Факторы, влияющие на твердость почв

Итак, твердость — мера механической проницаемости почв. Можно сразу же установить две группы факторов, от которых зависит твердость почвы. Это конструктивные особенности плунжеров и собственно почвенные факторы, определяющие способность почв к сопротивлению. Обычно при исследовании распахиваемой почвы предполагается, что ее сопротивление невелико. Поэтому рабочая поверхность (форма) плунжера выбирается преимущественно плоская. Но уже при определении сопротивления более глубоких горизонтов профиля плоский плунжер не годится и его нужно заменить клином или конусом. При этом нужно точно учесть площадь контакта конуса с почвой при его погружении в почву. Если применяется большой набор сменных плунжеров, и все они снабжены соответствующими параметрами (угол атаки, площадь контакта, усилие трения почва-сталь и другие), то манипулирование плунжерами в процессе исследований позволяет получить многочисленные прочностные характеристики почвы:

• · несущую способность (начало разрушения почвы при применении плоского плунжера, или, если в качестве объекта взят макроагрегат, то его структурную связность);
• · относительную плотность (усилие сдавливания почвы до начала ее разрушения);
• · боковой сдвиг (усилие разрезания почвы конусом или клином);
• · размеры зоны пластичного и непластичного сжатия почвы в контактной зоне плунжера с почвой.

Такие исследования позволяют развить теорию формирования, динамики и разрушения прочности почвы. К сожалению, в почвоведении эти измерения не получили распространения, хотя они безусловно дали бы новую информацию для интерпретации роста корней и работы почвообрабатывающих орудий в зависимости от прочностных особенностей почв. Да и для интерпретации процесса разрушения почвы под действием атмосферных осадков. Ведь механизмы этих казалось столь различных процессов фактически подобны — речь идет о преодолении сопротивления почвы и формировании либо нового тела, когда почва необратимо разрушается, либо мягком пластичном варианте, когда почва лишь видоизменяется.

Одновременно подчеркнем: исследования твердости с помощью разнообразных плунжеров проливают свет на процессы физической деградации почв и ее причины, а также содействует формулированию требований к воздействиям, которые не приводили бы к необратимым деформациям. Конические плунжеры также должны различаться, если полученные результаты измерения твердости предполагается использовать для интерпретации данных о росте корней либо о работе почвообрабатывающих орудий. Ведь параметры сопротивления в том и другом случаях существенно различны.

Для этого плунжеры должны снабжаться так называемыми коэффициентами проницаемости. В США разработаны нормативы (стандарты) для такого рода коэффициентов (ASAES, № 313.3, 1999). Коэффициент проницаемости конического плунжера означает соотношение между степенью и силой проницаемости. Первый показатель определяется параметра ми плунжера, второй — степенью рассеяния давления в самой почве. В результате при небольшом коэффициенте воспроизводится процесс проникновения корней в почву, когда же коэффициент растет — процессы, приблизительно подобно взаимодействию рабочего органа орудия с почвой. Кроме угла атаки конуса на величину сопротивления пенетрации оказывает влияние шероховатость поверхности конуса и скорость погружения плунжера в почву. В уже упоминаемом стандарте США не рекомендуется применять конические пенетрометры с шероховатой поверхностью, так как, чем она более выражена, тем выше сопротивление почвы. Сопротивление проницаемости состоит из двух основных сил: (i) силы, деформирующей почву наконечником конуса, и силы трения почвы о металл. Для любого диаметра конуса, если его угол уменьшается, неизбежно увеличение его длины, а это значит, что значительно увеличивается площадь поверхности. Конус с углом 30° использован как компромиссное решение, ибо для конуса с углом менее 30° сопротивление обычно уменьшается, а для конуса с углом, превышающем 30°, сопротивление увеличивается. Взаимное трение почвы становится доминантной сопротивления, когда тело почвы формируется на поверхности конуса из-за возрастания угла конуса. Увеличение (величина, амплитуда) влияния угла конуса зависит от величины силы сцепления почвы и его взаимодействия с зондом. Трение почвы о металл также имеет свой стандарт, обоснование которого приведено выше и взято из соответствующего документа США (ASAES, 313.3, 1999). Американский институт стали разработал 416 видов конусов с углом атаки 30° с известными параметрами шероховатости, которые используются в поправках к измерениям твердости. Не менее важен вопрос о диаметре рабочей поверхности конуса пенетрометра в связи с его использованием на почвах с разной структурой. Нельзя допустить такую ситуацию, когда фактически будет измеряться не твердость почвы, а усилие, необходимое на преодоление меж агрегатной связности и формирование трещин, либо на преодоление сопротивления отдельного агрегата. В первом случае сопротивление почвы будет очень низким, во втором — высоким. Такая ситуация возможна во многих почвах с негомогенной структурой. К сожалению, в литературе нам не удалось найти рекомендаций (и уж тем более стандарта), как поступить в этом случае, когда имеется лишь конический пенетрометр и есть необходимость провести сравнительные исследования на различных почвах. Ясно, что, кроме конического (в этом и не только в этом случаях) нужно использовать пенетрометр с плоским наконечником [3].

Из почвенно-физических факторов, управляющих проницаемостью, на первое место следует поставить содержание воды в почве и ее энергетическое состояние. Далее из физических факторов — гранулометрический состав, плотность сложения, структурный состав, размер пор и соотношение крупных и тонких пор и другие. Как считает J. Morrison (1999), перечисленные факторы решающим образом влияют на показатель силы конуса и способность почвы сжиматься. В той же работе приведено соотношение между содержанием в почве глины и песка и изменением так называемой величины конического показателя (то есть, сопротивления почвы) в связи с ее увлажнением. Как и следовало ожидать, сопротивление почвы возрастало с уменьшением ее увлажнения независимо от соотношения глины и песка. Однако, такие процессы в почве как цементация и образование корки, динамика плотности сложения при обработке вносили коррективы в устоявшиеся зависимости. В частности, собраны данные о том, что при одинаковых величинах плотности сложения и увлажнении показатель силы конуса в почвах разного генезиса неодинаков [4].