величины, подверженные изменениям и управлению посредством почвообработки, мелиорации, удобрения и т.п. [7,11,18].

Механический состав почвы определяется размерной характеристикой или дисперсностью твердой фазы. значительное влияние оказывают пылеватые частицы размером 0,01…0,05 мм и илистые фракции размером менее 0,001 мм. Важной характеристикой степени дисперсности твердых частиц служит удельная поверхность, т.е. суммарная площадь частиц в единице массы материала [2,4,9].

Внешние нагрузки, статически приложенные к некоторому объему почвы, передаются на весь массив и создают в нем внутренние усилия, интенсивность которых характеризуется напряжением. Принято, что деформация сплошной среды не нарушает представления о сплошности структуры как упругого, так и пластичного материалов [3,6,11,12]. Поэтому в общем случае под прочностью среды понимают способность ее сохранять сплошность при деформациях. Пределом прочности называют нарушение сплошности тела, которое наступает вследствие разрыве связи между частицами материала и отделением их друг от друга.

Монолитная почва состоит из почвенных агрегатов, которые имеют различную форму и размеры и связаны между собой силами, имеющими физическую, химическую, электрическую и механическую природу.

Для большинства супесчано-суглинистых почвогрунтов прочность связей между частицами значительно меньше, чем прочность самих частиц. Поэтому почвогрунты разрушаются преимущественно по связям между частицами. Механическое разрушение почвогрунтов следует рассматривать как преодоление связей.

Деформация сжатия слагается из обжатия и разрушения структурных агрегатов, изменения их взаимного расположения и расстояний между ними, выжимания свободной воды и воздуха из пор. В зависимости от величины напряжения, деформация почвы при сжатии может быть упругой и пластической [23-27].

Механическая обработка почвы различными видами рабочих органов сопровождается рыхлением (это процесс разрушения монолита пласта и приведение его в рыхлое состояние), крошением (дробление крупных почвенных глыб и комков на более мелкие фракции), уплотнением(производится при изменении положения почвенных агрегатов и частиц, сопровождается повышением объемной массы, восстановлением скважности и капилляров) и перемещением отдельных элементов или пласта в целом [12-18]. Операции крошения, уплотнения и перемещения, как правило, осуществляются одновременно с резанием и перемещением почвы.

Резание без отделения стружки выполняется перпендикулярно или параллельно поверхности пласта. В механике грунтов такой способ называют блокированным резанием, оно выполняется плоскими дисковыми или черенковыми ножами, стойками рыхлителей и щелевателей. Резание с отделением стружки выполняется плоскими и криволинейными клиновидными рабочими органами при поступательном или вращательном движении (лемехи плугов, лапы и наральники культиваторов, ножи фрез, сферические диски борон и лущильников и др.).

Поведение почвы в процессе деформирования зависит не только от абсолютных значений напряжений и деформаций, но и от величин их производных по времени, т.е. от скорости приложения нагрузки [18-22]. С повышением рабочих скоростей почвообрабатывающих машин изменяется механика взаимодействия рабочих органов с почвой: повышаются прочностные характеристики почвы, возникают дополнительные динамические составляющие сопротивления резанию, увеличиваются общие энергозатраты, изменяется качество обработки почвы, в том числе степень крошения [23-27].

При ударном воздействии рабочих органов на почву, в последней возникают волны напряжений и деформаций. Чем больше скорость нагружения, тем меньше время протекания деформации и тем выше напряжение, при динамическом нагружении в почве возникают и распространяются волны напряжений, образуя области возмущений, в которых почва находится в напряженно-деформированном состоянии [12,18,27]. Как и любое тело, подвергнутое удару, почва вначале испытывает упругие деформации, которые затем могут переходить в пластические деформации.

Следует отметить, что возникновение пластических деформаций зависит как от величин возникающих напряжений, так и от состояния среды.

При малой интенсивности ударного импульса в почве могут образовываться только упругие волны возмущений.

Механическая обработка почвы проводится с целью создания наиболее благоприятных водного, воздушного, теплового, пищевого и биологического режимов. Все эти режимы на прямую связаны со способом и орудием механической обработки, по этому для обеспечения хорошей урожайности необходимо тщательно подбирать средства обработки почвы исходя из ее состава и состояния.