خواص مکانیکی خاک

خواص مکانیکی خاک

اسلاید 1: 1مقاومت برشياصطكاكچسبندگياین خواص از دو جهت برای عملیات خاک ورزی اهمیت دارند:عملکرد کششی تراکتورنیروی مورد نیاز برای ادوات خاکورزیخواص مکانيکی خاک

اسلاید 2: 2مقاومت برشی Shear Strength

اسلاید 3: 3قانون موهر- کولنگسیختگی در مواد موقعی رخ می دهد که تنش برشی در صفحه ای خاص از مقاومت برشی ماده بیشتر باشدمقاومت برشی (S) در هر صفحه ای تابعی از تنش عمودی () در ان صفحه است.S=f ()

اسلاید 4: 4پوش گسیختگی در خاک Soil Failure EnvelopeS=c+ Tan ()

اسلاید 5: 5روشهای اندازه گیری مقاومت برشیروش مستقیم Direct shear test

اسلاید 6: 62- تست سه محوری The Triaxial test

اسلاید 7: 7انواع تست سه محوریزهکشی شده Drained, (d) مقادير موثرزهکشی در مرحله تحکیم Consolidation Undrained , (c-u) مقادير موثرub فشار اب موجود در خلل و فرجزهکشی نشده Undrained, (u) u فشار اب موجود در خلل و فرج

اسلاید 8: 8تنشها در صفحه گسيختگي

اسلاید 9: 9پوش گسیختگی درخاکهای غیر چسبنده Failure Envelope for Cohesionless soilsS= Tan ()زاویه اصطکاک داخلی برای خاک های غیر چسبنده بین 28 تا 42 درجهاین زاویه با افزایش دانسیته خاک افزایش می یابدخاک های خیلی سبک و شل با ساختمان ناپایدار ممکن است به زیر 10 درجه برسد

اسلاید 10: 10اندازه گیری مقاومت برشی به روش صحراییروش استوانه ای تو پرRound shear box روش استوانه ای تو خالي

اسلاید 11: 11روش پره اي vane shear apparatusنسبت ارتفاع به شعاع برابر 4 تغيير بار عمودي امكان پذير نيست

اسلاید 12: 12مثال:در يك ازمايش سه محوري فشار استاتيكي اوليه 3=200kpa بوده است. نمونه در فشار `=280kpa و فشار اب خلل و فرج u=180kpa گسيخته شد. اگر گسيختگي در زاويه 57 درجه نسبت به سطح افق اتفاق افتد الف) مقادير تنش برشي و عمودي را در سطح گسيختگي تعيين كنيد. ب) اگر مقدار همچسبي براي نمونه 80kpa باشد و زاويه اصطكاك داخلي ان 24 درجه باشد، نشان دهيد چرا گسيختگي در زاويه 57 درجه اتفاق افتاده است؟

اسلاید 13: 13حل:اين مقدار برابر تنش برشي اعمال شده در صفحه گسيختگي است. لذا گسيختگي اتفاق مي افتد حداكثر تنش برشي در زاويه 45 درجه نسبت به افق اتفاق مي افتدمقاومت برشي در اين صفحهلذاگسيختگي در اين صفحه اتفاق نمي افتد

اسلاید 14: 14جمع بندي مقاومت برشي Resistance to shear (shear strength)مقاومت خاك از طريق همچسبي cohesion و اصطكاك داخلي ايجاد مي شودخاك هاي رسي اشباع اصطكاك داخلي ندارندوزن بر روي مقاومت خاك رسي تاثير نداردخاك هاي شني چسبندگي ندارند بنابراين مقاومت آنها تنها در اثر اصطكاك داخلي استدر خاك شني تنها وزن باعث افزايش مقاومت مي گردد

اسلاید 15: 15اصطكاك Frictionاصطكاك بين خاك – جسم خارجي (فلز) اصطكاك بين خاك – خاك ` هنگام حركت نسبي بين توده هاي خاك‌. پس از گسيختگي در جعبه تست بدست مي ايداصطكاك داخلي Tan() موقعي عمل مي كند كه گسيختگي در اثر اعمال نيروي برشي اتفاق افتدF=N` or =tan(F/N)NF

اسلاید 16: 16چسبندگيهمچسبي Cohesion دگر چسبي Adhesion نيروي جذبي بين دو جسم ناهمساندر خاك در اثر لايه نازك رطوبت ايجاد مي شودنيروي جذبي بستگي به كشش سطحي اب دارددر كاربرد هاي مكانيك نمي توان چسبندگي و اصطكاك را از هم منفك كرداثر توام اين دو اصطكاك ظاهري ناميده مي شود.

اسلاید 17: 17اثر رطوبت بر اصطكاك ظاهريدر رطوبت كم نيروي اصطكاك فقط در اثر لغزشبا افزايش رطوبت اصطكاك بدليل افزايش چسبندگي زياد مي شود (اثر توام لغزش و چسبندگي)افزايش بيش از حد رطوبت باعث روانكاري بين ذرات شده اصطكاك كم مي شود

اسلاید 18: 18بررسي مكانيك ابزار خاكورزيمطالعات تجربي از طريق اندازه گيري مستقيم نيروي مورد نيازمطالعات نظري از طريق ارائه مدل هاي رياضيمدل Soehne ‌براي يك ابزار ساده براي مطالعه تقابل بين خاك و ابزار در حين حركت در داخل خاك براي برآورد نيروي كششي مورد نياز

اسلاید 19: 19فرضيات مدلعوامل تاثير گذار:اصطكاك بين خاك – فلزنيروي برشي در گسيختگيشتاب توده هاي خاك مقاومت برشي تيغه براي برش كف‍Cutting Resistanceجسم بدون شتاب حركت مي كند (تعادل استاتيكي)

اسلاید 20: 20تصوير جسم آزاد سيستم

اسلاید 21: 21معادله تعادل استاتيكي نيرو ها در امتداد افقي براي تيغه

اسلاید 22: 22معادله تعادل استاتيكي نيرو ها در امتداد عمودي براي توده خاك

اسلاید 23: 23معادله تعادل استاتيكي نيرو ها در امتداد افقي براي توده خاك

اسلاید 24: 24اگر Z را به صورت زير در نظر بگيريماين معادله رابطه بين نيرو هاي عمل كننده بر سيستم متشكل از خاك – ابزار رانشان مي دهد محاسبه وزن توده خاك (W)L2=d* tan (m)

اسلاید 25: 25محاسبه سطح صفحه برش خاکمحاسبه نیروی ناشی از شتاب توده خاکمحاسبه جرم خاک شتاب گرفته توسط تیغه

اسلاید 26: 26محاسبه شتاب (dv/dt)بر اساس شكل 5.41 :Vs : سرعت مطلق توده خاكVe سرعت نسبي بين توده خاك و تيغهV0 سرعت حركت تيغهاين سه بردار تشكيل يك مثلث بسته را مي دهند.

اسلاید 27: 27از روي زاويه اصطكاك داخلي مي توان ضريب اصطكاك خاك را محاسبه نمود از روی دایره موهر

اسلاید 28: 28رابطه بين سرعت و مقاومت برشي خاك ( نيروي كششي مورد نياز)

اسلاید 29: 29اثر مقاومت خاك بر عملكرد تراكتورنيروي كشش مالبندي(KN)% لغزش20%7.8222WD, no ballast4WD, with ballast

اسلاید 30: 30شكل پذيري در خاكهاخاك هاي شكل پذير Plastic Soilsدر محدوده خاصي از رطوبت به هر شكلي در مي ايندپس از خشك شدن شكل خود را حفظ مي كنندمثل خاك رسي، رسي شنيخاك هاي شكل ناپذيرNon Plastic Soils در هيچ رطوبتي شكل خاصي به خود نمي گيردخاك شني

اسلاید 31: 31مراحل خشك شدن خاك هاي شكل پذيربروز چسبندگي (همچسبي و دگرچسبي) دررطوبت زيادباعث از بين رفتن ساختمان خاك در اثر شخمشكل پذيري (به هر شكل دلخواه)هنوز نامناسب براي شخمترد (Friable)‌بدليل شكننده بودن به اساني خرد مي شودبهترين زمان براي شخم (اصطلاحاً گاو رو)سخت شدن (ايجاد كلوخه در اثر شخم)هرخاكي در يك رطوبت معين به حالت تردي مي رسد!!

اسلاید 32: 32خميرايي خاك ها Soil Plasticity constantحدود خميرايي Plasticity Limitsحد بالاي خميرايي Upper Plastic Limits درصد رطوبتي كه خاك بسختي جريان مي يابدبه صورت مايع غليظ Viscous Liquid حد پايين خميرايي Lower Plastic Limitمرحله شروع شكل پذيريبه عبارتي حداكثر رطوبتي كه خاك به صورت ترد باقي مي ماندرقم خميرايي Plastic Number تفاوت بين دو حد خميراييبيانگر مقدار كلوئيد خاك استهر چه مقدار كلوئيد بيشتر باشد (رسي) حد پايين افزايش يافته رقم خميرايي كم مي شود

اسلاید 33: 33رابطه بين مقاومت شكستگي خاك و رقم خميرايي و رطوبترابطه NicholsFs : مقاومت شكستگي خاك psi M : درصد رطوبت خاكPl : حد پايين خميراييPn : رقم خميراييPc : فشار وارد بر خاك psiبا افزايش رطوبت مقاومت خاك افزايش مي يابد تا برسد به حد پايين خميرايي كه پس از ان كاهش مي يابداين رابطه تا رطوبت حد پايين صادق است

اسلاید 34: 34مروري بر كشش در تراكتوركشش ايجاد شده در چرخ يا شني بستگي به مقاومت برشي خاك داردخاك مرطوب بدليل مقاومت كم چرخ ها را دچار لغزش مي كند ( بدليل پتانسل كم كششي خاك)مقاومت در خاك هاي رسي مرطوب به صورت چسبندگي است ( افزايش مقاومت غلتشي)مقاومت در خاك هاي سبك از طريق اصطكاك داخلي فراهم مي شود

اسلاید 35: 35كشش و وزن وارد بر خاكدر خاكهاي شني چون مقاومت در اثر اصطكاك داخلي است افزايش وزن تنها را حل استدر خاك هاي رسي مقاومت در اثر چسبندگي بوده وزن تاثير 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 گرددنيروي كشش مالبندي(KN)% لغزش20%7.8222WD, no ballast4WD, with ballast

اسلاید 36: 36لغزش يا بكسوات Slip جابجايي (تغيير شكل خاك)نيروي كششيمشابه رابطه كرنش – تنش در خاك استدر اثر اعمال نيروي كششي در خاك جابجايي يا تغيير شكل ايجاد مي گرددجابجايي و تغغير شكل خاك باعث كاهش سرعت پيشروي يا لغزش مي شودبيشترين مقاومت خاك در يك حد معين از لغزش حاصل مي شودهنگام كار بايد لغزش كمتر از حداكثر مقدار خود باشد زيراساختمان خاك از بين مي رود

اسلاید 37: 37رابطه بين سرعت و وزن مورد نياز وارد بر چرخافزايش سرعت سبب افزايش مقاومت خاك مي شودوزن مورد نياز كم مي شود

اسلاید 38: 38تعاريف كششTractionCoefficient of traction (P/ W)Tractive Efficiency = D.B. Power/Axle PowerRolling Resistance=axle power – D.B. Power

اسلاید 39: 39روش هاي اندازه گيري لغزشروش مسافت ثابتروش دور ثابت

اسلاید 40: 40عوامل موثر بر لغزشخصوصيات خاكبافت خاكرطوبت خاكسطح خاك (بقاياي گياهي)خصوصيات چرخسطح تماس (قطر و اندازه)فشار بادوزنانتقال وزنعاجزاويهفاصله ارتفاع

اسلاید 41: 41تخمین تجربی لغزش مشاهده اثر بجا مانده از چرخ

اسلاید 42: 42لغزش، بازده كششي، مقاومت غلت% SlipTravtive Eff.1015High ®High (S)

اسلاید 43: 43وسايل كمك كششي Traction AidsBallastDual wheelsCage wheelsStrake (طوقه) Tire Trackقابل نصب روی چرخ هاسادگی نصبمقاومت کم در مقابل سنگدوران مشکل تراکتور

اسلاید 44: 44

اسلاید 45: 45خسارت وارد بر زمین در اثر ترددفشردگی Compaction وزن مخصوص خشک خاک حدود 65/2 معیار فشردگی وزن مخصوص ظاهريدرصد خلل و فرجمقاومت نفوذ Penetration Resistance با استفاده از نفوذ سنج Penetrometer

اسلاید 46: 46فشردگی تکراری Repeated Compactionحداکثر فشردگی در اولین ترددچهار چرخ کردن تراکتور تاثیر زیادی بر فشردگی نداردبیشترین تاثیر فشردگی در اثر رطوبت است2 تا 3 % تغییر در رطوبت خسارت جبران ناپذیرخاک خشک فشرده نمی شوددر رطوبت های بالا چون خلل و فرج از اب پر است و اب غیر قابل تراکم است فشردگی کم می شودتعداد تردددانسیته

اسلاید 47: 47اثر رطوبت بر فشردگی% رطوبت51015دانسیته1.421.61.8بیشترین فشردگی کمی پایین تر از حد پایین خمیراییخاکهایی که حد پایین خمیرایی پایین تر از ظرفیت مزرعه است خاک نامناسبخاکهایی که حد پایین خمیرایی بالاتر از ظرفیت مزرعه است خاک مناسبحد پایین خمیراییجاده سازیخاک متوسط کشاورزی

اسلاید 48: 48عوارض فشردگیکاهش ریشه دوانیکاهش زهکشی داخلی خاککاهش تهویه خاکنیاز به توان بیشتر برای عملیات خاکورزی

اسلاید 49: 49خلاصه بحث فشردگیاگر چه عواملی مثل نزولات جوی و تردد انسان و دام موثر است ولی بیشترین فشردگی مربوط به تردد ماشین استدرکشت مکانیزه چون ماشین الات بزرگتر هستند اثر سوء بیشتر دارندبدترین فشردگی با رطوبت قبل از FC است چون خلل و فرج اب و هوا وجود داشته روانکاری ذرات راحت تر انجام می گیردقوانین جاده ای حداکثر بار اکسل را 9 تن در نظر می گیرد حال انکه در کشاورزی بارها به مراتب بیشتر هستندکمباین پر تا 15 تنکودکار های دامی بزرگ 17 تن

اسلاید 50: 50روش های کاهش خسارت به خاکاز کار بر روی خاک های مرطوب ممانعت شودتردد در حداقل باشدمدیریت تردد در مزرعه (Traffic Farming)وزنه و لغزش تراکتور مناسب انتخاب شودوزنه های اضافی از تراکتور باز شونداز ادواتی استفاده شود که انتقال وزن بیشتر داشته باشنداز وسایل کمک کشش استفاده شودهر جا امکان دارد از سرعت بیشتر و کشش کمتر استفاده شود