7.2. Характеристики опорной поверхности

Под действием нормальной нагрузки на колеса автомобиля происходит деформация грунта. Параметры образующейся колеи при этом зависят от характеристик колес и грунта.

По гранулометрическому составу грунты классифицируются на: крупнобломочные, в которых частицы грунта размером более 2 мм; песчаные и глинистые грунты. По составу различаются минеральные грунты и грунты органического происхождения. Минеральные грунты разделяются по различным признакам. В основу такого деления положены размеры и соотношение частиц двух фракций: глинистой и песчаной. В зависимости от относительного содержания глинистых и песчаных фракций минеральные грунты делятся на глины (содержание глинистых частиц по массе более 30 %), суглинистые грунты – (10 - 30 %), супесчаные (3…10 %) и песчаные (менее 3 %).

Принято считать сыпучими песчаные и супесчаные грунты, а также снег сухой, а связанными - суглинистые, тяжелые суглинистые и глинистые.

Грунты, состоящие из отложений частиц органического вещества, занимают особое место. К ним относятся различные виды торфяно-болотных и илистых грунтов, которые различаются по влажности, составу и происхождению.

В зависимости от влажности грунт может находиться в трех состояниях: твердом, пластичном и текучем. Самые неблагоприятные условия для движения автомобилей создаются при текучем состоянии грунта. Такое переувлажненное состояние характерно для весенней и осенней распутицы и в периоды сильных дождей.

Свойства песчаных (несвязных) грунтов в меньшей степени зависят от влажности. С увеличением влажности их сопротивляемость внешним нагрузкам несколько возрастает, а затем при достижении предела текучести вновь уменьшается. Состояние песчаных грунтов характеризуется их плотностью, оказывающей наибольшее влияние на механические свойства.

Сопротивление грунта сдвигу определяется силами сцепления частиц, обусловленными молекулярным и капиллярным взаимодействием воды, и силами трения между частицами. Силы сцепления частиц зависят от влажности грунта и практически не зависят от давления, а силы трения обусловлены сцеплением частиц между собой и могут возникать только при наличии внешней нагрузки.

Сопротивление сдвигу зависит от гранулометрического состава и влажности грунта. Так, для песков сопротивление сдвигу практически определяется только внутренним трением, поэтому оно пропорционально давлению. Для глин, наоборот, сопротивление сдвигу в основном определяется сцеплением, которое резко уменьшается с увеличением их влажности.

На опорно-тяговую проходимость влияют также физические свойства деформируемой поверхности движения, оцениваемые рядом параметров. Основные из них: влажность , где т_в – масса воды, находящейся в грунте; т_с – масса сухого вещества в грунте. Предел текучести оценивается в зависимости от влажности, при которой стандартный конус за 5с под действием собственного веса погружается на глубину 10 мм. Определяется также предел пластичности в зависимости от влажности, при которой образец грунта раскатывается в шнур диаметром 3 мм без разрушения на куски. На опорно-тяговую проходимость влияет текучесть грунта, которая характеризуется силой, необходимой для отрыва прилипшей к грунту пластины, отнесенной к единице площади; и плотность грунта , где m_г и V_г – соответственно масса и объем грунта.

Механические свойства деформируемой поверхности характеризуются нормальной деформируемостью грунта под действием силы тяжести и касательной деформируемостью грунта под действием продольных сил. В наибольшей степени проходимость автомобилей зависит от сопротивления сжатию, а также сдвигу и срезу.

Сопротивления грунта сжатию определяют экспериментально путем вдавливания в грунт специальных штампов. При этом измеряют нагруку, приходяуюся на штамп, и глубину погружения (осадку). Условно зависимость глубины погружения разбивают на три участка: сжатие; уплотнение, сдвиг с вытеснением грунта.

Предложена эмпирическая зависимость между давлением на грунт и глубиной погружения

, (7.1)

где с_г,  - экспериментальные коэффициенты, зависящиеот состава грунта, его влажности.

Поскольку для уточнения зависимости (7.1) используют плиты - штампы, полученная экспериментально эмпирическая зависимость имеет следующий вид:

,

где в – ширина штампа; к₁, к₂,  - экспериментальные коэффициенты, характеризующие грунт.

Для установления связи между давлением и глубиной вдаливания предложена следующая зависимость:

(7.2)

где - несущая способность грунта, соответствующая пределу текучести ; к₀ – коэффициент объемного смятия грунта, численно равный тангенсу угла наклона касательной к кривой деформации грунта в начале координат.

Несущая способность глинистых грунтов в зависимости от влажности может изменяться в пределах 0,01…1 МПа, а у песчаных – 0,03…0,1 МПа.

Деформация грунта под действием продольной силы характеризуется сопротивлением сдвигу. Расчетная схема для определения сопротивление сдвигу грунта представлена на рис. 7.1.

К штампу, нагруженному нормальной силой Р_Z, прикладывается продольная сила Р_х. В общем случае для сдвига грунта необходимо преодолеть сопротивление сил внутреннего сцепления и трения между частицами грунта.

а б

Рис. 7.1 Определение сопротивления сдвигу грунта: а- схема для оценки сопротивления грунта сдвигу; б – зависимость продольной силы от расстояния сдвига

Из равенства сил вправе записать

, (7.3)

где - сила внутреннего сцепления между частицами грунта; - сила внутреннего трения между частицами грунта.

Сила внутреннего сцепления между частицами грунта определяется по формуле

,

где С₀ – коэффициент внутреннего сцепления между частицами; А – площадь сдвига.

Сила трения между частицами грунта равна

,

где - коэффициент внутреннего трения между частицами грунта; Р_z –нормальная сила, действующая на штамп.

Принято выражать коэффициент внутреннего трения между частицами грунта через угол внутреннего тренияφ₀

,

После подстановки полученных значений сил трения и сцепления в уравнение (7.3) имеем

. (7.4)

Разделив на площадь сдвига А правую и левую части уравнения (7.4), получим зависимость для определения сопротивление сдвигу грунта под действием продольных сил

, (7.5)

где - сопротивление сдвигу грунта, численно равное силе, необходимой для сдвига единице площади грунта; р_г.- давление на грунт.

В качестве примера в табл. 7.1 приведены экспериментальные значения коэффициента внутреннего сцепления и угла трения для трех деформируемых поверхностей.

Таблица 7.1