Автор:  доцент, д.б.н. А.С.Манучаров

Программа специального курса лекций для студентов 5 курса кафедры физики и мелиорации почв

I. Организационно-методический раздел

Цель курса: дать основы знаний о современных подходах и методах исследования в реологии почв.

Задачи курса включают: определение реологии почв как науки и. знакомство студентов с основными методами и проблемами реологии почв: течения вещества, напряжения и деформации, реологической кинематики и динамики, механической памяти и эффектов реологической нелинейности.

Место курса в профессиональной подготовке студентов. Информация, изложенная в курсе лекций дает представление о том, что реология почв находится на стыке родственных направлений механики, таких как гидроаэродинамика, гидравлика, теория упругости и пластичности. Методы реологии применимы и в почвоведении Реологические исследования позволяют получить деформационные характеристики почв, что очень важно при их мелиорации.

Требования к уровню освоения содержания курса. Студент должен иметь представление о положении науки реологии среди других почвенных дисциплин, об основных реологических характеристиках почв.

II. Содержание курса

1. Предмет науки реологии, история развития и место реологии в ряду других наук. Понятия деформации и напряжения. Виды деформации. Основные законы и константы, характеризующие деформационно-прочностное состояние сред.

Процессы энергопереноса при деформировании. Основные реологические свойства идеальных сред. Реограммы упругости, вязкости, пластичности. Прочность среды. Размерность основных реологических констант. Поведение реальных тел (горных пород) под нагрузкой. Ползучесть (ледников, битуумов), ее отличие от пластической деформации.

3. Понятия реологической кинематики. Тензоры напряжения и деформации. Разложение тензоров. Уравнения поведения под нагрузкой некоторых реологически простых тел: паскалевской жидкости и эвклидова тела, ньютоновской жидкости и максвеловской жидкостей, кельвинова и бингамова тел.

4. Понятие релаксации напряжения. Период релаксации как показатель наличия пространственной структуры в исследуемой среде. Упругое последействие и вязкое затухание движения частиц среды. Вязкопластические среды. Предел текучести и пластическая вязкость. Кажущаяся или эффективная вязкость. Псевдопластичность глин. Структурная вязкость.

5. Реологические уравнения нелинейных обобщенных сред. Константа структурной устойчивости неньютоновских жидкостей (коллоидных систем). Упруговязкость высокомолекулярных веществ.

6. Время запаздывания упругой деформации в твердом теле. Период релаксации напряжения в жидкости. Реологические модели сложных тел (битуумов, водонасыщенного и сухого суглинка).

7. Упругие несовершенства сред. Свойства наследственности и внутреннее трения материала. Природа и механизмы явлений неупругости. Реологические кривые как средство графического представления сложных сред под нагрузкой. Расчеты количественных показателей в реологии (предельного напряжения сдвига, пределов прочности, модулей упругости, вязкости). Уравнение сохранения энергии в реологии.

8. Механическая память реальных тел. Эффекты реологической нелинейности. Разжижающиеся при деформации жидкости. Тиксотропия. Реопексия. Эффекты нелинейной вязкости. Эффект снижения гидродинамического трения жидкостей. Эффект Томпса и профильное сопротивление твердых частиц в потоке жидкости. Значение указанных эффектов для почвоведения.

9. Состав строение и превращения почвенных минералов как основа проявления деформационно-прочностных свойств почв. Роль в определении прочностных свойств почв минералов класса первичных силикатов, простых солей, глинистых минералов, органического вещества и органо-минеральных комплексов.

10. Структура и взаимодействие воды с почвенными минералами как основа формирования деформационно-прочностных свойств почв. «Аномальные свойства воды и факторы, их вызывающие. Физико-механические свойства тонких пленок воды. Структура прочносвязной воды и качество поверхности почвенных частиц. Влияние состава поглощенных катионов на взаимодействие водных прослоек с поверхностью почвенных частиц. Пленочная рыхлосвязанная вода коагуляционной структуры водонасыщенных глин.

11. Структурные связи почво-грунтов. Природные свободно-дисперсные бесструктурные системы. Структурированные системы в природе. Коагуляционные процессы в почвах и состав почвенного поглощенного комплекса. Влияние кристаллизационных процессов на образование структурированных систем в почвах. Старение структурированных природных систем. Факторы, влияющие на синерезис почво-грунтов. Стабилизационные, коагуляционные, пластификационно-коагуляционные, смешанные коагуляционно-цементационные и чисто цементационные связи в почвах.

12. Консистенция почвы и ее деформационно-прочностные свойства. Консистенция почвы и ее влажность. Значение консистенции почвы в с/х практике. Спелость почвы и ее обработка. Факторы, влияющие на физическую спелость почвы. Сцепление глинистых частиц и прочность почв. Восстанавливающиеся и остаточные деформации в почвах (структурные, структурно-адсорбционные и упругие). Псевдопластические деформации почв. Релаксация напряжений в почве. Напряженное состояние почвенных частиц и пористость почв. Показатель подвижности почв. Зона структурных деформаций в почвах.

13. Липкость почвы, ее значение при с/х обработке. Физическая природа липкости. Факторы, влияющие на липкость почвы. Трение скольжения «почва-сталь». Коэффициент трения для разных почв. Удельное давление почвы на рабочей поверхности с/х машин и залипание плугов. Сопротивление почвы сдвигу. Оценочная шкала крошения и распыления почвы. Удельное сопротивление почв при пахоте. Работы академика Б. П. Горячкина и их развитие современными авторами. Абразивные свойства почв.

14. Оптимальная для различных с/х культур и равновесная плотность почв. Факторы, влияющие на деформационно-прочностные свойства почв. Влияние ходовых систем с/х машин на водно-воздушный режим почв. Оценка динамики плотности почв. Меры борьбы с переуплотнением почвы. Влияние отрицательной динамики деформационно-прочностных свойств почвы на урожай с/х культур. Меры по снижению удельного давления с/х машин на почву.

III. Распределение часов по темам

Всего 18 лекций. Каждая лекция отдается студенту на дом. В течение 18 часов в семестре студенты в присутствии преподавателя отвечают на вопросы, составленные по каждой лекции. Сводные контрольные вопросы по нескольким лекциям (лекции 1-6; 7-12;13-15) студенты получают от преподавателя и работают над ними самостоятельно. Ответы приносят преподавателю. Сводные контрольные вопросы по заключительным лекциям 16-18 студенты составляют самостоятельно и приносят преподавателю.

IV. Форма итогового контроля – зачет

V. Учебно-методическое обеспечение курса

Основная литература

  1. Воронин А.Д. Основы физики почв. М. Изд-во Московск. Университета. 1986. 243 с.
  2. Манучаров А.С. Основы реологии в почвоведении. М. Изд-во Московск. уеиверситета. 1983. 90 с.
  3. Манучаров А.С., Абрукова В.В., Черноморченко Н.И. Методы и основыреологии в почвоведении. М. Изд-во Московск. университета. 1990. 98 с.

Дополнительная литература

  1. Буданцев К.Л. Прикладное почвоведение. Гидрофизика почвенной влаги. Уч. Пособие С.-Петербург. гос. Техн. Университет. 2000. 75 с.
  2. Гамаюнов Н.И. Термрвлагопроводность в набухающих почвах. Почвоведение. 1996. №11. С. 1330-1336/
  3. Горькова И.М. Физики-химические исследования дисперсных осадочных пород в строительных целях. М. Стройиздат. 1975. 149.
  4. Григорьев В.Я., Флесс А.Д. Методика расчета сил сцепления почв при оценке их противоэрозионной стойкости и ее обоснование. Вестник Московск. университета. Сер. 17. 1993. №4. С. 52-57.
  5. Гумматов И.Г., Пачепский Я.А. Современные представления о структуре почв и структурообразованиию Пущино. Пущинский научню центр АН СССР. 1991. 33 с.
  6. Золотаревская Д.И. Математическое моделирование вязкоупругих свойств почв и его использование при решении проблемы снижения уплотняющего воздействия тракторов на землю. Докл. ТСХА / Моск. с-х. акад. им. К.А.Тимирязева. 1997. В. 268. С. 185-189.
  7. Полубесова Т.А., Ширшова Л.Т., Лефевр М., Романенков В.А. Влияние процессов промораживания-прогревания на химические свойства поверхностей почв и глин. Почвоведение. 1994. №7. С. 72-78.
  8. Солдатова Е.Ф. О слитизации глинистых почв сухостепной зоны на древних красноцветных и пестроцветных корах выветривания. Почвоведение. 1994. № 1. С. 24-34.
  9. Шаманина Л.В. Реологические свойства суспензий минеральныхудобрений, стабилизированных торфом. Торф. Пром-сть. 1991 Т.5. С. 345-38.
  10. Бондарев А.Г. Проблема деградации физических свойств почв России и пути ее решения. Почвоведение. 1999. №9. С. 1126-1131.
  11. Кузнецова И.В. Устойчивость структурного состояния и сложения почв при уплотнении. Почвоведение. 2000. №9. С. 1106-1113.
  12. Маммаев З.М. Техногенное уплотнение и технологии оструктуривания почв. Мелиорация и вод. хоз-во. 2001. №3. С. 33-35.

Рецензент: профессор, д.б.н., Е. В.Шеин