Файл: Скотников В.А. Основы теории проходимости гусеничных мелиоративных тракторов [учеб. пособие].pdf

ста могут быть разделены на пять основных структур, показан­ ных на рис. 3.35, а. Залежи типа L — это однородные т о водо­ проницаемости торфяные грунты; типа 2 — залежи с аномальнофильтрующим горизонтом (имеются прослойки, жилы). Тип 3— грунты с относительно водоупорными прослойками и тип 4 — залежи со слоями различной водопроницаемости.

К торфяным грунтам типа 1 я 4 относится большинство ни­ зинных торфяных меторождений лесных, древесно-осоковых, древесно-тростниковых и фускум-залежей. Структура 4 харак­ терна для лесотопяных (4") и топяно-лесиых (4') залежей.

По механическим свойствам Л. С. Амарян предложил раз­ делять торфяные грунты на восемь разновидностей, которые до­ пустимо свести к четырем тинам, схематически показанным на рис. 3.35, б. Все четыре типа грунта различаются между собой наличием или отсутствием характерных напластований. Так, ви­ ды 1 и 2 покрыты мощным слоем очеса (пластом малоразложившегося торфа, пронизанного корневой системой наземных рас­ тений). Под слоем очеса на торфяном грунте 1 находится раз­ жиженный слой торфа, не обладающий связностью. Очес на таком грунте работает под действием нормальных нагрузок на растяжение. На грунте 2 под очесом находится связный водонасыщенныи и плотный торф, работающий на сжатие и срез под действием нормальных нагрузок. Тип 3 торфяного грунта не имеет очесного пласта и представляет собой связный влагонасыщенный торф. Тип 4 грунта имеет в своей средней части сла­ бую прослойку, которая может выдавливаться под действием нормальных нагрузок.

Все типы структур (и по Н. В. Чураеву и по Л. С' Амаряну) по глубине разделяются на три слоя: деятельный, срединный и •придонный (с учетом подстилающего минерального основания). Разделение основано на различии в степени разложения и влажности. Деятельный слой во всех видах торфяных грунтов имеет толщину около 0,5 .и,.он однороден по степени разложе­ ния. Срединный слой начинается на глубине 0,5—0,6 м и имеет большую, чем деятельный слой, степень разложения и влаж­ ность. Придонный слой в низинных залежах практически не отличается по свойствам от срединного, а в верховых залежах придонный слой более плотный и менее влагонаеыщен, чем сре­ динный слой.

Характерным для полностью влагонасыщенного деятельного слоя являются высокие коэффициенты фильтрации. По данным К- Е. Иванова, коэффициент фильтрации в деятельном слое различных торфов на глубине от 0—20 мм равен 20—300 см/сек. На глубине 20—50 мм — в пределах 30—40 см/сек и на глубине 50—100 мм — 1—20 см/сек. Однако на расстоянии 0,4—1 м от

138

до 30—50 мм во влагонаеыщенных торфяных грунтах неосушенных болот должна происходить с большой скоростью (практи­ чески мгновенно).

Другая особенность деятельного слоя — его способность деформироваться в вертикальной плоскости без выпора грунта.

структур торфяных грунтов видно, что свойства торфа по глуби­ не не одинаковы и поэтому трудно обосновать модель, общую для торфяных грунтов всех ти­ пов. Однако большинство тор­ фов по водопроницаемости ха­ рактеризуются схемой 1 (рис.

3.35, а), а по механическим свойствам — схемой 3 (рис. 3.35, б). Это обстоятельство позволяет считать, что торфя­ ной грунт большинства неосушенных болот представляет собой однородную торфяную массу, состоящую из двух фаз— грунтовой воды и твердых ча­ стиц торфа — и отвечающую одновременно указанным двум схемам. • Гидромеханическая схема грунтовой массы показа­ на на рис. 3.36. Такое допуще­

ние хотя и сужает многообразие структур торфяных грунтов и упрощает сложность их строения, не учитывает, в частности, проч­ ного дернового покрова, зато позволяет рассматривать торф неосушенн'ого болота как однородную грунтовую массу, к которой применимо дифференциальное уравнение Терцаги — Герсева- •нова. Указанное уравнение характеризует напряженное состоя­

« Y B .

где а — коэффициент скорости передачи напряжений на грун­ товой скелет, см2]сек;

139

е— коэффициент пористости;

йф — коэффициент фильтрации, см/сек;

Y B — удельный вес воды, кГ/см3;

а— «коэффициент уплотнения, см2/кГ.

Равенство (3.15) характеризует изменение напряжений в скелете идеальной грунтовой массы.

Уравнение (3.15) получено при условии, что деформирова­ ние сжимаемого массива происходит только в направлении дей­ ствия внешнего нормального давления. При этом вода, отжимае­ мая из грунтовой массы, может отводиться только вверх.

Опыт исследований болотоходных тракторов и машин по­ казал, что при взаимодействии натурных гусениц с торфом не­ осушенного болота в основном соблюдается указанное условие деформируемости грунта. Например, форма и размеры колеи, оставляемой гусеницами в грунте, наличие воды, покрывающей гусеницы и заполняющей колею, «фонтанчики» воды, бьющие вверх через отверстия в гусеничных башмаках, отсутствие вы­ пора грунта — все это свидетельствует о том, что основная часть деформации грунта и фильтрация воды происходят нор­ мально к поверхности. Таким образом, не только аналогия свой­ ства натурного неосушенного болота и идеальной грунтовой массы, но и характер деформирования этих систем под действи­ ем нормальных давлений позволяют воспользоваться уравнением Терцаги — Герсеванова для характеристики изменения напря­ женного состояния в скелете торфа неосушенного болота.

Уравнение (3.15) получено при условии, что внешнее давле­ ние действует на бесконечно большую площадь поверхности идеальной грунтовой массы (плоская задача). Выше было по­ казано, что при замене натурных гусениц поверхностью беско­ нечно больших размеров для соблюдения подобия необходимо, чтобы нормальное давление на бесконечно большую поверхность изменялось во времени в соответствии с эпюрой нормальных давлений гусениц. Таким образом, и с этой точки зрения приме­ нение уравнения Терцаги — Герсеванова обосновано. Для того чтобы решение уравнения (3.15) было однозначным, определим условия на границах системы.

Одно из главных краевых условий — закономерность изме­ нения внешнего нормального давления на поверхность грунта. В § 3.5 было показано, что нормальные давления, действующие на поверхность торфяного грунта, должны изменяться во вре­ мени в соответствии с теми или иными реальными или прибли­ женными эпюрами нормальных давлений (рис. 3.19, 3.20 и 3.22) в зависимости от конструктивных и эксплуатационных парамет­ ров (рс р ; v, Т; W). Так как любую эпюру нормальных давлений можно аппроксимировать отрезками прямых (линейно-кусочная

140

аппроксимация), то допустимо ограничиться одной или макси­ мум тремя закономерностями изменения нормальных давлений во времени:

<В ряде частных случаев эти закономерности полностью от­ ражают реальные эпюры нормальных давлений гусениц. На­ пример, на рис. 3.37 показаны четыре реальные эпюры, три из которых' с достаточной достоверностью аппроксимированы урав­ нениями (3.16), а четвертая эпюра соответствует уравнению

прямых.

Условимся считать уравнения (3.16) основными, потому что любую эпюру давлений можно изобразить различной совокуп­ ностью прямых, построенных по этим уравнениям.

Второе краевое условие — невозможность фильтрации во­ ды и деформации по нижней границе сжимаемого слоя грунта. Практически такое условие обеспечивается на большинстве бо­ лот, подстилаемых водонепроницаемым твердым основанием.

из выражения

t н

k== m \~дГ (\0(Z'0 dt ) dt'

оо

Такимобразом, математическая модель процесса взаимо­ действия гусениц с торфом неосушенного 'болота может быть представлена следующими уравнениями, связывающими внеш­ нее нормальное давление;, напряжение скелета грунта и его де­ формацию:

142