車輪踏圧に関する基礎研究 : 多水分土壌の踏圧深
その他（別言語等）
のタイトル
Deformation of soil compacted under wheels : The maximum compaction depth on wet condition
著者 大友 功一
雑誌名 帯広畜産大学学術研究報告. 第I部
巻 15
号 3
ページ 245‑254
発行年 1987‑11‑30
URL http://id.nii.ac.jp/1588/00002076/
別5
車輪蹄圧に関する基礎研究
一多水分土壌の踏圧深一
大 友 功 一●
（受理：1987年5月28日）
r）cL■ormation of SoilCompacted Under Wheels ThQ Maximum CompacticLn Depth（〕n Wet CotldiもicmL
KoトjchiO川・OM（J
績 要
播種床剥製とLてのプラウによる耕転はれき溝底をトラクタ車輪が走行する結果，心土が竪
密化し，作物収量に直接影響の及ぶことが塔圧問題として提起されている。この対策として．
心十破砕を行っているが．近年大形トラクタの導入に伴って．鈷窪の及ぶ範闘が拡大し∴慣行 の心土破砕作業の再検討が将来予想される。この観点から．ソイルピンを供試し，十勝火山灰 土を対象として，速報では多水分⊥壌の変形及び踏圧深を検討した。
供誌車輪として，鉄車輪及び空気タイヤを剛、．土壌の塑性変形星をストリンググリッドで
計測する年端蹟圧実験を行った。既に報督した乾いた土壌と同様にわだち中央部の踏圧面深さ Zrlと塑性変形呈Dnとの関係は，次の実験式で表される。
Ull′tニ 下log笠n
本実験における係数E，Fほ車輪接地庁l−1との関榛で次式のとおりであった。
E−3．6】PT巾即 Tl ＝1．14PI877
多水分土壌のⅠ二億は乾いた土壌と比較して．小さな偵であったが．F値は反対に大きな値であっ た。これは多水分土壌の塑性変形量ほ′トさな範囲に留まるが，変形はより深くにまで及んでい
ることを示す。堵圧深と車輪接地ほとの関係は次式として求められた。
よrrl＝exp（3．17P】C 1）
今乳既報と併せ車輪接地旺より各種トラクタの乾，湿し壌における踏圧深の予鈍から対 塔庄の営農指針を得ることを可能とした。さらに踏址の原因である⊥壌変形を理解する上で，
聴圧深を某準として，⊥壌変形を捉える方法を提案し．その兼果㍉同一土壌，同一車輪の変形 はIid法別に依存するとの変形削を得た。
∵帯広畜産大学農業工学科農業動力学研究雲 〒腿0 帯広市稲田町
−Lat）OratOry Of Farm Power and Tr日▲CLors，Obihiro Uhiversity of Agriculture and Veterinary Me∫】icine，Obihiro．H（｝kkaido、Japan．
67
大泉功一
乏4（；
測を可能ょする基礎研究にある。掛こ後者の専翰踏正
による土壌変形は弾性噴から塑性頓に諷考阻齢を訂管
緊密化と直接関係オる塑惟変形を■nJ視化あるいは産屋
化することが基礎研架には欠かせないもめで埼牒烏廼
年め研究でiま大理石粉束1￠鳩るいぼブオームラ′ヾ−＝
を用いて可視北Lた研究がある。当研究室では可視化 と同時に定量化を行うために，ソイルビ汐土堵申に太
トリンググリッド（糸格子）を改選する手法痘閣発し 研究を進めてきた8既報（以後，参考文献 4）牽市
郎倒ま】乾いた土壌沿変形を捉え慈と共は培任銅哉
ぶ繹さ．すなわ、ち潜圧深についても明らかにLた㊥本
報でも引続いて湿った土壌め臍旺放び変瑚廿に榛紆を
加えナこ。
乗験装置及び方法
車輪塔琵零磯は農業動力学製MO−1塑ソイ躯ゼン養 供試し行った中土槽ぬ寸法は，0．45X、8′舗Xll．2出で あ轟．。七楕レール上を走行する台車が瀬輸フレームくこ
取付けた供試車輪をけん引する。鹿垂及び車鱒フレー ム陳平行リンクで連結き′れているので，車蝋は自由に
垂直上下動が可能である。車輪フレー村上郡髄須増誘 緒 言
腰旧ミは播種凍調製ぬたノめのプラウ耕時にtトラ身夕
石釧薪絵が耕転したれき構底を踏み囲め昂ことで，心
十が撃轡化計ることを弟妹する。その能私選水姐と の閏徐においで1干．渥雫あ射−は作軸纏臓腑窺
これに伴う農作物収擾への影響が無視できな、いこと が多′くの研免】・3・占L8・†さ・皇〉より指摘藩軋てい乳。そ湾
対策として．心十破砕堵により竪暫化した寸こ止を礫砕 する雅筆瑳実態しでいる。
近年経営規模の拡丸合理イヒ若か、ら導入トラクタも 大形化し，そノの尊皇も．大壷なものとなってい患。岬
馬力緻では優に4tを超えでいるや、よって一輪当庵磯 糞持荷重ほ1t以上で．しかも拷撮も深くぢぅ管も1る ので，隋托は従来以上lこ深駕車で及んでいることが考 え料丸．将敷鰯摘庵心土破砕作業養必要塗すること 思考ぇられる。心土破砕押葉は大鳥力整必要とし，そ の藤資慮無視できない程になることが考えられ．その
羽帯春機訝しておくことが肝要である。対審め一環と しで挽，現地梁塵把握上の計測法の確立と農事壬→志で
ば車輪臍圧土壌の蛮形則琴ゝら大形トラ、クタ踏比津の予
義1供試車輪の重要語元
供 試 重 し輪 タイヤサイズ P 車輪直径車線廟 （mm）（叩m：） 車増車塵 地頭
エ1 388 100 拍
Ⅰ一2 585 188 31
T3 700 108 2昆
T、4 9押 1（）8 瓢
準ナ 塵溺
IW−1 485 75
1W一望 485 l野 測
IW一念 亜さ 2習点 覇
1W−4 亜畜 湖紺 滞
T−† 4．間一冬 ヰ 41t） 182 匂
T−2 6，創㌻1く茸 4 56（】 1：；7 16
空気タイヤ T−8
寧・45￣蝕 4 ≡ 野5 16も 盈
↑1寸 緑掛」巌眉 ＋十十 1欄 受g
空気圧‥1．8ニ（kgfね琉夢）
義2 侠試上壌条件
平甥数 1一− 平均含水比 j平均￠
（ガ） gm （d喝．）
2．86 1．a3 44・5 0・12 需■0
−68
2d7
車輪踏圧
トを積み上げる載荷フレームとなっている。本実験で の車輪最大支持荷重はおよそ500毎rである。車輪け
ん引速度は0．097m／sである。供誌車輪は，剛性車輪 として鋏車輪（同幅異径4種，同径異幅4樺），変形 の伴う車輪として空気タイヤ（4種）を用いた。その 主要諸元を表1に示す。実験時車輪支持荷重（寺嶋自 重を含む車輪に掛る重量）Ⅳは実験結果図中に示し
ナニ
供試土壌は帯広畜産大学農業工学科は場，地下1T¶
の心十で．粒度試験より砂質ロームに該当する。
⊥槽内土壌の調阻ま，全域をスコップで起こし，ロ丁 夕■j耕転機で砕土後，均平にし，184研のローラで鎮 圧した。行きはけん引で，帰りは自走による一往復掛 けとし．全実験を通して亀裂のない均質な上壌条件を 待た‖土壌条件は土壌調製ごとに測定し，その平均値 を蓑2に示す。円すいの貫入は人力で行い．深さ1cm
ごとに葛入抵抗を読み取った。せん断試験は自記せん 断抵抗測定装置を供試し，せん断リングはSR2と同母l
のリングを用いた。湿潤常軌ま25Ⅷまでの平均値である。
強址土壌の垂直方向塑性変形（以後，変形）の定量 化は以下のようにして求めた。土稽の両壁に3cm間隔 に10個の穴を垂直にあけ，ソイルビンに直角かっ水平 なガイドを同数設けた。土壌調製後，卜方の穴より順 に具直ぐな針金で，ガイドに従がって水平かつソイル ピン進行方向にたいして直角な穴をあけ．次に水糸を
通す。このようにしてグリッドを最大10本設置した。
車輪通過後の土壌変形量はこの糸の変形呈とした。土 壌と糸との間にずれが生じていることが考えられるが，
その確認方法としては糸を通すとき．糸に石灰を十分 にまぶしておき，後に掘出した糸と石灰とが同位置に あることを確認することで行ったが，ずれは認められ なかった。
糸の変形羞の測定はズ，y方向変位測定器を試作供
試し行った。同測定器での実際の測定は進行方向右側 レールより306m粗から6．4mⅢごとに67点である。同測
定器にはパンクグラフも取り付け，変形量の連続的な 記録も併せ行った。
実験結果及び考察
垂直方向変形星の測定例を図1に示す。地表面の窪 みが車輪通過後のわだち深さ Zo である。細い実線
は車輪通過前のストリンググリッドを示す。針金であ けた穴は其直ぐに貫通するので，グリッドの位置は実
験後土樽両端の変形の受けていない位置から推定した。
よって測定場所以外でほ実際に設置した位置からずれ
ていることがあり得るが，僅少と考える。また図から
も明らかなように賓際に設置したグリッドは必ずしも
等間隔あるいは水平には形成されていない。今後変形 パターンを詳細に検討する場合，条件によっては補正
する必要がある。連続する点が変形後の糸の位置であ
地表面
ダリ、ソトNり
・・・●−
2
●■● ●● ・■‥
．・ 3
■…
■●t■ ■■■●●◆ ・・‥・＝ ・−■ 4
●■・・■−・・・ ・・●‥■
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9
▼●−●■−■●…●■−■＝●●■■■●■＝−…■■■■■●●●●●‥■＝●
空気タイヤ：T2
：卓稲支持荷車513kgf）
囲1踏圧土壌の塑性変形記録例 69
大友功一 別胞
Ⅰ−1
W（kgf）
●410 0311
＼ヾ
︵∈U︶占 ●○ ＼
＼
10 20 30 40
＼ ＼ g 2 k ︵ 9 ︹︼U qイ nU I W52 服3224 ●● ○●
．ヽ＼
＼へ︑へ
︵∈上占
IW4 W（kgf）
ヽ・＼ 鴇 ．．
0354
●Z65
5 10 20 30 40
ZTl（cm〕
5 川 2（） 3（） 4U
Zn（日日
図2 踏圧面深さ動と塑性変形土伽との関係 一70 −
2亜
5 10 2（〕 30 40
1D 20 ：う0 40
5 1り 20 30 40
5 10 2U ：i（） 40 5
Znこ（皿：
10 2（）
Zn：川1
図3 臍托面深さZ71と塑性変形呈上九 との関係
7】−
蜘 大友功一
り，グリッドとの差が土壌変形土として求められる。
この変形量より土壌全体の変形別について漸次解析を 行っているが一本報ではわだち中央部での変形量につ
いて定i解析を進める。
次にわだち中央部のグlトッR設置深さ．すなわち地 表面からの距離をZ几とする。そしてグリッドを含む 車輪進行方向の水平面を踏圧面とし，今後踏圧全体卓
論ずるときの土中に設けた基準面として用いる。
図1に地表下Z花における変形豊か花を示す。鉄車輪 及び空気タイヤのわだち中央＃のZ花と刀柁との関係を 片対数座標を用い囲2，3に示す。gれとβわとの関係
は実験式
β托＝万刑ogZれ （1）
で塞きれることを既報で明らかにしている。今結果に ついて実験式を求め，同図に実縮で示したが，水分め
多い土動こついても（1）式の関係にあると考えるが，
一部車輪支持荷重が大書なものについて，Znが大書 なあるいは小さな範囲で．実験式の適合性が良くない。
この原因は今後理論的な検討を要すが，小さな範匪＝こ おける場合は火山灰土としての締め固め曲線】）で表さ れる特性，すなわちある程度締め固められた土は，そ れ以上固まらない領域に近づいているため，伽値が
一定備に集束する傾向が現われていることによると考
，■山ノ イ
ガO ql 0鉄車輪l
●鋏車輪IW O空気タイヤ
㌔磨 00 ●
／：●
しこ ト l＝
︵已U︶h
6 H lO
Pl（kgf′／c肘）
図4 車輪接地圧jYと係数昂ダとの関係
−72 −
車輪踏圧
える。一方の原因については，土槽底面の影響とひと まず考えるが，今後明らかにしたい。
次に係数E，Fを接地庄■との関係で図4に示した。
土壌の変形動態は】車輪が土を踏み固めるとき．いか
ような応力が土中に発生するかに依存する。その発生
する応力の国子は作用側としては車輪支持荷重が主で
あるが．他に車輪幅，車輪直径等がある。今後．この 実験結果より車輪踏圧影響範囲を予測するためには，
何らかの酪・した拇数でこのE，Fを表しておく必要 がある。この3因子からなる接地圧PIを車輪の土 に対する作用指数として導入したところ】E，Fとの
関係式を既報にて求めることがで重た。本報でも実験 式を求め次に示す。
251
E＝3．61PIO針 F＝1．14PIO■■∫−l
比較のため．既報の乾いた土壌のE∴Fを劇せ示 すと，
E＝4．18Pl川 （4）
F＝0．81PlI・24 （5）
である。（3）．（5）式より接地圧が2より大きな範 囲．すなわち大部分の範囲で吼供試土壌のF値が小 さな値をとり，より深部まで変形が及んでいることが 指摘される。一方わだち深さZo は乾いた土壌が大
きく，この相対する性質の鼻なる原因としては，土壌 の力学性質周子のC．￠に起因すると考えるが．今後
の解析を持たなければならない。踏圧深についてさら に検討すると，変形孟Dnが0 となるZnを踏圧
凍Zmとして，これは塔圧が及ぶ深さに相当し，（1）
式を変形した次式より求まる。
Zm＝exp（E／F） （6）
踏圧深を算出し．図5に．車輪支持荷重との関係を示 す。さらに図8に接地圧との関係を示す。なお接地圧
に対する堵圧深の実験式は次のとおりであった。
Zm二exp（3．17Pl￠■） （7）
両図とも実線は国中の全データで求めた実験式の債で
︵∈ヱ ∈N 亡⁚■ヒ＼
0 2nO 4口n 00O
W（kgfj 図椅 車輪支持荷重：Ⅳと跨圧深Zmとの関係
接地圧PTは以下のようにして求める。
PJ＝W／ぶ LW：車輪支持荷重（反f），S：接地面横（d）］
S＝bl ［b：車輪幅（cm），1：接地長（皿）］
1≒ノ百 ［D：タイヤ直径（皿〕］
一 丁3 −
大友功・一
●
三
n∴別
0故事喘l
●級車輪Ⅰ＼〜r O空気タイヤ
6 8 lil
Pl（kgf／血）
い ご l
函8 車輪接地圧打と軌王深Zmとの関係 ある。寮た破約ま乾いた土壌における債で，両者より
水分の多い土壌がより深くまで踏圧が及んでいるのが
諌められる。この変形がより凍くまで及ぶことがその過
程の土壌の圧稲量が大善いことあるいは土壌の堅密化
がより促進されていることとは別で．むしろ変形がよ
り広範囲に分布すればそれだけ聖密化の度合が少なく
てすむと解釈するのが妥当と考える。ひとまず且才 徳と嶺地圧との関係が乾，湿土について定まった結果
今後各棟トラクタめ毯圧深の予測，それより営農指導
あるいはトラクタ車線選択指針の作成が可能となった。
次に既報も含め，踏圧中央部の変形を（1）式の関 係に，あるとして，全体を捉えるには有効な式であるが，
細部について不適合な場合のあることは既に指摘した。
この点についてさらに検討すると，踏圧土壌が変形し，
空隙の減少量の集積が車輪のわだち深さZoとなる。
（1）式に率いて，Z花がZoに対応しなければならな い。しかし（1う式のZnにQを代入することは不 可能で，跨圧．すなわち土壌変形のメカニズムを（1）
式は十分に捉えていない。土壌の変形に伴う変形則を 地襲を基準としで捉えてきたが7踏旺深が明らかとなっ
た現段階では，鷹圧深を基準として一すなわち土壌の
変形が姶まる点学基準として変形を捉える方がより合
理的に変形則を理解可能と考え名′。
園7に鉄拳輸1−1の臆旺高打花と変形董β乃との
′こト頓
（■
○
（l
♂ w拉gfl
O！二、l 0311
●．∵二丁
2n▼旦 40 、5D H11rでml
囲7 剛性車輪（ト1）の踏琵高放と
塑性変形漫上払との関係
74一−
25：l
車輪塔圧
of the ASAE，1g84．
9）S， Gameda， G．S．V． Raghavan】 R．
Theriault and上く．Mckyes：High Axle Load CompactionandCorn Yie】d．TTanSaCtioTIS nr the ASAE．Vol．28（6）．1985．
】0）Rarl（lallK．Wood and Larry G．We11s：
CharacterizingSoilDefc）rm且tion by Direct Measurement within the Profile，rrranSaC tions of Lhe ASAE，Vol．28（6），柑鮎．
11）J．W．Porterfield and l ．G．Carpcnter：Soil Compactjon：＾n Index of Potential Compaction †br ＾gricultural Tires，
′rransactions of the ASAE，Vol，29（4），
1986．
関係を示す。同図下に既報のデータより作図し．併せ 示した。ここでの踏圧高は解任深Zm及び踏圧面深さ Zn と次式の関係にある。
（8）
fJ几＝Zm Z几
同図では．踏圧深が（1）式による推定値で変位が多 少上Fしているが．明らかに車輪支持荷重が異なる場 合でも，同一車輪であれば同じ傾向で変形することが 指摘できる。すなわち変形は同一土壌，同▲車輪条件
では同一法則に支配される。今後十分に検討を要す事
項であ為が本研究でひとまず明らかにできた変形則と
する。以上図7については敢えて実験式を求めなかっ たが，今後解析予定である踏圧高とひずみとの積分形 として求められると考える。
参 考 文 献
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との関阻」ヒ海道立農業試験場集報 27．7678，
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3）土谷富士夫・力示雅之・松田 登二火山灰十の水
分特性が力学的件質におよぼす影響一 帯広畜産大
学学箱研究報告，11，353−363，1979。
4）大友功・・高川清美・谷∩哲司・岸本 正：車輪 踏圧による土壌の垂直変形について．帯広畜産大 苧学術研究報告，14．185−193，1985。
5）K．Ohtomo，N．Tomiya，Y．Mjno arldIも・
Sakaj：F：frect（）f SoilCompaction on the Early Growth of TTaTbage PlanLs，ftes−
Bull．Oblhlro Univ．，11，49ト497，L979．
6）C．L．W．Swanson and H．G．M．Jacobson：
ti：f［ect of SoilHardness and Compaction on Com Growth．SoilS（：ience Society Proceedings，1956．
7）Jr．C．R．Camp alrd Z．F．L11n（i：Effect or MechanicalImpedaTICe OrlC（）uOn 上tooL
Growth．Transactions【〕f the AS＾E，1968．
8）D．Wolf and A．IIadas：SoilCompaction Effectson Cotton Emergence．Transacti〔）nS
Summ8「y
in the process of seedbed preparatiurl with the tractoT−Plow sysLem，thc whcels compact the furrow bottom．Through t†1eir rt）r）eaLed
passeE，Onthesameplacc，hardpanisproduced in the subsoil．Breaking thjs hardpan with
thepanbreakerisaneffectivemethodforavoid−
ing the darnage done by soilcompaction・
TodaylnOrdeT tOin（7reat・e th＝■aLe of cultiva tionwithexpansion ofscale o†farm business，
larger and heavier tractors tend to beir−tr（ト ducedincultivaLion，PrOducingthchardpanin thc deeper subsoil．Civen this situと山on，it is desirable to deveJop a method t（〕Predict the compaction depth corresponding with the massof tractorin c〔】nSideration【〕f s〔）ilcondiL tion．For this purpose，it jsilTlpOrtarlt tO 且nalyzethe dcformation characteristicsofsoil by meansofstring gridsseL jn Lhesoil・Soil compacLion 巳Xperimcnts were conductedin anindoor soilbin fi11ed wi抽 san（】yl（〕am SOilusing rigid wheels and pne＝rrlatic しires・
The results were as fo】lows：
1）The relationship of the veTticaldeformtl tion Dn to the compactjon depth ZTL WaE，
confirmed to be expressed by the foll（）Wing equation：
大友功一
254
ム厄＝gダIQg Zね
wh9re g＝3．61PJ．ダ＝1．1蛸．PJ＝contaet preSS11re
2）The equ且tionローthe rel如i（｝nShip of the m＆Ⅹimllm COmpaCtion depth Zm to the COnt且Ct preSSure wa占derived a貞一ollows
Z椚．＝exp（3．17P♪・り
3）、Tb8COnCユu卓ionderivedfrQmthereユat主。、n▼
5hip betWeen the compaction九eight Hn抑d deformation Dn w86that′SOil且1ways血 fdrmed with the same beh訓ior under the Sam8COTlditionsforboththeproperty of80il and tbe slze of thP wheel
一76一
