МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЧВЫ

Механические свойства почвы зависят от ее физического состояния и определяются деформацией, возникающей под действием приложенных к ней сил. Колесо и гусеница воздействуют на почву нормальной и касательной силами, поэтому они подвергают почву деформациям сжатия и сдвига. От способности почвы выдерживать эти нагрузки зависит глубина колеи, образуемой колесом или гусеницей и влияющей на сопротивление качению, а сила сцепления движителя с почвой формирует тяговое усилие МЭС. Поэтому основные механические свойства почв характеризуются сопротивлениями сжатию и сдвигу. Эти сопротивления обусловлены в основном силами сцепления частиц почвы между собой и трением между частицами.

В связных почвах сопротивление сдвигу определяется преимущественно сцеплением частиц, а в слабосвязных (песчаных и суглинистых) — трением. Сцепление между частицами обеспечивают влажность, глинистые фракции и другие вяжущиеся вещества, находящиеся в почве. Чем мельче частицы, входящие в состав почвы, тем больше сила молекулярного сцепления между ними. Трение возникает главным образом при сдвиге вследствие зацепления одних частиц за другие. Оно проявляется при действии на почву нормальной силы и в известной степени зависит от ее значения.

Сопротивление почвы сжатию определяется вдавливанием в нее с силой жестких штампов, регистрируя вертикальную деформацию грунта и давление, вызывающее деформацию. Зависимость между этими двумя параметрами определяет несущую способность почвы (рис. 2.1).

Из рисунка 2.1 видно, что под действием нагрузки жесткий штамп деформирует почву на глубину Л_п. Под штампом образуется уплотненный слой, и если экспериментальную зависимость между давлением q_n под штампом и глубиной Л_п его погружения аппроксимировать какой-либо функцией, то можно получить кривую, изображенную на рисунке 2.1.

На кривой можно выделить три участка, отражающих особенности взаимодействия между давлением q_n и внутренними сопротивлениями почвы. На участке I кривая близка к наклонной прямой. Здесь происходит уплотнение почвы. На участке II осадка почвы растет быстрее, чем внешняя нагрузка, в результате этого происходит не только уплотнение, но и сдвиг. На участке III начинается пластическое течение почвы и весь массив, подвергнутый деформации, охвачен сдвигом. Уплотнение почвы прекращается, и вся она из-под штампа (колес) выпирается в стороны. На этом участке кривой условно принято, что осадка прогрессирует без повышения внешней нагрузки.

На дорогах с твердым основанием деформация близка к нулю, т. е. Л„ а 0.

Сопротивление почвы сдвигу определяют с помощью штампа, на который одновременно действуют касательная Р_к и нормальная G_H силы. Сила G_H вызывает деформацию почвы h_u в вертикальном направлении, а сила Р_к — деформацию Д в продольном направлении.

На рисунке 2.2 приведена зависимость касательной силы Р_к от деформации почвы в продольном направлении Д для плотных (кривая 1) и рыхлых (кривая 2) почв. В первом случае по мере роста силы Р_к почва уплотняется до максимального значения Р_к тах. Далее происходит разрушение почвы, означающее, что по мере нарастания касательной силы уменьшается площадь, на которой деформации сдвига препятствует молекулярная сила сцепления частиц. Эта молекулярная сила все больше преодолевается и в конце (начиная с точки Д') сопротивление касательной силе создает только трение между частицами.

Рис. 2.1

Кривая деформации почвы под штампом

Рис. 2.2

Зависимость касательной силы Р_к от деформации Д для плотных (кривая 1) и рыхлых (кривая 2) почв

Применительно к работе движителя данное состояние соответствует полному буксованию.

Сопротивление сдвигу, как было указано ранее, обусловлено двумя факторами: сцеплением частиц и трением между частицами. Соотношение между этими факторами разное для разных типов почв. Сцепление частиц проявляется в большей мере у связных почв, обусловленных наличием глинистых фракций и влажностью. Внутреннее трение между частицами возникает при сдвиге частиц и зависит во многом от вертикальной нагрузки G_H, а значит, от деформации почвы /г„. Наибольшим внутренним трением обладают песчаные и супесчаные почвы.

На развитие деформаций в почве влияет не только значение, но и характер нагрузки, скорость ее приложения и продолжительность действия.

Сопротивления почв сжатию и сдвигу зависят от их механической прочности, которая в значительной мере определяется их твердостью и влажностью.

От рассмотренных физико-механических свойств почвы во многом зависят эксплуатационные свойства МЭС. Так, увеличение вертикальной деформации и уплотнения почвы повышает потери энергии на перекатывание движителей и тяговое сопротивление почвообрабатывающих машин, ухудшает качество посева сельскохозяйственных культур и плодородие почвы; увеличение сдвига почвы в продольном направлении приводит к росту буксования движителей, что, кроме уменьшения действительной скорости движения МЭС, способствует усилению в почве эрозионных процессов.