Фізико-механічні властивості ґрунтів

Ґрунт – верхній родючий шар суходолу земної кори. Ґрунт не є однорідною масою, це трифазне дисперсне середовище, яке складається із рідких твердих і газоподібних частин, що перемішені між собою.

Тверда фаза ґрунту – це його скелет, який включає кам’янисті включення (частинки > 1мм) і дрібнозем (частинки до 1 мм).

Кам’янистість ґрунту – це відношення маси „скелету” до маси дрібнозему у відсотках.

Рідка фаза – це вода або розчини різноманітних речовин у ній.

Газоподібна фаза – це повітря або гази (аміак, метан). Гази можуть бути герметично закупорені або вільно з’єднуватись із атмосферою.

Механічний (гранулометричний) склад ґрунту визначають за результатами аналізу дрібнозему, який поділяють на „фізичний пісок” (частинки більше 0,01 мм) та „фізичну глину„ (частинки менші 0,01 мм).

Залежно від співвідношення вмісту цих двох розмірних фракцій ґрунти поділяються на:

1. глинисті – 50% „фізичної глини”;
2. суглинисті – 20-50% „фізичної глини”;
3. супіщані – 10-20% „фізичної глини”;
4. піщані – менше 10% „фізичної глини”;

Ґрунти із великим вмістом глинистих частинок відносять до важких, а ґрунти із великим вмістом піщаних частинок до легких.

Ґрунт може бути структурованим і безструктурним. У структурованого тверді елементи об’єднані в агрегати, які пронизані капілярами, а між агрегатами є гравітаційні проміжки. У безструктурного ґрунту тверді елементи залягають суцільною масою.

Для проектування робочих органів ґрунтообробних знарядь та рушійних систем машин необхідно знати фізико-механічні характеристики (властивості) ґрунту. Існує велика кількість фізико-механічних властивостей якими характеризують матеріали, але для ґрунту використовують лише певні з них. Основними є такі характеристики.

Вологість ґрунту – визначається кількістю води, яка наявна у ній.

У ґрунті розрізняють хімічно зв’язану, кристалічну, сорбційну, пароподібну і вільну вологу.

Розрізняють абсолютну вологість:

= ·100%, (1.1)

де - маса вологого ґрунту, г;

- маса сухого ґрунту, г.

та відносну:

= ·100%, (1.2)

де - польова вологомісткість ґрунту.

Щільність ґрунту:

, (1.3)

де - маса твердої фази ґрунту, кг;

- об’єм який займає тверда фаза ґрунту, м³.

Шпаруватість ґрунту – це відношення об’єму пустот (пор) в ґрунті до загального його об’єму:

·100%, (1.4)

де - сумарний об’єм пор, м³;

- об’єм ґрунту у природному стані, м³.

Серед усієї сукупності фізико-механічних властивостей ґрунту виділяють технологічні, тобто ту частину фізико-механічних властивостей, які суттєво впливають на закономірності та характеристики технологічних процесів його механічного обробітку. До них належать наступні.

Гігроскопічність – це здатність ґрунту поглинати вологу із повітря.

Коефіцієнт зовнішнього тертя визначають за формулою:

, (1.5)

де - максимальна сила тертя, яка виникає при ковзанні ґрунту поверхнею іншого тіла, Н;

- нормальне навантаження, Н.

, (1.6)

де - кут зовнішнього тертя ґрунту.

Кут природного відкосу – це кут між твірною корнусу вільно насипаного матеріалу і горизонтальною поверхнею. Він може формуватись насипанням або обваленням.

Абразивність – проявляється у спрацюванні поверхні робочих органів сільськогосподарських машин.

Встановлено, що спрацювання лемеша плуга при оранці 1 гектару складає: на глинистих та суглинистих ґрунтах 2...30 г., на супісчаних та пісчаних 30...100 г.

Твердість – характеризується опором ґрунту зминанню, тобто некомпресійному стискуванню. Для визначення даного показника використовують прилад твердомір (рис. 1.1, а). Даний показник розраховується за формулою:

, (1.7)

де - середня ордината діаграми на вибраній глибині, м (рис.1.1, б);

- жорсткість пружини твердоміра, Н/м;

- площа деформатора, м².

Рис. 1.1. Схема роботи твердоміра (а) і діаграма функції F=f(l) (б): 1 – штанга; 2 – пружина; 3 – рукоятка; 4 – деформатор (плунжер)

Липкість ґрунту – це здатність його частинок прилипати до різних поверхонь. Силу , необхідну для переборення опору прилипання можна визначити за формулою:

, (1.8)

де - дотичне зусилля, яке діє за відсутності нормального тиску, Н;

- площа контакту, м²;

- сила нормального тиску, Н;

- коефіцієнт, який враховує інтенсивність дій питомих дотичних сил присипання, що викликані нормальним тиском.

Зв’язність (рухомість) – це здатність ґрунтових частин чинити опір зсуву одна відносно іншої і оцінюється зусиллям зсуву.

, (1.9)

де - граничне зсуваючи (дотичне) напруження, Па;

- початкове зусилля опору зсуву, Па;

- нормальне зусилля, Па;

- кут внутрішнього тертя.

Задернілість ґрунту – це явище з’єднання окремих агрегатів ґрунту численним корінням рослин, яке надає їм зв’язності та пружності.

Здатність до утворення склепіння - явище утворення склепінь з ґрунтових частинок над випускним каналом пристрою з якого вони виводяться. Цей параметр характеризується таким показником, як граничний отвір утворення склепіння.

Пластичність – це здатність ґрунту деформуватись під дією зовнішніх сил, змінюючи свою форму без розпадання на окремі частинки і зберігати цю деформацію після припинення дії зовнішніх сил. Вона характеризується числом пластичності :

= , (1.10)

де - верхня межа пластичності, що являє собою вологість ґрунту, при якій він розпливається при найменших навантаженнях, %;

- нижня межа пластичності, тобто вологість при якій ґрунт, що розкочують у стержень діаметром 3 мм, починає кришитись, %.

Пружність – здатність відновлювати свою форму після зняття навантаження (протилежність пластичності).

В’язкість – здатність повільно деформуватись не тільки залежно від прикладеного навантаження.

Крихкість – деформація, яка не залежить від часу прикладання навантаження.

На стан, властивості і в кінцевому результаті на якість обробітку ґрунту впливає механічний склад, вологість і задернілість ґрунту. Оскільки залежно від вологості ґрунти різного механічного складу можуть мати різну консистенцію: бути твердими, пластичними або текучими. В різний час року ґрунт неоднаково зволожений, а отже має різну консистенцію.

Вплив механічного складу і вологості на консистенцію ґрунту зручно спостерігати за діаграмою Петрова Г.Д. (рис.1.2.).

Рис. 1.2. Діаграма стану ґрунту залежно від вмісту фізичної глини Г і вологості W

На діаграмі криві СЕ і СД відповідно верхня та нижня межа пластичності. Ці криві розділяють площу діаграми на 3 зони:

І – тверда (спостерігається крихке руйнування ґрунту).

ІІ – пластична (тістоподібна маса, яка налипає на робочі органи).

ІІІ – текуча (ґрунт перебуває у вигляді текучої безформенної маси).

Зону І можна розділити на підзони І₁, І₂ і І₃, які суттєво відрізняються технологічними властивостями при механізованому обробітку. Лівий нижній кут підзони І₁ відповідає сухому сипкому піску. При переміщенні вправо і вгору в межах підзони пісок переходить у супісок і легкий суглинок, вологість якого підвищується. У правому нижньому куті підзони І₃ знаходиться тверда суха глина. При русі вліво сухий суглинистий ґрунт, який з точки зору механічного обробітку є важким. У лівому верхньому куті підзони І₂ знаходиться ґрунт найбільш сприятливий для механізованого обробітку.

Суттєвий вплив на якість обробітку ґрунту має задернілість ґрунту.

Діаграма розтягу зразки задернілого ґрунту (рис. 1.3, а) має три характерних зони: І – деформація зростає пропорційно навантаженню, ІІ – деформація зростає без зростання нормального напруження , ІІІ – напруження зростає до значення - межі міцності і різко зменшується внаслідок руйнування зразка.

а б

Рис. 1.3. Залежності нормального напруження розтягу s зв’язного задернілого ґрунту від його деформації Δl (а) та граничних деформацій ґрунту Δl від ступеня його задернілості С_зад (б)

Властивості міцності ґрунту залежно від ступеня його задернілості можна відобразити кривими, зображеними на рис. 1.3, б, де криві: 1 – межа міцності; 2 – межа пружності. Тому зони: А – зона пружних деформацій; С – зона руйнування. Пружні деформації виникають основним чином через випрямлення та розтягування коріння рослин. Пластичні – через деформацію злипання ґрунту. Оскільки, найбільш високоякісним та найменш енергоємним способом основного обробітку зв’язного задернілого ґрунту є повертання скиби суцільного безперервною стрічкою, то його деформації не повинні виходити за межі зон А та В. У випадку розриву скиби на шматки, у процесі перевертання, відбуватиметься хаотичне вкладання залишків рослин.