Дія силових факторів на масив ґрунту

Стискуваність ґрунтів – властивість, що полягає у здатності ґрунтів змінювати свою будову (розташування твердих частинок) під впливом зовнішніх дій (стискуючого навантаження, висихання, коагуляції колоїдів) на більш компактну за рахунок зменшення шпаруватості ґрунту (рис. 1.9).

а б в г

Рис. 1.9. Моделі розміщення частинок ґрунту: 1 – тверді частинки ґрунту; 2 – водно-колоїдна оболонка

Зменшення шпаруватості ґрунтів при більш компактному вкладанні частинок відбувається як унаслідок виникнення місцевих зсувів частинок і зісковзування більш дрібних частинок у пори ґрунту, так і внаслідок зміни товщини водно-колоїдних оболонок мінеральних частинок під впливом збільшення тиску чи висихання.

Зміни об’єму пор дисперсних ґрунтів при висиханні (у процесі зневоднення дифузних оболонок і збільшення капілярного стискування), а також в результаті повільних фізико-хімічних процесів (наприклад старіння колоїдів) враховують лише в окремих виключних випадках, і основним процесом зміни об’єму ґрунтів є ущільнення їх під навантаженням.

Необхідно розрізняти ущільнення ґрунтів при короткотерміновій дії динамічного навантаження і постійного статичного навантаження. У першому випадку відбувається некомпресійний стиск ґрунту, тобто зусилля передаються не лише тій частині ґрунту, яка знаходиться безпосередньо під деформатором, а і оточуючим шарам.

У другому випадку, за певних допущень, можна рахувати, що відбувається компресійний стиск ґрунту. Оскільки масив ґрунту, що знаходиться поза зоною дії деформатора виконує роль стінок.

У теорії ґрунтообробних знарядь значно ширшого використання набули закономірності некомпресійного стиску. Такі закономірності отримують за допомогою твердоміра (рис. 1.1)

Закономірність некомпресійного стиску ґрунту апроксимують двома відрізками ОА і АВ, які характеризують 2 фази деформації ґрунту. Протягом першої фази (ділянки ОА) відбувається ущільнення ґрунту під плунжером, внаслідок чого зусилля В зростає пропорційно лінійній деформації (фаза ущільнення).

Рис. 1.10. Форма жорсткого ядра 1 в сипкому матеріалі при вдавлюванні штампа 2 (за дослідами Ж. Біареза)

Початок другої фази характеризується невеликою перехідною ділянкою, протягом якої під плунжером утворюється твердий конусоподібний наріст із дуже ущільненого ґрунту (жорсткого ущільненого ядра), який служить у подальшому свого роду продовженням плунжера (рис. 1.10). У другій фазі по лінії АВ ґрунт деформується твердим (жорстким) конусоподібним ядром, який розколює його, зсуваючи в боки.

Кінець фази ущільнення і початок утворення зон зсувів, виникають спочатку біля країв плунжера, де зсуваючі наванта-ження найбільші (рис. 1.11, а).

Рис. 1.11. Схема завершення фази ущільнення – початку фази зсувів (а), та ліній ковзання і ущільненого ядра при повному розвитку зон граничної рівноваги (б)

При подальшому зростанні навантаження продовжується друга фаза – фаза зсувів, яка переходить (залежно від граничних умов і величини навантаження) в пластичне течіння, випирання, просадку (рис. 1.11, б).

У даній фазі на кожен ґрунтовий агрегат або елемент, що розташований у площині зсуву діє сила , яка являє собою рівнодіючу нормального тиску і сили тертя (рис. 1.12). В результаті ґрунт зсувається в напрямку діючої на них сили , яка відхилена від нормалі до твірної ядра ущільнення на кут . При цьому формуються все нові і нові поверхні зсувів, на яких діють граничні значення зсуваючого зусилля.

Рис.1.12. Дія плунжера на ґрунт у фазі зсуву

Цю фазу називають також фазою зсувів. Відповідний їй максимальний тиск називають межею несучої здатності:

. (1.27)

Деформації ґрунтів у першій фазі (фазі зсувів), як правило, не затухаючі і є результатом ряду ковзань, що слідують одне за одним, які можуть відбуватись як у функції навантаження, так і у функції часу його дії.

Явище утворення площин ковзання на межі ядра ущільнення має місце у випадку, коли значення ефективних напружень стають більшими значень внутрішніх зв’язків між частинками ґрунту і виникає ковзання одних частинок чи агрегатів поверхнею інших.

Внутрішнім опором переміщенню (зсуву) частинок в ідеально сипких середовищах, до яких можна віднести чисті піски, буде лише тертя, яке виникає в точках контакту частинок. В ідеально зв’язних ґрунтах (в’язні дисперсні глини) переміщення частинок будуть чинити опір тільки внутрішні структурні зв’язки.

Під силами зчеплення розуміють опір структурних зв’язків будь-якому переміщенню частинок, які утримуються ним, незалежно від зовнішнього тиску.

Показники опору зсуву – це основні міцнісні показники опору тим зовнішнім силам, які для ґрунтів залежать від тиску і умов в точках контакту частинок.

Характеристики усіх технологічних процесів механізованого обробітку ґрунту залежать від геометричної форми робочого органу. За В.П. Горячкіним, клин – єдино можлива форма робочого органу ґрунтообробного знаряддя. Тому, дію на ґрунт робочих органів ґрунтообробної машини можна представити як сукупність дискретних дій клинів різної форми.

Застосування клина для обробітку ґрунту пояснюється тим, що прикладаючи до нього незначну силу, можна розвинути велику, нормальну силу тиску робочої поверхні на скибу (мал. 1.13). Оскільки

. (1.29)

Причому, чим менше значення кута , тим більше значення реакції у порівнянні із силою .

Рис. 1.13. Схема взаємодії пласта і клина

Під дією нормальної сили і поверхні клина відбувається деформація ґрунту, характер якої залежить від технологічних властивостей ґрунту та кута .

У випадку взаємодії клина з сипкими (піщаними) ґрунтами наявний основний вид деформації – зсув. При переміщенні клина з положення І в положення ІІ частинки ґрунту а і б послідовно втискуються у деформовану масу, ущільнюються і утворюють масив площини ковзання по лінії ОА та відбувається переміщення масиву по поверхні клина вгору (рис. 1.14).

Рис.1.14. Взаємодія клина із сипким ґрунтом

У випадку взаємодії із в’язко-сипким ґрунтом (задернілі та вологі суглинисті ґрунти) наявні два види деформації зсув та згин. При цьому утворюються в масиві тріщини, які не доходять до поверхні і скиба не розділяється на окремі елементи, а ковзає поверхнею клина вгору (рис. 1.15, а).

Рис.1.15. Взаємодія клина із в’язко-сипким (а) та твердим пересохлим (б) ґрунтами

У випадку взаємодії клина із твердим та пересохлим ґрунтом наявні крихкі деформації, що призводять до поширення площини зколювання нижче від дна борозни, а скиба набуває неправильної форми (рис.1.15, б).

У тримірному просторі можна побудувати три різних види елементарного плоского клина, кожен з яких матиме різні технологічні властивості (рис. 1.16).

г в б а

Рис.1.16. Різновиди плоских клинів

Клин АВСДЕF має робочу грань АВСД і опорну ЕFВС (рис.1.16, а). Ребро ВС підрізає скибу в горизонтальній площині, а робоча грань підіймає її і кришить. Чим більший кут , тим значніше подрібнення, тому кут називають кутом подрібнення.

Другий елементарний клин А₁В₁С₁Д₁Е₁F₁ (рис. 1.16, б) має робочу грань А₁В₁С₁Д₁ і опорну А₁В₁С₁Д₁F₁Е₁. Ребро А₁В₁ відрізає скибу у вертикальній площині під дією робочої грані скиба зсувається в бік і одночасно згинається в горизонтальній площині. Отже, клин з кутом зсуває скибу вбік відкритої борозни і називається кутом зсуву.

Третій елементарний клин А₂В₂С₂Д₂Е₂F₂ (рис. 1.16, в) має робочу грань А₂В₂С₂Д₂ і опорну С₂Д₂Е₂F₂. Дана робоча грань нахиляє скибу у поперечній площині. Для повного повороту скиби необхідно мати безліч послідовно розміщених клинів зі змінним кутом . Отже кут характеризує перевертаючи здатність робочої поверхні.

Оскільки недоцільно створювати знаряддя із трьох послідовно діючими клинами, а існує більш складний клин АВС, що поєднує всі перераховані технологічні властивості. Його можна отримати перенесенням у початок координат усіх трьох двогранних клинів і накладанням один на одного (рис. 1.16, д).

Якщо робочу грань А₁В₁С₁ з кутом , перетнути робочою гранню А₂В₂С₂ із кутом > , а А₂В₂С₂ з кутом , перетнути робочою гранню А₁В₁С₁ із кутом > , і так далі, то отримаємо ламану поверхню, яка складається з плоских граней у яких збільшується кут подрібнення (рис. 1.17, а).

Обмеживши робочу поверхню останнього клина лінією, а також подовживши площини робочих граней в бік сусіднього квадранту і обмеживши їх борозенним обрізом одержимо ламану поверхню корпусу плуга (рис. 1.17, б). При нескінченно великій кількості таких клинів, що перетинаються, одержимо увігнуту робочу поверхню. В даному випадку отримаємо циліндричну поверхню.

Таким чином, поверхня плоского косого тригранного клина залежно від розгортування того ж чи іншого кута дозволяє отримувати різні за типом робочі поверхні ґрунтообробних знарядь.

а б

Рис.1.17. Схема розвитку косого тригранного клина в циліндричну робочу поверхню