ХАРАКТЕРИСТИКА ОСНОВНЫХ ВИДОВ ГРУНТОВ

Поверхностями движения для автомобилей высокой проходи­мости являются: автомобильные дороги с твердым покрытием, грунтовые дороги, естественные грунтовые и заснеженные поверх­ности. Пригодность этих поверхностей для движения автомобилей определяется их степенью ровности, деформируемостью и фрик­ционными свойствами. Эффективность использования машин за­висит на сухих неровных поверхностях преимущественно от качества подвески и геометрических параметров проходимости, а на деформируемых и скользких поверхностях — от параметров взаимодействия движителя с грунтом¹,

Для рассмотрения деформационных и фрикционных свойств поверхностей движения их можно подразделить на следующие группы: автомобильные дороги, связные грунты, песчаные грунты, заболоченные грунты, снег.

Автомобильные дороги помимо степени их ровности характе­ризуются фрикционными свойствами, которые обычно оцени­ваются коэффициентом сцепления шин с дорогой. Значения коэф­фициента сцепления определяются состоянием дорожного покры­тия, характеризуемого шероховатостью, степенью загрязнения и увлажнения или обледенения, а также типом шин.

Грунты и снег относятся к дисперсным телам, основным отли­чием которых от тел сплошных является то, что твердые частицы в них не образуют сплошной массы, а занимают лишь часть объема, причем прочность связи между отдельными частицами значительно меньше прочности материала самих частиц. При действии внешней нагрузки в них в первую очередь происходят перемещения и сдвиги отдельных твердых частиц.

Механические свойства грунтов определяются их грануло­метрическим составом (т. е. величиной твердых частиц), влаж­ностью, плотностью и дерновым покровом. Гранулометрический состав — наиболее стабильная характеристика грунта. Он обычно является основой классификации грунтов. Влажность, плотность и дерновый покров в течение года меняются в больших пределах под действием метеорологических условий и деятельности че­ловека.

¹ Здесь и далее для краткости под термином «грунт» понимаются все поверх­ности движения.

Грунты с большим содержанием глинистых частиц называют связными.

Вода, всегда находящаяся в грунтах, обладает неодинаковыми свойствами. При незначительном увлажнении связных грунтов вода распространяется в массе грунта в виде очень тонких пленок или заполняет тончайшие волосяные промежутки между части­цами. В таком состоянии вода характеризуется ничтожной подвиж­ностью, слабой испаряемостью и способствует повышению связ­ности грунта.

С увеличением содержания воды в грунтах заполняются более крупные поры и возрастает толщина водных пленок на частицах грунта. При превышении определенных пределов влажности, характерных для каждого грунта, резко изменяются некоторые свойства грунта. Поэтому состояние связных грунтов характери­зуется степенью их влажности (консистенцией). Влажность грунта обычно выражается как отношение массы воды к массе сухого грунта.

Для характеристики консистенции грунта принято использо­вать пределы текучести и пластичности. Предел текучести соот­ветствует такой влажности, при незначительном превышении кото­рой грунт переходит в текучее состояние. Устойчивость под нагрузкой и связность грунта становятся незначительными. Пре­дел пластичности характеризует собой влажность, при которой грунт из пластичного состояния переходит в твердое. Разность между пределами текучести и пластичности называется числом пластичности. Виды связных грунтов в зависимости от грануло­метрического состава и значения числа пластичности приведены в табл. 1.

Самые неблагоприятные условия для движения автомобилей создаются при влажности грунта выше предела текучести. Такое переувлажненное состояние грунтов характерно для периодов весенней и осенней распутицы и дождей. Глубина переувлажнен­ного слоя в эти периоды достигает больших значений. Весной в конце периода оттаивания она доходит до 30—50 см, осенью в период длительных дождей — до 20—30 см, летом в период кратковременных дождей — до 10 см. Продолжительность весенней и осенней распутицы в лесной зоне около трех месяцев, в степ­ной зоне — до полутора месяцев. Наиболее тяжелые для проезда автомобилей периоды — первые недели после снеготаяния.

Пластичное состояние связных грунтов характерно для весны, осени и дождливого лета, за исключением периодов распутицы. В этом состоянии существенное влияние на механические свойства оказывает дерновый покров и степень разрыхления грунта. На па­хотных поверхностях толщина разрыхленного слоя составляет 20—30 см. В сухом состоянии связные грунты обладают достаточно высокими механическими свойствами.

Средние значения механических показателей связных грунтов в различном их состоянии приведены в табл. 2.

Липкость грунтов увеличивает сопротивление движению. В ли­тературе данных по липкости грунтов очень мало. Липкость принято оценивать по удельной силе, которую необходимо прило­жить для отрыва пластины от грунта.

Величина липкости изменяется в зависимости от грануло­метрического состава, в частности, от содержания глины и гумуса и от влажности.

Экспериментальные данные по липкости грунтов приведены в табл. 3.

Таблица 3

Свойства песчаных (несвязных) грунтов менее зависят от влажности.

С увеличением влажности их сопротивляемость внеш­ним нагрузкам сначала несколько возрастает, а затем, при дости­жении предела текучести, вновь уменьшается. Состояние песча­ных грунтов характеризуется их плотностью, оказывающей наи­большее влияние на механические свойства. Плотность грунта оценивается значениями пористости или объемной массы. В за­висимости от гранулометрического состава песчаные грунты под­разделяются на крупнозернистые, среднезернистые, мелкозерни­стые и пылеватые.

Пески отличаются повышенным по сравнению со связными грунтами углом внутреннего трения <р₀ и почти полным отсутствием внутреннего сцепления с₀. Ориентировочные значения параме­тров, определяющих механические свойства песков, приведены в табл. 4.

Таблица 4

Сыпучие пески в естественном залегании отличаются малой уплотняемостью, так как пористость песка изменяется в основном не от давления, а от степени утряхивания. Поэтому основной вид деформации для них — деформация сдвига. Значения модуля деформации песков большие (Е > 50 кГ/см²). Несущая способность в большей мере, чем у связных грунтов, зависит от размеров вдавливаемого тела (штампа), повышаясь с их увеличением.

Сцепные свойства песчаного грунта определяются углом вну­треннего трения. Самыми низкими сцепными свойствами и несущей способностью характеризуются мелкозернистые пески. Так как коэффициент трения резины по песку больше коэффициента вну­треннего трения песка, то срез грунта обычно происходит не в плоскости контакта штампа с грунтом, а несколько ниже.

Несущая способность и сцепные свойства песка в большей мере, чем для связных грунтов, повышаются при наличии близле­жащего твердого слоя.

Коэффициент внутреннего трения песка зависит от степени уплотнения, несколько увеличиваясь с повышением плотности, и от толщины слоя песка. При большом слое песка срез происходит не по поверхности контакта, а по более глубоким слоям, где уплот­нение меньше.

Избыточно увлажненные участки земной поверхности, покры­тые слоем торфа толщиной не менее 30 см в неосушенном виде и толщиной свыше 20 см в осушенном, называют болотами.

Заболоченными грунтами называют избыточно увлажненные участки, покрытые слоем торфа мощностью менее 30 см в неосу­шенном состоянии или вовсе лишенные его.

Для болот характерны три особенности: избыточное увлажне­ние, обусловливающее недостаток воздуха в почве; образование влаголюбивой растительности; накопление органических веществ, т. е. остатков животных и преимущественно, растительных орга­низмов, образующих слои торфа.

Болота подразделяют на три вида.

1. Сплошные болота, в которых торф располагается непосред­ственно на минеральном дне.

2. Сапропелевые болота — торфяная кора подстилается орга­ническими или полуорганическими илами (сапропелями).

3. Сплавинные болота, в которых торфяная кора плавает на воде.

Болота и заболоченные участки местности занимают значи­тельную территорию всеверной и центральной полосах Европы и Азии. Арктические болота оттаивают на незначительную глубину, обычно не более 40—50 см. Механические свойства их можно сравнить со связными грунтами в период весенней распутицы.

В Восточной и Центральной Сибири болота занимают около 20% площади. В летнее время они оттаивают на глубину 35— 40 см. В Западной Сибири площадь болот еще больше.

Механические свойства заболоченных грунтов определяются прочностью и толщиной дернового слоя.

У сапропелевых болот несущая способность не превосходит 0,2—0,3 кг/см² при мощности торфяной коры менее 2,5 м. При мощности торфяной коры свыше 3,5—4 м сапропель на несущую способность болот практически не влияет.

Сплавинные болота непроходимы при мощности торфяной коры менее 5—6 м.

Основными отличиями торфа от минеральных грунтов при вдавливании штампа являются: очень большое уплотнение вслед­ствие чрезвычайно большой пористости, отсутствие боковых сдвигов, заметное влияние сопротивления торфа срезу по периметру штампа.

В отличие от минеральных грунтов несущая способность торфа не возрастает при увеличе­нии размеров штампа, а наоборот, уменьшается. Это объясняется тем, что у торфа несущая способность определяется сопротивлением тор­фа срезу по периметру штампа. При возрастании диаметра штампа его площадь увеличивается в квад­ратичной зависимости, а пери­метр — в линейной, следовательно, должна уменьшаться несущая спо­собность.

На рис. 1 приведены зависимости несущей способности торфа от отношения периметра штампа к его площади.

Сцепные свойства торфяной поверхности характеризуются, как и у минеральных грунтов, углом внутреннего трения ср₀ и внутренним сцеплением с₀.

Значения параметров, характеризующих механические свой­ства болот, приведены на табл. 5.

Снежная целина представляет большие трудности для движе­ния наземных машин. Возможность движения по снегу опреде­ляется его механическими свойствами и глубиной покрова. Меха­нические свойства снега зависят от его плотности, структуры, температуры, толщины.

Плотностью снега называют отношение объема воды к объему снега, при таянии которого получается этот объем воды. Как показали многочисленные наблюдения, плотность снега зависит от условий погоды, мощности снегопадов, продолжительности и режима зимнего периода. Среднемесячная плотность снега посте­пенно увеличивается от начала до конца зимнего периода. Осо­бенно сильно возрастает плотность снега в начале таяния. В даль­нейшем, при сильном увлажнении снега плотность его умень­шается. При сильных и продолжительных ветрах происходит уплотнение верхних слоев, получивших название ветрового наста.

Средняя плотность свежевыпавшего снега (по Оболенскому) находится в пределах 0,075—0,196 г/см³. Меньшие значения ха­рактерны для низких температур. Плотность осевшего и уплот­ненного ветром снега равна 0,2—0,4 г/см*, а снега укатанной снеж­ной дороги 0,5—0,6 г/см*.

В Заполярных районах плотность многосезонного снега более 0,6 г/см³.

Структура снега изменяется под воздействием ветра, оттепе­лей, жидких осадков, температуры воздуха.

В зависимости от структуры снежинок снег подразделяют на пушистый, метелевый и зернистый. Пушистый снег характери­зуется большими размерами снежинок (5—6 мм) и малой плот­ностью (0,06—0,12 г/см³). В первоначальном виде он сохраняется недолго. Метелевый снег имеет диаметр снежинок 1—2 мм, плот­ность 0,2 г/'см³ и более. По мере таяния он переходит в зернистый. Зернистый снег образуется из пушистого и метелевого в резуль­тате их таяния или перекристаллизации. Он состоит из ледяных зерен диаметром до 3—4 мм, имеет плотность 0,25 г/см* и более. Процессы перехода снега из одного вида в другой необратимы.

Толщина снежного покрова наибольшая в Приуральском, Обь-Енисейском, Камчатско-Чукотском и Приморском районах достигает 200 см. В северо-западной, северо-европейской частях и среднесибирском районе снежный покров колеблется от 40 до 160 см. В центральной полосе европейской части СССР толщина снега составляет 30—100 см\ в Западном, Казахстанском и За­байкальском районах — 30—60 см.

Зависимости деформации снега от нагрузки при вдавливании штампа аналогичны соответствующим зависимостям для грунтов. При увеличении размеров штампа глубина погружения увели­чивается примерно по линейному закону, что характерно для грунтов с малым внутренним трением. Несущая способность снега ввиду небольшой величины угла внутреннего трения очень мало изменяется при изменении ширины штампа.

Зависимость сопротивлений снега сдвигу от нормальной на­грузки в общем случае существенно отличается от линейной (рис. 2). Такая зависимость объясняется сложными физико-химическими процессами, происходящими при деформации снега.

Однако в диапа­зоне нагрузок, характерных для дви­жителей снегоходных машин (среднее давление q = 0,1—0,3 кг/см²), можно с достаточной для практики точностью принять линейную зависимость сопро­тивления сдвигу от нормальной нагрузки и использовать для оценки сцепных свойств снега те же параметры, что и для грунта — коэффициент внутрен­него трения tg ф₀ и внутреннее сцепле­ние c_Q.

Параметры, характеризующие механические свойства снега в зависимости от его плотности и температуры, приведены в табл. 6.

Таблица 6

СОПРОТИВЛЕНИЕ ГРУНТА НОРМАЛЬНЫМ НАГРУЗКАМ

Физическая картина деформации грунта при вдавливании штампа

Для грунтов без близлежащего твердого слоя зависимость деформации h от удельной нормальной нагрузки q (среднего давления) в общем случае приведена на рис. 3.

При относительно малых нагрузках грунт уплотняется, и под штампом образуется упругое уплотненное ядро. Под действием вертикальной статической нагрузки уплотненное ядро перемещается вниз, уплотняя прилегающие слои грунта.

Такому характеру деформации соот­ветствует первый участок рас­сматриваемой зависимости, имеющий форму прямой ли­нии или несколько вогнутой кривой.

Второй участок зависи­мости характеризуется как
уплотнением грунта, так и сдвигом его. На этой стадии нагружения сила сопротивления уплотнению больше силы сопротивления боковому сдвигу грунта. При перемещении уплотненного ядра вниз прилегающие слои грунта раздви­гаются в стороны вследствие деформации сдвига. По мере повы­шения нагрузки деформация сдвига увеличивается, что приводит к прогрессивному росту погружения штампа в грунт.

Третий участок отличается исключительным развитием де­формаций сдвига. Сопротивление грунта боковому сдвигу пол­ностью преодолевается, и штамп резко погружается в грунт без дальнейшего увеличения нагрузки. Это внезапное погружение штампа сопровождается выпиранием грунта сбоку от штампа. Давление q_s, при котором начинается течение грунта, является пределом его несущей способности.

Соотношение первого и второго участков зависит от вида и состояния грунта, а также от размеров штампа. Для песчаных грунтов величина первого участка определяется плотностью грунта. У глинистых грунтов, чем больше влажность, тем раньше (при меньших нагрузках) возникают деформации сдвига.

Влияние размеров штампа на характер рассматриваемой за­висимости двойственно. С одной стороны, чем больше площадь штампа, тем больше глубина распространения напряжений и соответственно больше погружение штампа вследствие уплот­нения грунта. С другой стороны, чем шире штамп, тем больше сопротивление грунта сдвигам.

Математическое выражение зависимости деформации

грунта от нормальной нагрузки

К искомому математическому выражению деформируемости грунтов предъявляются следующие требования: соответствие физическому процессу деформации грунта; независимость пара­метров, характеризующих деформируемость грунта от размеров штампа; пригодность для оценки деформируемости большинства встречающихся грунтов; наличие параметров грунта, по которым накоплены статистические данные; возможность практического использования.

Весьма распространенным математическим выражением де­формации грунта в зависимости от нагрузки является формула Винклера-Герстнера-Бернштейна:

q = Ch , (l)

где С и — параметры грунта.

Параметры и С предполагаются постоянными для данного грунта. В действительности эти параметры изменяются в зави­симости от размеров штампа (см. рис. 4). В этом заключаются основные трудности, связанные с практическим использованием формулы (1).

Формула (1) не может быть использована для выражения зависимости деформации грунта от нагрузки в общем случае, когда нагрузка и размеры штампов изменяются в больших преде­лах. Она может быть применена для выражения функции q = = q (h) лишь в конкретных условиях, при определенных значе­ниях размеров штампа и диапазона нагрузок. Кроме того, следует отметить, что параметры \i и С не имеют физического смысла, а являются эмпирическими константами.

В последние годы сделано много попыток заменить степенную формулу другими более обоснованными теоретически или более простыми для практического использования формулами. Однако эти формулы, как и формула (1), не учитывают влияние размеров штампа на деформируемость грунта. Ниже рассматриваются фор­мулы для деформируемости грунта, в которых учитываются раз­меры штампа.

С. С. Саакян в результате экспериментального исследова­ния деформируемости грунтов, характерных для сельскохозяй­ственных полей, остановился на степенной формуле, в которой вместо абсолютного значения вертикальной деформации грунта берется относительное значение:

q = С _г (2)

где _г = (b — ширина штампа) или _г = (D' — диаметр круга, равновеликого площади штампа).

В формуле (2) влияние размеров штампа на деформацию грунта рассматривается односторонне (учитывается, что при увеличении размеров штампа повышается деформация за счет большей глубины распространения напряжений, но не учиты­вается возрастание несущей способности и уменьшение относи­тельной доли деформаций сдвига). Поэтому пропорциональность деформации грунта диаметру штампа, получаемая по формуле (2), может быть приемлемой только для ограниченного диапазона из­менения размеров штампа

ЛАБОРАТОРНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГРАНИЦ

ПЛАСТИЧНОСТИ ГРУНТА

Цель — изучение методики определения консистен­ции глинистого грунта путем нахождения влажности, соответст­вующей некоторому переходному состоянию этого грунта.

1.1. Теоретические сведения

Принято выделять три основных вида консистенции глини­стого грунта -твердую, пластичную и текучую. При этом пластичным состоянием называется такое состояние грунта, при котором он способен деформироваться под действием внешнего давления без разрыва сплошности и образования трещин и сохра­нять полученную форму после снятия деформирующей силы. Если глинистый грунт не может быть отнесен к пластичной консистенции, его относят (по имеющимся признакам) к твердо­му состоянию или к текучему.

Так как переход грунта из одной консистенции в другую происходит в связи с изменением его влажности, то появляется возможность, искусственно изменяя влажность глинистого грун­та, получить его состояния, соответствующие переходным состо­яниям грунта из пластичного состояния в твердое и из пластич­ного в текучее.

Влажность грунта, соответствующая переходному состоянию из пластичной консистенции в твердую, называется влажностью при границе раскатывания, или нижней границей пластичности, и обозначается W_p.

Влажность грунта, соответствующая переходному состоянию грунта из пластичной консистенции в текучую, называется влаж­ностью при границе текучести и обозначается W_L.

Статистической обработкой большого числа опытов было ус­тановлено, что границы пластичности W_Р и W_L коррелятивно зависят от содержания в грунте глинистых частиц, и, таким образом, эти показатели могут быть использованы для определе­ния этого содержания. Однако более надежная характеристика содержания в грунте глинистых частиц — не сами значения

показателей границ пластичности, а их разность, или так назы­ваемый индекс (число) пластичности

J_p=W_L-W_p. (1.1)

Значение индекса пластичности J_p является также основной характеристикой, по которой различают классы песчаных и глинистых грунтов. Так как для песчаного грунта границы пластичности W_L и W_P практически определить нельзя, то уста­новлено, что к песчаным грунтам относятся грунты с числом пластичности J_Р < 0,01, а к глинистым — с J_р 0,01.

Сопоставляя естественную влажность грунта со значениями влажности границ пластичности грунта W_L и W_P , можно опреде­лить состояние или консистенцию грунта. Для этого служит показатель (индекс) консистенции

1.2. Определение границы текучести (верхнего предела пластичности) грунта

Влажность грунта на границе текучести W рассчитывают в результате опыта, применяя стандартный балансирный конус (см. рисунок), глубина погружения которого в исследуемый образец грунта позволяет определить, соответствует ли состояние грунта переходу из пластичного состояния в текучее.

Балансирный конус состоит из собственно конуса (высота конуса 25 мм, угол при вершине 30°), изготовляемого из нержа­веющей стали, и коромысла с двумя балансирными шариками, которые обеспечивают вертикальность погружения конуса в грунт. Полная масса балансирного конуса 76 г. На конусе на расстоянии 10 мм от вершины имеется кольцевая риска.

В комплект прибора входит также металлическая чашка, в которую помещается проба грунта.

Порядок выполнения эксперимента:

1, Образец грунта, высушенный на воздухе, растереть в ступке резиновым пестиком и просеять через сито с диаметром отверстия 0,5 мм.

2, Пробу грунта массой 40...50 г поместить в фарфоровую чашку и увлажнять дистиллированной водой до тех пор, пока после тщательного размешивания грунта с водой не получится чистое тесто.

3, Подготовленное грунтовое тесто переложить в металличе­скую чашку прибора, поверхность грунта аккуратно срезать вровень с ее краями.

Балансирный конус:

1 - подставка; 2 - грунт в металлической чашке; 3 - стандартный конус; 4 - контрольная риска

4. Острие конуса привести в соприкосновение с поверхностью грунта в чашке прибора, затем конус отпустить, чтобы он мог свободно погружаться в грунт. В зависимости от положения контрольной круговой риски на конусе относительно поверхности грунта в чашке прибора возможны следующие случаи;

а) конус погрузится в грунт в металлической чашке прибора точно до круговой риски на конусе (на глубину 10 мм) —
влажность образца грунта точно соответствует его влажности на границе текучести;

б) риска на конусе находится над поверхностью образца в чашке прибора — влажность грунта менее влажности границы текучести исследуемого грунта?

в) риска на конусе уйдет под поверхность грунта в чашке прибора — грунт переувлажнён.

В случае (б) грунт в чашке прибора дополнительно увлажнить и операцию 4 повторять до тех пор, пока конус не погрузится точно на глубину 10 мм, т.е. будет выполнено условие (а).

В случае (в) грунт или подсушить, или к тесту в чашке прибора добавить некоторое количество сухого испытываемого грунта. Тесто вновь перемешать, после выдержки его в эксика­торе повторять операцию 4 до тех пор» пока не будет выполнено условие (а).

5. После того, как будет выполнено условие (а), т.е. балансирный конус погрузится в грунт, находящийся в чашке прибора, на глубину 10 мм, из чашки отобрать пробу грунта и определить влажность взятой пробы.

1.8. Определение влажности грунта

Влажностью грунта называется отношение массы воды, содер­жащейся в порах грунта, к массе самих частиц грунта исследуе­мого образца. Пределы значений влажности у различных грунтов очень широки.

Определить влажность грунта можно, высушив грунт естест­венной влажности в сушильном шкафу-термостате при темпера­туре 105°С. Это является показателем полного удаления воды из исследуемого образца грунта.

Высушивание грунта до достоянной массы контролируется-повторным взвешиванием сохнущего образца грунта.

Время его первого и повторного взвешивания зависят от вида грунта.

Если оба веса после первого и повторного взвешивания совпа­дут, грунт считается высушенным, если не совпадут, груше подвергают повторному высушиванию.

Порядок выполнения эксперимента:

1.На технических весах взвесить пустой бюкс с крышкой.
Полученную массу обозначить величиной Q₀.

2.Образец влажного грунта с массой не менее 10 г поместить в бюкс, определить массу бюкса с влажным грунтом. Полученное значение Q₁. записать в журнал.

3.Грунт в бюксе с открытой крышкой поместить в термостат и сушить при температуре 105°С. Полученные значения массы высушенного грунта Q₂ записать в журнал опыта.

Влажность грунта в соответствии с определением может быть выражена

Значение массы воды в образце грунта вычисляется как разность

Q_W =Q₁ – Q₂ , а массы частиц грунта – как разность Q_S = Q₂ – Q₀ .

Тогда

Описанная методика пригодна как для определения естествен­ной влажности грунта, так и влажности, соответствующей тому или иному состоянию грунта.

Окончательно по результатам экспериментов (см.разд. 1.2 и 1.3) влажность грунта при границе текучести рассчитывается как