Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Применение теории подобия в исследованиях физико-механических свойств почв

ВАК РФ 06.01.03, Агропочвоведение и агрофизика

Содержание диссертации, кандидата сельскохозяйственных наук, Моисеев, Кирилл Геннадьевич

Введение

1 Обзор опубликованных исследований по физико-механическому подобию почв

1.1 Историческая справка

1.2 Физико-механические характеристики почв (параметры, определяющие сопротивление сдвига и сцепление почв)

1.2.1 Физико-механические характеристики гумусовых горизонтов почв

1.2.2 Физико-механические характеристики пахотных горизонтов почв

1.2.3 Физико-механические характеристики подпахотных горизонтов почв (с переменным поровым пространством)

1.2.4 Физико-механические характеристики горизонтов «С» - почвообразующих пород и грунтов

1.2.5 Физико-механические характеристики почв при засолении

1.2.6 Физико-механические характеристики эродируемых горизонтов почв

2 Теоретические предпосылки к построению критериев подобия

2.1 Использование принципов подобия физических процессов в почвенных системах

2.2 Теоретические предпосылки

2.2.1 Определение понятия подобия систем и процессов

2.2.2 Основные и производные физические величины, константы и инварианты подобия

2.2.3 Структура функциональных связей между физическими величинами

2.3 Применение анализа размерностей к исследованию физических процессов в почве

2.3.1 Анализ размерностей параметров физических процессов

2.3.2 Критерии подобия физических процессов в почве

2.3.3 Построение критериев подобия сопротивления сдвига почв

2.3.4 Построение критериев подобия уплотнения почвы

3 Методики экспериментального определения физико-механических свойств почв

3.1 Приборы для испытания образцов почвы в условиях сдвига

3.1.1 Приборы для испытания почв и грунтов на сдвиг, в полевых условиях

3.1.2 Приборы для испытания почв и грунтов на сдвиг в лабораторных условиях

3.2 Общие положения методики определения физических параметров образца почвы, грунта при сдвиге

3.2.1 Методика подготовки образцов почвы к сдвиговым испытаниям, условия проведения опыта

3.2.2 Методика обработки результатов экспериментов

3.3 Объекты исследования

4 Экспериментальная апробация построенных критериев физико-механического подобия почв

4.1 Экспериментальная апробация построенного критерия сопротивления сдвига почв

4.1.1 Анализ экспериментальных данных

4.1.2 Методика лабораторного и полевого опытов

4.1.3 Апроксимация опытных данных сплайн - функциями

4.1.4 Единая зависимость сопротивления сдвига различных почв от критерия

4.1.5 Практическое применение критериальной зависимости относительного сопротивления сдвига от критерия П

4.2 Критериальное обобщение опытных данных по уплотнению почв

Введение Диссертация по сельскому хозяйству, на тему "Применение теории подобия в исследованиях физико-механических свойств почв"

Актуальность проблемы

Показатели сопротивления сдвига - основные прочностные показатели сопротивления тел внешним силам. В механике грунтов эти показатели используются в расчетах условий прочности согласно третьей теории прочности (Кулона - Мора). Правильный выбор показателей сопротивления сдвига имеет первостепенное значение для практики, так как он обуславливает точность инженерного расчета по определению предельной нагрузки на почву или грунт, устойчивости массивов грунта (на склонах), давления грунтов на ограждение, в расчетах удельного сопротивления почвы при пахоте и дефляции.

В почвоведении для определения величины сцепления и сопротивления сдвига х в каждом конкретном случае приходится прибегать к эксперименту. Возникает насущная необходимость обобщения существующих функциональных зависимостей сдвиговой прочности от влажности, плотности сложения, скорости сдвига и т.п., в единую зависимость. Определение такой зависимости осуществимо на основе построения критериев подобия - безразмерных комплексов, характеризующих переход процесса в физической системе от одной интенсивности к другой. Критерии подобия позволяют в автомодельной области воспользоваться для расчетов данными, полученными ранее в экспериментах на других почвах, но входящих по определяющим физическим параметрам в диапазон автомодельности.

Цель и задачи исследования

Построение критериев подобия возможно на основе теории подобия двумя различными методами. Один из методов теории предполагает наличие системы дифференциальных уравнений процесса, на основе которых составляются дифференциальные операторы, легко преобразуемые в приведенные комплексы, состоящие из размерных параметров и отражающие универсальные закономерности группы физических явлений. Второй метод - анализ размерности предикторов процесса. Современные количественные представления о физической сущности сопротивления сдвига почв не позволяют составить систему дифференциальных уравнений, описывающих процесс, поэтому можно и нужно воспользоваться методом анализа размерности. Уровень знаний таков, что можно, на основе общих физических представлений выделить определяющие параметры состояния (предикторы процесса). Размерности этих параметров известны, поэтому применение метода анализа размерности является оправданным и наиболее доступным для обобщения и построения критериев подобия в исследуемом случае.

Анализ большого количества опубликованных работ по физике почв и грунтоведению: Кин Б.А., Качинский H.A., Приклонский В.А. Потапов Б.И., Бахтин П.У., Мичурин Б.Н., Вялов С.С., Нерпин C.B., Цытович H.A., Мацепуро В.М., Мельникова М.К., Дерягин Б.В., Воронин А.Д., Березин П.Н., Шеин Е.В. Кнатько В.М. и др. [6-13; 25-29; 35; 36; 49; 50-52; 64; 66; 68; 73-75; 84-94; 116] позволил не только выявить определяющие процесс параметры, но и обобщить предложенные ими закономерности сопротивления сдвига для исследованных почв.

В связи с этим была поставлена цель - применить теорию подобия (анализ размерности) в исследованиях физико-механических свойств почв и построить критерии физико-механического подобия почв при сопротивлении сдвига и уплотнении. Поставленная цель обусловила задачи исследования:

1. Провести экспериментально - теоретический анализ сопротивления сдвига почв, и обобщить имеющийся фактический материал с целью отбора основных предикторов процесса для установления физико-механического подобия сопротивления сдвига, и уплотнения почв.

2. Построить критерии подобия, используя метод теории подобия - анализ размерностей физических параметров процесса.

3. Провести экспериментальную апробацию построенных критериев.

Основные положения, выносимые на защиту

-Критерии физико-механического подобия сдвига и уплотнения почв

-Методику критериального обобщения экспериментальных данных при исследованиях физико-механических свойств почв.

Научная новизна исследований

Общие положения теории подобия и анализа размерности, адаптированы к исследованиям по физике почв. Разработан алгоритм исследования и обобщения сложных физических явлений и процессов в почвах в критериях подобия, построенных при помощи анализа размерностей теории подобия.

Показана возможность исследования оптимального агрофизического состояния почвы, как базового элемента агроэкосистемы, через построение критериев подобия физических процессов в почве. Это один из новых подходов к решению проблемы определения условий, оптимального физического состояния почвы в целом.

В Российской классификации почв, выделено 98 основных типов почв и около 500 их разновидностей. Примерно такое же количество почвенных разновидностей (496) имеет немецкая национальная классификация, при этом ограниченная почвами Западной Европы.

Количество почвенных разновидностей низшего таксономического уровня, выделяемых во всех национальных классификациях, требует создания информационного банка данных, всё более глубокой систематизации наших знаний, как на качественном, так и на количественном уровне. На основе построенных критериев подобия физических процессов можно разработать новые принципы классификации почв.

Практическая ценность работы

Практическое значение выводов получаемых с помощью анализа размерности, предикторов физических процессов в почве, трудно недооценить. Набор различных по физической природе факторов не коррелирующих между собой, но определяющих направленность и интенсивность некоторого процесса в системе любой сложности может быть обобщён безразмерными критериями подобия, в случае если известна системная размерность каждого из факторов. И такое обобщение может быть выполнено с использованием тс - теоремы. Обработка первичного экспериментального материала в критериальном виде позволяет предсказывать поведение конкретных дисперсных систем при сдвиге и уплотнении почвы без проведения дополнительных испытаний в лабораторных и полевых условиях, и производить пересчёт результатов опыта с модели на натуру, необязательными делаются и долговременные полевые эксперименты по исследованию физико-механических свойств почв.

Структура работы

В первой главе на основе аналитического обзора литературных данных рассматривается состояние вопроса, являющегося предметом нашей работы. С целью определить общие, физические параметры, характеризующие процесс сопротивления сдвига, анализируются условия его протекания в различных почвенных горизонтах и грунтах, осуществлен отбор основных предикторов процесса.

Во второй главе излагаются основы теории подобия. Описан математический аппарат метода анализа размерностей, применение его к 8 построению критериев физико-механического подобия почв, выполнен корреляционный анализ предикторов отобранных в первой главе, приведены теоретически полученные критерии подобия.

Третья глава посвящена описанию методик экспериментальных исследований физико-механических свойств почв и экспериментальных установок.

Четвертая глава содержит экспериментальные данные о физико-механических свойствах исследованных почв, анализ этих данных и их обобщение с использованием построенных критериев подобия.

Диссертация изложена на 153 стр. машинописного текста, иллюстрирована 25 рисунками и 20 таблицами, содержит четыре главы, введение, заключение и основные выводы; список литературы представлен 119 исследователями, в том числе иностранных три.

Заключение Диссертация по теме "Агропочвоведение и агрофизика", Моисеев, Кирилл Геннадьевич

Основные выводы

На основе применения анализа размерности теории подобия построены безразмерные комплексы-«^» (Я] л2 л:3), являющиеся критериями физико-механического подобия и раскрывающими физическую сущность процессов сопротивления сдвига и уплотнения почв.

Проведена экспериментальная апробация построенных критериев сопротивления сдвига и уплотнения различных почв (п2 тг3). Получены критериальные зависимости вида:

По сопротивлению сдвига: Тотн.^0,164+0,801Я2-0,151Я22,

По уплотнению почв: Ау=0,002Г7г3108-0,0053.

Рассматриваемый в работе подход к определению некоторых физико-механических свойств почв применением анализа размерности теории подобия не только позволяет теоретически рассчитывать эти свойства, но и показывает тесную взаимосвязь основных выводов работы с выводами структурно-функциональной концепции гидрофизических свойств почв Воронина А.Д.

Подтверждена тесная взаимосвязь сопротивления сдвига почв с энергетическим состоянием почвенной влаги и типом почвенной структуры.

Материалы диссертации могут быть использованы как методическая основа при создании критериев подобия для других агрофизических показателей почв.

Заключение

В работе выполнена систематизация и обобщение большей части накопленного в физике почв теоретического и фактического материала по сопротивлению сдвига. Эта систематизация выражена в виде схемы -списка физических параметров и феноменологических коэффициентов, определяющих, или в известной мере, связанных с процессом сопротивления сдвига почв. Произведён отбор основных предикторов процесса сопротивления сдвига почв. Рассмотрены положения и правила анализа размерностей теории подобия, на основе которых, построены критерии подобия процесса сопротивления сдвига. Построен критерий подобия уплотнения почв под действием нагрузки ходовых систем сельскохозяйственной техники. Проведена экспериментальная апробация построенных критериев.

Анализ опубликованных данных по рассматриваемым физико-механическим свойствам почв и экспериментальная апробация построенных критериев позволили установить их физический смысл в исследованном диапазоне для почв дерново-подзолистых, серых лесных, каштановых и чернозёмов типичного и южного.

Критерий Яг, можно представить, как произведение двух чисел: N 1

- и —, при этом полагаем, что сопротивление сдвига почв y-d W обусловлено в основном структурным состоянием почвы и силами, связанными с наличием почвенной влаги. Если нарастает влажность почвы, при idem, или изменяется плотность при X!W = idem, то y-d наступает такой «момент» когда сопротивление сдвига начинают определять, в основном, капиллярные силы [72]. Этот переход наступает при значении критерия ж2 (2,00 - 2,50)'Ю5.

Переход к определяющему безразмерному критерию П2 = я2 -105 позволил получить единую зависимость

Тотн=АП2) для различных почв, в диапазоне значений П2 (0,5 - 4,0). Эту зависимость легко аппроксимировать уравнением: гот„=-А+В./72-СЯ2 , определены численные значения коэффициентов «А», «В» и «С» (А= -0,164; В= 0,801; С= -0,151). Для тотн=^[П2) получен высокий коэффициент Пирсона (коэффициент не линейной корреляции) равный 0,67. Значения числа я2-~ -105для исследованных почв в области максимума данной N функции, практически совпадают (равны (2,25-2,5)).

Практическое использование зависимости т0„„(.=ДП2), возможно, например, при оценке опасности дефляции почв. В области тотн=0,1 вероятность выдувания высока, следовательно, в соответствии с Я2 необходимо проводить дополнительное исследование почвы на устойчивость к выдуванию. Причём дополнительную оценку почв на выдувание следует проводить если относительное сопротивление сдвига составляет 40% максимального, т.е. при значениях Я2 «слева» равных 1, «справа» 4,5. Имея критериальную зависимость каждый исследователь волен для себя решать этот вопрос самостоятельно однако, необходимо обратить внимание на то, что область определения функции тотн заключена в пределах значений Я2 от 0,3 до 5.

Когда рассматриваются процессы дефляции, то в случае, если тотн лежит в области 10-40% необходимо провести полевое исследование опасности выдувания, если в области 40-100%, то такого дополнительного эксперимента не требуется.

Для слитых почв критерий П2 не может применяться, в этом

V2 случае используется критерий «слитости» К\ (в форме: -),

0" Л определяющий насколько кинетическая энергия (в данном случае ветрового потока) превосходит (или не превосходит) силы связности почвы. Теоретически возможна ситуация когда оба этих критерия, совместно, будут определять процесс сопротивления сдвига в верхнем слое почв.

Таким образом П2 - это критерий определяющий состояние почвы при сдвиге, когда главными являются силы трения т.е. первого члена уравнения Дерятиа ,(т=tgф(P + Ро ^о)), а критерий щ для второго члена этого уравнения - определяет влияние на состояние почвы при сдвиге сил связности, или поверхностной энергии почв.

Для оценки сопротивления сдвига, с точки зрения готовности почвы к пахоте и затрат средств на вспашку, во-первых, рассчитывается П2, а затем определяется область значения функции тотн по критериальной кривой. Теоретически при попадании в область 10% видимо имеются оптимальные условия резания для песчаной, или агрегированной почвы. Причем универсальность критерия П2 состоит в том, что в данном случае он определяет не только сопротивление сдвига в почве, но также и скольжение плуга (эффект смазки при высокой влажности) при котором суммарное сопротивление перемещению также попадает в область 10% Тотн Конечно практически, всё не так просто, затраты работы в процессе вспашки почвы, согласно формуле Горячкина В. П., состоят из трёх слагаемых. Однако, имея профиль сопротивления сдвига по глубине обработки почвы рассчитанный на основе критерия П2, вероятно можно рассчитать и определённую форму плуга, которая существенно уменьшит сопротивление пахоте. Это интересный вопрос и он безусловно требует более детального и глубокого рассмотрения, выходящего за рамки данного исследования.

Для относительного уплотнения почв построен критерий л3 Нормирование уплотнения Лу осуществлялось делением на величину плотности воды (в данном случае удельный вес) при температуре 4°С.

Относительное уплотнение почв функция от критерия щ (найден вид этой зависимости обработкой данных Сапожникова П.М., Прохорова А.Н. для дерново-подзолистых, серых лесных почв и чернозёмов. Получена единая зависимость для этих почв в виде:

А/=0,0021 7Г3108-0,0053, при коэффициенте корреляции 11=0,90.

Вид зависимости Дх=Лтсз) указывает на автомо дельность относительного уплотнения генетически различных почв, по параметру 7Г3 в исследованном диапозоне, поэтому мы можем использовать Ау =/(щ) о для любых почв с 71з 10 < 83, а 713 является критерием подобия уплотнения почв.

Анализ размерности, основных предикторов любого физического процесса в почве при тщательном первичном отборе параметров процесса и последующем их корреляционном анализе, способен давать не тривиальные результаты. Анализ размерности, таким образом, является мощным инструментом обобщения и базой построения критериев физического подобия почв.

Разработан алгоритм применения анализа размерностей к любому физическому процессу или группе физических явлений в почве.

В заключение заметим целесообразность распространения методов, основанных на анализе размерностей теории подобия в агропочвоведении. В физике почв где они могут принести новые неожиданные решения и вполне вероятно позволят избавиться от некоторой ограниченности, «порока рождения», связанного, безусловно, с объектом исследования и сложностью физических явлений в почве.

143

Библиография Диссертация по сельскому хозяйству, кандидата сельскохозяйственных наук, Моисеев, Кирилл Геннадьевич, Санкт-Петербург

1. Абрукова В.В. Пластическая прочность пахотного горизонта дерново-подзолистой почвы // Почвоведение. 1995. №4. С.454-460.

2. Амелина Е.А. Контактные взаимодействия частиц в дисперсных структурах // Физико-химическая механика природных дисперсных систем. М.: МГУ, 1985. с.6-19.

3. Андрианов П.И. Связанная вода почв и грунтов / Гос. ин-т Мерзлотоведения; Под ред. В.А. Обручева. M.-Jl.: АНСССР, 1946. Т.З. 138с.

4. Атаманюк А.К. К методике определения плотности почвы // Почвоведение. 1970. №4. С. 120-124.

5. Баренблат Г.И. Подобие, автомодельность промежуточная асимптотика. JL: Гидрометеоиздат, 1982. 254с.

6. Бахтин П.У. Исследования физико-механических и технологических свойств основных типов почв СССР: Автореф. дис. д. с.-х. наук / М., 1966.

7. Бахтин П.У. Исследование физико-механических и технологических свойств основных типов почв СССР. М.: Колос, 1969. 270с.

8. Бахтин П.У. Николаева И.Н. Волоцкая В.И. Сопротивление сдвига, коэффициент трения и сцепление тёмно-каштановых почв и южного чернозёма // Почвоведение. 1963. №11. С.68.

9. Бахтин П.У. Николаева И.Н. Волоцкая В.И. Физико-механические свойства дерново-подзолистой почвы станции ЦМИС, Солнечногорского района Московской области // Почвоведение. 1967.7. С.111-120.

10. Бахтин П.У. и др. Физико-механические и технологические свойства почв // Известия ТСХА. 1974. №6 С.38.

11. Березин П.Н. Диагностика потенциальной и актуальной слитости почв по физическим критериям // Почвоведение. 1990. №5. С.65-75.

12. Березин П.Н. Структура и гидрофизика набухающих почв как систем с переменным поровым пространством: Автореф. дис. д.б.н. / М., 1995.

13. Березин П.Н. Воронин А.Д. Шеин Е.П. Основные параметры и методы количественной оценки почвенной структуры // Почвоведение. 1985. №10. С.58-68.

14. Берштейн М.С. Предельное равновесие и предельная пористость зернистой массы / Моск. гос. Архитектурный ин-т. М.: 1970. Вып.2.

15. Бойченко П.О. Определение пределов пластичности, консистенции и коэффициента структурности связных грунтов методом конуса // Некоторые методы определения физико-механических свойств грунтов. Л., 1950. С.5-32.

16. Боровков B.C. Природа сил сцепления в водонасыщенных грунтах // Гидротехнические исследования и расчёты трубопроводных систем каналов и портовых сооружений. М., 1987. С.33-35.

17. Брежнев А.И. Малинина В.Г. Мичурин Б.Н. Кузнецов Б.А. Послойно-балансовая модель влагообмена с учётом изменчивости гидрофизических характеристик почвы // Докл. ВАСХНИЛ. М., 1983. №10. С.8-10.

18. Будин А .Я. О прогнозировании оползней, вызванных проявлением реологических свойств грунтов // Реология грунтов и инженерное мерзлотоведение М., 1982. С.85-93.

19. Буллах А.Г. Методы термодинамики в минералогии. Л.: Недра, 1968. 175с.

20. Вадюнина А.Ф. Корчагина З.А. Методы исследования физических свойств почв. М.: Агропромиздат, 1986. 416с.

21. Веников В.А. Веников Г.В. Теория подобия и моделирования. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Высшая школа, 1984. 439с.

22. Вершинин П.В. Почвенная структура и условия её формирования М.-Л., 1958. 188с.

23. Волобуев В.Р. О двух эколого-генетических решениях с использованием идей энергетики почвообразования //100 лет генетического почвоведения. М., 1986. С.152-161.

24. Волобуев В.Р. Пономарёв Д.Г. Некоторые термодинамические характеристики минеральных ассоциаций почв // Почвоведение. 1977. №1. С.З

25. Воронин А.Д. Структурно энергетическая концепция гидрофизических свойств почв и её практическое применение // Почвоведение. 1980. №12. С.35

26. Воронин А.Д. Структурно функциональная гидрофизика почв. М.: МГУ, 1984. 204с.

27. Воронин А.Д. Энергетическая концепция физического состояния почв // Почвоведение. 1990. №5. С.7.

28. Воронин А.Д. Березин П.Н. Структурообразование в почвах // Физико-химическая механика природных тел. М., 1985.

29. Вялов С.С. Реологические основы механики грунтов // Реология грунтов и инженерное мерзлотоведение. М., 1982. С.5-21.

30. Глобус A.M. Почвенно- гидрофизическое обеспечение агроэкологических математических моделей. Л.: Гидрометеоиздат, 1987.427с.

31. Гольдштейн М.Н. Механические свойства грунтов. М.: Стройиздат 1973. 378с.

32. Грег С. Синк К. Адсорбция, удельная поверхность, пористость. 2-е изд. / Пер.с англ. А.П. Карнаухова. М.: Мир, 1970. 310с.

33. Гухман A.A. Основы теории подобия. М.: Высшая школа, 1967.34