خواص مکانيکی خاک .1 مقاومت برش ي .2 اصطكاك .3 چسبندگي این خواص از دو جهت برای عملیات خاک ورزی اهمیت دارند : • عملکرد کشش ی.
Download ReportTranscript خواص مکانيکی خاک .1 مقاومت برش ي .2 اصطكاك .3 چسبندگي این خواص از دو جهت برای عملیات خاک ورزی اهمیت دارند : • عملکرد کشش ی.
خواص مکانيکی خاک .1مقاومت برش ي .2اصطكاك .3چسبندگي این خواص از دو جهت برای عملیات خاک ورزی اهمیت دارند: • عملکرد کشش ی تراکتور .1نیروی مورد نیاز برای ادوات خاکورزی 1 Shear Strength مقاومت برش ی.1 2 قانون موهر -کولن • گسیختگی در مواد موقعی رخ می دهد که تنش برش ی در صفحه ای خاص از مقاومت برش ی ماده بیشتر باشد • مقاومت برش ی ) (Sدر هر صفحه ای تابعی از تنش عمودی ) (در ان صفحه است. )S=f ( 3 پوش گسیختگی در خاک Soil Failure Envelope S=c+ Tan () 4 روشهای اندازه گیری مقاومت برش ی .1روش مستقیم Direct shear test 5 تست سه محوری-2 The Triaxial test 6 انواع تست سه محوری • زهکش ی شده )Drained, (d مقادير موثر 1 1 , 3 3 • زهکش ی در مرحله تحکیم )Consolidation Undrained , (c-u مقادير موثر u , u b ubفشار اب موجود در خلل و فرج • زهکش ی نشده )Undrained, (u uفشار اب موجود در خلل و فرج 3 3 b 1 1 1 1 u , 3 3 u 7 1 3 1 3 2 2 1 3 sin 2 2 cos 2 تنشها در صفحه گسيختگي 8 پوش گسیختگی درخاکهای غیر چسبنده Failure Envelope for Cohesionless soils زاویه اصطکاک داخلی برای خاک های غیر چسبنده بین 28تا 42درجه این زاویه با افزایش دانسیته خاک افزایش می یابد خاک های خیلی سبک و شل با ساختمان ناپایدار ممکن است به زیر 10درجه برسد )S= Tan ( 9 اندازه گیری مقاومت برش ی به روش صحرایی روش استوانه ای تو پر Round shear box 3M 2r 3 S روش استوانه ای تو خالي 3M S 3 3 ) 2 (r1 r2 10 روش پره اي vane shear apparatus 3M S 28r 3 •نسبت ارتفاع به شعاع برابر 4 • تغيیر بار عمودي امكان پذير نيست 11 مثال:در يك ازمايش سه محوري فشار استاتيكي اوليه 3=200kpaبوده است .نمونه در فشار `=280kpaو فشار اب خلل و فرج u=180kpaگسيخته شد .اگر گسيختگي در زاويه 57درجه نسبت به سطح افق اتفاق افتد الف) مقادير تنش برش ي و عمودي را در سطح گسيختگي تعيین كنيد .ب) اگر مقدار همچسبي براي نمونه 80kpaباشد و زاويه اصطكاك داخلي ان 24درجه باشد ،نشان دهيد چرا گسيختگي در زاويه 57درجه اتفاق افتاده است؟ 12 3 200kpa, 1 3 280kpa, 1 280 200 480kpa حل: 1 3 1 3 480 200 480 200 cos 2 cos(114) 283kpa 2 2 2 2 1 3 480 200 sin 2 sin(114) 127kpa 2 2 u 283 180 103kpa S c t an 80 103t an 24 127 اين مقدار برابر تنش برش ي اعمال شده در صفحه گسيختگي است .لذا گسيختگي اتفاق مي افتد حداكثر تنش برش ي در زاويه 45درجه نسبت به افق اتفاق مي افتد 480 200 480 200 cos 2( 45) 340kpa 2 2 340 u 340 180 160kpa مقاومت برش ي در اين صفحه 13 لذاگسيختگي در اين صفحه اتفاق نمي افتد S 80 160t an 24 151kpa 3 max 1 140 140 151 2 جمع بندي مقاومت برش ي )Resistance to shear (shear strength • • • • • 14 مقاومت خاك از طريق همچسبي cohesionو اصطكاك داخلي ايجاد مي شود خاك هاي رس ي اشباع اصطكاك داخلي ندارند وزن بر روي مقاومت خاك رس ي تاثیر ندارد خاك هاي شني چسبندگي ندارند بنابراين مقاومت آنها تنها در اثر اصطكاك داخلي است در خاك شني تنها وزن باعث افزايش مقاومت مي گردد اصطكاك Friction • اصطكاك بین خاك – جسم خارجي (فلز) • اصطكاك بین خاك – خاك ` هنگام حركت نسبي بین توده هاي خاك .پس از گسيختگي در جعبه تست بدست مي ايد • اصطكاك داخلي ) Tan(موقعي عمل مي كند كه گسيختگي در اثر اعمال نیروي برش ي اتفاق افتد F F=N )` or =tan(F/N N 15 چسبندگي • همچسبي Cohesion • دگر چسبي Adhesion – نیروي جذبي بین دو جسم ناهمسان – در خاك در اثر اليه نازك رطوبت ايجاد مي شود – نیروي جذبي بستگي به كشش سطحي اب دارد • در كاربرد هاي مكانيك نمي توان چسبندگي و اصطكاك را از هم منفك كرد – اثر توام اين دو اصطكاك ظاهري ناميده مي شود. 16 اثر رطوبت بر اصطكاك ظاهري •در رطوبت كم نیروي اصطكاك فقط در اثر لغزش •با افزايش رطوبت اصطكاك بدليل افزايش چسبندگي زياد مي شود (اثر توام لغزش و چسبندگي) •افزايش بيش از حد رطوبت باعث روانكاري بین ذرات شده اصطكاك كم مي شود 17 بررس ي مكانيك ابزار خاكورزي • مطالعات تجربي از طريق اندازه گیري مستقيم نیروي مورد نياز • مطالعات نظري از طريق ارائه مدل هاي رياض ي – مدل Soehneبراي يك ابزار ساده براي مطالعه تقابل بین خاك و ابزار در حین حركت در داخل خاك براي برآورد نیروي كشش ي مورد نياز 18 فرضيات مدل • عوامل تاثیر گذار: – اصطكاك بین خاك – فلز – نیروي برش ي در گسيختگي – شتاب توده هاي خاك – مقاومت برش ي تيغه براي برش كف Cutting Resistance – جسم بدون شتاب حركت مي كند (تعادل استاتيكي) 19 تصوير جسم آزاد سيستم 20 معادله تعادل استاتيكي نیرو ها در امتداد افقي براي تيغه 21 معادله تعادل استاتيكي نیرو ها در امتداد عمودي براي توده خاك 22 معادله تعادل استاتيكي نیرو ها در امتداد افقي براي توده خاك 23 اگر Zرا به صورت زير در نظر بگیريم اين معادله رابطه بین نیرو هاي عمل كننده بر سيستم متشكل از خاك – ابزار رانشان مي دهد محاسبه وزن توده خاك )(W )L2=d* tan (m 24 محاسبه سطح صفحه برش خاک محاسبه نیروی ناشی از شتاب توده خاک محاسبه جرم خاک شتاب گرفته توسط تیغه 25 محاسبه شتاب )(dv/dt بر اساس شكل : 5.41 : Vsسرعت مطلق توده خاك Veسرعت نسبي بین توده خاك و تیغه V0سرعت حركت تیغه این سه بردار تشكیل یك مثلث بسته را مي دهند. 26 از روي زاویه اصطكاك داخلي مي توان ضریب اصطكاك خاك را محاسبه نمود از روی دایره موهر 27 رابطه بین سرعت و مقاومت برش ي خاك ( نیروي كشش ي مورد نياز) 28 اثر مقاومت خاك بر عملكرد تراكتور 4WD, with ballast %20 22 نیروي كشش مالبندي)(KN 29 %لغزش 2WD, no ballast 7.8 شكل پذيري در خاكها • خاك هاي شكل پذير Plastic Soils – در محدوده خاص ي از رطوبت به هر شكلي در مي ايند – پس از خشك شدن شكل خود را حفظ مي كنند – مثل خاك رس ي ،رس ي شني • خاك هاي شكل ناپذيرNon Plastic Soils – در هيچ رطوبتي شكل خاص ي به خود نمي گیرد – خاك شني 30 مراحل خشك شدن خاك هاي شكل پذير .1بروز چسبندگي (همچسبي و دگرچسبي) دررطوبت زياد • باعث از بین رفتن ساختمان خاك در اثر شخم .2شكل پذيري (به هر شكل دلخواه) • هنوز نامناسب براي شخم .3ترد )(Friableبدليل شكننده بودن به اساني خرد مي شود • ً و بهترين زمان براي شخم (اصطالحا گاو ر ) .4سخت شدن (ايجاد كلوخه در اثر شخم) هرخاكي در يك رطوبت معین به حالت تردي مي رسد!! 31 خمیرايي خاك ها Soil Plasticity constant • حدود خمیرايي Plasticity Limits – حد باالي خمیرايي Upper Plastic Limits • درصد رطوبتي كه خاك بسختي جريان مي يابد • به صورت مايع غليظ Viscous Liquid – حد پايین خمیرايي Lower Plastic Limit • مرحله شروع شكل پذيري • به عبارتي حداكثر رطوبتي كه خاك به صورت ترد باقي مي ماند • رقم خمیرايي Plastic Number – تفاوت بین دو حد خمیرايي – بيانگر مقدار كلوئيد خاك است – هر چه مقدار كلوئيد بيشتر باشد (رس ي) حد پايین افزايش يافته رقم خمیرايي كم مي شود 32 رابطه بین مقاومت شكستگي خاك و رقم خمیرايي و رطوبت • رابطه Nichols M Fs 0.06 ( Pn 20) Pc 0.6 Pl : Fsمقاومت شكستگي خاك psi : Mدرصد رطوبت خاك : Plحد پايین خمیرايي : Pnرقم خمیرايي : Pcفشار وارد بر خاك psi با افزايش رطوبت مقاومت خاك افزايش مي يابد تا برسد به حد پايین خمیرايي كه پس از ان كاهش مي يابد اين رابطه تا رطوبت حد پايین صادق است 33 مروري بر كشش در تراكتور • • • • 34 كشش ايجاد شده در چرخ يا شني بستگي به مقاومت برش ي خاك دارد خاك مرطوب بدليل مقاومت كم چرخ ها را دچار لغزش مي كند ( بدليل پتانسل كم كشش ي خاك) مقاومت در خاك هاي رس ي مرطوب به صورت چسبندگي است ( افزايش مقاومت غلتش ي) مقاومت در خاك هاي سبك از طريق اصطكاك داخلي فراهم مي شود كشش و وزن وارد بر خاك 4WD, with ballast %20 22 7.8 نیروي كشش مالبندي)(KN • در خاكهاي شني چون مقاومت در اثر اصطكاك داخلي است افزايش وزن تنها را حل است • در خاك هاي رس ي مقاومت در اثر چسبندگي بوده وزن تاثیر نداشته و افزايش كشش با افزايش سطح ممكن است (افزايش مقاومت غلت ) • در خاك هاي معمولي هر دو عامل اصطكاك داخلي و سطح باعث افزايش كشش مي گردد 35 %لغزش 2WD, no ballast لغزش یا بكسوات Slip •مشابه رابطه كرنش – تنش در خاك است •در اثر اعمال نیروي كشش ي در خاك جابجايي يا تغيیر شكل ايجاد مي گردد •جابجايي و تغغیر شكل خاك باعث كاهش سرعت پيشروي يا لغزش مي شود •بيشترين مقاومت خاك در يك حد معین از لغزش حاصل مي شود •هنگام كار بايد لغزش كمتر از حداكثر مقدار خود باشد زيرا ساختمان خاك از بین مي رود جابجايي (تغيیر شكل خاك) 36 رابطه بین سرعت و وزن مورد نياز وارد بر چرخ افزایش سرعت سبب افزایش مقاومت خاك مي شود وزن مورد نیاز كم مي شود وزن وارد بر چرخ kg/kw سرعت پيشروي Km/hr 1.6 4WD 2WD 189 268 47 67 6.4 31 44 9.7 24 33 13.0 37 تعاریف كشش • • • • Traction Coefficient of traction (P/ W) Tractive Efficiency = D.B. Power/Axle Power Rolling Resistance=axle power – D.B. Power N l N nl %slip 100 Nl 38 روش هاي اندازه گیري لغزش • روش مسافت ثابت • روش دور ثابت 39 عوامل موثر بر لغزش • خصوصيات خاك – بافت خاك – رطوبت خاك – سطح خاك (بقاياي گياهي) • خصوصيات چرخ – – – – – سطح تماس (قطر و اندازه) فشار باد وزن انتقال وزن عاج • زاويه • فاصله • ارتفاع 40 تخمین تجربی لغزش مشاهده اثر بجا مانده از چرخ 41 مقاومت غلت، بازده كشش ي،لغزش Travtive Eff. High (S) High ® 10 15 % Slip 42 وسايل كمك كشش ي Traction Aids • Ballast • Dual wheels • Cage wheels (طوقه) • Strake • Tire Track – – – – 43 قابل نصب روی چرخ ها سادگی نصب مقاومت کم در مقابل سنگ دوران مشکل تراکتور 44 خسارت وارد بر زمین در اثر تردد • فشردگی Compaction – وزن مخصوص خشک خاک حدود 65/2 – معیار فشردگی • وزن مخصوص ظاهري • درصد خلل و فرج • مقاومت نفوذ Penetration Resistance – با استفاده از نفوذ سنج Penetrometer 45 فشردگی تکراری Repeated Compaction • حداکثر فشردگی در اولین تردد • • • • 46 بیشترین تاثیر فشردگی در اثر رطوبت است 2تا % 3تغییر در رطوبت خسارت جبران ناپذیر تعداد تردد خاک خشک فشرده نمی شود در رطوبت های باال چون خلل و فرج از اب پر است و اب غیر قابل تراکم است فشردگی کم می شود دانسیته – چهار چرخ کردن تراکتور تاثیر زیادی بر فشردگی ندارد اثر رطوبت بر فشردگی •بیشترین فشردگی کمی پایین تر از حد پایین خمیرایی •خاکهایی که حد پایین خمیرایی پایین تر از ظرفیت مزرعه است خاک نامناسب •خاکهایی که حد پایین خمیرایی باالتر از ظرفیت مزرعه است خاک مناسب 2 جاده سازی خاک متوسط کشاورزی 1.6 حد پایین خمیرایی 1.4 15 %رطوبت 47 10 5 دانسیته 1.8 عوارض فشردگی • کاهش ریشه دوانی • کاهش زهکش ی داخلی خاک • کاهش تهویه خاک • نیاز به توان بیشتر برای عملیات خاکورزی 48 خالصه بحث فشردگی • • • • اگر چه عواملی مثل نزوالت جوی و تردد انسان و دام موثر است ولی بیشترین فشردگی مربوط به تردد ماشین است درکشت مکانیزه چون ماشین االت بزرگتر هستند اثر سوء بیشتر دارند بدترین فشردگی با رطوبت قبل از FCاست چون خلل و فرج اب و هوا وجود داشته روانکاری ذرات راحت تر انجام می گیرد قوانین جاده ای حداکثر بار اکسل را 9تن در نظر می گیرد حال انکه در کشاورزی بارها به مراتب بیشتر هستند – کمباین پر تا 15تن – کودکار های دامی بزرگ 17تن 49 روش های کاهش خسارت به خاک • از کار بر روی خاک های مرطوب ممانعت شود • تردد در حداقل باشد – مدیریت تردد در مزرعه )(Traffic Farming • • • • وزنه و لغزش تراکتور مناسب انتخاب شود وزنه های اضافی از تراکتور باز شوند از ادواتی استفاده شود که انتقال وزن بیشتر داشته باشند از وسایل کمک کشش استفاده شود • هر جا امکان دارد از سرعت بیشتر و کشش کمتر استفاده شود 50