خواص مکانیکی خاک
1
2
مقاومت برشی
اصطکاک
چسبندگی
این خواص از دو جهت برای عملیات خاک ورزی اهمیت دارند:
عملکرد کششی تراکتور
نیروی مورد نیاز برای ادوات خاکورزی
خواص مکانیکی خاک
3
مقاومت برشی Shear Strength
4
قانون موهر- کولن
گسیختگی در مواد موقعی رخ می دهد که تنش برشی در صفحه ای خاص از مقاومت برشی ماده بیشتر باشد
مقاومت برشی (S) در هر صفحه ای تابعی از تنش عمودی () در ان صفحه است.
S=f ()
5
پوش گسیختگی در خاک Soil Failure Envelope
S=c+ Tan ()
6
روشهای اندازه گیری مقاومت برشی
روش مستقیم Direct shear test
7
2- تست سه محوری The Triaxial test
8
انواع تست سه محوری
زهکشی شده Drained, (d)
مقادیر موثر
زهکشی در مرحله تحکیم
Consolidation Undrained , (c-u)
مقادیر موثر
ub فشار اب موجود در خلل و فرج
زهکشی نشده Undrained, (u)
u فشار اب موجود در خلل و فرج
9
تنشها در صفحه گسیختگی
10
پوش گسیختگی درخاکهای غیر چسبنده Failure Envelope for Cohesionless soils
S= Tan ()
زاویه اصطکاک داخلی برای خاک های غیر چسبنده بین 28 تا 42 درجه
این زاویه با افزایش دانسیته خاک افزایش می یابد
خاک های خیلی سبک و شل با ساختمان ناپایدار
ممکن است به زیر 10 درجه برسد
11
اندازه گیری مقاومت برشی به روش صحرایی
روش استوانه ای تو پرRound shear box
روش استوانه ای تو خالی
12
روش پره ای vane shear apparatus
نسبت ارتفاع به شعاع برابر 4
تغییر بار عمودی امکان پذیر نیست
13
مثال:در یک ازمایش سه محوری فشار استاتیکی اولیه 3=200kpa بوده است. نمونه در فشار `=280kpa و فشار اب خلل و فرج u=180kpa گسیخته شد. اگر گسیختگی در زاویه 57 درجه نسبت به سطح افق اتفاق افتد الف) مقادیر تنش برشی و عمودی را در سطح گسیختگی تعیین کنید. ب) اگر مقدار همچسبی برای نمونه 80kpa باشد و زاویه اصطکاک داخلی ان 24 درجه باشد، نشان دهید چرا گسیختگی در زاویه 57 درجه اتفاق افتاده است؟
14
حل:
این مقدار برابر تنش برشی اعمال شده در صفحه گسیختگی است. لذا گسیختگی اتفاق می افتد
حداکثر تنش برشی در زاویه 45 درجه نسبت به افق اتفاق می افتد
مقاومت برشی در این صفحه
لذاگسیختگی در این صفحه اتفاق نمی افتد
15
جمع بندی مقاومت برشی Resistance to shear (shear strength)
مقاومت خاک از طریق همچسبی cohesion و اصطکاک داخلی ایجاد می شود
خاک های رسی اشباع اصطکاک داخلی ندارند
وزن بر روی مقاومت خاک رسی تاثیر ندارد
خاک های شنی چسبندگی ندارند بنابراین مقاومت آنها تنها در اثر اصطکاک داخلی است
در خاک شنی تنها وزن باعث افزایش مقاومت می گردد
16
اصطکاک Friction
اصطکاک بین خاک – جسم خارجی (فلز)
اصطکاک بین خاک – خاک ` هنگام حرکت نسبی بین توده های خاک . پس از گسیختگی در جعبه تست بدست می اید
اصطکاک داخلی Tan() موقعی عمل می کند که گسیختگی در اثر اعمال نیروی برشی اتفاق افتد
F=N
` or =tan(F/N)
17
چسبندگی
همچسبی Cohesion
دگر چسبی Adhesion
نیروی جذبی بین دو جسم ناهمسان
در خاک در اثر لایه نازک رطوبت ایجاد می شود
نیروی جذبی بستگی به کشش سطحی اب دارد
در کاربرد های مکانیک نمی توان چسبندگی و اصطکاک را از هم منفک کرد
اثر توام این دو اصطکاک ظاهری نامیده می شود.
18
اثر رطوبت بر اصطکاک ظاهری
در رطوبت کم نیروی اصطکاک فقط در اثر لغزش
با افزایش رطوبت اصطکاک بدلیل افزایش چسبندگی زیاد می شود (اثر توام لغزش و چسبندگی)
افزایش بیش از حد رطوبت باعث روانکاری بین ذرات شده اصطکاک کم می شود
19
بررسی مکانیک ابزار خاکورزی
مطالعات تجربی از طریق اندازه گیری مستقیم نیروی مورد نیاز
مطالعات نظری از طریق ارائه مدل های ریاضی
مدل Soehne برای یک ابزار ساده برای مطالعه تقابل بین خاک و ابزار در حین حرکت در داخل خاک برای برآورد نیروی کششی مورد نیاز
20
فرضیات مدل
عوامل تاثیر گذار:
اصطکاک بین خاک – فلز
نیروی برشی در گسیختگی
شتاب توده های خاک
مقاومت برشی تیغه برای برش کف
Cutting Resistance
جسم بدون شتاب حرکت می کند (تعادل استاتیکی)
21
تصویر جسم آزاد سیستم
22
معادله تعادل استاتیکی نیرو ها در امتداد افقی برای تیغه
23
معادله تعادل استاتیکی نیرو ها در امتداد عمودی برای توده خاک
24
معادله تعادل استاتیکی نیرو ها در امتداد افقی برای توده خاک
25
اگر Z را به صورت زیر در نظر بگیریم
این معادله رابطه بین نیرو های عمل کننده بر سیستم متشکل از خاک – ابزار رانشان می دهد
محاسبه وزن توده خاک (W)
L2=d* tan (m)
26
محاسبه سطح صفحه برش خاک
محاسبه نیروی ناشی از شتاب توده خاک
محاسبه جرم خاک شتاب گرفته توسط تیغه
27
محاسبه شتاب (dv/dt)
بر اساس شکل 5.41 :
Vs : سرعت مطلق توده خاک
Ve سرعت نسبی بین توده خاک و تیغه
V0 سرعت حرکت تیغه
این سه بردار تشکیل یک مثلث بسته را می دهند.
28
از روی زاویه اصطکاک داخلی می توان ضریب اصطکاک خاک را محاسبه نمود
از روی دایره موهر
29
رابطه بین سرعت و مقاومت برشی خاک ( نیروی کششی مورد نیاز)
30
اثر مقاومت خاک بر عملکرد تراکتور
2WD, no ballast
4WD, with ballast
31
شکل پذیری در خاکها
خاک های شکل پذیر Plastic Soils
در محدوده خاصی از رطوبت به هر شکلی در می ایند
پس از خشک شدن شکل خود را حفظ می کنند
مثل خاک رسی، رسی شنی
خاک های شکل ناپذیرNon Plastic Soils
در هیچ رطوبتی شکل خاصی به خود نمی گیرد
خاک شنی
32
مراحل خشک شدن خاک های شکل پذیر
بروز چسبندگی (همچسبی و دگرچسبی) دررطوبت زیاد
باعث از بین رفتن ساختمان خاک در اثر شخم
شکل پذیری (به هر شکل دلخواه)
هنوز نامناسب برای شخم
ترد (Friable) بدلیل شکننده بودن به اسانی خرد می شود
بهترین زمان برای شخم (اصطلاحاً گاو رو)
سخت شدن (ایجاد کلوخه در اثر شخم)
هرخاکی در یک رطوبت معین به حالت تردی می رسد!!
33
خمیرایی خاک ها Soil Plasticity constant
حدود خمیرایی Plasticity Limits
حد بالای خمیرایی Upper Plastic Limits
درصد رطوبتی که خاک بسختی جریان می یابد
به صورت مایع غلیظ Viscous Liquid
حد پایین خمیرایی Lower Plastic Limit
مرحله شروع شکل پذیری
به عبارتی حداکثر رطوبتی که خاک به صورت ترد باقی می ماند
رقم خمیرایی Plastic Number
تفاوت بین دو حد خمیرایی
بیانگر مقدار کلوئید خاک است
هر چه مقدار کلوئید بیشتر باشد (رسی) حد پایین افزایش یافته رقم خمیرایی کم می شود
34
رابطه بین مقاومت شکستگی خاک و رقم خمیرایی و رطوبت
رابطه Nichols
Fs : مقاومت شکستگی خاک psi
M : درصد رطوبت خاک
Pl : حد پایین خمیرایی
Pn : رقم خمیرایی
Pc : فشار وارد بر خاک psi
با افزایش رطوبت مقاومت خاک افزایش می یابد تا برسد به حد پایین خمیرایی که پس از ان کاهش می یابد
این رابطه تا رطوبت حد پایین صادق است
35
مروری بر کشش در تراکتور
کشش ایجاد شده در چرخ یا شنی بستگی به مقاومت برشی خاک دارد
خاک مرطوب بدلیل مقاومت کم چرخ ها را دچار لغزش می کند ( بدلیل پتانسل کم کششی خاک)
مقاومت در خاک های رسی مرطوب به صورت چسبندگی است ( افزایش مقاومت غلتشی)
مقاومت در خاک های سبک از طریق اصطکاک داخلی فراهم می شود
36
کشش و وزن وارد بر خاک
در خاکهای شنی چون مقاومت در اثر اصطکاک داخلی است افزایش وزن تنها را حل است
در خاک های رسی مقاومت در اثر چسبندگی بوده وزن تاثیر نداشته و افزایش کشش با افزایش سطح ممکن است (افزایش مقاومت غلت )
در خاک های معمولی هر دو عامل اصطکاک داخلی و سطح باعث افزایش کشش می گردد
2WD, no ballast
4WD, with ballast
37
لغزش یا بکسوات Slip
مشابه رابطه کرنش – تنش در خاک است
در اثر اعمال نیروی کششی در خاک جابجایی یا تغییر شکل ایجاد می گردد
جابجایی و تغغیر شکل خاک باعث کاهش سرعت پیشروی یا لغزش می شود
بیشترین مقاومت خاک در یک حد معین از لغزش حاصل می شود
هنگام کار باید لغزش کمتر از حداکثر مقدار خود باشد زیرا
ساختمان خاک از بین می رود
38
رابطه بین سرعت و وزن مورد نیاز وارد بر چرخ
افزایش سرعت سبب افزایش مقاومت خاک می شود
وزن مورد نیاز کم می شود
39
تعاریف کشش
Traction
Coefficient of traction (P/ W)
Tractive Efficiency = D.B. Power/Axle Power
Rolling Resistance=axle power – D.B. Power
40
روش های اندازه گیری لغزش
روش مسافت ثابت
روش دور ثابت
41
عوامل موثر بر لغزش
خصوصیات خاک
بافت خاک
رطوبت خاک
سطح خاک (بقایای گیاهی)
خصوصیات چرخ
سطح تماس (قطر و اندازه)
فشار باد
وزن
انتقال وزن
عاج
زاویه
فاصله
ارتفاع
42
تخمین تجربی لغزش مشاهده اثر بجا مانده از چرخ
43
لغزش، بازده کششی، مقاومت غلت
44
وسایل کمک کششی Traction Aids
Ballast
Dual wheels
Cage wheels
Strake (طوقه)
Tire Track
قابل نصب روی چرخ ها
سادگی نصب
مقاومت کم در مقابل سنگ
دوران مشکل تراکتور
45
46
خسارت وارد بر زمین در اثر تردد
فشردگی Compaction
وزن مخصوص خشک خاک حدود 65/2
معیار فشردگی
وزن مخصوص ظاهری
درصد خلل و فرج
مقاومت نفوذ Penetration Resistance
با استفاده از نفوذ سنج Penetrometer
47
فشردگی تکراری Repeated Compaction
حداکثر فشردگی در اولین تردد
چهار چرخ کردن تراکتور تاثیر زیادی بر فشردگی ندارد
بیشترین تاثیر فشردگی در اثر رطوبت است
2 تا 3 % تغییر در رطوبت خسارت جبران ناپذیر
خاک خشک فشرده نمی شود
در رطوبت های بالا چون خلل و فرج از اب پر است و اب غیر قابل تراکم است فشردگی کم می شود
48
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 بالاتر از ظرفیت مزرعه است خاک مناسب
حد پایین خمیرایی
جاده سازی
خاک متوسط کشاورزی
49
عوارض فشردگی
کاهش ریشه دوانی
کاهش زهکشی داخلی خاک
کاهش تهویه خاک
نیاز به توان بیشتر برای عملیات خاکورزی
50
خلاصه بحث فشردگی
اگر چه عواملی مثل نزولات جوی و تردد انسان و دام موثر است ولی بیشترین فشردگی مربوط به تردد ماشین است
درکشت مکانیزه چون ماشین الات بزرگتر هستند اثر سوء بیشتر دارند
بدترین فشردگی با رطوبت قبل از FC است چون خلل و فرج اب و هوا وجود داشته روانکاری ذرات راحت تر انجام می گیرد
قوانین جاده ای حداکثر بار اکسل را 9 تن در نظر می گیرد حال انکه در کشاورزی بارها به مراتب بیشتر هستند
کمباین پر تا 15 تن
کودکار های دامی بزرگ 17 تن
51
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