В. А. Жилкин

6.7.Определение физико-механических свойств почвы

При проектировании орудий с.-х. машин, предназначенных для обработки почв, возникает необходимость в знании характеристик деформируемости и прочности почв. Эти механические характеристики почв определяются так же, как и для грунтов25.

6.7.1. Особенности почвенной среды

Почва – тонкий верхний слой земной коры, дающий жизнь растениям. Это самостоятельное природное тело. Самое ценное свойство почвы – плодородие, т.е. способность обеспечивать растения необходимыми питательными веществами и влагой. Почва состоит из минеральных частиц, органического вещества в основном растительного происхождения, почвенной воды, почвенного воздуха и населяющих её живых организмов. В различных районах Земли толщина почвы колеблется от нескольких сантиметров до 2–3 метров.

Основной отличительной особенностью почв от рассмотренных ранее сред является их несплошность (раздробленность, дискретность) строения. Многокомпонентный состав почв, их пористость, водонасыщенность, структурные связи между частицами, сложное взаимодействие различных компонент друг с другом приводят к особым свойствам этих материалов, существенно отличающимся от свойств конструкционных материалов.

Почвы постоянно испытывают воздействие природных и техногенных процессов. Это порождает огромное многообразие их строения и состояния. В отличие от конструкционных материалов, состав которых подбирается технологами так, чтобы обеспечить необходимые свойства, почвы на каждом

25 Гольштейн М. Н. Механические свойства грунтов. М. : Стройиздат, 1971. 362 с.; Цытович Н. А. Механика грунтов. М. : Высш. шк., 1983. 288 с.; Далматов Б. И. Механика грунтов. М. : Стройиздат, 1988. 415 с.; Иванов П. Л. Грунты и основания гидротехнических сооружений // Механика грунтов. M. : Высш. шк., 1991. 447 с; Механика грунтов, основания и фундаменты / С. Б. Ухов [и др.]. М. : Изд-во АСВ, 1994. 527 с.; Жилкин В. А. Расчеты на прочность и жесткость элементов сельскохозяйственных машин. Челябинск : ЧГАУ, 2005. 427 с.

230

ГЛАВА6 Механические характеристики материалов

поле обладают своими свойствами, что требует каждый раз их самостоятельного изучения. Протекающие в них процессы видоизменяют состояние и свойства почв (при увлажнении, динамических воздействиях, напряженном состоянии или оттаивании и т. п.), что приводит к неодинаковым реакциям почвы на одни и те же нагрузки и к различным результатам вследствие протекающих в них процессов.

Таким образом, почвы не только обладают особыми свойствами, но и постоянно испытывают различного рода воздействия, изменяющие их состояние и свойства. Это вызывает необходимость разработки совершенно иного подхода к исследованиям напряженно-деформированного состояния почв, по сравнению с расчетами принятыми в инженерной практике для конструкционных материалов.

Механические свойства почв зависят от их состава (минерального и гранулометрического), физического состояния (плотности, влажности, температуры) и структурных осо-

бенностей.

Под механическими свойствами почв понимают их способность сопротивляться изменению объема и формы в результате силовых (поверхностных и массовых) и физических (изменение влажности, температуры и т.п.) воздействий. Характеристики этих свойств различаются для разных видов и состояния почв и зависят от действующих напряжений.

Поскольку почвы относятся к дисперсным телам, помимо закономерностей деформируемости сплошных тел,

приходится учитывать изменение объема пор при сжатии, т. е. рассматривать дополнительно закон уплотнения (закон компрессии). Кроме того, в почвах, как и в сплошных телах,

при действии нормальных напряжений наблюдается боковое расширение, но по более сложной закономерности.

Деформируемость сплошных тел под действием касательных напряжений характеризуется модулем сдвига при упругих деформациях, границей текучести при пластических деформациях и коэффициентом вязкости, обусловливающим вязкое течение. В почвах деформации сдвигов

231

В. А. Жилкин

рассматривают сравнительно редко, обычно интересуются сопротивлением их сдвигу при предельно напряженном состоянии. Это сопротивление зависит от угла внутреннего

трения и удельного сцепления почвы, определяемых в соответствии с законом сопротивления почвы сдвигу.

Как деформируемость почвы, так и их сопротивление сдвигу зависят от долей напряжений, передаваемых на скелет грунта и на воду, находящуюся в порах. Поровая вода под действием возникающего в ней давления постепенно отжимается и передает его на скелет почвы, поэтому деформируемость почв и их сопротивление сдвигу зависят от филь-

трационных способностей почвы, вследствие чего возникает необходимость рассмотрения еще и фильтрационных харак-

теристик почвы.

Разрушение почвы происходит под действием сдвиговых напряжений, поэтому главной формой разрушения в механике почв считается сдвиг. Гидростатическое (всестороннее) обжатие элемента почвы вызывает её уплотнение, а следовательно, и увеличение прочности почвы.

Из-за дискретного строения почвы действительный характер ее деформирования при гидростатическом и девиаторном нагружении будет значительно сложнее. Так, при сдвиге (девиаторное нагружение) песчаного образца плот-

ного сложения к моменту разрушения отмечается некоторое увеличение его объема, называемое дилатансией. При

сдвиге же песчаного образца рыхлого сложения, напротив,

происходит его дополнительное уплотнение (отрицательная диалатансия), или контракция. Однако учет этих процессов

производится только в достаточно сложных моделях. Сдвиговое разрушение почвы и полная потеря ею проч-

ности вызываются неограниченным развитием пластических

деформаций, т. е. течением почвы. Такое состояние называется предельным.

В допредельном по прочности напряженном состоя-

нии характеристики механических свойств называются деформационными, так как они определяют способность

232

ГЛАВА6 Механические характеристики материалов

почв сопротивляться развитию деформаций. В предельном

по прочности состоянии эти характеристики называются прочностными и определяют способность почвы сопротив-

ляться разрушению.

6.7.2. Модели механического поведения почв

Для оценки напряженно-деформированного состояния почв при их взаимодействии с рабочими органами сельскохозяйственных машин необходимо уметь определять изменение напряжений в почвах, оценивать, будет ли обеспечена прочность почвы при таком изменении напряжений и какие деформации возникнут в результате такого взаимодействия.

Однако из-за указанных выше особенностей строения почв обычный подход механики твёрдого деформируемого тела для решения этой задачи оказывается недостаточным, возникает необходимость разработки такой модели почвы, которая учитывала бы основные особенности её деформирования, и такого аппарата анализа, который позволял бы прогнозировать происходящие в почвах процессы. Для этих целей могут быть использованы модель дискретной среды или модель сплошной среды.

В механике грунтов делались попытки отобразить в расчетной модели физические особенности грунта как дискретного материала, представляя его в виде совокупности отдельных частиц – шаров, дисков, балочек и т. п., однако развитие этого направления встречается с большими сложностями и пока еще не привело к созданию законченной теории деформирования грунтов.

Современная механика почв основывается на представлениях о почве как о сплошной однородной деформируемой среде, что позволило использовать мощный аппарат математического анализа с единым подходом к изучению всех состояний почв.

Применительно к грунтам концепция сплошности была утверждена еще в 30-х годах прошлого столетия классическими работами К. Терцаги, Н. М. Герсеванова, В. А. Флорина,

233

В. А. Жилкин

Н. А. Цытовича и успешно развивается в нашей стране и за рубежом. Однако это потребовало введения ряда предпосылок, которые справедливы и для почвы, упрощающих реаль-

ное её строение.

Во-первых, вводится понятие элементарного объема почвы, т. е. такого его объема, линейный размер которого во много раз превышает линейный размер частиц или агрегатов, слагающих почву. Тогда понятия напряжений и деформаций относятся уже не к точке, как в механике сплошной среды, а к площадкам, соответствующим элементарному объему. Кроме того, размеры образца почвы для экспериментального определения характеристик её механических свойств в предположении сплошности материала должны быть значительно больше линейного размера элементарного объема. Во-вторых, применение аппарата механики сплошной среды для расчетов напряжений и деформаций в массиве почвы оказывается справедливым только в тех случаях, когда размеры массива и размеры площадок, через которые передаются нагрузки на массив, значительно больше размера элементарного объема почвы.

В большинстве случаев эти условия всегда выполняются. Действительно, легко подсчитать, что в 1 см3 песка средней крупности будет содержаться порядка 50 тыс. отдельных частиц. Следовательно, площадки, к которым относятся напряжения и деформации, будут иметь размеры менее 1 см, а образец для испытания почвы, чтобы неоднородности отдельных частиц не влияли на его свойства, может иметь размеры в несколько сантиметров. В то же время при ширине лемеха, например, 30 см точность определения напряжений и деформаций в зоне его взаимодействия с почвой будет достаточна для инженерных расчетов.

Другим важным упрощением реального строения почвы является гипотеза об её изотропности.

В зависимости от решаемой задачи почву можно рассматривать как однокомпонентную, двухкомпонентную и трехкомпонентную среду. Модель двухкомпонентной сре-

234