Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně Lesnická a dřevařská fakulta
Těžebně dopravní stroje a jejich vliv na půdu – srovnání penetrometru a deflektometru pro měření únosnosti půdy Bakalářská práce
2008/2009
Pavel Novotný
Zadávací list
1
Prohlášení: Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma: Těžebně dopravní stroje a jejich vliv na půdu – srovnání penetrometru a deflektometru pro měření únosnosti půdy zpracoval sám a uvedl jsem všechny použité prameny. Souhlasím, aby moje diplomová práce byla zveřejněna v souladu s § 47b Zákona č. 111/1998 Sb., o vysokých školách a uložena v knihovně Mendelovy zemědělské a lesnické univerzity v Brně, zpřístupněna ke studijním účelům ve shodě s Vyhláškou rektora MZLU o archivaci elektronické podoby závěrečných prací.
Autor kvalifikační práce se dále zavazuje, že před sepsáním licenční smlouvy o využití autorských práv díla s jinou osobou (subjektem) si vyžádá písemné stanovisko univerzity o tom, že předmětná licenční smlouva není v rozporu s oprávněnými zájmy univerzity a zavazuje se uhradit případný příspěvek na úhradu nákladů spojených se vznikem díla dle řádné kalkulace.
V Brně, dne 15. 6. 2009 : ……………………………. 2
Děkuji všem, kteří mi pomohli se zpracováním této bakalářské práce. Zvláště pak vedoucímu mé bakalářské práce, panu Ing. Radomíru Klvačovi, Ph.D. za odborné vedení, připomínky a čas, který mi věnoval. Dále pak Ústavu lesnické a dřevařské techniky za vypůjčení přístrojů penetrometru a deflektometru. 3
Novotný Pavel
Těžebně dopravní stroje a jejich vliv na půdu – srovnání penetrometru a deflektometru pro měření únosnosti půdy.
Abstrakt: V dnešní době je používání těžkých těžebně dopravních strojů v lesním hospodářství nezastupitelné. Pojezdem však vzniká tlak na půdu a následné poškození kořenového systému, tvorbě erozních rýh, hutnění půdy a k dalších negativním dopadům. Hlavním cílem této práce je provést základní měření v porostu penetrometrem a deflektometrem a porovnat výsledky. A dále uvážit použitelnost do lesnické praxe. Z výsledků je patrné, že oba přístroje lze použít pro plánovaní pohybu těžebně dopravních strojů po lesním porostu a pomoci tak k minimalizaci škod na lesní půdě .
Klíčová slova: únosnost půdy, penetrometr, deflektometr, penetrace, deflekce
Harvesting and hauling machinery and their influence on the soil – comparison of penetrometer and deflectometer used for soil bearing capacity measurement.
Abstract: Nowadays, the use of heavy harvesting and hauling machinery in forest operation is non-substitutable. The soil is affected by the traffic, subsequently the tree root system is damaged, ruts are occurring, soil is compacted and other negative impact appears. The main aim of the study was to carry out in situ basic measurement and compare the results using both devices i.e. penetrometer and deflectometer, respectively. Secondary aim of the study is to assess the usability of deflectometer in forestry praxis. From the results could be figured out, that both devices are usable for traffic planning and/or transport line spacing inside the stands and could help to minimize forest soil disturbances. Key words: deflection, deflectometer, penetration, penetrometer, soil bearing capacity
4
Obsah: 1. Úvod.............................................................................................................................. 7 2. Cíl práce........................................................................................................................ 8 3. Literární přehled ........................................................................................................... 9 3.1. Základy terramechaniky ........................................................................................ 9 3.1.2. Základní pojmy ............................................................................................... 9 3.1.3. Poznatky terramechaniky............................................................................. 10 3.2. Přírodní a terénní podmínky ................................................................................ 12 3.2.1. Klasifikace .................................................................................................... 12 3.2.2. Sezónnost prací ............................................................................................. 14 3.2.3. Zrnitostní složení půdy ................................................................................. 14 3.2.4. Členění půdního podkladu dle jeho únosnosti.............................................. 14 3.2.5. Škody způsobené pojezdy strojů na půdu..................................................... 15 3.2.6. Ekologické poškození půdy .......................................................................... 18 3.3. Problematika mechanického poškození kořenů rostlin ....................................... 19 3.3.1. Přirozené prostředí kořenů............................................................................ 20 3.3.2. Adaptabilita kořenových systémů................................................................. 20 3.3.3. Nepříznivé vlivy působící na kořenové systémy lesních stromů.................. 21 3.4. Metody hodnocení poškození půd vlivem pojezdu těžebně-dopravních strojů... 21 3.4.1. Metoda „německá“ ....................................................................................... 21 3.4.2. Metoda dle McNabba.................................................................................... 22 3.4.3. Metoda dle McMahona................................................................................. 23 3.4.4. Metoda „finská“............................................................................................ 24 3.4.5. Metoda „švédská“ ......................................................................................... 24 3.5. Statistické penetrační zkoušky............................................................................. 25 3.5.1. Přístroje pro statickou penetraci ................................................................... 25 3.5.2. Metodika statických penetračních zkoušek .................................................. 25 3.5.3. Záznam zkoušky ........................................................................................... 25 3.5.4. Faktory ovlivňující výsledky statických penetračních zkoušek ................... 26 3.5.5. Tvar hrotu ..................................................................................................... 26 3.5.6. Rychlost penetrace........................................................................................ 26 3.6. Dynamické penetrační zkoušky ........................................................................... 26 3.6.1. Metodika dynamických penetračních zkoušek ............................................. 27 3.7. Přenosný deflektometr ......................................................................................... 27 3.7.1. Přístroje pro měření deflekce ........................................................................ 27 3.7.2. Záznam zkoušky ........................................................................................... 27 4. Metodika a materiály .................................................................................................. 29 4.1. Metodika práce se statickým penetrometrem ...................................................... 29 4.1.1. Konstrukce ručního penetrometru Eijkelkamp ............................................. 30 4.2. Metodika práce s přenosným deflektometrem..................................................... 30 4.3. Měření vlhkosti půdy ........................................................................................... 31 4.4. Zpracování naměřených výsledků ....................................................................... 31 5. Popis stanoviště........................................................................................................... 33 5.1. Charakteristika porostu ........................................................................................ 33 5.2. Půdní charakteristiky ........................................................................................... 33 6. Výsledky ..................................................................................................................... 35
5
7. Závěr ........................................................................................................................... 39 8. Summary..................................................................................................................... 40 9. Seznam použité literatury a zdrojů ............................................................................. 41
6
1. Úvod Již od pravěku bylo dřevo využíváno lidskou společností. Jako surovinu ho používali naši předci k udržení ohně, výrobě jednoduchých nástrojů, obydlí, nábytku a i v dnešní technické době najde hojné využití. Na rozdíl od fosilních surovin má dřevo vlastnosti obnovitelného zdroje, od kterého lze v budoucnu očekávat jeho maximální využití, a proto je zapotřebí rozvíjet lesní hospodářství a zachovat nenarušený lesní ekosystém. Z důvodu nízké animální síly došlo k vývoji lesní techniky. Trvalá modernizace techniky umožňuje výrazné zvýšení produktivity i bezpečnosti práce, snížení zdravotních rizik, usnadnění evidence dříví apod. V těžebních zásazích, přibližovacích prácích a obnově lesních porostů vzrůstá rozsah aplikace progresivních těžebních technologií, využívajících mobilní mechanizační prostředky (zejména samojízdné stroje, tahače, traktory a dopravní stroje.). Většina používaných prostředků je opatřena kolovými podvozky. Interakce kolového pracovního stroje s půdním povrchem porostu vyvolává v půdě tlaky. Lze očekávat míru poškození kořenových systémů okolních stromů i při usměrněném pohybu těchto strojů jen po vymezených drahách – transportních linkách. Předpokládá se přímá závislost mezi mírou poškození půdy a kořenů stromů a četností pojezdů strojů po linkách, hmotností, měrným tlakem podvozku, charakterem půdy, počasím a dalšími vlivy. Dobrou organizací a citlivou obsluhou stroje výrazně ovlivníme míru poškození. Vzhledem k rostoucí ceně lidské práce a nízké ceně dřevní hmoty se dá předpokládat prudký nárůst použití těžké mechanizace. Jelikož prognózu pro příští desetiletí technického vývoje lesnických strojů lze jen těžko detailně odhadnout, je třeba uvažovat do budoucna i plochy vyklizovacích linek za možné produkční plochy. V této myšlence se sice názory odborníků liší, ale je však společná snaha snížit škody na půdě a porostu způsobené provozem lesnických technologií na co nejmenší míru. Při hospodaření v lese nelze posuzovat jen dřevní produkci, tedy ekonomickou, ale je důležité zaměřit se na šetrnější způsoby hospodaření. Les má také jiné velmi důležité funkce např. vodohospodářskou, půdoochrannou, rekreační.
7
2. Cíl práce Očekávaným cílem mé bakalářské práce je zpracování literárního přehledu, vysvětlení základních pojmů v souvislosti s únosností lesních půd, navrhnout vhodnou metodiku pro měření penetrometrem a deflektometrem, provést základní měření na vybraném vzorku půdy a toto vyhodnotit. Dále uvážit použitelnost deflektometru v lesnické praxi.
8
3. Literární přehled 3.1. Základy terramechaniky Terramechanika je vědní disciplína, zkoumající jevy způsobené stykem podvozku mobilních strojů se zeminou a jejich související příčiny. Znalost terramechaniky je důležité pochopit pro základní představy o negativním důsledku provozu stroje na půdu. V interakci mobilního stroje a podložky se projevují především tyto jevy: -
tlaky na podložku a jejich šíření
-
odpory při jízdě
-
stlačování půdy
-
vznik stop
-
záběrové vlastnosti podvozku jedoucího stroje
-
pohyblivost jedoucího mechanismu v terénu
Výsledky terramechaniky by měly usnadnit užívání prostředků. Pomoci při řešení situací v různých terénních typech. Velkou roli mají získané znalosti z tohoto oboru v konstrukci podvozku vyráběných strojů.
3.1.2. Základní pojmy
Dosedací plocha (SD) Je ohraničena dotykem pojezdového ústrojí (kolo, pás) s povrchem podložky (půda, cesta). Dosedací plochu u pásů lze jednoduše určit změřením rozměrů, má tvar obdélníku. U kola je to složitější a jsou zde specifikovány další pojmy: - plocha otisku (SO) je definována jako celková kontaktní plocha mezi pneumatikou a podložkou ohraničena obrysovou plochou (obr. 1a) - plocha styku (Sd) je kontaktní plocha vymezena výstupky běhounů pneumatiky, je tedy menší než plocha otisku (obr. 1b). - plnost běhounů (km) je poměr plochy styku s plochou otisku u terénních pneumatik na pevné podložce se pohybuje od 0,3 po 0,6
9
Obr. č. 1: Dosedací plocha, a-plocha otisku SO, b-plocha styku Sd
Měrný tlak (p) Je tlak, který působí v dosedací ploše pneumatik a je přenášen kolmo na podložku. Nejnižší hodnotu má na okraji dosedací plochy a nejvyšší se nachází přibližně v ose kola, ale při pohybu se posouvá ve směru jízdy.
Střední měrný tlak (ps) Je průměrná hodnota měrného tlaku.
3.1.3. Poznatky terramechaniky Většina mechanizace používaná v lesnictví má vysoký vzorek dezénu pneumatik, o který se opírá na tvrdém podloží. Uvádí se, že měrný tlak pod těmito lištami je 3krát až 4krát větší než měrný tlak k ploše otisku. Je potřeba si uvědomit, že měrný tlak se sníží až po zaboření dezénu, kdy se půda dostane až na plochy mezi vystouplé lišty. Z toho vyplývá, že stlačení půdy po jednom pojezdu stroje není zcela stejné po celé šířce stopy. Traktorová pneumatika může mít výšku dezénu až 10 cm, což představuje velké riziko pro mělce kořenící rostliny (zejména smrk). Zvýšený tlak pod danými výstupky pneumatiky, představuje pro kořeny rostlin poškození. Snížit tlak můžeme dvěma způsoby. Snížením hmotnosti stroje nebo zvětšením dosedací plochy. Velikost dosedací plochy závisí zejména na: - konstrukci pneumatiky (tuhá diagonální a měkčí radiální) -
profilu dezénu
-
tlaku huštění (nižší tlak v pneumatikách znamená větší dosedací plochu)
- mechanických vlastnostech podložky (na měkké půdě je dosedací plocha větší než na tvrdé cestě) 10
Měrný tlak je rozdílný u stojícího kola, pohybujícího se po tvrdé podložce a i u kola pohybujícího se po měkkém povrchu. U stojícího kola je dosedací plocha přibližně ve tvaru elipsy a měrný tlak je symetrický od středu k okraji. U pohybujícího se kola na tvrdé podložce se maximální měrný tlak posouvá po směru jízdy. Při pohybu v měkké podložce vzniká ještě větší asymetrie. U stojícího kola vzniká statický tlak na rozdíl od kola v pohybu, kde se jedná o dynamický tlak. V méně únosném a neúnosném podloží dochází v dosedací ploše k plastickým deformacím zeminy, které vedou k vytváření stopy (kolejí). Hloubka vytlačené koleje má vliv na jízdní vlastnosti, porušení povrchu a kořenového systému. Zemina potřebuje na svou deformaci určitý čas. Z toho lze usuzovat, že při vyšší rychlosti vytváří kolo menší deformaci. Zatížení kola přenáší především stlačený vzduch v pneumatikách a jen malou část přenese kostra pláště. Ideálním stav by byl, kdyby stlačený vzduch byl stejný jako tlak na
podložku.
Dnešní
pneumatiky
však
nejsou
vyráběny
z dostatečně
pružného materiálu, a proto je měrný tlak v běžných podmínkách 1,5krát až 2krát větší než huštění pneumatik. Dnešní používané stroje mají měrný tlak v pneumatikách zpravidla více než 100 – 280 kPa. Ideální hodnota měrného tlaku v dosedací ploše by měla být 50 – 80 kPa, (Neruda a Simanov 2006). Pro představu jsou shrnuty orientační hodnoty měrného tlaku na půdu a únosnosti půd v tabulce č. 1 a 2. Uvedené hodnoty jsou v kPa.
Zdroj měrného tlaku
Měrný tlak
lidská noha
50
kopyto koně
140
standardní pneu traktoru
100 – 400
nízkotlaké pneu traktoru
70 – 300
pásový traktor
30 – 100
Tab. č. 1: Orientační hodnoty měrného tlaku na půdu.
11
Druh půdy
Únosnost podložky
Bažina
20
suchý písek
200
vlhký písek
400
štěrková půda
500
vlhký jíl
100
suchý jíl
400
skalnatý podklad
2500
uježděný sníh
900
Tab. č. 2: Orientační hodnoty únosnosti půd. (Neruda a Simanov 2006)
3.2. Přírodní a terénní podmínky 3.2.1. Klasifikace Pro klasifikaci terénních podmínek je sestavena tabulka tzv. terénních typů, která je užívaná od roku 1980.
Sklon terénu (%)
únosné terény
neúnosné terény
terény s překážkami
typ
Skupina
typ
skupina
typ
skupina
A
21
D
31
E
1
do 8 %
11
2
9 – 15 %
12
22
32
3
16 – 25 %
13
23
33
4
26 – 40 %
14
B
24
34
5
nad 40 %
15
C
25
35
Tab. č. 3: Klasifikace Lesprojektu.
Považovaná hranice mezi únosným a neúnosným terénem je 50 kPa. Za terénní překážky se považují různé nerovnosti terénu, balvany, prohlubně atd. Výška překážek nebo hloubka je více než 0,5 m a jejich vzdálenost je do 5 m. Terénní skupina A je pro kolové prostředky nejlépe zvládnutelná. V ostatních skupinách je nasazení strojů obtížnější, a proto vyžadují dobrou technologickou přípravu stanoviště. Jedná se zejména o časové nasazení v ročním období, příprava stanoviště a případná úprava stroje. 12
Novější klasifikace navrhl Simanov, Macků a Popelka 1997. Vychází z klasifikace Lesprojektu. Byly změněny stupně sklonu do 10 %, 11 % - 33 %, 34 % 50 %, 51 % - 70 % a nad 70 % V tabulce je ke každému sklonu, únosnosti a nerovnosti terénu přiřazený technologický typ, který určuje vhodnost použití přibližovacího prostředku nebo jejich kombinací (Dvořák a Malík 2007) Překážky3)
Sklon svahu Podloží (%)
únosné 1)
neúnosné podmíněně2)
Trvale nerovnosti terénu 4)
5)
4)
do 10
11
12
13
15
16
11 – 20
21
22
23
25
26
21 – 33
31
32
33
35
36
42
43
45
46
39 34 – 50
41 49
51 – 70
59
Nad 71
69
Tab. č. 4: Terénní klasifikace. (Macků – Popelka – Simanov) 1)
únosné podloží je charakterizováno odoláváním statickému měrnému tlaku ≥ 200kPa
ve stopě (hloubka koleje do 5 cm jednorázového pojezdu LKT 80) 2)
podmíněná únosnost je charakterizována hodnotami 50 – 200 kPa v závislosti na
změně podmínek (vlhkosti) 3)
překážkami jsou nerovnosti ≥ 0,5 m a užší než trojnásobek hloubky při jejich
vzájemnému rozestupu 4)
překážky ≤ 0,3 m nebo ≥ 0,3 m s rozestupem ≥ 5m
5)
překážky ≤ 0,5 m nebo ≥ 0,5 m s rozestupem ≥ 5 m
13
3.2.2. Sezónnost prací V dřívějších dobách byla těžba lesa prováděna výhradně v zimním období. Pro stoupající potřeby společnosti se plynule přecházelo na celoroční těžbu. Je všeobecně známo, že půda je nejvíce únosná v teplém období (sucho) a v zimním období (sněhová pokrývka, zmrzlá půda) než v jarním a podzimním čase, kdy je nejvíce rozmoklá a stává se méně únosnou. Na stanovištích ovlivněných vodou je možné škody na půdě eliminovat provedením těžebního zásahu za silných mrazů. Bylo prokázáno, že v letním období jsou výrazně vyšší škody na stávajícím porostu, protože přilnavost kůry je menší než v zimním období (Malík a Dvořák 2007).
3.2.3. Zrnitostní složení půdy Půda se
podle Hanáka (1995) skládá z různých zrnitostních frakcí, jejichž
poměr závisí na konkrétních podmínkách (Tabulka č. 5). Právě druh půdy je v úzké souvislosti s pórovitostí a objem pórů výrazně ovlivňuje stlačitelnost zeminy. Půdy s malou pórovitostí vykazují malou deformaci.
Druh zeminy
Pórovitost (%)
Písek
25 – 36
Hlína
34 – 40
Jílovitá zemina
40 – 48
Jíl
46 – 50
Tab. č. 5: Pórovitost různých druhů zemin. (Hanák, 1995)
3.2.4. Členění půdního podkladu dle jeho únosnosti Rónaye (1989) uvádí: členění půdního podkladu dle jeho únosnosti: a) rašelina, slatina, trvale zamokřená půda = 20 – 50 kPa b) flyše, jílovité půdy, jílovitopísčité půdy, sezónně zamokřené c) hlinitopísčité půdy, štěrkovité půdy = 100 kPa za mokra, 400 kPa za sucha d) nenamrzavé půdy s převahou kameniva = 350 – 600 kPa e) vysokohorské půdy, balvanité půdy = 1,0 – 2,5 MPa. (Dvořák a Malík 2007)
14
3.2.5. Škody způsobené pojezdy strojů na půdu V těžebních zásazích ve všech věkových stádiích lesních porostů i při jejich obnově vzrůstá rozsah aplikace progresivních těžebních technologií, využívajících mobilní mechanizační prostředky (zejména těžební stroje, vyvážecí traktory, baličky klestu, frézy atd.), které oproti dosavadním technologiím umožňují výrazné zvýšení produktivity i bezpečnosti práce, snížení zdravotních rizik, usnadnění evidence dříví, apod. Většina používaných prostředků je opatřena kolovými podvozky. Při těžebních a dopravních pracích kolového pracovního stroje jsou vyvolány v půdě tlaky. Výše deformace lesní půdy je závislá zejména na úrovni huštění pneumatik, jejich tuhosti a na adhezním zatížení trakčního ústrojí. Při působení strojů dochází k nepříznivým strukturálním změnám na lesních půdách, které podle výsledků řešeného výzkumu mohou zapříčinit ztráty na lesní produkci o 17 i více procent. Lze očekávat míru poškození kořenových systému okolních stromů i při usměrněném pohybu těchto strojů jen po vymezených drahách – transportních linkách. Předpokládá se přímá závislost mezi mírou poškození půdy a kořenů stromů a četností pojezdů strojů po linkách, hmotností, měrným tlakem podvozku, charakterem půdy, počasím a dalšími vlivy (McMahon 1995). Pro zajištění jak kontinuity produkce dřeva, tak i ostatních funkcí lesa, je třeba zpracovávat dlouhodobé lesnické provozní plány (uvažuje se o období nejméně 10 let) k nasazení lesnické techniky. Především pro stroje na soustřeďování dříví, by měly být zpracovány v souladu s ekologickými požadavky lesa. Při nasazení těžební techniky je třeba přihlížet na: 1. ochranu půdy (stlačení půdy koly strojů) 2. ochranu stojícího porostu (stabilita porostu po zřízení přibližovacích či vyklizovacích linek) 3. velikost poškození stojících stromů při pracovním procesu, tj. zpracování dřeva 4. ergonomické zatížení řidičů těchto strojů. Jelikož prognóza pro příští desetiletí technického vývoje lesnických strojů lze jen těžko detailně odhadnout, je třeba zvažovat za možné budoucí produkční plochy i plochy vyklizovacích linek. V této myšlence se sice názory odborníků liší, ale je však společná snaha snížit škody na půdě a porostu způsobené provozem lesnických technologií na co nejmenší míru. (Neruda a Valenta 2004)
15
Interakce mezi strojem a půdou, zvláště u jemnozrnných půd, byla zkoumána již před 20 lety. Nové výzkumy řešené speciálně u lesních půd se tradují od roku 1989, a získané poznatky jsou všeobecně známy (Hildebrandt 1989, Löffler 1989, Hoffmann 1989, Becker 1993 atd.). K porozumění další části je nutné faktory, které vedou k poškození půdy, krátce zopakovat. Faktory působící při pojíždění kola po půdě, i faktory ovlivňující její reakci. Při nasazení těžké lesní techniky nastává riziko poškození půdy hlavně na zamokřených a jílovitých půdách, kde pojezdem strojů dochází k porušení struktury půdy stlačením velkých pórů. Zmenšení pórů působí nepříznivě na celkovou strukturu půdy, na výměnu plynu a pohyb vody jak v horizontálním, tak i vertikálním
směru.
Na
svazích
předurčuje
porušenost
struktury
půdy
k nekontrolovatelné erozi. Na půdu stroj působí svojí hmotností, tj. statickým tlakem, ale také dynamickými účinky (rázy), které mohou být daleko nebezpečnější pro poškození půdy. Při pohybu těžebních strojů v neúnosném terénu dochází vlivem tlaků v dosedací ploše k plastickým deformacím zeminy, tedy i k vytváření stopy (koleje). Hloubka této stopy má jednak vliv na jízdní vlastnosti, a jednak na negativní vznik transportní půdní eroze. Těžebně dopravní eroze je odvislá od šíře pneumatik, jejich huštění, vlhkostních parametrů ovlivňujících fyzikálně mechanické vlastnosti podloží, dynamického poloměru kol trakčního ústrojí a způsobu uchycení břemene. Kromě zaboření trakčního ústrojí, případně vlečeného, či taženého břemene způsobuje těžebně dopravní erozi též prokluz hnacích kol. Každé zatížení interakcí – pracovní stroj – energetický měnič – půdní povrch porostu či těžebních a dopravních pracích vyvolává tlaky, které jsou závislé na tlaku v pneumatikách a adhezním zatížení trakčního ústrojí. Tlak pneumatiky se přenáší na půdní povrch lesního porostu ve stykové ploše. Podle velikosti tlaku v pneumatice, adhezního zatížení a stavu půdního povrchu, vyvíjené tečné síly vzniklé interakcí přenášeného kroutícího momentu, se vtlačuje pneumatika různě hluboko do půdního povrchu porostu. Vtlačením pneumatik do půdního povrchu dochází k vzniku erozivních rýh, jejich hloubka a šířka je závislá na typu pneumatik, jejich zatížení, stavu povrchu, půdní vlhkosti a počtu průjezdů. Hodnoty parametrů těchto závislostí se mohou registrovat a uplatnit při zpracování kritérií posuzování důsledků přejíždění různých mechanizačních prostředků, převážně však vyvážecích traktorů, které vyvozují největší zatížení jak vlastním strojem, tak i nákladem, což představuje asi 10 – 15 tun. 16
Uvedený vliv představuje, kromě jiného, dva okruhy problémů, které je mj. vzhledem k použitelné měřicí technice třeba posuzovat odděleně: • pojezd těžkých lesních strojů (traktory s nákladem v polozávěsu, harvestory a vyvážecí traktory zatížené výřezy dřeva) způsobuje přímé poškození kořenů; je to jednak poškození silných kořenových partií, které je makroskopicky sledovatelné zejména u mělce kořenících druhů, jednak poškození absorpčních zón na nejtenčích kořenových částech. • Sekundární vliv strojů, které půdu dočasně nebo trvale stlačují, což může vést např. ke změnám absorpční schopnosti půdy pro vodu, změnám prostupnosti půdy pro vzduch, změnám prostupnosti půdy pro kořeny, a dalším změnám. Na půdách hlinitých, bezskeletnatých, případně těžších, dochází jednak ke zvyšování hodnoty objemové hmotnosti půdy, jednak ke snižování pórovitosti půdy. Tyto změny mají negativní účinky na charakter lesního stanoviště (vlhkost půdy, snížení obsahu kyslíku v půdě). Lze doložit přímou závislost mezi pojížděním mechanizačního prostředku na jednom místě (po vyklizovací lince), charakterem půdy a počasím. Parametry těchto závislostí se mohou zaregistrovat a uplatnit při zpracování kritérií při přejíždění různých mechanizačních prostředků. Na půdách skeletnatých, případně na svazích, může docházet k narušení kompaktnosti půdního povrchu vytvořením souvislých nebo přerušovaných rýh, neúměrně zvyšujících erozi půdy. Registrací hloubky, tvaru a kontinuity vytvořených rýh se stanoví míra narušení kompaktnosti půdního povrchu a na základě toho bude možno usměrnit pohyb strojů po svahu. Tlak trakčního ústrojí na konstantním podloží bude měřen při různém poloměru a šířce pneumatik, případně při použití kolopásu na zdvojených nápravách. Obecně vykazuje půdní prostředí pomalejší změny a mírnější gradienty, než prostředí atmosférické, přičemž rostlina reaguje jako celek. Při mechanickém účinku větru na nadzemní systém se v krátkých časech přenášejí změny tlaku a tahu na kořeny zejména kotevní. Koncové a jemné kořeny, u kterých převažuje funkce absorpční, bývají přirozeně vystaveny rychlým změnám v půdním chemizmu (pH, obsah O2, např. při náhlých vydatných dešťových srážkách) a také okamžitým změnám své integrity v důsledku poranění (činnost půdních organizmů apod., Kolek, Kozinka 1988). V prostředí lesa lze při pojezdu strojů předpokládat pro jemné kořeny náhlé, nárazové zvýšení tlaku až způsobení poranění. V delším časovém horizontu se může pojezd strojů 17
promítnout do snížené dostupnosti volně pohyblivých látek (jako O2, CO2, vody a některých živin) v rhizosféře. Pro minimalizaci škod platí: -
poloměry předního a zadního kola trakčního ústrojí volit co největší
-
šířky pneumatik na předním kole i zadním kole volit co největší
-
tlaky v pneumatikách s ohledem na jejich konstrukci a počet pláten volit co nejnižší
-
těžební stroje provozovat v porostech při minimálních vlhkostech
(Neruda a Valenta 2004)
3.2.6. Ekologické poškození půdy Kořenový prostor pod středoevropskými smrkovými porosty je jen několik cm vysoký (8-20 cm). Zde dochází k výměně iontů, pohybu vody a k výměně plynů s atmosférou. Biogenním propojením systémů pórů mají kořeny kontakt k vodě, zásobě iontů v pevných částečkách půdy a ke vzduchu. Deformací půdy pojížděním je ovlivněno hlavně provzdušnění půdy. Povrchové změny struktury půdy mohou značně ovlivnit provzdušnění půdy a tím i růst a rozmístění kořenů. Jestliže výměna plynů je deformací půdy porušena, zvyšuje se vzdušný obsah CO2 v půdě a tento se vyrovnává s atmosférickým vzduchem. V tomto případě nedochází k poruše biologické aktivity. V případě, že výměna plynů je značně omezená, dochází ke špatnému odstranění, či vyrovnávání CO2 (Wilpert 1998). Tím je ovlivněna aktivita půdních organizmů, daná strukturou půdy a její vlhkostí, jakož i příjem energeticky důležitých živin pro kořenový systém. Biologická aktivita je narušena, k jejímu posouzení se používá respiračních půdních přístrojů a přístrojů měřících infiltraci vody. Změna struktury půdy v přirozených podmínkách, tj. její regenerace, trvá velmi dlouho, v průměru se udává 10 – 15 let i více. Poruchy půdní aktivity lze těžko v praxi měřit a určit. Proto se používá pomocných veličin, např. zvýšení hmotnosti půdy, zjištění vlhkosti půdy, zjištění objemu pórů, infiltrace vody, respirace vzduchu, a další fyzikální veličiny, udávající charakter půdy. K těmto veličinám se řadí i technické údaje použitého stroje. Např. Matthies et al (1998) použil statický tlak stroje 50 kPa v dotykové ploše kola s půdou jako výchozí parametr pro poškození půdní struktury. Dovolená hmota specifického tlaku na půdu 50 kPa platí pouze pro aktuální obsah vody v půdě, který leží ve středním rozsahu Attenbergových mezí tekutostí a plasticity půdy.
18
Tato hodnota je zatím u širokých pneumatik s nízkým tlakem vzduchu těžko dosažitelná v praxi. Dotykový tlak kola se širokou pneumatikou leží mezi 100 kPa a 250 kPa, což znamená, že každé pojíždění těžebního stroje po půdě s větší vlhkostí způsobuje větší, či menší změnu struktury půdy. Dle Wilperta (1998) lze faktory, které mohou vést k odhadu škod na půdě, následovně rozdělit: Půdní vlastnosti: 1. půdní vlhkost (stav mokrý, čerstvý, suchý) 2. Zrnitost půdy (jíl, hlína, písek) 3. Obsah skeletu (bez kamenů, malý počet kamenů, velké množství kamenů) 4. Biogenní možnost agregace (nízká, střední, vysoká) Technické parametry: 1. Celková hmotnost stroje (menší než 5 t, 5 – 15 t, větší než 15 t) 2. Výška klestu na lince (menší než 10 cm, 10 – 30 cm, větší než 30 cm) 3. Počet pojezdů po jedné linii ( 1 – 2, 2 – 5, více než 5 pojezdů). Uvedených 7 faktorů ukazuje, jak komplexní je jejich účinek a tudíž i obtížnost zjištění škod. Z pokusných testů pojezdů těžebního stroje je dokázáno, že k největšímu stlačení půdy dochází při prvním až třetím přejezdu, po pátém až desátém přejezdu se stlačení konsoliduje natolik, že dochází již k minimálnímu zvýšení hmotnosti půdy. V evropské lesnické praxi neexistuje jednotný způsob odhadu, či měření škod na půdě po těžebním zásahu harvestoru. Jako příklad způsobu vyhodnocení škod na půdě mohou posloužit některé předpisy z Německé spolkové republiky, Finska, Nového Zélandu a USA. (Neruda a Valenta 2004)
3.3. Problematika mechanického poškození kořenů rostlin Rostliny i dřeviny je třeba chápat v jejich citlivosti tj. včetně architektury a funkcí kořenového systému. Nadzemní systém se může rozvíjet jen potud, pokud to dovolí aktuální úroveň všech funkcí kořenového systému a opačně. Jsou-li podmínky pro činnost nadzemního udržení života stromu, je pak velmi významný alometrický vztah mezi podzemním a nadzemním systémem, který se u každého jedince postupně nastavuje podle potřeb a možností daného druhu a podle konkrétních podmínek obou prostředí na daném stanovišti. Přesto je kořenům, oproti nadzemní části rostliny,
19
věnována z hlediska výzkumu menší pozornost především z důvodu obtížně získatelných dat. (Martínková 2002)
3.3.1. Přirozené prostředí kořenů Půdy vznikají zvětráváním matečných hornin (vyvřelých, metamorfovaných, či vzniklých jako sedimenty) a humifikací rostlinného opadu a odumřelých půdních organizmů. Mechanické zvětrávání hornin způsobí voda v pevné fázi (led – objemovými změnami), vítr, kořeny rostlin (svým růstem), energie pohybu ledovců, pohyb půdy na svazích (soliflukce) aj. Chemické zvětrávání hornin působí voda v kapalné fázi a půdní vzduch (uvolňováním a vyplavováním rozpustných solí, které dále mohou podléhat hydrolýze či oxidaci) a také živé organizmy (zejména rhizoidy nižších rostlin a kořeny rostlin vyšších pronikáním do štěrbin podloží a exkrecí rozrušujících látek). Tím se tvoří sekundární půdní minerály typické velkým vnitřním, často záporně nabitým povrchem, který se vyznačuje vysokou adsorpční kapacitou (oxidy a jílovité minerály). Velmi významnou vlastností půdy je její textura. Ta je dána velikostí půdních částic za zvětralých hornin a obsahem humusu (obdělávané půdy obsahují méně než 1 % organických látek, půdy bohaté humusem mají podíl organických látek vyšší než 8 %). Huminové látky reagují s CaCO3 za vzniku slabě rozpustných vápenatých humátů, které s jílovitými minerály tvoří organominerální komplexy. Ty k sobě vzájemně lnou adhezními silami a vytvářejí partitule, mezi nimiž vznikají malé prostory propojené v tzv. póry (mikropóry s průměrem do cca 0,1 mm a makropóry s průměrem větším). Systém pórů je vyplněn částečně půdním vzduchem, částečně vodou a je prostředím, v němž žijí půdní organizmy (hrubé písčité půdy s částicemi o průměru 0,06 až 2 mm obsahují mnoho velkých pórů, jílovité půdy s vločkovitými částicemi menšími než 0,002 mm, jsou těžké, s velmi četnými, ale jemnými a špatně provzdušňovanými póry, u půd hlinitých zaleží na vzájemném zastoupení jílu a písku). (Martínková 2002)
3.3.2. Adaptabilita kořenových systémů Kořen je orgán obdivuhodný – z hlediska fylogeneze rostlin je nejmladší. Jeho současný design obstál v tlaku přírodního výběru jako orgán specializovaný k řešení problému jak získat vodu a živiny z heterogenního, pórovitého a polostlačitelného
20
prostředí tvořeného pevnou, kapalnou a plynnou fázi a jak v tomto prostředí ukotvit rostlinu. Mechanická stabilita stromů nabývá zejména v zástavbě značný význam. Zdravé a dobře ukotvené stromy mohou plnit řadu důležitých funkcí – např. snižovat tepelné rozdíly a v létě poskytovat stín, zvlhčovat atmosféru, zachytávat vzdušné nečistoty, působit jako hluková bariéra aj. Na druhé straně, jsou-li stromy oslabené jakýmkoliv činitelem, jsou ohroženy zlomy a vývraty a stávají se nebezpečné lidem, jejich zdraví i majetku. Kromě značně heterogenního prostředí je kořenový systém vystaven také různým nepříznivým vlivům (Martinková 2002).
3.3.3. Nepříznivé vlivy působící na kořenové systémy lesních stromů Pro růst a funkci kořenů stromů vyvíjejících se v lesních porostech jsou významné jiné nepříznivé vlivy než je tomu u zemědělsky pěstovaných plodin na soustavně narušené a uměle upravované půdě. a) Mechanické poškození – při pojezdu těžkými mechanizmy jsou jemné i hrubší kořeny silně mechanicky poškozovány. b) Zhutnění půdy – v prostředí lesa lze při pojezdu strojů předpokládat zhutnění půdy. V delším časovém horizontu se může pojezd strojů promítnout do snížené dostupnosti volně pohyblivých látek (jako O2, CO2, vody a některých živin) v rhizosféře. c) Mechanický tlak – mechanický tlak je neodmyslitelnou součástí při růstu kořenů v půdě. Aby si mohl kořen protlačit cestu půdním prostředím, musí vyvinout sílu, která převýší mechanickou odolnosti půdních agregátů, buď jejich přemístěním nebo deformací (Neruda a Valenta 2004).
3.4. Metody hodnocení poškození půd vlivem pojezdu těžebnědopravních strojů 3.4.1. Metoda „německá“ Tato metoda se používá pro kontrolu kvality provedeného těžebního zásahu v Dolním Sasku (Spolková republika Německá). Doporučený postup měření je popsán v informačním sešitu (č. 28 – Umweltschonender Maschineneinsatz, Niedersachsen, SNR 1992). Koncepce se zakládá na rizikovém roztřídění stanovištních typů s ohledem
21
na jejich vlhkostní poměry. K tomuto účelu slouží především porostní mapa s vyznačením stanovištních typů – porostů. Měření či odhad škod provádí technickohospodářský pracovník nebo vedoucí pracovník zodpovědný za provoz strojů. Na přibližovacích linkách se vyznačí zkusné kruhy o poloměru 12,6 m, což odpovídá kruhové ploše 0,05 ha. Počet zkusných kruhů je závislý na ploše probírkových porostů (v ha), a je vyjádřen číslem zaokrouhleným nahoru a povýšen číslem jedna. Středy kruhů leží vždy ve středu linky, nejméně však 13 m od okraje porostu. Rozestup kruhu na lince se řídí dle celkové délky linek a stanoveného počtu zkusných kruhů. Každý kruh protíná stopy dvou kol na dvou místech, čímž se obdrží 4 měřící body, na kterých se měří hloubka kolejí. Naměřené hodnoty se zapíší do formuláře, který protokoluje výsledky měření. Výsledkem je vypočítaná průměrná hloubka kolejí na linkách. Pro vyhodnocení jsou zavedeny tři stupně poškození (koleje do 15 cm, 15 – 20 cm a přes 20 cm hluboké). (Neruda 2005)
3.4.2. Metoda dle McNabba Tato metoda je koncipována pro rychlý odhad rizika poškození půdy při pojezdu strojů. K tomuto účelu použil McNabb z USA tři faktory (Matthies 1998): 1. půdní struktura (textura) 2. půdní vlhkost 3. tvar terénního reliéfu Uspořádání jednotlivých faktorů ukazuje (Tab.6). Faktory v tabulce jsou mezi sebou násobeny dle odhadnutého stupně příslušného faktoru. Výsledek násobení udává hodnoty od 1 do 27. Pro vypočítanou hodnotu se vyhledá v druhé části tabulky patřičné riziko pro tvoření kolejí v půdě. Je třeba říci, že hloubka kolejí je znakem poškození půdy, avšak nemusí být vždy průkaznou veličinou. Např. při nasycení půdy vodou vytvoří se sice koleje, ale nedochází již ke stlačení. Dochází zde k tzv. viskositnímu pohybu půdních částic, které jsou vytlačovány z kolejí. U jílnatých půd, zvláště při optimální vlhkosti dle mechaniky zemin, dochází k velkému stlačení a tím k hlubokým kolejím. Za sucha působí některý povrch půdy pružně, zvláště je-li povrch pokryt porostem borůvky či drnovou pokrývkou. Zde nedochází k výraznému poškození půdy, zvláště při použití nízkotlakých pneumatik. (Neruda 2005)
22
Faktor
1
2
3
Půdní struktura
Hrubá
Jemná
organická
Vlhkostní stav
Suchý
Vlhký
mokrý
Konkávní
spád větší 30%
Tvar
terénního Konvexní
reliéfu. Tab. č. 6: Metoda odhadu, rizika poškození půdy dle „McNabba“.
Riziko extrémního tvoření kolejí
Hodnota součinu
I. malé
1–4
II. střední
5 – 11
III. vysoké
12 – 27
Tab. č. 7: Hodnota součinu vyhodnocovacích faktorů.(Neruda 2005)
3.4.3. Metoda dle McMahona Tato metoda je součástí kvalitativního hodnocení půdního poškození na Novém Zélandě a v Kanadě (McMahon 1995). V Německé spolkové republice provedl návrh na užití této metody Schöttle S. (Forstliches Versuchs- und Forstchungsanstal Baden – Württenberg, 1998). V České republice ověřili, a po modifikaci použili tuto metodu pro výzkumné účely Neruda (2000), Neruda a Valenta (2004) a Ulrich (1999,2001). Koncept metody se zakládá na okulárním odhadnutí porušení půdy v měřících bodech, které leží na kolmých liniích k přibližovacím linkám. V odstupech 1 m je v kruhu o poloměru 30 cm odhadnuto porušení půdy a pomocí kódu jsou výsledky zaznamenány do formuláře. Na probírkové ploše je třeba posoudit nejméně 1000 bodů, aby byly dosaženy statisticky zjištěné chyby menší tří procent. Pokud probírkové plochy nejsou homogenní, je třeba je rozdělit a tentýž počet bodů vyhodnotit pro jednotlivé plochy. Vyhodnocovací proces je jednoduchý a poskytuje statisticky zajištěné výsledky, které dovolují srovnávat rizika různých technologií. Rozestup měřících linií je závislý na ploše porostu. Rozestup R (m) = plocha porostu F (či částí) x 1000 (počet zvolených měřících bodů) x 10 000. Pro potřebu zjištění využitelnosti metody McMahona i pro potřebu stanovení míry poškození stojících stromů byla metoda modifikována (rozšířena) ústavem 23
lesnické a dřevařské techniky LDF MZLU Brno (ÚLDT) v rámci řešení výzkumné studie 9925 o zjišťování mechanického poškozování stojících stromů a v rámci řešení výzkumného záměru MSM 434100005. Tato modifikace metody spočívá zejména v doplnění původního souboru kritérií o 4 číselné kódy, týkající se popisu poškození stojících stromů. Tyto kódy charakterizující mechanické poškození vzniklé interakcí stroje či nákladu a stojícího stromu. Pokud na jednom stromě vyskytuje více poškození, registruje se každé jednotlivě a zvlášť. Tato poškození jsou registrována na stromech, vyskytující se v pruhu o šířce 1 m od vyhodnocovací vytyčené linie. (Neruda 2005)
3.4.4. Metoda „finská“ U této metody jsou posuzovány hloubky kolejí a provádí se i evidence poškozených stromů. Na přibližovacích linkách se vytyčují obdélníkové zkusné plochy o rozměrech 10 x 24 m (0,024 ha). Každá jednotlivá zkusná plocha je nadále rozdělena do osmi dílčích ploch o rozměrech 3 x 10 m. Na zkusné ploše se měří hloubka kolejí na lince a v rámci jednotlivých dílčích ploch se provádí i evidence poškozených stromů. Rozestup zkusných ploch se řídí podle velikosti porostu. Zaznamenávají se pouze hloubky kolejí, přesahující 10 cm.Při vyhodnocení kvality práce je počet hloubek kolejí přesahující 10 cm násoben rozestupem měřičských bodů a tato vypočítaná délka koleje je vztažena na celkovou dráhu kolejí (100%). Za kvalitně zpracované pracoviště se považuje takové, u kterého hloubka kolejí přesahující 10 cm nepřesáhla 5% celkové délky přibližovacích linek. (Neruda 2005)
3.4.5. Metoda „švédská“ Metoda je založena na principu kruhových zkusných ploch, reprezentativně rozmístěných v daném porostu. Doporučené rozestupy a počty ploch se zvyšují s velikostí porostu. Samotné vytyčení ploch v porostu se provádí krokováním ve zvoleném směru z výchozího porostu (zpravidla je jím bod na okraji porostu). První plocha se umístí vždy do rohu porostu a to ve vzdálenosti rovnající se polovině odstupové vzdálenosti. Následuje rozmístění dalších ploch. Zkusné plochy mimo porostů s vysokým zkameněním jsou o velikosti 100 m2, jedná se tedy o kruhové plochy o poloměru 5,64 m. V porostech s vysokým zkameněním se plocha zkusných ploch redukuje na plochu 50 m2, což odpovídá poloměru 3,99 m. Na zkusné ploše se provádí
24
inventarizace poškození ve stejných kategoriích jako u ostatních metod. Zjišťování poškození půdního povrchu se provádí na přibližovacích linkách v intervalu 10 m (Jiroušek et. al. 2008)
3.5. Statistické penetrační zkoušky Statické penetrační zkoušky představují velmi vhodnou doplňkovou metodu inženýrsko-geologického průzkumu. Metoda statické penetrace je založena na určování penetračních odporů, které zemina klade staticky zatláčenému penetračnímu hrotu. (Matys, 1990)
3.5.1. Přístroje pro statickou penetraci Existuje velké množství vyráběných přístrojů pro statickou penetraci. V různých kategoriích. Např.: •
Lehký penetrometr Borros,
•
Střední penetrometr Maihak,
•
Těžký penetrometr Borros
(Vrána 2009)
3.5.2. Metodika statických penetračních zkoušek Princip penetračního stroje spočívá v měření odporu daného hrotu, který se o určité rychlosti zatlačuje do zeminy pomocí sondovací tyče. (Matys et. al.,1990)
3.5.3. Záznam zkoušky Základním údajem statické penetrační zkoušky je hodnota měrného penetračního odporu na hrotu sondy. Mezinárodní označení pro tuto veličinu je qc a udává se v MPa. Grafický záznam statické penetrační zkoušky je velmi názorný. Jestliže se při zkoušce správně zvolí citlivost penetračního hrotu k danému zkoumanému prostředí, můžeme na první pohled identifikovat přibližně homogenní materiály, ale i rozhranní mezi zeminami s rozdílným fyzikálně – mechanickými vlastnostmi. Velkou výhodou je to, že jednotlivé rozhranní se dají stanovit s přesností na několik centimetrů. Na záznamu se velmi zřetelně projeví měkké a kašovité polohy v hlínách a jílech, ale i
25
hutné a pevné zeminy, které se můžou využít např. na opření nebo vetknutí hloubkových základů. (Matys et. al.,1990)
3.5.4. Faktory ovlivňující výsledky statických penetračních zkoušek Penetrační odpor na hrotě qst, resp. měrné lokální plášťové tření může být ovlivněno celou řadou faktorů, které působí při statické penetrační zkoušce. Patří k nim rozměry a tvar penetračních hrotů, rychlost zatlačení, umístění snímačů plášťového tření, vliv teploty, vody v zemině, minerální složení, zrnitost atd. (Matys et. al.,1990)
3.5.5. Tvar hrotu Parametry penetračních hrotů byly do velké míry sjednoceny do mezinárodních standardů, ale i přesto se můžeme setkat s různými typy hrotů. Vrcholový úhel hrotu je zpravidla 60°, další část hrotu je však již tvarově variabilní. Velký význam má tvar hrotu bezprostředně za kuželovou špičkou. Používají se jiné tvary hrotů na mechanické a jiné na elektronické penetrometry. Známe tři základní tvary hrotů: 1. Válcovitá část za kuželovou špičkou má menší průměr než je průměr samotné špičky 2. Hroty mají stejný průměr jako soutyčí nad nimi. Zde vzniká tzv. parazitické tření, o které je vyšší získaná hodnota. 3. Část hrotu za kuželovou špičkou je spojena přímo s vnitřní soutyčí, ale směrem nahoru se mírně kuželovitě zužuje. (Matys et. al., 1990)
3.5.6. Rychlost penetrace Rychlost penetrace při statické penetrační zkoušce je dána mezinárodním standardem a je 1,2 m/min ± 0,3 m/min, to se rovná na 2 cm za sekundu. Je nutné rovnoměrné tlačení na obě rukojetě. (Matys et. al., 1990)
3.6. Dynamické penetrační zkoušky Dynamické penetrační zkoušky (Dynamic Penetration Test – DPT) jsou založeny na schopnosti zemin klást různý odpor proti dynamickému vnikání soutyčí
26
opatřeného hrotem v závislosti na jejich litologickém složení a fyzikálně-mechanickým vlastnostech. (Matys et. al., 1990)
3.6.1. Metodika dynamických penetračních zkoušek Princip DPT spočívá v zarážení soutyčí ze specifickým hrotem do zeminy údery berana. Zaznamenává se počet úderů potřebných na požadovanou hloubku. Doporučená hmotnost berana je v toleranci ±0,5 kg od předepsané hmotnosti a výška pádu musí být v toleranci ± 2 cm od předepsané výšky. Počet úderů se doporučuje na 30 úderů za minutu. V přestávkách beranění se zvyšuje smyková pevnost, proto je nutné provádět konstantní údery berana s co nejkratšími technologickými přestávkami (např.: při nastavování soutyčí). (Matys et. al., 1990)
3.7. Přenosný deflektometr Holz, Kvacs (1981) uvádí, že přenositelné deflektometry jsou lehká zařízení vyvinuta za účelem měření tuhosti konstrukčních vrstev cestního tělesa včetně podložních a konstrukčních vrstev. Vlivem pádu vznikne šoková vlna prostupující půdou, která vyvolává reakci na základě vlastnosti půdy. Rozdílnost reakce je měřena čidly rychlosti a zrychlení reakce povrchu, z nichž je odvozena deflekce.
3.7.1. Přístroje pro měření deflekce Známé typy přenosných deflektometrů: 1. Prima 100: byl vyvinut v Dánsku firmou Keros Technology. Patří mezi první modely deflektometru. Měl vyměnitelné závaží o hmotnosti 10, 15 a 20 kg a vyměnitelné podklady o průměru 100, 200 a 300 mm. 2. Loadman: byl vyvinut ve Finsku firmou Al – Engineering Oy. V dnešní době je využíván univerzitami, výzkumnými pracovišti atd. na území Kanady, Estonska, Finska, Indie, Izraele, Itálie, Pákistánu, Ruska, Švédska a dalšími zeměmi. Závaží je neměnitelné standardně o hmotnosti 10 kg a reakční podložky jsou o průměru 132 a 300 a pádová výška je 800 mm. (Holz, Kvacs)
3.7.2. Záznam zkoušky Deflektometr je vybaven dvěma typy senzorů, siloměrem a akcelerometrem. Zařízení používá pro výpočet modulu elasticity následující rovnici:
27
E = 1,5 ×
pa ∆
Kde:
∆ – deflekce P – hodnota zatížení a – rádius desky E – modul elasticity
U každého měření Loadman na displeji ukazuje: 1. kalkulovaný model, 2. délka zatěžovacího impulsu, 3. poměr odskoku deflekce k maximální deflekci, 4. poměr měřené deflekce z druhého měření ku deflekci prvního měření.
Obr. č. 2: Vývoj křivky pádového závaží deflektometru.
28
4. Metodika a materiály 4.1. Metodika práce se statickým penetrometrem Principem práce se statickým penetrometrem byla penetrace zeminy pomocí sondovacího soutyčí s normovaným hrotem, přičemž jsme zaznamenávali odpory, které klade zemina vnikajícímu hrotu. Výsledné hodnoty byly odečítány ze siloměru umístěného na přístroji a následně zapisovány. Zkouška začala výběrem stanoviště a jeho základní úpravou, odstraněním předmětů na povrchu hrabanky, které by mohly ovlivnit měření (větve, kameny). Měření probíhalo ve dvou fázích. V první fázi byly měřeny hodnoty na volné ploše, která nebyla zhutněná pojezdem těžebně dopravních prostředků. Druhé měření probíhalo na transportních linkách procházejících porostem. Po výběru stanoviště jsme určili vhodný hrot pro měření, který bude podávat adekvátní hodnoty měření (malý hrot dává příliš malé hodnoty, velký hrot prostupuje půdou jen ztěžka a podává příliš vysoké hodnoty). Pro naše plochy jsme po sérii testů zvolili hrot středního typu. První fáze měření probíhala na ploše v místech, kde neprochází linka. Přístroj jsme umístili vertikálně a tlačili jsme rovnoměrně na madla přístroje. Přístroj byl zatlačen do hloubky 5 cm, kde byla odečtena první hodnota měření. Hodnotu odečteme ze siloměru přístroje. V siloměru se nachází dva pracovní ukazatele, černý, který ukazuje momentální hodnotu síly, jakou působíme na zeminu a červený, který se aretuje na nejvyšší hodnotě síly, kterou jsme naměřili ve sledovaném horizontu. Po odečtení hodnot byl přístroj resetován a opět jsme rovnoměrně tlačili na madla přístroje a zastavili jsme se ve hloubce 10 cm. Postup byl opakován v pěti centimetrových intervalech až do hloubky 35 cm, kde bylo měření ukončeno. Po ukončení měření byl přístroj vytažen, očištěn a přikročili jsme k dalšímu měření na stanovišti. Měření na stanovišti bylo opakováno až do doby, než jsme získali deset pravých měření (pravé měření je to, kde s určitostí můžeme říct, že jsme nenarazili na kámen, nebo kořen, který by mohl výrazně znehodnotit výsledky měření). Druhá fáze měření probíhala na místech, kde byla půda zhutněná pojezdem těžebně dopravních prostředků. Pracovní postup byl použit jako v prví fázi měření. Pro vypracování pracovního postupu jsme čerpali z Matyse (1990) a provedli jsme modifikaci pro ruční penetrometr.
29
4.1.1. Konstrukce ručního penetrometru Eijkelkamp Penetrometry jsou používány k determinaci odporu k pronikání (únosnosti) půdy. Penetrometry Eijkelkamp jsou dodávány ve dvou různých sadách: 06.01.SA Ruční penetrometr Eijkelkamp, sada do hloubky 1 metr 06.01.SB Ruční penetrometr Eijkelkamp, sada do hloubky 3 metrů Obě sady mohou být použity k průzkumu do hloubky mezi 1 a 3 metry. Obě sady se skládají z různých hrotů, sondážní a prodlužovacích tyčí, měřícího přístroje se siloměrem, deskou pro kontrolu poškození hrotů, kalibračním certifikátem a manuálem. Rozsah siloměru je 10000 kN/m2 (= 10000 kPa). Rozsah stupnice je v rozmezí 0 až 1,0 kN s přesností +/- 8 % v doporučené měřící stupnici. Sada je balená v kompaktním hliníkovém přenosném kufru. Přístroj tlačíme kolmo do půdy, rovnoměrným tlakem na obě rukojeti přístroje. Přerušovaným tlakem dosáhneme hodnot, které jsou příliš vysoké a nejsou reprezentativní pro daný druh půdy. Únosnost půdy měříme pomocí kuželového hrotu a hodnoty odečítáme z manometru. Momentální hodnoty odečítáme pomocí černého ukazatele a maximální hodnoty ukáže červený ukazatel. Rychlost penetrace se pohybuje okolo 2 cm za sekundu, při rovnoměrném tlaku na obě rukojeti.
4.2. Metodika práce s přenosným deflektometrem Měření pomocí deflektometru probíhalo dvěma způsoby. Nejprve byly měřeny hodnoty deflekce 7x na stejném místě, kdy nebyla skryta hrabanka (humusová vrstva), poté bylo prováděno měření dvakrát na stejném místě se skrytou hrabankou. V rámci vybraného porostu bylo měření prováděno v různých částech tak, aby byly zjištěny hodnoty na stanovištích mírně vyvýšených (s nižší vlhkostí, neovlivněné vodou), na stanovištích ovlivněných vodou a na transportní lince. Nejdříve byly odstraněny předměty, které by mohly ovlivnit průběh a výsledky měření (kameny, větve). Poté byl přístroj umístěn do vertikální polohy a pokud to bylo nutné kroutivými pohyby jsme podklad srovnali tak, aby celá plocha přístroje dosedala na půdu. Před prvním měřením byla provedena kalibrace přístroje podle velikosti reakční podložky. Průměr reakční podložky byl 132 mm a kalibrační modul elasticity byl zvolen E 160, podle doporučení výrobce přístroje. Tato hodnota byla výrobcem 30
stanovena jako hodnota s nejvyšší korelací vůči konvenčním reflektometrům. Přístroj byl vždy v době měření jemně přidržován ve svislé poloze tak, aby nebylo ovlivněno měření vlivem uchopení. V případě, že byla odstraněna hrabanka, bylo nutné též kroutivými pohyby zajistit plné dosednutí přístroje na povrch. Všechny naměřené hodnoty byly uloženy do paměti přístroje pod odlišnými identifikátory lokalit.
4.3. Měření vlhkosti půdy Na zkusné ploše, kde bylo provedeno měření, byl následně proveden odběr zeminy pomocí Kopeckého válečků pro zjištění aktuální půdní vlhkosti. Na ploše byla vyhloubena sonda do hloubky 30 cm. V této sondě jsme srovnali stěny do rovné svislé polohy a pomocí fyzikálních Kopeckého válečků byl odebrán vzorek minerální půdy. Vzorky půdy byly v laboratorních podmínkách zváženy s přesností na gramy v mokrém stavu a byly vloženy do pece, kde proběhlo vysoušení při teplotě 103 °C (± 2°C) po dobu 17 hodin. Poté byly zváženy vzorky zeminy v suchém stavu a vypočteny vlhkosti půdy na jednotlivých stanovištích.
4.4. Zpracování naměřených výsledků Data získané pomocí penetrometru byly přeneseny do programu Microsoft Excel a následně odstraněny extrémní hodnoty pomocí Grubbseho testu hrubých chyb a následně byly zjištěny průměrné hodnoty. Pádový deflektometr jsme propojili pomocí USB kabelu k PC. Pro získání dat byl nainstalován program Hyper Terminal, který nám umožnil přenos dat. Pro odstranění extrémních hodnot opět použit Grubbsův test hrubých chyb. Použijeme tyto vztahy:
Tmax =
Tmin =
x max − x
σ
x − x min
σ
31
Kde:
x
= průměrná hodnota
xmax = maximální hodnota xmin = minimální hodnota
σ = směrodatná odchylka Dosáhne – li Tmax nebo Tmin hodnoty vyšší než je kritická hodnota pro Grubbsův test při odpovídajícím stupni volnosti a hladině významnosti 0,05, jde o hrubou chybu na úrovni přesnosti ± 5 %. Pokud se taková chyba vyskytne, musí být tato hodnota odstraněna a celý test provádíme znovu. Hodnoty naměřené pomocí penetrometru byly přepsány do programu Excel, prověřeny Grubbsovým testem hrubých chyb a následně přepočítány pomocí vztahu:
MPa =
N mm 2
Kde : MPa – výsledný možný tlak na půdu N – síla, kterou nám ukáže siloměr penetrometru mm2 – plocha hrotu penetrometru
Pro určení nejvhodnější a nejpřesnější korelace byl použit program Curve Expert 1.3. Naměřené a otestované hodnoty byly zaneseny do tohoto programu, který následně vykreslil nejvhodnější křivku s příslušnou rovnicí. Pomocí této rovnice a uvedených koeficientů byly výsledné křivky zobrazeny v programu Microsoft Excel.
32
5. Popis stanoviště Stanoviště se nachází na území Školního lesního podniku Masarykův les křtiny (ŠLP), který je součástí Mendelovy lesnické a dřevařské univerzity v Brně. Naše měření bylo prováděno na polesí Habrůvka na katastrálním území obce Rudice. Měření bylo prováděno po domluvě s vedoucím polesí Habrůvka Ing. Halámkou.
5.1. Charakteristika porostu Měření probíhalo v porostu 146 D 8 a jeho porostní veličiny jsou: Plocha: 26,49 ha Zastoupení: SM 61; MD 21; BO 17; JD 1 Lesní typ: 4K5 Hosp. soubor: 421 SM a MD uznaný porost fenotypové kategorie B Imise: 0 (NAZV, 2009)
5.2. Půdní charakteristiky Luvizem modální LUm s výrazně vyvinutými, hlubokými horizonty a plně vyvinutou humusovou subformou typický moder. Tzv. absolutní hloubka půdy (Dhorizont v podobě kompaktní horniny). Popis stanoviště: velmi mírný svah 3°, východní expozice Popis půdního profilu: 0-1
L
relativně úplně čerstvý smrkový opad
1-2
F
částečně rozložený smrkový opad
2-4
H
s výraznými
znaky
silného
stupně
rozkladu
a
následné
humifikace, bez rozeznatelné struktury 4-9
A
10YR 2/1, silně humózní, hlinitá, kyprý, mírně vlhký, s vysokou
pórovitostí, se střední biologickou aktivitou, husté prokořenění
33
9-33
El
10YR
7,5/6,
vybělený,
lístkovitá
struktura,
snadno
se
rozpadávající, mírně vlhký, s vysokou pórovitostí, s nevýrazným prokořeněním 33-55 EB
5YR
5/8,
písčitohlinitá,
vlhká,
se
střední
pórovitostí,
s nevýrazným prokořeněním 55-75 Bt
5YR 4/6, hlinitá až jílovitohlinitá, vlhká, bez mramorování, ulehlá
75→ D
kompaktní devonský vápenec
(Buchar, 2009)
34
6. Výsledky Křivky penetračních odporů v hloubce od 5 do 35 cm jsou znázorněny v grafu
č. 1. Křivka penetračního odporu v místech transportní linky na vodou ovlivněném stanovišti byla extrémně vysoká. Následným zkoumáním bylo zjištěno, že tato transportní linka byla v minulosti sanována, což způsobilo naprosto odlišné penetrační odpory půdy. Křivky odporů zeminy jsou regresními rovnicemi naměřených hodnot a byly následující:
y=
108,36927 + 1,0934374 ⋅ x 1 − 0,053059398 ⋅ x + 0,00092264022 ⋅ x 2
pro vodou neovlivněná stanoviště (směrodatná odchylka 0,886),
y=
164,22396 − 0,549929 ⋅ x 1 − 0,047746039 ⋅ x + 0,0007443974 ⋅ x 2
pro vodou neovlivněná stanoviště v místech transportní linky (směrodatná odchylka 0,818),
y=
260,26032 − 5,4056309 ⋅ x 1 − 0,0089333563 ⋅ x − 0,00044400158 ⋅ x 2
pro vodou ovlivněná stanoviště (směrodatná odchylka 0,646) a
y = 352,50386 ⋅ x 0, 24348144 pro vodou ovlivněná stanoviště v místech transportní linky (směrodatná odchylka 0,435).
35
900 800 měrná síla (N)
700 600 500 400 300 200 100 0 0
5
10
15
20
25
30
35
40
hloubka (cm)
vodou neovlivněná ovlivněná
vodou neovlivněná v koleji ovlivněná v koleji
Graf č.1: Křivky penetračních odporů půdy
Vícenásobné měření na jednom stanovišti s hrabankou je zobrazeno v grafu č. 2. Naměřené hodnoty mají klesající tendenci a při sedmém měření dosahují přibližně poloviční hodnoty iniciálního měření. Deflekce v koleji transportní linky je vždy vyšší než deflekce naměřená mimo transportní linku v obou případech tj. na stanovištích neovlivněných vodou i na stanovištích ovlivněných vodou.
14
deflekce (mm)
12 10 8 6 4 2 0 1
2
3
4
5
6
7
měření neovlivněná
neovlivněná kolej
ovlivněná
Graf č. 2: Vícenásobné měření deflekce na stanovištích s hrabankou
36
ovlivněná kolej
Vícenásobné měření na jednom stanovišti bez hrabanky je zobrazeno v grafu č. 3. Naměřené hodnoty se výrazně nemění. Deflekce v koleji transportní linky je vždy vyšší než deflekce naměřená mimo transportní linku v obou případech tj. na stanovištích neovlivněných vodou i na stanovištích ovlivněných vodou.
18 16
deflekce (mm)
14 12 10 8 6 4 2 0 1
2
3
4
5
6
7
m ěření
neovlivněná
neovlivněná kolej
ovlivněná
ovlivněná kolej
Graf č. 3: Vícenásobné měření deflekce na stanovištích po skrytí hrabanky
Výsledky měření na různých stanovištích v rámci porostu po skrytí hrabanky je zobrazeno v grafu č. 4. V levé části grafu jsou hodnoty naměřené na stanovištích neovlivněných vodou, v pravé části grafu na stanovištích ovlivněných vodou. Průměrná deflekce na neovlivněných stanovištích byla 12,08 mm, na vodou ovlivněných stanovištích 2,31 mm.
37
16 14
deflekce (mm)
12 10 8 6 4 2 0 0
10
20
30
40
50
60
měření neovlivněná
ovlivněná
Graf č. 4: Deflekce měřená na různých stanovištích v rámci porostu po skrytí hrabanky
38
7. Závěr V současném vývoji těžebně dopravních strojů stále nelze zabránit poškození lesních půd. Proto je velmi důležité věnovat se plánování pohybu těžkých strojů po porostu. Při použití penetrometru v lesnictví je problém s častým výskytem hůře prostupných nebo i zcela neprostupných překážek, typu kořenu či kamenu, které vyřadí mnohá měření. Rozdílný styl práce ve smyslu rychlosti penetrace a nerovnoměrného zatížení obou rukojetí, mohou naměřené hodnoty značně ovlivnit. Naopak výhodou je jeho nízká váha. Penetrometr Eijkelkamp může zjistit únosnost půdy až do hloubky 3 metrů. Deflektometr je značně těžší (17kg), ale naměřené hodnoty jsou velmi přesné. Deflektometr měří půdu jako celek se všemi složkami. Při měření deflektometrem nemusíme hodnoty zapisovat, ale můžeme je ukládat do paměti a pak veškerá data najednou exportovat pomocí USB kabelu do počítače. Při větším počtu měření nám přenos informací ušetří mnoho času a práce. Deflektometr však měří pouze do hloubky 1,5krát dopadové plochy, v našem případě 132 mm, hloubka zjištěné únosnosti 200 mm, což je pro praxi dostačující. Závěrem lze konstatovat, že výsledky o únosnosti půdy jsou shodné i přesto, že přístroje pracují na rozdílných principech. Z provedených měření a výsledků je patrná možnost uplatnění obou přístrojů v lesnické praxi. Pro další práci by bylo vhodné provést větší počet měření a pokud možno na co největším počtu různých druzích půd a při různých vlhkostech.
39
8. Summary Even in actual development trend of harvesting and hauling machinery is not still possible to completely avoid forest soil disturbances. Therefore is very important to carefully plan strip road spacing. Using penetrometer device for bearing capacity measurement often occurs impenetrable obstacles in the forest soil such as roots or stones, which can easily disqualify many measurements. Even more, small difference during measurement (for example unbalanced handle forcing) can also affect the clarity. Reversely, the advantage of penetrometer is its mass and possibility to measure up to 3 m depth. Deflectometer is heavier (17 kg), but the results are more accurate. More over, deflectometer is able to measure indestructible the soil including all fragments. During the measurement it is not necessary to write down measured values, but is suitable to use device memory for storage and complete data than export in to the computed using USB port, which could avoid miswriting and save time. Deflectometer is able to measure only up to the 1,5 time base plate diameter depth (in our case 132 mm). However, in forest soils the 200 mm top layer is adequate for bearing capacity measurement. It could be stated, that both devices are suitable for measuring the bearing capacity even if both are working on different principles. For the future studies have to be recommended more detailed measurement on different soils and different moisture contents.
40
9. Seznam použité literatury a zdrojů 1. BUCHAR J., Zhutnění povrchových horizontů vybraných lesních půd Školního lesního podniku Masarykův les Křtiny, dynamická penetrační zkouška pro hodnocení vazby mezi pojezdem mechanizace a potencionálním vlivem na půdu. Diplomová práce Brno. MZLU LDF 2009 2. DVOŘÁK J., MALÍK V. 2007. Harvestorové technologie a vliv na lesní porosty. Forestalia 5 Lesnická práce 2007, Praha 84 s. 3. HANÁK K. Zpřístupnění lesa – Vybrané statě II. 1. vyd. Brno: V edičním středisku MZLU, 1995. ISBN 80-7157-180-6. 4. HOLTZ ROBERT D. and KOVACÍ, WILLIAM D. An Introduction To Geotechnical Engineering, N.M. Newmark and W.J. Hall, Prentice Hall, Englewood Cliffs, New Jersey. 1981 5. JIROUŠEK, R. et. al. Návod k použití k přístroji deflektometr : Loadman II. Brno, MZLU LDF, 2008. 25s. 6. KLVAČ R., VRÁNA P., JIROUŠEK R., Možnost použití přenosného pádového deflektometru (portable falling weight deflectometer) pro měření únosnosti a zhutňování lesních půd, Brno 2009. 7. MARTÍNKOVÁ M., Kořenový systém dřevin v městském prostředí. Sborník přednášek. Životní prostředí a veřejná zeleň ve městech a obcích. Klatovy 10.– 11. září 2002. pp. 57 – 67. 2002 8. MATTHIES, D. Moglichkeit und Grenzen fur die Definition einer okologisch vertraglichen Befahrbarkeit : Workschop, Forsttechnische Informationen. [s.l.] : [s.n.], 1998. s. 29 -36. 9. MATYS M, ŤAVODA O, CUNYNKA M. Polné skúsky zemin. Bratislava : Alfa, 1990. 10. McMAHON S., Survey methood for assessing site diturbance. New Zealand Jogging Industry Research Organization : (s.n.), 1995. P.R. 54,4/1995, s. 1-16 s New Zealand 11. NAZV. Kolektiv autorů. Dílčí zpráva projektu NAZV QH71159: Model multikriteriálního hodnocení šetřených přibližovacích technologií. MZLU v Brně. 2008 12. NERUDA J., Metody pro zlepšení determinace poškození kořenů stromů ve smrkových porostech vyvážecími traktory. MZLU v Brně. 2005 41
13. NERUDA J., Harvestorové technologie lesní těžby. MZLU v Brně. 2008, 149 s. 14. NERUDA J., SIMANOV V., Technika a technologie v lesnictví.MZLU v Brně. 2006, 324 s. 15. NERUDA J., VALENTA J., Determinace poškozování lesních porostů těžebními technologiemi. Monografie. Folia Universitatis Agriculturae et Silviculturae Mendelianae Brunensis, Brno, 2004, 61 s. ISBN 80-7157-820-7 16. RÓNAY, E., DEJMAL, M. Lesní ťažba. Bratislava: Nakladatelství Příroda, 1991 s 356. 17. VRÁNA P., Porovnání penetrometru a deflektometru. Diplomová práce. Brno. MZLU LDF 2009. 18. WILPERT, V. K. Moglichkeit und Grenzen fur die Definition einer ekologiích vertraglicher Befahrbarkeit : Workschop, Forsttechn. Informationen,. (s.1.) : (s.n.), 1998. s. 29 – 36.
42
