KONİ İNDEKSİNİN BELİRLENMESİNE İLİŞKİN ÇEŞİTLİ YAKLAŞIM EŞİTLİKLERİNİN KARŞILAŞTIRILMASI

Transkript

1 Tarımsal Mekanizasyon 18. Ulusal Kongresi Tekirdağ 302 KONİ İNDEKSİNİN BELİRLENMESİNE İLİŞKİN ÇEŞİTLİ YAKLAŞIM EŞİTLİKLERİNİN KARŞILAŞTIRILMASI ÖZET Comparing the Various Prediction Equations Concerning Determination Cone Index İ. GÖKNUR DURSUN 1 E. DURSUN 1 Özellikle toprak işleme alet ve makinalarının çeki kuvvetlerinin belirlenmesinde temel toprak direnci parametresi, toprak koni indeksidir. Koni indeksinin ölçülmesinde çeşitli tipteki penetrometrelerden yararlanılmaktadır. Ancak modelleme çalışmalarında koni indeksinin tahminine de gereksinim duyulmaktadır. Bu çalışmada, koni indeksinin tahmini amacıyla çeşitli araştırmacılar tarafından geliştirilen tahmin eşitlikleri incelenmiştir. Tarladan ölçümle bulunan koni indeksi değerleri ile bu eşitliklerden hesaplanan koni indeksi değerleri karşılaştırılmıştır. Araştırma sonuçları, ölçülen ve bazı eşitliklerden hesaplanan değerlerin birbirine yakın olduğunu göstermiştir. ABSTRACT The cone index of the soil is the main soil strength parameter that is used for assesing particularly draught of tillage implements. Various types of cone penetrometers are used to measure cone index of the soil. But, the prediction of cone index is needed for modelling studies. In this study, cone index prediction equations developed by different researchers were examined. Cone index values measured in the field and calculated cone index values from these prediction equations were compared. The research results showed that measured values were in close agreement with calculated values by using some equations. 1. GİRİŞ Toprağın kohezyon, iç sürtünme açısı, adhezyon, sürtünme katsayısı ve koni indeksi gibi başlıca mekanik özellikleri arasında en kolay belirlenecek olanı koni indeksidir. Koni indeksi, penetrometre ucunun toprak üst yüzeyinden başlayarak toprağı standart bir hızla delmesi sırasında konik uca uygulanan kuvvetin konik ucun taban alanına oranlanmasıyla bulunan değerdir (1). Özellikle çeşitli koşullarda toprak işleme için gerekli olan çeki kuvvetinin dolayısıyla çeki gücünün ve toprak sıkışmasının belirlenmesinde önemlidir. Birçok araştırmacı tarafından, çeşitli koni indeksi yaklaşım eşitlikleri geliştirilmiştir. Ayers ve Perumpral (1); CI=(C1.DD C4 )/[C2+(MC-C3) 2 ] (1) eşitliğini geliştirmişlerdir. Eşitlikte; 1 Doç. Dr., A.Ü. Ziraat Fakültesi, Tarım Makinaları Bölümü, Ankara.

2 Tarımsal Mekanizasyon 18. Ulusal Kongresi Tekirdağ 303 CI : Koni indeksi (kpa), DD : Özgül ağırlık (g/cm 3 ), MC : Nem içeriği (%) C1,...,C4 : Toprak tipine bağlı katsayılardır (Çizelge 1). Çizelge 1. Çeşitli toprak tipleri için C1, C2, C3 ve C4 katsayıları (1). Toprak tipi C1 C2 C3 C4 % 100 kil 4540,90 31,94 9,21 6,37 % 75 kil - %25 kum 928,10 20,22 7,41 6,60 % 50 kil - %50 kum 82,39 9,47 4,77 7,50 % 25 kil - %75 kum 1,10 2,19 3,29 9,34 % 100 kum 1,58 17,72 5,54 8,92 Collins (2); farklı toprak tiplerinde toprak nem içeriğine bağlı olarak koni indeksinin belirlenmesini sağlayan genel bir eşitlik geliştirmiştir. InCI= a+b. (InMC) (2) Burada; CI : Koni indeksi (kpa), MC : Nem içeriği (%), a,b : Toprak tipine bağlı katsayılardır. Göknur ve Yavuzcan (3); orta ağır toprak koşullarında yaptıkları ölçümler sonucunda; CI= 10,90-3,30.InMC+0,0232.BD (3) eşitliğini geliştirmişlerdir. Eşitlikte; MC : Nem içeriği (%), BD : Hacim ağırlığı (kn/m 3 ) dır. Ohu ve ark. (4), yaptıkları çalışma sonucunda; CI=P c. [A.(T s /Q p ) n.θ (4) eşitliğinden koni indeksinin hesaplanabileceğini belirtmişlerdir. Burada; CI : Koni indeksi (kpa), P c : Uygulanan basınç (kpa), T s : Toprak nem içeriği ve likit limiti için öngörülen kesilme direnci (kpa), Q p : Penetrometre ucunun toprağa girme basıncı (kpa), : Nem içeriği (m 3 / m 3 ), A,n : Toprak tipine bağlı katsayılardır (Çizelge 2).

3 Kumlu silt Killi silt Kil Tarımsal Mekanizasyon 18. Ulusal Kongresi Tekirdağ 304 Çizelge 2. Çeşitli toprak tipleri için A ve n katsayıları ile toprak nem içeriği (MC, %) arası ilişkiler (4). Toprak tipi A n A=106,14.e 0,061.MC A=110,92.e 0,056.MC A=81,13.e 0,055.MC n=20-52,853.mc 0,257 n=20-51,963.mc 0,252 n=20-37, 086.MC 0,138 Oskoui ve Witney (5); koni indeksinin toprak neminin ve hacim ağırlığının bir fonksiyonu olduğunu belirtmişlerdir. Orta ağır toprak koşulu için; CI=450,5.MC -2 +0,019.BD (5) eşitliğini geliştirmişlerdir. Burada; MC : Nem içeriği (%) BD : Hacim ağırlığı (kn/m 3 ) dır. Say ve Işık (6); killi tınlı, orta ağır toprak koşulunda yaptıkları ölçümler sonucunda toprak koni indeksi ile nem içeriği arasında aşağıdaki ilişkiyi bulmuşlardır: CI=4171,2.e -5,6382.MC (6) Burada: MC : Nem içeriği (desimal) dir. Schafer ve ark.(7); toprak-alet arasındaki ilişkileri incelemişlerdir. Koni indeksinin toprağın fiziksel özelliklerine, organik madde miktarına, kesilme direncine, vb. lerine bağlı olduğunu belirtmişlerdir: CI=f(T s, P c,, Q p, MC, C, S, M, d, OM) (7) T s : Kesilme direnci (MPa), P c : Uygulanan basınç (MPa), : Özgül kütle (N.s 2 /m 4 ), Q p : Penetrometre ucunun toprağa girme basıncı (MPa), MC : Nem içeriği (%), C : Kil içeriği (%), S : Kum içeriği (%), M : Silt içeriği (%), d : Ölçüm derinliği (m), OM : Organik madde içeriği (%) dir. Upadhyaya ve ark. (8), orta ağır toprak koşulu için bir eşitlik geliştirmişlerdir. Buna göre;

4 Tarımsal Mekanizasyon 18. Ulusal Kongresi Tekirdağ 305 CI=K.[a.(BD/ ) n.e -b. ]/ (8) Burada; CI : Koni indeksi (kpa), K : Bulk modülü (kpa), BD : Hacim ağırlığı (kg/m 3 ), : Özgül ağırlık (kg/m 3 ), : Nem içeriği (m 3 /m 3 ), : K ya bağlı bir katsayı (birimsiz), a,b,n : Toprak tipine bağlı katsayılardır. Voorhees ve Walker (9); orta ağır, % oranında nem içeriğine sahip toprak koşulunda yaptıkları öçümler sonucunda: CI=4527,75-137,09.MC (9) eşitliğini elde etmişlerdir. Eşitlikte; MC : Nem içeriği (%) dir. Wells ve Baird (10); koni indeksini belirlemek amacıyla genel bir eşitlik geliştirmişlerdir: CI=K0+K1.BD+K2.PCL+K3.POM+K4.(log MC) 2 +K5.(logMC) 3 (10) Eşitlikte; CI : Koni indeksi (kg/cm 2 ), BD : Hacim ağırlığı (kg/cm 3 ), PCL : Kil içeriği (%), POM : Organik madde içeriği (%), MC : Nem içeriği (%), K0,...,K5 : Toprak tipine bağlı katsayılardır. Witney (11); orta ağır toprak koşulu için; CI=C.K c.e π.tanψ +K Ø.BD. tanø.e π.tanψ (11) eşitliğini elde etmiştir. Burada; C : Kohezyon (MPa), K c : Kohezif katsayı (K c =3,62), e : Doğal logaritma tabanı, K Ø : Sürtünme katsayısı (K Ø =6, m), BD : Hacim ağırlığı (kn/m 3 ), Ø : İç sürtünme açısı ( ) dır.

5 Tarımsal Mekanizasyon 18. Ulusal Kongresi Tekirdağ MATERYAL VE YÖNTEM Bu çalışmada aşağıda belirtilen eşitlikler ele alınarak karşılaştırılmıştır: CI1=(C1.DD C4 )/[C2+(MC-C3) 2 ] (1) CI2=10,90-3,30.lnMC+0,0232.BD (3) CI3=450,5.MC -2 +0,019.BD (5) CI4=4171,2.e 5,6382.MC (6) CI5=4527,75-137,09.MC (9) CI6=C.K c.e π.tanψ +K Ø. BD. tanø.e π.tanψ (11) Eşitliklerde yer alan değerlerden kohezyon, sürtünme açısı, özgül ağırlık ve bazı katsayılar toprak tipine göre seçilmiştir. Orta ağır toprak koşulunda Çarman (12) a göre C=0,075 MPa ve Ø=32, Bernacki ve ark. (13) na göre DD=2,69 g/cm 3 olarak belirlenmiştir. CI1 eşitliğindeki C1,...,C4 katsayıları Çizelge 1 den %50 kil - % 50 kum koşulu göz önüne alınarak seçilmiştir. Nem içeriği, hacim ağırlığı ve koni indeksleri killi tınlı, orta ağır toprak koşulunda 25 tekerrürlü olarak yapılan ölçümler sonucunda bulunmuşlardır. Ölçümler, A.Ü. Ziraat Fakültesi Kenan Evren Araştırma ve Uygulama Çiftliğinde yapılmıştır. 15 cm derinlikten yapılan ölçümler sonucunda bulunan nem içeriği (MC) ve hacim ağırlığı (BD) değerleri, Çizelge 3 de, koni indeksleri (CIÖ) ise Çizelge 4 de verilmiştir. Çizelge 3. Ölçülen nem içeriği (MC) ve hacim ağırlığı (BD) değerleri. Ölçüm No MC (%) BD (kn/m 3 ) 1 18,00 12, ,15 10, ,87 10, ,33 10, ,67 9, ,72 10, ,28 12, ,09 11, ,47 10, ,60 9, ,37 8, ,18 10, ,34 9,60 Ölçüm No MC (%) BD (kn/m 3 ) 14 18,89 12, ,70 10, ,50 10, ,48 11, ,22 9, ,29 9, ,40 8, ,26 13, ,84 11, ,45 10, ,70 10, ,24 11,39 Koni indeksleri, BASIC programlama dilinde yazılan bilgisayar programıyla hesaplanmıştır. Hesaplanan (CI1,...,CI6) ve ölçülen (CIÖ) koni indeksleri birbiriyle karşılaştırılarak istatistiksel analiz yapılmıştır.

6 Tarımsal Mekanizasyon 18. Ulusal Kongresi Tekirdağ BULGULAR VE TARTIŞMA Tarladan ölçülen ve eşitliklerden hesaplanan koni indeksleri ile bunlara ilişkin ortalama ( X ), standart sapma (±S), variyasyon katsayısı (CV) ve hata değerleri Çizelge 4 de verilmiştir. Çizelge 4. Koni indeksleri (MPa). Ölçüm No CIÖ CI1 CI2 CI3 CI4 CI5 CI6 1 0,939 0,746 1,646 1,623 1,511 2,060 1, ,978 0,442 0,917 1,115 1,196 1,491 1, ,987 0,456 0,961 1,140 1,215 1,529 1, ,005 0,547 1,201 1,287 1,325 1,740 1, ,028 0,911 1,825 1,793 1,629 2,242 1, ,089 0,521 1,141 1,249 1,296 1,687 1, ,197 0,625 1,420 1,446 1,406 1,884 1, ,203 0,641 1,429 1,450 1,421 1,910 1, ,222 0,610 1,344 1,386 1,391 1,858 1, ,236 0,921 1,855 1,820 1,636 2,252 1, ,282 0,483 0,999 1,153 1,250 1,598 1, ,384 0,557 1,238 1,314 1,336 1,761 1, ,411 0,822 1,707 1,680 1,569 2,150 1, ,475 0,659 1,492 1,499 1,437 1,938 1, ,498 0,779 1,657 1,634 1,537 2,101 1, ,596 0,695 1,506 1,508 1,469 1,991 1, ,639 0,477 1,037 1,188 1,242 1,583 1, ,654 0,837 1,732 1,703 1,579 2,167 1, ,673 0,716 1,534 1,531 1,487 2,020 1, ,710 0,951 1,876 1,844 1,654 2,279 1, ,710 0,719 1,620 1,601 1,489 2,024 1, ,712 0,763 1,649 1,626 1,525 2,082 1, ,721 0,700 1,533 1,530 1,473 1,998 1, ,765 1,543 2,494 2,590 1,926 2,649 1, ,831 0,721 1,582 1,570 1,491 2,027 1,360 X (MPa)* 1,397b 0,714c 1,495b 1,531 b 1,459 b 1,960a 1,349 b ±S (MPa) 0,292 0,226 0,352 0,307 0,164 0,269 0,015 CV (%) 20,909 31,652 23,545 20,052 11,257 13,724 1,111 Hata (%) - 95,658 6,555 8,752 4,249 28,724 3,558 * a-c, Aynı satırda farklı harfleri taşıyan ortalamalar arasındaki fark istatistiki olarak önemlidir(p 0,01). Çizelge 4 incelendiğinde, ölçülen ve hesaplanan koni indekslerinin CV değerlerinin % 1,11 ile % 31,65 arasında değiştiği görülebilir. Hesaplanan koni indeksleri arasında en yüksek CV ve hata değeri, % 31,652 ve % 95,658 ile CI1 eşitliğinde belirlenmiştir. Ayers ve Perumpral (1) tarafından geliştirilen CI1 eşitliği tüm toprak tiplerinde kullanılabilmektedir. Hesaplamalarda

7 Tarımsal Mekanizasyon 18. Ulusal Kongresi Tekirdağ 308 %50 kil - % 50 kum içeren toprak tipi dikkate alınmıştır. Orta ağır-ağır grubuna giren %75 kil - % 25 kum koşulunda yapılan hesaplamalar sonucunda bulunan değerler, ölçülen değerlerden çok büyük çıkmıştır. Ancak % 50 kil - % 50 kum koşulunda yapılan hesaplamalar sonucunda ise ölçülen değerlerden daha küçük değerler bulunmuştur. Bu sonuçlara göre, CI1 eşitliğindeki C1,...,C4 katsayılarının, ölçümlerin yapıldığı toprak koşulunu tanımlamaktan uzak olduğu söylenebilir. Ortalamalardan hesaplanan CV ve hata değerleri göz önüne alındığında, en düşük CV ve hata, CI6 eşitliğinden bulunmuştur. Witney (11) tarafından geliştirilen CI6 eşitliğinden yapılan hesaplamalar sonucunda CV % 1,111, hata ise % 3,558 olarak belirlenmiştir. Yapılan Duncan testi sonuçlarına göre ölçülen koni indeksleri ile CI1 ve CI5 eşitliklerinden hesaplanan koni indeksleri arasındaki farklılık önemli; CI2, CI3, CI4 ve CI6 eşitliklerinden hesaplanan koni indeksleri arasındaki farklılık önemsiz bulunmuştur (P 0,01). Çizelge 4'e göre ortalamalar için en düşükten başlayarak hatalar sırasıyla CI6, CI4, CI2 ve CI3 eşitliklerinden hesaplanmıştır. Bu değerler sırasıyla % 3,558, % 4,249, % 6,555 ve % 8,752'dir. Sonuç olarak, Witney (11) tarafından geliştirilen CI6 eşitliğinden, ölçülen değerlere en yakın değerler bulunmuştur. Bunu sırasıyla Say ve Işık (6) tarafından geliştirilen CI4, Göknur ve Yavuzcan (3)'ın geliştirdiği CI2 ve Oskoui ve Witney (5)'ın geliştirdiği CI3 eşitliğinden hesaplanan değerler izlemektedir. CI1 ve CI5 eşitliklerinden hesaplanan değerler, istatistiki olarak ölçülen değerlerden farklı bulunmuştur. KAYNAKLAR 1. Ayers, P. D., Perumpral J. V., Moisture and Density Effect on Cone Index. Transactions of the ASAE, 25(5): , Collins, J.G., Forecasting Trafficability of Soils. Tech. Memo. U. S. Army Corps of Engineers Waterways Experiment Station, Vicksburg, MS., 3-331, Göknur, İ., Yavuzcan H. G., Orta Ağır Toprak Koşulunda Koni İndeksi, Nem ve Hacim Ağırlığı Arası İlişkiler. Tarımsal Mekanizasyon 16. Ulusal Kongresi Bildiri Kitabı, Bursa, , Ohu, J. O., Raghavan G. S. V., McKyes E., Cone Index Prediction of Compacted Soils. Transactions of the ASAE, 31 (2): , Oskoui, K. E., Wintey B. D., The Determination of Plough Draught-Part I. Prediction from Soil and Meteorological Data With Cone Index as the Soil Strenght Parameter. Journal of Terramechanics 19(2): , Say, S. M., Işık, A., Penetrasyon Direncinin Toprak Koşulları ile Değişiminin Belirlenmesi Üzerinde Bir Araştırma. 6. Uluslararası Tarımsal Mekanizasyon ve Enerji Kongresi Bildiriler Kitabı, Ankara, , Schafer, R. L., Reaves C. A., Young D. F., An Interpetation of Distortion in the Similitude of Certain Soil Machine Systems. Transactions of the ASAE 12 (1): , Upadhyaya, S. K., Kemble L. J., Collins N. E., Cone Index Prediction Equations for Delaware Soils. ASAE Paper No: , 1982.

8 Tarımsal Mekanizasyon 18. Ulusal Kongresi Tekirdağ Voorhees, M. L., Walker P. N., Tractionability as a Function of Soil Moisture. Transactions of the ASAE 20 (5): , Wells, L. G., Baird R. D., A Technique for Predicting Vehicular Tractive Performance. ASAE Paper No: , Witney, B. D., Choosing an Using Farm Machines. Longman Group UK Limited, Longman House, Burnt Mill, Harlow, Essex CM 20 2JE, Çarman, K., Tarımda Kullanılan Lastiklerin Performanslarının Belirlenmesi Üzerine Bir Çalışma. S.Ü. Ziraat Fakültesi Dergisi 2 (3), Konya, 17-27, Bernacki, H., Haman J., Kanafojski CZ., Agricultural Machines, Theory and Construction. U.S. Dept. Of Commerce, National Technical Information Service, Virginia, 1972.