Физика грунтов и опорная проходимость колесных транспортных средств : в 2 ч. Ч. 1 : Физика грунтов

Московский государственный технический университет 
имени Н.Э. Баумана 

 
 
 
 
 

 
 
В.В. Ларин  
 
 
ФИЗИКА ГРУНТОВ  
И ОПОРНАЯ ПРОХОДИМОСТЬ 
КОЛЕСНЫХ ТРАНСПОРТНЫХ 
СРЕДСТВ 

Часть 1 
Физика грунтов 
 
 
Допущено УМО вузов РФ по образованию в области 
транспортных машин и транспортно-технологических комплексов 
в качестве учебного пособия для студентов вузов, обучающихся 
по специальности «Автомобиле- и тракторостроение»  
 
 
 
 
 
 
 

 
Москва 
2014 

УДК 629.1.073:624.131 
ББК 39.33-01 
 
Л25 

Издание доступно в электронном виде на портале ebook.bmstu.ru 
по адресу: http://ebooks.bmstu.ru/catalog/124/book87.html 

Факультет «Специальное машиностроение» 
Кафедра «Колесные машины» 

Р е ц е н з е н т ы: 
д-р техн. наук, профессор В.Н. Наумов, 
д-р техн. наук, профессор Н.С. Вольская 

Ларин В. В. 
Л25   
Физика грунтов и опорная проходимость колесных 
транспортных средств : учеб. пособие : в 2 ч. / В. В. Ларин. — 
М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2014.  
ISBN 978-5-7038-3975-1 
Ч. 1 : Физика грунтов. ― 107, [1] с. : ил. 
ISBN 978-5-7038-3863-1  
Рассмотрены теоретические основы механики грунтов и опорной проходимости колесных транспортных средств (ТС). В первой 
части представлены фундаментальные законы механики грунтов и 
приближенные методы оценки деформируемости опорных поверхностей (ОП), используемые при оценке опорной проходимости ТС, 
а также параметры деформируемых ОП.  
Содержание пособия соответствует программам и курсам лекций, которые автор читает в МГТУ им. Н.Э. Баумана. 
Для студентов вузов и университетов машиностроительного 
профиля, обучающихся по специальности «Автомобиле- и тракторостроение». Может быть полезно аспирантам, преподавателям и 
работникам промышленных предприятий. 
 
 
УДК 629.1.073:624.131 
 
ББК 39.33-01 
 
 
 

ISBN 978-5-7038-3863-1 (ч. 1) 
© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014 
ISBN 978-5-7038-3975-1 
© Оформление. Издательство 
 
 
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

На эффективность движения транспортных средств (ТС) по 
местности определяющее влияние оказывают физико-механические свойства опорной поверхности (ОП) и характеристики движителя самого ТС. 
Для оценки эффективности движения ТС необходимо знать независимые от его конструктивных особенностей параметры, характеризующие физические и механические свойства ОП, а также 
законы взаимодействия движителя ТС с ОП. 
Большое значение для ТС имеют все типы образований, расположенных на поверхности Земли. Поэтому в дальнейшем будем 
говорить о деформируемых опорных поверхностях (ДОП), подразумевая под этим понятием все материальные образования на поверхности Земли: песчаные и глинистые грунты, торф, снег и т. д. 
В понятие грунта входит и почва, под которой понимают верхний 
слой земли, содержащий обломки горных пород, остатки растительных и животных организмов. 
Механика грунтов — механика природных дисперсных (мелкораздробленных) тел. Она является составной частью общей геомеханики, в которую как составные части входят: 
• глобальная и региональная геодинамика; 
• механика массивно-кристаллических горных пород;  
• механика рыхлых горных пород (природных грунтов); 
• механика органических и органоминеральных масс (илов, 
торфов и пр.). 
Грунтами называют все рыхлые горные породы коры выветривания каменной оболочки Земли. 
Характерной особенностью грунтов является их раздробленность, дисперсность. Верхний слой природных грунтов, измененный совместным действием климата, воды, газов, растительных и 
животных организмов и обогащенный гумусом, представляет особое структурное органоминеральное образование — почву. 

Существенное значение для оценки грунтов имеет мощность 
(толщина) слоя грунта, залегающего на твердом основании.  
В механике грунтов в основном изучают минеральные грунты — природные дисперсные материалы. В отдельных случаях 
рассматривают органоминеральные образования. 
Первой фундаментальной работой по механике грунтов принято считать исследование французского инженера и физика Ш. Кулона по теории сыпучих тел (1773). Другой основополагающей 
работой является труд французского ученого Ж. Буссинеска 
«О распределении напряжений в упругой почве от сосредоточенной силы» (1885). В учебниках по механике грунтов часто ссылаются на фундаментальную работу немецкого ученого К. Терцаги 
«Теоретическая механика грунтов» (1943).  
Среди советских ученых, внесших существенный вклад в развитие механики грунтов, можно назвать Н.П. Пузыревского (1923), 
Н.В. Павловского (1923), Н.М. Герсеванова (1933), В.А. Флорина 
(1938), В.В. Соколовского (1942), В.Г. Березанцева (1948) и многих других. В СССР первым учебным изданием по механике грунтов был курс лекций Н.А. Цытовича «Основы механики грунтов» 
(1934). Наиболее популярными учебниками по механике грунтов 
являются труды Н.А. Цытовича, Н.Н. Маслова, М.Н. Гольштейна, 
С.С. Вялова, И.И. Черкасова. 
Механические свойства ДОП изучают строители, дорожники, 
автомобилисты, специалисты по механизации сельского хозяйства 
и представители других областей, связанных с разработкой и эксплуатацией безрельсовых ТС. В каждой из этих областей предложено большое число классификаций ДОП [13]. Существуют различные методики оценки механических свойств ДОП. Наиболее 
фундаментальные исследования относятся к механике грунтов в 
строительной практике. 
Кроме механических свойств ДОП, в основном определяющих 
опорную проходимость ТС, важную роль в оценке профильной 
проходимости ТС играют характеристики профиля местности 
(уклоны в продольной и поперечной плоскостях, барьерные и дискретные препятствия, рвы и т. д.) [10]. 
Без знания основ механики грунтов невозможно создавать ТС, 
эффективно выполняющие транспортные задачи на деформируемых зонах местности.  

В представленном курсе рассматриваются основы механики 
грунтов и методы оценки параметров опорной проходимости колесных ТС. Пособие разделено на две части. В первой части рассмотрены фундаментальные законы механики грунтов и приближенные методы оценки деформируемости ОП, используемые при 
оценке опорной проходимости ТС, а также параметры ДОП. Вторая часть посвящена методам расчета параметров опорной проходимости колесных ТС при прямолинейном и криволинейном движении, а также анализу влияния на них конструктивных и эксплуатационных особенностей колесных ТС.  

1. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА  
И КЛАССИФИКАЦИЯ ДЕФОРМИРУЕМЫХ 
ОПОРНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ 

Природные ДОП образовались в результате физического и химического выветривания горных пород. Их свойства формировались в зависимости от внешних условий. Необходимо рассматривать ДОП во взаимодействии с окружающей физико-геологической средой и с учетом непрерывности изменения их свойств, 
часто весьма медленного, но иногда и быстро протекающего. 

1.1. Физические свойства  

В состав природных ДОП входят разнообразные элементы, которые при рассмотрении объединяются в четыре группы: твердые минеральные частицы; вода в различных видах и состояниях; газообразные включения; органические и органоминеральные соединения. 
Показатели ДОП делят на две группы: вещественного состава 
и физического состояния. Последние являются в известной мере 
условными, позволяющими косвенным путем приближенно определить некоторые необходимые для расчетов показатели механических свойств ДОП, используя, например, нормативные данные и 
литературные источники. 
К показателям вещественного состава относят: 
1) гранулометрический (или зерновой) состав скелета. Существует несколько классификаций зернового состава ДОП, предложенных различными авторами и различающихся дискретизацией 
песчаных, глинистых, органических и снежных частиц. Минеральные частицы делятся по размерам на песчаные размером более 
0,05 
мм, 
пылеватые 
— 
0,05...0,005 
мм, 
глинистые 
— 
0,005...0,00025 мм и коллоидные — менее 0,00025 мм; 
2) минеральный состав скелета. Песчаные и пылеватые фракции состоят чаще всего из прочных окатанных или угловатых зерен кварца. Средние фракции песка часто содержат примеси зерен 

полевого шпата. В пылеватых фракциях могут находиться гибкие 
плоские частицы слюдистых минералов. Глинистые фракции 
обычно состоят из плоских частиц толщиной в стотысячные доли 
миллиметра (глинистых минералов), среди которых наиболее распространены монтмориллонит, иллит (гидрослюда) и каолинит; 
3) влажность. Ее характеризуют несколько показателей: 
• весовая (или естественная) влажность 
в
ч
/
,
W
G G

 где 
в
G , 

ч
G  — вес воды, содержащейся в грунте, и твердых частиц соответственно; 
• относительная влажность 
от
в
в
ч
/(
)
/(1
0,01
);
W
G
G
G
W
W




 
• полная влагоемкость 
пол
в.пор
ч
/
W
G
G

, где 
в.пор
G
 — вес воды 
в объеме пор; 
• коэффициент (или индекс) водонасыщения: 
пол
/
W
J
W W

  

в
в.пор
/
;
G
G

  
• число (или индекс) пластичности — диапазон влажности, при 
которой грунт будет пластичным: 
P
L
P
J
W
W


, где 
L
W , 
P
W  — 
влажности, при которых грунт переходит в текучее состояние 
(предел текучести) и теряет свою пластичность (предел пластичности) соответственно; 
4) газосодержание — состав газов в порах и в воде; 
5) зольность — характеризуется коэффициентом 
c
A , который 
представляет собой отношение массы золы, оставшейся от сжигания торфа, к массе сухой пробы, выраженное в процентах. Зольность отражает особенности состава торфообразователя. 
Показателями физического состояния деформируемой ОП являются: 
1) плотность сложения. Для ее характеристики используют 
несколько показателей: 
• плотность частиц грунта 
г.ч
ч
ч
/
m V


, где 
ч
m , 
ч
V  — масса и 
объем твердых частиц соответственно; 
• плотность сухого грунта (скелета) 
г.ск
ч
ч
пор
/(
),
m
V
V



 где 

пор
V
 — объем пор; 

• плотность природного (реального) грунта 

ч
в
г
ч
пор
,
m
m
V
V

 

 где 

mв — масса воды в грунте; 
• пористость 
пор
ч
пор
/ (
)
n
V
V
V


; 

• коэффициент пористости 
пор
ч
/
e
V
V

;  

• индекс плотности (относительная плотность) 

max

max
min
,
e
e
e
J
e
e



 

где 
max,
e
 e, 
min
e
 — коэффициенты пористости в самом рыхлом, 
естественном и наиболее плотном состоянии соответственно; 
2) индекс консистенции 
.
L
J
 Определяет густоту и вязкость 
грунта, обусловливающие его способность сопротивляться пластическому 
изменению 
формы: 
(
)/(
)
L
P
L
P
J
W
W
W
W



 
(
)/
;
P
P
W
W
J


  
3) степень разложения торфа 
торф.
R
 Это процентное содержание бесструктурной массы и мельчайших остатков (размером 
менее 0,25 мм), имеющихся в данной навеске; 
4) температура Т, °С. Этот показатель имеет определяющее 
значение при рассмотрении свойств снега и снегольда, для остальных грунтов он не так важен. 
Отметим, что для конкретных ДОП первостепенное значение 
имеют конкретные показатели. Так, для несвязанных (песчаных) 
грунтов это зерновой состав, плотность и влажность; для связанных (глинистых) — диапазон влажности, в котором грунт будет 
пластичным, и плотность; для торфяных залежей — влажность, 
зольность, степень разложения, плотность; для снега — зерновой 
состав, плотность и температура. 
Перечисленные показатели связаны между собой соотношениями  

 

г.ч
г.ск
1
e


 
;    

г.ч
г.ск

г.ск
e

 


;   

 
г
г.ск(1
)
W
  

;    

г.ч

г

(1
)
1
W
e





;  

 
1
e
n
e
 
;    
1
n
e
n
 
;     
(1.1)
 

 

г.ч

в
W
W
J
e



;    

в
пол
г.ч

e
W

 
,  

где 
в
  — плотность воды, 
в
 = 1 т/м3. 

1.2. Классификация деформируемых опорных поверхностей 

При рассмотрении движения ТС ДОП подразделяют на следующие группы: автомобильные дороги, несвязанные, связанные и 
торфяные грунты, снег. 
Автомобильные дороги помимо степени неровности характеризуются фрикционными свойствами, которые обычно оценивают 
коэффициентом сцепления движителя 
сц

 с ДОП, зависящим от 
состояния дорожного покрытия, характеризуемого шероховатостью, степенью загрязнения и увлажнения или обледенения, а 
также типом движителя. Движению ТС по дорогам и их характеристикам посвящено большое число монографий. 
К несвязанным грунтам относят крупнообломочные и песчаные грунты, которые классифицируют следующим образом: 
• по количеству 
г.ч
m
 минеральных частиц определенного размера 
г.ч
l
 в процентах по массе в воздушно-сухом состоянии: крупнообломочные (щебенистые, галечниковые, дресвяные, гравийные) 
и песчаные (гравилистые, крупно-, средне- и мелкозернистые, пылеватые), табл. 1.1; 

Таблица 1.1 
Классификация несвязанных грунтов по размеру 

Грунты 
г.ч,
l
 мм
г.ч,
m
  
% (мас.) 

Крупнообломочные 

Щебенистые, а при окатанных частицах галечниковые 
Дресвяные, а при окатанных частицах гравийные 
> 10
> 2 
> 50 
> 50 

Песчаные 

Гравилистые 
Крупнозернистые 
Среднезернистые 
Мелкозернистые 
Пылеватые 

> 2 
> 0,5 
> 0,25 
> 0,1 
> 0,05

> 25 
> 50 
> 50 
> 75 
> 75 

• по влажности: маловлажные (JW  0,5), влажные (0,5  JW  
 0,8), влагонасыщенные (JW > 0,8); 

• по плотности сложения: рыхлые (
e
J  < 1/3), средней плотности (1/3  
e
J   2/3), плотные (2/3 < 
e
J   1) — рис. 1.1. В зависимости от плотности сложения песков коэффициент пористости е 
имеет соответственно следующие значения:  
гравилистые, крупно- и среднезернистые: e > 0,7; 0,55  e  0,7; 
e < 0,55; 
мелкозернистые: e > 0,75; 0,60  e  0,75; e < 0,60; 
пылеватые: e > 0,8; 0,60  e  0,80; e < 0,60. 

 
 
Рис. 1.1. Сложение мелкообломочных несвязанных грунтов: 
 
а — рыхлое; б — плотное 

По числу (индексу) пластичности 
P
J  песчаные грунты не подразделяют, так как для них 
P
J  < 1. 
С точки зрения проходимости ТС наиболее тяжелыми являются однородные пески (дюнные и барханные), пески с малым содержанием пылеватых и глинистых фракций, сухие и водонасыщенные. 
Связанные грунты бывают чистыми и смешанными. 
Чистые связанные грунты содержат не более 5 % (мас.) растительных и органических остатков. Их различают по виду и разновидности, учитывая при этом два показателя: содержание песчаных частиц (размером 2,0…0,05 мм) и число пластичности 
P
J  
как показатель глинистости грунта (табл. 1.2), а также по агрегатному состоянию в зависимости от индекса консистенции 
L
J  
(табл. 1.3).  
Характеристиками плотности этих грунтов пользуются редко, 
однако для оценки возможной деформируемости они необходимы. 
Так, ориентировочные значения коэффициента пористости для 
плотных грунтов e < 0,5, для грунтов средней плотности 0,5  е  
 1,0, для рыхлых грунтов e > 1,0 (рис. 1.2).