Физико-механические свойства почвы

Твёрдость

Твёрдость — свойство почвы в естественных условиях оказывать сопротивление действию расклинивающих сил. На твёрдость влияет влажность, оструктуренность, гранулометрический состав. При подсыхании твёрдость увеличивается. Высокая твёрдость негативно сказывается на росте корней растений, увеличиваются энергетические затраты на обработку и износ рабочих органов техники.

Единица измерения твёрдости почвы Н/см² или кг/см². Чтобы определить твёрдость почвы, сначала измеряют плотномерами силу сопротивления почвы вертикальному внедрению в нее наконечника прибора различной формы (плунжера, конуса, шара, цилиндра), а затем делят эту силу на площадь поперечного сечения внедряемого тела.

Наименьшей твёрдостью обладают чернозёмы и оструктуренные почвы. Оптимальная твёрдость чернозёмов при влажности 0,7 НВ для зерновых культур составляет 7-9,9 кг/см², кукурузы — 5,2-7,2, картофеля — до 5 кг/см².

При сильном уплотнении при высушивании и повышении твёрдости до критических значений более 10 кг/см² для зерновых культур, приводит к снижению роста корней и увеличению затрат энергии растений на преодоление сопротивления почвы.

Связность

Связность почв — свойство почвы оказывать сопротивление разрыхляющему действию. Тяжёлые глинистые почвы и солонцы в сухом состоянии обладают наибольшей связностью, что проявляется в плохом крошении, глыбистости и увеличении энергетических затрат на обработку. Во влажном состоянии эти почвы сильно прилипают к рабочим органам машин. Лёгкие и хорошо оструктуренные почвы обладают наименьшей связностью, что позволяет обрабатывать их при широком интервале влажности.

Связность увеличивает устойчивость к эрозии.

Пластичность

Пластичность почв — способность почвы во влажном состоянии изменять и сохранять под действием внешних сил форму и деформироваться без образования трещин. Пластичность зависит от гранулометрического состава, состава коллоидной фракции и поглощённых катионов, гумусированности. Пластичность проявляется в определенном интервале влажности почвы. Верхний предел пластичности определяется нижней границей текучести.

Нижний предел пластичности проявляется при влажности, при которой почва переходит из полутвёрдой консистенции в вязкопластичную, например, раскатывается в шнур. Соотношение между верхним и нижним пределами пластичности измеряется числом пластичности, равное для супесчаных почв от 0 до 7, суглинистых 7-17, глинистых — более 17. К наиболее пластичным относятся глинистые, суглинистые и солонцовые почвы.

Липкость

Липкость почв характеризует способность её частиц склеиваться и прилипать к рабочим органам и колёсам машин. Проявляется при превышении определенного уровня влажности почвы.

Липкость измеряют в Н/см². Для определения липкости почвы силу, которую необходимо приложить, чтобы оторвать прилипшую к почве стальную пластинку, делят на площадь залипания.

Липкость зависит от влажности и дисперсности почвы. При постоянном нормальном давлении липкость с увеличением влажности почвы растёт до максимального значения, а затем в результате увеличения толщины водных плёнок на поверхности залипания снижается. С увеличением дисперсности (распыла) почвы возрастает залипаемость орудий.

Наибольшей липкостью обладают глинистые почвы. У распылённой, то есть бесструктурной, почвы липкость начинает проявляться при относительной влажности 40-50%, тогда как у структурной — при 60-70 %. Поэтому необходимо сохранять и восстанавливать структуру почвы, которая создаёт оптимальные условия плодородия и снижает залипаемость орудий.

Для уменьшения липкости способствуют меры, направленные на повышение плодородия и оструктуривание: внесение органических удобрений, известкование или гипсование, осушение переувлажненных участков, покрытие поверхностей рабочих органов полимерными материалами, использование пластинчатых отвалов на корпусах плугов и др.

Физическая спелость

Физическая спелость почв — оптимальный для обработки почвы интервал влажности, при котором физико-механических свойства обладают наилучшими качествами для проведения технологических операций.

Для суглинистых почв физическая спелость соответствует 40-60% НВ, для лёгких — 40-70% НВ. Ввиду уплотнения под действием тяжёлой техники обработку принято проводить при 60-70% НВ. Высокое качества обработки при наименьшем тяговом сопротивлении достигается при влажности 14-18%.

Проводить обработку сухой почвы нежелательно из-за плохого крошения, сильной глыбистости, распыления и уплотнения.

Наилучшее качество рыхления достигают при физической спелости весной на глубину боронования зяби и культивации 6-10 см, при весенней вспашке — 16-20 см. Обработка неспелых почв увеличивает тяговое усилие и расход топлива: на сухих почвах — из-за повышенной связности, а на переувлажненных — из-за увеличения липкости.

Влажность определяет выбор почвообрабатывающих орудий. Дисковые и фрезерные орудия используют для обработки почв с большей на 2-3% влажностью, агрегаты со стрельчатыми, плоскорежущими или долотообразными рабочими органами — при меньшей влажности.

Увеличение скорости движения агрегатов, например, при вспашке, до 2,50-3,33 м/с интервал оптимальной влажности расширяется и почву допустимо обрабатывать при влажности 18-20% НВ, без ухудшения качества крошения.

Оптимальная влажность, соответствующая физической спелости, при которой уплотняющее действие тяжёлой сельскохозяйственной техники минимально для чернозёмных почв находится в интервале 15-24%, дерново-подзолистых — 12-21%, серых лесных — 15-23% НВ.

Таблица. Интервалы влажности почвы для качественной её обработки (по Пронину), %.

Трение скольжения

Трение скольжения почвы о поверхность рабочего органа называют внешним. Его оценивают по силе F сопротивления почвы перемещению по рабочей поверхности. Эта сила пропорциональна силе нормального давления почвы на рабочий орган:

Коэффициент пропорциональности f, или коэффициент трения, зависит прежде всего от гранулометрического состава и влажности почвы. На песчаных сыпучих почвах коэффициент почв по стали изменяется от 0,25 до 0,35; песчаных связных — от 0,5 до 0,7; среднесуглинистых — от 0,6 до 0,9.

С производственной точки зрения трение при вспашке является негативным фактором. Сила трения на лемешно-отвальной поверхности составляет 30-40 % от полного сопротивления плуга.

Применяется несколько способов для уменьшения силы трения:

• использование вибрации и активных рабочих органов;
• создание пограничного слоя из воды и воздуха по поверхности контакта почвы с рабочим органом;
• полировка отвалов, покрытие их различными материалами;
• изменение геометрической формы рабочих органов;
• замена скольжения почвы перекатыванием по роликам.

Сопротивление деформациям

Сопротивление деформациям характеризует прочность почвы. При обработке почвы различными рабочими органами она испытывает деформации сжатия, растяжения, сдвига, кручения и их комбинации. Временное сопротивление почвы (до начала её крошения) при различных видах деформации варьирует в широких пределах. Так, суглинистая почва при абсолютной влажности 21-28% имеет временное сопротивление растяжению 5-6 кПа, сдвигу 10-12 кПа, сжатию 65-108 кПа. Поэтому рыхление почвы с минимальным расходом энергии возможно при применении рабочих органов, обеспечивающих растяжение почвенного пласта.

Абразивность почвы

Абразивность почвы оценивают по содержанию в ней физического песка с большим количеством каменистых включений размером 0,25-3 мм, которые являются причиной повышенного истирания (износа) рабочих органов.

По критерию абразивного износа почвы подразделяются на группы:

• с малой изнашивающей способностью с содержанием песка до 80 %;
• средней изнашивающей способностью с содержанием песка до 80-95 %;
• повышенной изнашивающей способностью с содержанием песка до 95-100%.

Абразивный износ лемехов при вспашке 1 га почв первой группы составляет 2-30 г, второй группы — 30-100 г, третьей — 100-450 г.

Удельное сопротивление

Удельное сопротивление почвы является обобщённой характеристикой трудности её обработки. Коэффициент Kc удельного сопротивления почвы при вспашке определяют измерением тягового сопротивления плуга Р и делением его на площадь поперечного сечения поднимаемого пласта:

где a — глубина вспашки, см; b — ширина захвата корпуса, см; n — число корпусов.

По удельному сопротивлению почвы подразделяют на:

• лёгкие (K_c < 3 Н/см²);
• средние (K_c = 3-5 Н/см²);
• среднетяжёлые (K_c = 5-7 Н/см²);
• тяжёлые (K_c = 7-12 Н/см²);
• очень тяжёлые (K_c > 12 Н/см²).

Коэффициенты удельного сопротивления почвы при культивации, бороновании, прикатывании и других аналогичных операциях определяют делением тягового сопротивления машины на её ширину захвата.

Взаимодействие клина с почвой

По геометрической форме рабочие органы плуга и других почвообрабатывающих орудий выполнены как плоские или криволинейные клинья. К плоским клиньям относятся лемеха, ножи, лапы культиваторов, зубья борон; к криволинейным — сферические диски борон, лущильников, отвалы плугов, окучники. Форма клина также характерна для сошников сеялок и сажалок.

Плоский клин

Под воздействием плоского клина происходит деформация почвы, характер которой зависит от технологических свойств почвы и угла α установки рабочей грани клина к горизонтали.

Деформация почвы плоским (а...г) и криволинейным (д) клиньями

Малосвязные почвы. Основной вид деформации малосвязных почв — сдвиг. При перемещении клина из положения I в положение II частицы почвы a, б (рис. a) вдавливаются в ещё не деформированную массу и переходят в положение a’, б’, то есть материал уплотняется. Напряжение смятия в точке a больше, чем в точке б, так как аа’ > бб’. Как только напряжение смятия превысит временное сопротивление почвы сдвигу, впереди лезвия клина возникнет плоскость сдвига ОА, направленная под углом ψ к дну борозды, и от пласта отделится призмовидная глыба ОАВа’.

После скалывания, глыбы скользят по поверхности плоского клина, не претерпевая новых деформаций, и поэтому не распадаются. Размеры отколовшихся глыб зависят от толщины пласта, то есть глубины обработки. Тонкий пласт распадается на более мелкие комки, чем толстый.

Средне- и сильносвязные (суглинистые и глинистые) почвы при оптимальной влажности. В самом начале внедрения клина образуется трещина ОС (рис. б), которая расширяется, и от пласта отрывается элемент АОС. При дальнейшем движении (из положения I в положение II) клин вначале срезает стружку переменной толщины по линии ОО’ (зачищает дно борозды), затем образует новую трещину О’С’ и отрывает следующий элемент пласта.

Твердые и сухие почвы. Трещина излома распространяется вниз (рис. в), поэтому дно получается неровным, а отколовшаяся глыба пласта получается неправильной формы.

Сильно задернелые и влажные суглинистые почвы разрываются клином по линии движения лезвия. Возникающие при изгибе пласта трещины не доходят до поверхности, таким образом пласт не разделяется на отдельные элементы и представляет собой сплошную ленту (рис. г).

Двугранный клин

В зависимости от направления движения и расположения лезвия относительно горизонтальной и вертикальной плоскостей характер воздействия двугранного клина на почву меняется.

Взаимодействие двугранных (I-III) и трёхгранных (IV) клиньев с почвой

Двугранный клин с углом α (рис. I) отделяет пласт от дна борозды, поднимает его, сжимает в вертикальной плоскости и раскалывает на отдельные комки.

Двугранный клин с углом γ (рис. II) отделяет пласт от стенки борозды, отводит его в сторону и сжимает в горизонтальной плоскости.

При одновременном действии клиньев с углами α и γ происходит разрушение пласта в двух направлениях. Дальнейшее крошение сколотых кусков при движении их по поверхности клиньев прекращается, так как углы α и γ имеют постоянное значение. Для более интенсивного крошения пласта устанавливают один за другим ряд простых клиньев с постепенно увеличивающимися углами α и γ, то есть простой плоский клин заменяется криволинейным.

Двугранный клин с углом β (рис. III) наклоняет пласт в сторону. Однако для перевода пласта из горизонтального положения в наклонное необходим не один, а множество расположенных один за другим клиньев с увеличивающимся от 0 до 90° углом β. Для оборота пласта угол должен составлять более 90°.

Литература

• Баздырев Г. И., Лошаков В. Г., Пупонин А. И. и др. Земледелие. Учебник для вузов. М.: Издательство «Колос». 2000
• Никляев В. С. Основы технологии сельскохозяйственного производства. Земледелие и растениеводство. М.: «Былина». 2000
• Евтефеев Ю. В., Казанцев Г. М. Основы агрономии: учебное пособие. М.: ФОРУМ. 2013
• Халанский В. М., Горбачёв И. В. Сельскохозяйственные машины. М.: КолосС. 2004