Содержание к диссертации
Введение
1 Обзор существующих методов исследования нарушенных земель как объектов рекультивации, природных биогеохимических барьеров 12
1.1 Почва как объект исследования в мелиорации, рекультивации и при охране земель 12
1.2 Физико-механические свойства почв и грунтов, оборудование и методы их изучения 17
1.3 Анализ методов испытаний почв и грунтов для мониторинга нарушенных и мелиорируемых земель 22
1.3.1 Метод испытания почв и грунтов с постоянной скоростью нагру-жения. Цикличность скорости деформации 22
1.3.2 Метод испытания почв и грунтов с постоянной скоростью деформации. Цикличность изменения силовой реакции грунта 26
1.3.3 Метод пенетрационных испытаний почв и грунтов 32
1.4 Способы и средства оперативного контроля за состоянием мелиори руемых, рекультивируемых и охраняемых земель 43
1.4.1 Контроль структурности почвы 43
1.4.2 Контроль влажности почвы 45
1.4.3 Контроль прочностных и деформационных свойств почвы 45
1.5 Выводы, цель и задачи исследования, рабочая гипотеза 48
2 Экспериментально-теоретическое обоснование методов пенетрации почвы и грунта для контроля за состоянием мелиорируемых, рекультивируемых и охраняемых земель, мониторинга нарушенных земель 50
2.1 Метод пенетрации грунта с постоянной скоростью внедрения клино видного наконечника 50
2.1.1 Выбор скорости внедрения наконечника 50
2.1.2 Выбор шага регистрации силовой реакции грунта 51
2.1.3 Обоснование параметров лабораторной модели пенетрации 52
2.1.4 Сопротивление глинистого грунта пенетрации 53
2.2 Метод пенетрации почвы и грунта с постоянной скоростью нагружения клиновидного наконечника 67
2.2.1 Методика испытания образцов 67
2.2.2 Результаты испытаний почв природной структуры 68
2.2.3 Результаты испытаний почв заданной структуры 72
2.3 Обработка результатов лабораторных испытаний почв и грунтов пенетрацией 78
2.3.1 Расчет скорости изменения силовой реакции и работы деформации почвы и грунта 78
2.3.2 Расчет изменения силовой реакции, приращения деформации и работы деформации по циклам 84
3 Разработка методики определения феноменологических характеристик почв и грунтов 92
3.1 Определение модуля деформации 92
3.2 Определение предельного сопротивления сдвигу 97
3.3 Определение удельной энергии разрушения 101
4 Изучение физических свойств почвы на основе оценки работы деформации 105
4.1 Расчеты интегральных значений работы деформации 105
4.2 Уменьшение сопротивления клину при увеличении влажности почвы. 113
4.3 Связь числа циклов деформации с физическими свойствами почвы ... 116
5 Экономическая эффективность методики оператив ного контроля за состоянием земель 123
Общие выводы 127
Рекомендации по определению физико-механических свойств почв и грунтов при охране земель 130
Список использованных источников 134
Приложение
- Физико-механические свойства почв и грунтов, оборудование и методы их изучения
- Способы и средства оперативного контроля за состоянием мелиори руемых, рекультивируемых и охраняемых земель
- Метод пенетрации почвы и грунта с постоянной скоростью нагружения клиновидного наконечника
- Связь числа циклов деформации с физическими свойствами почвы
Введение к работе
Около 6 млн. га высокопродуктивных сельскохозяйственных земель в России выбыло из оборота только во влагообеспеченных зонах. Еще больше потери продуктивной пашни в зонах недостаточного увлажнения. Катастрофическое снижение плодородия почв объясняется нерациональным применением новых технологий, энергетических средств технологических машин и агрегатов разрушающе воздействующих на почву и усиливающих водную и ветровую эрозию [44]. Обработка почв приводит к изменению механической прочности почвенных агрегатов, закономерно убывающей с возрастанием длительности их сельскохозяйственного использования (прочность сухих агрегатов 41...49 кПа) [70]. Причинами, по которым почвы выбывают из оборота, являются не только отвод земель под гражданское и промышленное строительство, но также потери их продуктивности, связанные с переуплотнением и переувлажнением почв, т.е. с изменением их физико-механических свойств. Так, например, при пере-уплотнении почв до 1,4 -1,5 г/см наблюдается снижение урожайности в 1,5-2 раза, а при плотности почв выше 1,6-1,7 г/см3 развитие растений практически прекращается [44]. В России 70% пашни (60% товарного зерна) находится в зоне недостаточного и неустойчивого увлажнения. В этой зоне с 1 га пашни теряется 230 м3 влаги. Установлено, что сокращение потерь влаги на 10% может увеличить производство зерна на 30 - 50 млн. тонн. При переувлажнении почв урожайность снижается в основном из-за «замокання» посевов, образования на поверхности «блюдцев». Применение в этих случаях разуплотнителя почв позволяет повысить урожайность зерновых культур до 10%, картофеля до 30% [44]. В обоих случаях: как повышенное испарение влаги из нижних горизонтов почв, так и не прохождение осадков в нижние горизонты почвы связаны с нарушением физико-механических свойств почв.
Проблемами регулирования водного и связанных с ним воздушного, питательного и теплового режимов почв занимается наука—мелиорация (от ла -
6 тинского melioratio - улучшение). К мелиорации относятся: осушение и
орошение почвы, регулирование рек и поверхностного стока вод, укрепление сыпучих песков и оврагов, улучшение химических свойств почвы (известкование кислых и гипсование засоленных), агролесомелиорация [44]. Смежными с мелиорацией областями науки являются рекультивация и охрана земель.
Рекультивация - это восстановление продуктивности нарушенных земель в результате открытого и отчасти закрытого способа добычи полезных ископаемых. Нарушенные земли делятся на две группы: земли с насыпанным грунтом (промышленные отходы, отвалы подземных горных разработок); земли, разрушенные в результате изъятия грунта, торфа (карьеры, выработанные торфяные месторождения, отвалы при открытых горных работах, провалы на месте подземных разработок). Рекультивация земель состоит из двух этапов: горнотехнического (придание территории формы, пригодной для ее использования, путем планировки отвалов; возвращение плодородного грунта) и биологического (восстановление нарушенных земель путем выращивания древесных или сельскохозяйственных культур) [9].
Охрана почв - система мероприятий по предотвращению разрушения, загрязнения, вторичного засоления, а также непроизводительного использования почвы. Основными факторами, вызывающими разрушение почвы, являются водная эрозия, дефляция, а также загрязнение почвы патогенными микроорганизмами, средствами химизации (гербициды, пестициды, минеральные удобрения), тяжелыми металлами, нефтепродуктами, шлаками. Основные способы охраны - очистка и утилизация стоков, промывка почв и организация правильного режима орошения [9].
Все эти три области наук объединяет необходимость после выполнения работ проводить оценку качества их выполнения, включающую оценку физико-механических свойств почв.
Изучение закономерных соотношений между почвой и средой ее формирования в их взаимодействии и развитии называют экологией почв. Изучение
закономерностей напряженно- деформированного состояния
почвенно-грунтовых тел необходимо для решения прикладных задач сельского хозяйства, дорожного строительства, строительства зданий и сооружений [50; 84]. Основная проблема инженерных изысканий в этом случае состоит в несоответствии друг другу деформационных и прочностных характеристик почв и грунтов, полученных разными методами [46].
Испытаниям почвенно-грунтовых тел лабораторными методами присущи недостатки: небольшие размеры образцов почв и грунта не дают представления о свойствах грунтовой толщи, поэтому отбирают большое количество проб, что увеличивает стоимость и длительность испытаний. Прочность почвенных агрегатов определяется, в настоящее время, путем испытания на одноосное сжатие образца правильной геометрической формы (цилиндра или призмы) или путем разрушения отдельных агрегатов фракций 3...5 мм и 5...7 мм, что требует отделения пробы от массива почвы, следовательно, снижается достоверность определения прочности.
Существующие методы и технические средства не в полной мере отвечают современным требованиям. Менее трудоемкие и более производительные методы, как полевые, так и лабораторные, не дают достоверных результатов и используются только в комплексе со штамповыми испытаниями. Это усложняет их технологию и не дает гарантий достоверности [46]. Учитывая большие размеры пашни, необходимо развивать полевые экспресс-методы, дающие большие массивы надежной информации о свойствах почвы как мощного биогеохимического барьера в заданный момент и об изменении свойств во времени. Барьерные свойства тесно связаны со структурой почвы, важно в процессе мониторинга определить направление деградации почвы [92].
Поэтому новым и перспективным шагом в исследовании эволюции и свойств нарушенных земель является определение инвариантных характеристик почвы и почвообразующих пород на уровне микроструктуры при зондиро-
вании (пенетрации) для контроля за состоянием природных компонентов агроландшафта [64].
Актуальность темы. Серьезным сдерживающим фактором в получении высоких урожаев сельскохозяйственных культур является развитие деградаци-онных процессов в агроландшафтах. Под деградацией агроландшафта понимается устойчивое ухудшение параметров его основных компонентов, в частности, физико-механических свойств орошаемых земель, и как следствие, снижение продуктивного потенциала и средообразующей функции [38].
Одной из главных причин обесструктуривания почв является их переуплотнение, возникающее из-за широкого использования энергонагруженнои сельскохозяйственной техники и грубого нарушения поливных режимов сельскохозяйственных культур. В результате этого деградируются почвы, ухудшаются их физико-механические и водно-воздушные свойства, что ведет к резкому снижению их плодородия. Исследования [18; 41] показывают, что при одинаковой поливной норме более частый полив сильнее разрушает структуру почвы (практически земледелие ведется на бесструктурных почвах), увеличивается плотность сложения пахотного и подпахотного слоя (плужная подошва). Это снижает водопроницаемость, затрудняет рост корней и ведет к падению урожайности. По данным 2001 года в РФ насчитывается около 10 млн. га обрабатываемых земель с переуплотненными почвами, требующих проведения агромелиоративных мероприятий. Ежегодно эта площадь возрастает на 100 тыс. га. Развитие мониторинга среды обитания направлено на решение прикладных задач по рациональному использованию и сохранению природных ресурсов, оптимизации и устойчивому функционированию агроландшафтов [64].
Актуальность проведения систематических наблюдений (мониторинг) за состоянием мелиорируемых, рекультивируемых и охраняемых земель, в частности, за параметрами физико-механических свойств почв, не вызывает сомнений. Однако часто эти параметры трудно измеримы [19], поэтому разработка
нового метода определения физико- механических свойств почв, как объектов рекультивации и биогеохимических барьеров, является актуальной задачей.
Определение механических характеристик нарушенных земель in situ часто проводится с помощью зондов с коническими наконечниками, внедряемых в почву с поверхности массива [48; 50; 80], позволяющими определить ее «лобовое» сопротивление острию и трение по боковой поверхности [10; 57]. Плоский или клиновидный наконечник позволяет определить модуль общей деформации не только грунта, но и почвы. Зондирование конусом производится параллельно с испытанием почвенно-грунтовых тел штампом и лабораторными определениями характеристик физических свойств, что значительно снижает эффективность зондирования [48]. Пенетрация почв и грунтов клиновидным индентером повышает эффективность зондирования за счет увеличения информативности.
Существующие методы определения прочности почвенных агрегатов требуют отделения пробы от массива почвы, что снижает достоверность определения прочности. Мониторинг земель с помощью пенетрации позволяет оперативно отслеживать изменения прочности и структурности почв и, соответственно, изменения их барьерных свойств, тем самым, решая задачу экологии почв. Пенетрация клином дает результаты, достаточно чувствительные к степени водонасыщенности почвы, что позволяет определить положение гидрохимического барьера, препятствующего смыканию капиллярной каймы с пахотным слоем, а измерение степени водонасыщенности позволяет оценивать и отслеживать изменение состояния почвы в зоне аэрации, где вода находится в капиллярно-подвешенном состоянии, что чрезвычайно важно для предотвращения вторичного засоления почв.
Цель исследований — разработка методики пенетрации почв клиновидным индентером для оперативной оценки свойств и мониторинга нарушенных земель при их мелиорации, рекультивации и охране.
Объектами исследования являются черноземы обыкновенные, суглинки пылеватые и гумусированные.
Предметом исследования является установление взаимосвязи параметров пенетрации с микроагрегатным составом, физическими и механическими характеристиками черноземов обыкновенных и суглинистых почв.
Научная новизна работы состоит в следующем:
впервые предложено и научно обосновано применение клиновидного индентера для определения комплекса физико-механических характеристик почв, позволяющего оперативно отслеживать изменения их прочности, структурности, барьерных свойств, влияющих на устойчивое функционирование аг-роландшафтов;
научно обосновано измерение характеристик почв, ранее не определявшихся при пенетрации: показателя структурности, модуля упругости, энергии трещинообразования, предельного сопротивления сдвигу, направления анизотропии прочности;
впервые установлено циклическое изменение сопротивления почвы и грунта внедрению пенетрометра с клиновидным наконечником.
Практическая значимость работы:
предлагаемая методика позволяет вести контроль состояния почв и грунтов in situ, сохраняя их естественную структуру, сокращая трудоемкость и длительность единичного испытания, что позволяет сделать испытания более достоверными и массовыми, по сравнению с аналогами;
предлагаемые метод и техническое средство дают большее число измеряемых параметров для оперативной оценки свойств и мониторинга нарушенных земель: показателя структурности, модуля упругости, энергии трещинообразования, предельного сопротивления сдвигу, направления анизотропии прочности;
- предлагаемый метод контроля и исследования свойств
нарушенных земель является чувствительным к изменениям микроструктуры при деградации почв (ее силовым и энергетическим параметрам), что повышает его надежность и оперативность, по сравнению с аналогами.
Апробация результатов исследования. Основные положения диссертации докладывались, демонстрировались и обсуждались на: Международных конференциях молодых ученых и студентов «Актуальные проблемы современной науки» в 2000 г., 2001 г. и 2003 г. (г.Самара); Международной научно-практической конференции в 2002 г. (г. Пенза); Всероссийской научно-практической конференции в 2002 г. (г. Вологда); Международном Форуме по проблемам науки, техники и образования в 2001г., 2002 г. (г. Москва); семинаре аспирантов АДФ КубГТУ в 2002 г. (г.Краснодар); заседании кафедры кадастра и геоинженерии КубГТУ в 2004 г. (г.Краснодар); научных семинарах КГАУ в 2004 г. и 2005 г. (г. Краснодар).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 9 печатных работ (статей - 7, тезисы докладов-2). Защищаемые положения. На защиту выносятся:
- предложенная методика пенетрации почв клиновидным индентером с
малой скоростью и на малых перемещениях, позволяющая увеличить число оп
ределяемых характеристик физико-механических свойств почв, по сравнению с
известными методиками;
- требования к конструкции и режимам работы технического средства,
методу полевого контроля состояния почвы, почвообразующих пород для опе
ративной оценки свойств и мониторинга нарушенных земель;
- математическая модель реакции клиновидного индентера, алгоритм
расчета характеристик физико-механических свойств черноземов обыкновен
ных и суглинистых почв по результатам пенетрации.
1 ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ НАРУШЕННЫХ ЗЕМЕЛЬ КАК ОБЪЕКТОВ РЕКУЛЬТИВАЦИИ, ПРИРОДНЫХ БИОГЕОХИМИЧЕСКИХ БАРЬЕРОВ
Физико-механические свойства почв и грунтов, оборудование и методы их изучения
К основным физико-механическим свойствам почв и грунтов в мелиорации и механике грунтов относят: деформационные свойства - модули упругости, сдвига, объемного сжатия; коэффициенты поперечного расширения, внешнего трения; сопротивление сдвигу; коэффициенты сдвига и сцепления почвы; твердость; сопротивление разрыву и трещиностойкость; реологические и динамические показатели почв [14]. Если к ним добавить фрикционные свойства и липкость, то эта совокупность будет характеризовать технологические свойства почвы, существенно влияющие на закономерности и характер протекания ее механической обработки сельскохозяйственными и мелиоративными машинами. Вопросу экспериментального изучения и теоретического осмысления физико-механических свойств почвообразующих пород и почвы, как активно функционирующего органо-минерального тела, компонента агроландшафтов, уделено большое внимание. Этими вопросами занимались как зарубежные, так и отечественные ученые: К. Терцаги, Д. Тейлор, П. А. Ребиндер, М.Е. Харр, В.Р. Вильяме, Н.А. Цытович, М.Н. Гольдштейн, В.Г. Березанцее, С.С. Вялое, Е.М. Сергеев, Н.Б. Урьев, В.В. Докучаев, П.А. Костычев, С.С. Неуструев, П.С. Коссович, Доспехов, А.Н. Костяков, К.К. Гедройц, Д.Н. Прянишников, Л.В. Кирейчева, Н.Н. Дубенок, Л.И. Прасолов, В.А. Ковда, О.Г. Растворова, СВ. Нерпин, А.Ф. Чудновский, В.И. Осипов, А.Ф. Вадюнина, Н.А. Качинский, З.А. Корчагина, В.Ф. Разоренов, А.Н. Зеленин, В.И. Кулачкин, В.А. Волосухин, Ю.А. Свистунов, П.А. Ляшенко, В.А. Русанов, К.Ш. Шадунц, А.И. Голованов, Ю.А Мажайский, Ф.И. Козловский, КГ. Моисеев, ИМ. Габбасова и другие. Знание прочностных свойств позволяет решать вопросы снижения энергоемкости мелиоративных и сельскохозяйственных машин, рассчитывать и проекти- ровать их рабочие органы и условия их рационального применения, а также решать задачи по оптимизации и устойчивому функционированию агроланд-шафтов. Для этого необходимо знать предельную сопротивляемость деформациям различного вида. При одинаковой (20...23%) влажности предел прочности на сжатие о с в полтора раза больше предела прочности на сдвиг г, в три раза больше предела прочности на изгиб о# и в девять раз больше предела прочности на растяжение ар.
Однако рабочих органов, воздействующих на почву путем ее растяжения пока нет. Большинство рабочих органов и движителей машин при взаимодействии с почвой вызывают ее сжатие (смятие) и сдвиг. По этой же причине при строительстве деформация вызывает осадку сооружений, разрушение откосов насыпей и выемок, прогиб дорожной одежды, образование колеи на грунтовой дороге [90; 101]. Независимо от вызывающих их причин все деформации могут быть разделены на две группы: объемные деформации сжатия, при которых частицы почв только сближаются и деформация сдвига (смещение частиц с изменением их взаимного расположения). Это все объясняет, почему в виде основных деформаций выбираются деформации сжатия и сдвига [100]. При проведении инженерных изысканий широко известен метод полевого испытания почв и грунтов статическим зондированием, производимым путем вдавливания в грунт зонда с одновременным измерением непрерывно (или через заданный интервал по глубине) значений сопротивления грунта под наконечником и на его боковой поверхности (ГОСТ 20069-81) [28]. Этот метод может применяться самостоятельно или в сочетании с другими видами инженерно-геологических исследований для оценки пространственной изменчивости состава и свойств почвогрунтов и приближенной оценки их физико-механических характеристик (плотности, сопротивления срезу, модуля деформации). В результате полевых испытаний статическим зондированием определяют: - удельное сопротивление грунта под наконечником (конусом) зонда q3, МПа; - сопротивление грунта на боковой поверхности зонда 2з, кН, или удель ное сопротивление грунта на участке боковой поверхности (муфте трения) зон да , кПа. Схема конструкции зондов показана на рисунке 1. Площадь основания конуса зондов всех типов должна составлять 10 см2, а величина угла при вершине конуса — 60. Наружный диаметр муфты трения равен диаметру основала ния конуса, длина муфты трения - 310 мм. Наружный диаметр штанги зонда I типа - 36 мм, других типов - не более 55 мм, длина звена штанги — не менее 800 мм [28]. Установка для проведения испытаний методом полевого статиче ского зондирования состоит из устройства для вдавливания и извлечения зонда; опорно-анкерного устройства, предназначенного воспринимать реактивные усилия, возникающие при вдавливании и извлечении зонда; измерительного устройства, состоящего из датчиков сопротивления грунта вдавливанию зонда, канала связи и регистрирующих приборов. При проведении испытаний показатели статического зондирования необходимо регистрировать непрерывно или с интервалом по глубине не более 0,2 м. Скорость погружения зонда должна быть (1 ± 0,3) м/мин. По окончании зондирования скважина тампонируется почвой (грунтом). В зависимости от величины вдавливания (кН) различают легкие, средние и тяжелые установки [28]. Однако традиционный метод статического зондирования грунтов (СТР) с определением двух параметров зондирования, да и более современные конст-рукции с измерением местного трения, тензодатчиками, встроенными инклинометрами и т.п., не могут в полной мере решить задачи исследования почв и грунтов [57]. Несмотря на недостатки этого метода, еще французский академик Како [43] считал пенетрометр (статическое зондирование) наилучшим средством для испытания грунтов. В сложных инженерно-геологических условиях при исследовании слабых грунтов и почв, когда отбор проб образцов ненару- шенной структуры невозможен, альтернативы статическому зондированию практически не существует [56; 57]. Преимуществом этого метода является возможность обследования больших массивов, а недостатком — малая информативность, дающая только два оценочных показателя, что крайне недостаточно, учитывая высокую стоимость установки. Аналогичный принцип заложен и в переносном приборе с ручным приводом и механическим регистрирующим устройством, известным как плотномер. При испытании сельскохозяйственных и мелиоративных машин (для Характе . ристики условии испытания) и почв в агротехнических опытах широко применяется плотномер системы Ю.Ю. Ревякина (рисунок 1.2). Твердость — это свойство почвы сопротивляться сдавливанию и раскли-ванию [81]. Твердость почвы характеризует суммарное сопротивление, которое преодолевают рабочие органы почвообрабатывающих и мелиоративных машин, производя разрушение среды путем различных деформаций [90].
Способы и средства оперативного контроля за состоянием мелиори руемых, рекультивируемых и охраняемых земель
Важнейшим свойством почв, определяющим, в значительной степени, их плодородие, является структурность, или зернистость [37]. Она характеризуется гранулометрическим и микроагрегатным составом. Обе характеристики определяются лабораторными методами и требуют больших затрат времени и труда на транспортировку и подготовку проб и собственно анализ. Результаты анализов зависят от квалификации исполнителей и часто разнятся, будучи выполненными разными операторами. Существующие экспресс-методы, основанные на зондировании почвы in situ, не решают пока этой проблемы, так как не обладают чувствительностью к гранулометрическому и микроагрегатному составу. Основным препятствием на пути повышения чувствительности зондирования является используемая технология опыта, включающая быстрое погружение зонда, малое число измеряемых параметров (всего два — глубина погружения и сила сопротивления почвы) и малое число значений измеряемых величин на единицу перемещения наконечника зонда. Учитывая особенности изучаемой среды: зернистость, малый размер зерен и микроагрегатов и слабую связность их между собой — оценить параметры зернистости можно лишь при очень малой скорости перемещения наконечника зонда и при малой цене деления датчиков перемещения. Большую роль при этом играет форма наконечника и способ его крепления на силовой штанге зонда. В целом, способ и устройство для зондирования должны быть достаточно чувствительными для того, чтобы регистрировать неравномерное изменение сопротивления почвы Упри постоянной скорости вдавливания наконечника: Скорость изменения сопротивления dY/du изменяется циклически, что позволяет оценивать характеристики структурности по параметрам цикличности.
Возможность регистрировать цикличность dY/du является критерием пригодности способа и устройства для оценки структурности почвы. Этому критерию отвечает, как показали исследования, зонд с клиновидным наконечником, осуществляющий плавное перемещение наконечника с постоянной скоростью и непрерывную регистрацию силы вдавливания, перемещения клина и утла его поворота (рисунок 1.11). Влажность почвы тесно связана со структурностью и в не меньшей степени влияет на плодородие, но является более изменчивой характеристикой. Мониторинг влажности должен быть более оперативным и осуществляться постоянно в ходе полевых работ. Как независимый фактор физического состояния влажность влияет на все физико-механические свойства почвы. Контроль влажности должен производиться как по площади обрабатываемых земель так и по глубине от поверхности. Для контроля влажности могут применяться физические методы измерения, но они трудоемки и требуют времени. Контроль изменения влажности может быть осуществлен через изменение механических характеристик, в том числе через изменение сопротивления пенетрации. Как и при контроле структурности, влияние влажности заметно только при использовании достаточно чувствительного способа зондирования, каковым является способ плавного вдавливания клина. Например, при закладке сети внутрипочвенного орошения (ВПО) влажность почвы должны быть в пределах 70...85% предельной полевой влагоемко-сти [14]. Для контроля влажности почвы точки зондирования следует располагать через 10 м вдоль дрены. При зондировании с транспортного средства производительность измерений может достигать 20-25-ти точек в смену, что вполне обеспечит технологические потребности мелиорации почвы.
Метод пенетрации почвы и грунта с постоянной скоростью нагружения клиновидного наконечника
Испытания грунтов и почв пенетрацией производились на образцах, как природной структуры, так и искусственно заформованных из раздробленных и просеянных природных грунтов. Использовались суглинки по классификации ГОСТ 25100-95 [29] и черноземы, которые отбирались в станице Каневской с глубины 40-50 см. Образцам придавались заданные свойства: - почвы природной структуры испытывались при разной влажности; - искусственно заформованные образцы создавались при разной влажности и плотности и разного агрегатного состава. Заданная плотность создавалась при формовании пробы до фиксирован- ., ного объема - сдвигового кольца - 140 см3. Заданный агрегатный состав создавался следующим образом: - суглинок из испытываемого образца высушивался до воздушно-сухого состояния, растирался в фарфоровой ступке и просеивался через сита с отвер стиями 5; 2; 1; 0,5; 0,25; 0,1 мм; - полученные фракции смешивались в заданном соотношении и формовались с добавлением заданного объема воды. Испытания проводились сразу же после формования, чтобы не допустить распада крупных агрегатов под действием воды. Для испытаний серий С100, С200 и С300 из образцов почв природной структуры (черноземы обыкновенные) вьфезались пробы в стальных кольцах для сдвиговых приборов диаметром 71,4 мм и высотой 35,0 мм. Увеличение влажности почвы производилось путем добавления в пробу заданного объема воды. Рисунок 2.12 - Схема пенетрации пробы грунта в стальном кольце
Скорость увеличения силы вдавливания была принята такой, что средняя скорость перемещения составила 1 мм/мин. Алгоритм испытаний (внедрение клина) приведен в приложении Б. Увеличение силы сопротивления почвы внедрению клина происходит немонотонно. Изменение силы имеет циклический характер. Скорость изменения силовой реакции возрастает до определенной величины, а затем падает до нуля на интервале перемещения клина от 0,02 до 0,40 мм (рисунки 2.13,2.14). Число циклов в заданном диапазоне перемещений клина (5,0 мм) зависит от состояния почвы, которое можно охарактеризовать влажностью, плотностью скелета и пористостью. Соответствующие значения этих величин и коэффициенты корреляции приведены в таблице 2.4. Результаты показали сильную корреляцию физических свойств (влажности, плотности скелета и коэффициента пористости) с числом циклов деформации, особенно для образцов почвы с большей плотностью скелета серии СЗОО (1,44 - 1,67 г/см3) - все значения коэффициента корреляции выше 0,92. Для об-разцов с меньшей плотностью (0,86-1,05 г/см ) серий С100 и С200 коэффициенты корреляции имеют меньшие значения - (0,71-0,95), но тоже достаточно высокие, чтобы признать наличие связи между величинами. Таким образом, число циклов деформации почвы под действием клина можно считать одним из основных физических свойств почвы, наряду с влажностью и плотностью. Испытание почвы производилось с целью установления связи между прочностью микроструктуры и гранулометрическим и микроагрегатным составом. Для испытаний использовался суглинок гумусированный с числом пластичности 1р = 0,164 и показателем текучести IL =0,1, с искусственно подобранным гранулометрическим составом. Почва в воздушно-сухом состоянии была раздроблена в ступке, просеяна через сита с отверстиями: 5; 2; 1; 0,5; 0,25 и 0,1 мм. Из полученных фракций были сформованы пробы разного гранулометрического состава (таблица 2.5). Гранулометрический состав почвы представлен на рисунке 2.15 в форме суммарных кривых. Для каждой пробы определялись значения медианного диаметра dso и диаметра d80. Они использовались как обобщенные характеристики гранулометрического состава почвы. Почва имела весовую влажность W = 0,10, плотность р = 1,67-1,70 г/см3. Формование производилось при заданной плотности почвы. Для этого использовалась навеска воздушно-сухой почвы заданной массы 280 г, в которую добавлялась порция воды 28 г и равномерно распределялась по объему почвы. Затем полученная смесь уплотнялась до заданного объема 140 см3 в стальном кольце. Вдавливание клина производилось с постоянной скоростью увеличения силы вдавливания при непрерывной регистрации вдавливающей силы и перемещения клина. Для испытаний использовался автоматизированный сдвиговой прибор С-1 конструкции В. В. Денисенко (ЗАО «СевКавТИСИЗ»), способный записать в электронную память значения вдавливающей силы с шагом 5 Н и перемещений с погрешностью 0,005 мм. Клиновидный наконечник имел угол заострения 30 и толщину 22 мм. Острие клина было первоначально заглублено в образец почвы на 11 мм в предварительно вырезанное по форме клина углубление, длина которого значительно превышала толщину наконечника. Дальнейшее погружение осуществлялось в контролируемом режиме с заданной скоростью нагружения 21,43 Н/мин в интервале перемещений клина 5,0 мм, т. е. на глубину до 16 мм. Применение постоянно возрастающей силы вдавливания клиновидного наконечника в образец позволяет проанализировать изменение сопротивления грунта или почвы вдавливанию. Для этого перемещение наконечника регистрировались с малым шагом значений: Ли = 0,02 мм в течение всего испытания. В результате получена зависимость Y(u), где Y - вдавливающая сила; и — перемещение наконечника (рисунок 2.16).
Связь числа циклов деформации с физическими свойствами почвы
Расчет экономической эффективности проведен на примере сравнения существующей методики полевых испытаний грунтов и почв статическим зондированием и разрабатываемой методики пенетрации (зондирования) черноземов обыкновенных и суглинистых почв клиновидным индентером, выполненным по методике определения экономической эффективности технологий и сельскохозяйственной техники [69]. Сметная стоимость на выполнение работ рассчитана по «Сборнику цен на инженерно-геологические изыскания», утвержденному Госстроем РФ и введенному в действие с 01.01.1999 года. Необходимые категории трудности и нормы времени на выполнение работ определены по сборнику «Единые нормы времени и расценки на изыскательские работы», часть II «Инженерно-геологические изыскания» (Москва, 1989 г.).
При рассмотрении пенетрации черноземов обыкновенных клином был принят в качестве базового условия полигон площадью 1 га с 10-ю скважинами, для пенетрации суглинистых почв клином в качестве базового условия - 3 скважины на 1 км. Сравнение экономической эффективности по существующей и предлагаемой методикам выполнено только по тем пунктам, где произошли изменения.
Пункты сметной стоимости, где нет изменений, не рассматривались; стоимость необходимых машин и механизмов принята одинаковой в обоих случаях. Анализ расчетных данных (таблицы 5.1, 5.2) показывает, что про- щ изводство работ по предлагаемой методике пенетрации почвогрунтов клином дешевле традиционной методики на 2638 рублей (10%) и 7981,71 рублей (53%) соответственно. Предлагаемая методика ведет к снижению трудозатрат на производство работ на 111,1 чел/час и 82,6 чел/час соответственно, за счет изменения технологической схемы производства работ. + Для определения экономической эффективности рассчитан ряд показателей (таблица 5.3), позволяющих обосновать экономическую эффективность и подтвердить необходимость внедрения предлагаемой методики: - чистый дисконтированный доход (ЧДД), руб., определяемый по формуле: где Р - годовые поступления, руб. (разница между стоимостью по предлагаемой и существующей методикам); Е - ставка по альтернативному варианту использования капитала (12%); К0 - разовые инвестиции капитала, руб. (стоимости разработки методики и изготовления индентера, принято 612 руб.); - дисконтированный срок окупаемости, No, лет, определяемый по формуле: Анализ данных показывает, что применение предлагаемой методики пе-нетрации черноземов обыкновенных и суглинистых почв является обоснованным, так как ЧДД в обоих случаях положительный, а уровень рентабельности превышает 100%. Вложение дополнительного капитала окупится в течение 1-3 месяцев.
