The effect of military vehicles on rut formation on Estonian soils and natural recovery of the ruts

Abstract

Soil degradation resulting from the passages of agricultural, forestry, rescue, and military vehicles has gained global interest. One of the first indications that the soil is being harmed by vehicle traffic is rutting. Ruts can severely hamper soil functions and hinder vehicle movement. Rut depth formation depends on a range of soil properties (water content, bulk density, texture, and organic matter content), land use type, vehicle parameters, and number of passes. The aim of this thesis was to measure and simulate rut depths after one and repeated passages of a military logistic truck MB1017 (with an18.4-kN wheel load) and an armoured personnel carrier, XA-188 (with a wheel load of 37.6 kN). The inflation pressure of the tyres in both vehicles was 650 kPa. This study focused on rut formation and soil deformations on different soil types during the period when the moisture content of the soils was high. The experimental sites (eight sites altogether) included arable soils, natural grassland soils with different soil textures (clay content in the range 0–30%), and peat soil. Penetrometer measurements were taken next to the ruts, and soil samples were collected from topsoil and subsoil for a uniaxial compression test using an oedometer in the laboratory. The natural recovery of ruts was monitored 2–2.5 years after the rutting experiments. Measurement results indicated that deeper ruts were formed on natural grassland areas than on arable land. Compaction was the predominant process of rut formation on arable soil, whereas soil lateral displacement was also important in natural grasslands. In sandy soils, the first passes formed the deepest rut; in clay-rich soils, the rut depth increased linearly with the number of passages. Deeper ruts evolved because of the passage of heavier (i.e., higher wheel load) military vehicles. The rut depth formed by military vehicles was best predicted with the penetrometer reading-based Willoughby–Turnage model (average rut depth error was 2 cm); however, the selection of the layer for penetrometer readings was crucial. For the single pass prediction, penetrometer readings obtained from the 7.5–23 cm layer should be used, whereas for 10 passes, readings were obtained from the 15–30 cm layer. The soil compaction model, SoilFlex, could adequately predict rut depth after 1 and 10 vehicle passes on arable soils. However, the increase in rut depth from 1 to 10 passes on grassland sites was considerably underestimated and that on peat soil was overestimated. Soil deformations caused by shear stresses have to be included in the model to achieve better predictions for multi-pass situations. A better theoretical framework of multi-pass effects on soils with higher organic matter contents and lower bulk densities is necessary. It is important to note that the sole use of topsoil bulk density is a poor parameter for determining rut formation. The soil mechanical behaviour and rut formation under a travelling vehicle depend on the organic material content, clay content, and subsoil bulk density. The ruts recovered naturally depending on the land use type of the trafficked area and soil texture. However, total recovery requires a period longer than two years. In agriculturally used areas that have higher bulk densities because of the precompaction state (an average of 1.3 Mg m−3 in topsoil) and lower organic material content (SOC lower than 1.3%), the natural recovery rate was slow. A high clay content (higher than 30%) impedes water infiltration recovery. In natural grassland soils, the natural alleviation of ruts is more probable to occur primarily because of the higher organic material content (SOC higher than 2.4%). Based on the results of this study, it can be concluded that soils in arable areas are stronger and more stable to support vehicle traffic than soils in natural grassland sites. However, to minimise the negative impact of travelling vehicles on soil environment, the number of passes should be kept as low as possible.

Maastikul liikuva (nt põllumajandus-, metsandus-, militaar-, pääste-) sõiduki all kujunevad enamasti mullapinnale jäljed, st mitmesuguse sügavusega roopad. Ülesõitude tulemusena kahjustada saanud muld on üleilmselt suur probleem, sest mõjutatud on mulla funktsioneerimine elu- ja kasvukeskkonnana. Lisaks negatiivsele keskkonnamõjule takistavad sügavad roopad otseselt sõidukite liikumist. Mulla tihenemine või ka külgsuunaline liikumine sõiduki all, aga ka muutunud mullaseisundi looduslik taastumine sõltuvad mulla füüsikalistest omadustest (veesisaldus, lasuvustihedus, lõimis, orgaanilise aine sisaldus), maakasutusest, ülesõitude arvust ning sõiduki parameetritest. Käesoleva doktoritöö eesmärk oli uurida roopasügavuse kujunemist ning modelleerimisvõimalusi militaarsõiduki ühe- ning kümnekordse ületuse korral märgades oludes. Roopad tekitati nii põllumaadel kui ka looduslikel rohumaadel (sh madalsoomullal) militaarse logistilise veoautoga MB1017 (esimese ratta koormus 18,4 kN) kokku seitsmes mõõdukohas. Lisaks kasutati kaheksandas mõõdukohas looduslikul rohumaal ühekordseks ületuseks raskemat sõidukit – soomustransportööri XA-188 (esimese ratta koormus 37,6 kN). Rehvirõhk mõlema sõiduki puhul oli 650 kPa. Katsekohtade mulla savisisaldus oli vahemikus 0–30% ning orgaanilise aine sisaldus jäi vahemikku 0–33%. Roobaste kujunemise modelleerimiseks mõõdeti samal ajal penetromeetriga mulla tugevuse seisundit ning koguti mullaproovid huumuskihist ja huumusalusest kihist ödomeetri testide tegemiseks laboris. Looduslikke muutusi roobastes jälgiti kuni 2,5 aasta jooksul pärast katseid. Mõõtmised näitasid, et sügavamad roopad kujunesid looduslikel rohumaadel, kus valdavaks on mulla külgsuunas liikumine, ja eriti sügavad roopad moodustusid raskema sõiduki kasutamisel. Põllumaadel kujunesid madalamad roopad peamiselt tihenemise tulemusena. Korduvate ületustega roobaste sügavus kasvas kõikidel muldadel, kasv oli aga suurem looduslikel rohumaadel. Kui liivastel muldadel moodustus kohe esimeste ületustega sügavaim roobas, siis savimuldadel kasvas roopasügavus lineaarselt ületuste arvuga. Uurimistulemused näitasid, et kõige täpsemini ennustas erinevatel muldadel militaarsõidukite ületustel kujunevat roopasügavust penetromeetri mõõtmistel baseeruv Willoughby ja Turnage’i mudel. Ennustuse keskmine viga oli kuni 2 cm. Modelleerimisel oli seejuures tähtis penetromeetri väärtuste fikseerimise sügavus: ühe ületuse järgse roopasügavuse ennustamiseks tuli mõõtmised teha 7,5–23 cm ning kümne ületuse puhul 15–30 cm sügavuses kihis. Põllumuldade tihendamise modelleerimiseks rakendatav SoilFlexi tihendamismudel sobis roopa ennustamiseks põldudel. Looduslikel rohumaadel, kus tihendamise mõju roopa kujunemisel oli väiksem, oli mudeli ennustatud roopasügavus üldiselt alahinnatud ning turbamuldadel tugevasti ülehinnatud. Täpsema tulemuse saavutamiseks tuleb tihenemismudelisse kaasata ilmselt nihkepingetest tulenev mulla deformatsioon. Antud uurimus näitas, et turba mehaaniline käitumine liikuva sõiduki all vajab eraldi uurimist. Tähtis on veel välja tuua, et mulla algne tihedus maapinna lähedastes kihtides üksinda ei ole piisav indikaator sügavama või madalama roopa kujunemiseks, tähtsad on ka savi- ja orgaanilise aine sisaldus ja sügavama (huumusaluse) kihi tihedus märgades oludes. Looduslike protsesside (külmumine-sulamine, märgumine-kuivamine, bioloogiline aktiivsus) tulemusena roopad tasanduvad ning tihendatud kihid taastuvad, kuid täielikuks taastumiseks kulub üle kahe aasta. Põllumaadel, kus maa harimise tõttu on lasuvustihedus üldiselt suurem (huumuskihis keskmiselt 1,3 Mg m–3) ja orgaanilise aine sisaldus väiksem (madalam kui 1,3%), oli taastumise intensiivsus väiksem. Looduslikel aladel on taastumise intensiivsus suurem eelkõige orgaanilise aine suurema sisalduse tõttu. Siiski on taastumine aeglasem suure savisisaldusega (üle 30%) muldades, kus vee mulda imendumise kiirus nii ruttu ei suurene. Kokkuvõtlikult võib öelda, et põllumullad on sõidukite liikumiseks stabiilsemad ja tugevamad aluspinnad võrreldes looduslike rohumaamuldadega, kuid ka haritavatel maadel tuleb mullakeskkonna kahjude minimeerimiseks hoida ületuste arv nii väiksena kui võimalik.