Любой наземный транспорт (за исключением весьма экзотических машин вроде аэросаней, аэролодок и аппаратов на воздушной подушке, о которых я рассказывал в предыдущих статьях) движется, отталкиваясь от опорной поверхности. Хорошо, если это ровный и твёрдый асфальт (или рельсы), но что если нужно проехать там, где дороги существуют только на картах или вовсе отсутствуют? Понятно, что нам потребуется не обычный автомобиль, а вездеход с целым набором особенностей. Но действительно ли везде он сможет пройти? Чтобы ответить на этот вопрос, нам придётся разобраться с тем, какое вообще бывает бездорожье, а для этого – немного углубиться в механику грунтов.
Каким бывает бездорожье?
Если отвечать коротко, то бездорожье может быть любым. Если же мы попытаемся как-то его систематизировать, то обнаружим, что бездорожье определяется двумя основными характеристиками: рельефом (или профилем) и типом грунта. Профиль – это всевозможные неровности местности от кочек и камней до гор и речных долин. Способность машины двигаться на местности со сложным профилем называется профильной проходимостью и определяется, в основном, её геометрическими размерами. Однако чаще всего проблемы доставляет не сложный профиль пути, а плохая несущая способность грунта. Способность машины уверенно держаться на в мягкой и скользкой поверхности называется опорно-сцепной проходимостью, и именно о ней я предлагаю сегодня поговорить.
В одной из статей я уже писал об опорно-сцепной проходимости с точки зрения машины, но сегодня мне бы хотелось посмотреть на неё с другой стороны. Естественная поверхность суши, в основном, представлена почвой – плодородным слоем земли с большим содержанием органики. Иногда она может быть покрыта льдом или снегом, а порой на поверхности оказываются горные породы или искусственные материалы. Для удобства будем называть всё это многообразие опорных поверхностей грунтами.
Наиболее стабильными характеристиками грунтов являются химический состав и размер частиц. Даже эти два параметра дают огромное количество сочетаний. Чтобы в этом убедиться, достаточно взглянуть на карты почв.
Но ведь свойства грунтов зависят ещё и от влажности, плотности, температуры, растительного покрова и других факторов, которые могут меняться в очень широких пределах. Всё это даёт просто невообразимое число комбинаций. Можно уверенно заявлять, что нет на свете такого водителя, который имел бы опыт езды по всем возможным грунтам во всех возможных состояниях. Но не всё ли равно – спросите вы – какие у грунта характеристики? Грязь – она и в Африке грязь! И действительно, при всём многообразии грунты имеют между собой много общего.
Типы грунтов с точки зрения механики
Конечно, в контексте проходимости нас интересуют не все свойства грунтов, а только механические. Их изучением занимается механика грунтов – научная дисциплина, развитие которой было обусловлено, в основном, потребностями строительства. Автомобилисты неоднократно пытались доработать её под себя и создать модель взаимодействия грунта с колесом, но из этой затеи до сих пор ничего путного не получилось: слишком уж сложны и разнообразны свойства грунтов, да и практической ценности в такой модели немного. Можно себе представить исследование грунта перед строительством дома или дороги, но кто в здравом уме будет этим заниматься перед проездом автомобиля?
Тем не менее, общее представление о поведении грунтов под нагрузкой может быть очень полезно как разработчикам вездеходов, так и водителям. Многочисленные исследования показали, что по механическим свойствам всё многообразие грунтов (кроме скальных) можно свести к четырём группам [1]:
- Связные грунты (глины и суглинки)
- Несвязные грунты (пески)
- Болотные грунты (торфы)
- Снег
Связные грунты отличаются от несвязных, в основном, размером частиц. Принято считать, что все содержащиеся в грунте частицы можно разделить на три фракции (по ГОСТ 25100-2020):
- Песок (от 0,05 мм до 2 мм)
- Пыль (от 0,002 до 0,05 мм)
- Глина (менее 0,002 мм)
В зависимости от их соотношения грунты можно разделить на типы, которые графически удобно представить в виде треугольника Ферре.
Однако на практике часто используют упрощённую классификацию, в которой все частицы в грунте делят на глину и песок (в т. ч. пылеватый) и в зависимости от их соотношения различают:
- Глины
- Тяжёлые суглинки
- Средние суглинки
- Лёгкие суглинки
- Супеси
- Пески
Понять, какой перед вами грунт несложно: достаточно скатать из него "колбаску" и попытаться свернуть в кольцо. В зависимости от типа грунта результат будет следующий:
Отмечу, что на грунтах одного и того же типа могут образовываться разные почвы. Так, на суглинках в степи образуется плодородный чернозём, а в таёжной зоне – бедные подзолистые почвы. Впрочем, для движения машин эти различия не столь существенны.
1. Связные грунты (глины и суглинки)
Для глин и суглинков характерно то, что их частицы связаны между собой водно-коллоидными связями, благодаря чему в сухом состоянии такие грунты ведут себя как не очень прочные, но всё-таки твёрдые тела, которые способны сохранять свою форму. Однако с увеличением влажности они переходят сначала в пластичное, а затем и в текучее состояние.
Пластичное состояние характеризуется тем, что грунт может изменять форму без разрушения. Нижняя граница пластичности определяется как влажность, при которой грунт, раскатываемый в жгут диаметром 3 мм, начинает распадаться на кусочки длиной 3–10 мм. Верхняя граница пластичности определяется как влажность грунта, при которой балансирный конус под собственным весом погружается на глубину 10 мм за 5 с (по ГОСТ 5180–2015).
Если в твёрдом состоянии связный грунт легко преодолевается даже на дорожном автомобиле, то в пластичном (а тем более в текучем) состоянии он уже превращается в настоящее бездорожье – ту самую грязь.
И проблема здесь не только в том, что переувлажнённый грунт хуже держит нагрузку: снижается и коэффициент сцепления. Кроме того, связные грунты в пластичном и текучем состоянии обладают повышенной липкостью, которая также затрудняет движение машин.
Связные грунты обладают малой фильтрационной способностью, поэтому их влажность медленно изменятся и сильно различается по глубине. Весной глубина пластичного слоя изменяется от 10 до 50 см, осенью – от 15 до 30 см, а летом – от 5 до 10 см. Это объясняется тем, что осенью влага в грунте накапливается постепенно, а весной оттаивающий грунт уже насыщен водой и влажность его увеличивается от поступления талой и дождевой воды.
При выпадении осадков наибольшему увлажнению подвержены разрыхлённые грунты (пашня), несколько меньшему – задернованные (стерня, луг) и ещё меньшему – уплотнённые (грунтовые дороги).
2. Несвязные грунты (пески)
Несвязные (фрикционные) грунты отличаются тем, что в них отсутствуют межмолекулярные связи между частицами, а всё их взаимодействие сводится к трению друг о друга. Несвязные грунты представлены, в основном, песками.
Пески характеризуются хорошей фильтрационной способностью, из-за чего вода в них долго не задерживается. Тем не менее, при определённых условиях насыщенные водой пески могут переходить в состояние текучести (плывуны или зыбучие пески). Такие грунты очень опасны, и двигаться по ним нужно на нижнем пределе давления в шинах с возможно большей скоростью. Остановка на песке-плывуне приводит к быстрому погружению автомобиля в песок на большую глубину [2]. Кроме того, существуют перенасыщенные газами зыбучие пески, которые также обладают свойствами жидкости и по некоторым свидетельствам даже могут поглотить автомобиль целиком.
Тем не менее, если мы не приближаемся к пределу текучести, то, в отличие от связных грунтов, повышение влажности благоприятно влияет на механические свойства песка. Однако это влияние не так существенно.
Главной характеристикой песка является плотность, по которой можно оценить, насколько он пористый. Наибольшие затруднения для движения взывают рыхлые пески с малой плотностью. При этом песок практически не уплотняется под колёсами автомобиля, так как его пористость уменьшается главным образом под действием утряхивания, а не давления [1].
Дополнительными факторами, затрудняющими движение по песку являются:
- отсутствие дернового слоя;
- однородный гранулометрический состав;
- малое содержание пылеватых и глинистых частиц.
Таким образом, после плывунов наиболее тяжёлыми для движения являются характерные для пустынь сухие дюнные пески, разрыхлённые и отсортированные ветром по фракциям [1].
Однако в целом пески не являются серьёзным препятствием для машин высокой проходимости, а во влажном состоянии легко преодолеваются даже обычными дорожными автомобилями.
3. Болотные грунт (торфы)
На участках с постоянным избыточным увлажнением формируется торф –специфический тип грунтов, состоящий из остатков болотной растительности, которая не разлагается полностью в условиях избыточного увлажнения и недостатка кислорода.
Торф отличается исключительно большой пористостью и сжимаемостью. Его механические свойства определяется, в основном, прочностью и толщиной дернового слоя. Например, сопротивление сдвигу у травяных болот с развитым осоковым покровом в 2-9 раз больше, чем у сфагновых моховых болот [1]. Поросль кустарника повышает несущую способность торфа примерно в полтора раза [2]. Непроходимые участки болот – топи – отличаются разжиженной торфяной залежью, высоким уровнем воды и непрочной дерниной [3]. Торф в них на ощупь жидкий и текучий, легко сдавливается в руке и полностью проходит сквозь пальцы. Иногда топи бывают покрыты ярко-зеленой сочной травой – такие места называют чарусами.
По этой причине выбирать для движения следует направления с наиболее густой растительностью, которая связывает покров болота корневой системой. Участков, где нет дерна и трава растет редко или имеет более яркую окраску, следует избегать [2].
По дорожной классификации выделяют три вида болот:
- сплошные, у которых торф располагается на минеральном основании;
- сапропелевые, под торфяным слоем которых находится органический или полуорганический ил;
- сплавинные с торфяной корой, плавающей на воде
Опасность сапропелевых и сплавинных болот определяется не только плотностью и связностью торфа, но и его толщиной.
Осушение радикально улучшает несущую способность болотных грунтов. Осушенные торфяники свободно проходимы как для человека, так и для машин.
4. Снег
Не смотря на то, что все виды снега объединены в одну категорию, их свойства кардинально различаются. Так, сухой сыпучий снег при низкой температуре является типичным фрикционным грунтом, а сырой свежевыпавший снег при температуре около 0 °С обладает высокой пластичностью.
Важнейшей характеристикой снега является плотность, которая в естественных условиях может изменяться от 75-200 кг/м³ у свежевыпавшего снега до 200-400 кг/м³ у осевшего и уплотнённого ветром. Укатанный снег имеет плотность около 500-600 кг/м³ и свободно выдерживает нагрузку от автомобилей.
Плотность снега необратимо увеличивается вместе с изменением структуры снега. Свежевыпавший пушистый снег, состоящий из крупных снежинок, имеет малую плотность и в первоначальном виде сохраняется недолго. Под действием ветра пушистый снег превращается в метелевый, который состоит из частиц диаметром 1-2 мм и имеет плотность 200 кг/м³ и более. В процессе таяния и перекристаллизации он переходит в зернистое состояние. Зернистый снег состоит из ледяных зерен диаметром до 3-4 мм и имеет плотность от 250 кг/м³. Если речь идёт о ледниках, где снег накапливается годами, то далее снег превращается в фирн плотностью свыше 450 кг/м³, а затем и в лёд, который имеет плотность около 900 кг/м³.
Если плотность снега недостаточна для удержания автомобиля, то при движении по нему образуется глубокая колея и возникает бульдозерный эффект, то есть сдвиг снега перед колесами, ведущими мостами и другими частями автомобиля, оказывающий повышенное сопротивление движению. Наиболее труден полевой снег с несколькими слоями наста при общей глубине более 40 см при низкой температуре. Такой снег в отдельных местах держит человека, но не выдерживает нагрузку колес автомобиля. Наст, расположенный в несколько слоев в толще снега, оказывает большое сопротивление движению, а межнастовый снег, имеющий вид крупного сахарного песка, высыпается в колею, не уплотняясь. В таких условиях самостоятельное движение часто бывает невозможно. При отсутствии наста сыпучий неуплотняющийся снег является также труднопроходимым при глубине более 50 см [2].
Ещё одной неприятной особенностью снега является низкий коэффициент сцепления, из-за которого автомобиль не можёт развить достаточную силу тяги, а колёса легко срываются в буксование. При длительном буксовании на снегу под колесами могут образоваться ледяные лунки, и тогда без посторонней помощи или лебёдки сдвинуть машину с места не удастся [2].
Сравнение грунтов
Теперь, когда мы рассмотрели основные виды грунтов по отдельности, настало время их сравнить и выяснить, какое же бездорожье самое тяжёлое. Я бы расположил их в следующем порядке:
- 4 место: песок. Если не брать в расчёт экзотические зыбучие пески, этот тип грунта доставляет меньше всего проблем. Конечно, засадить в песках дорожный автомобиль вполне реально, но для серьёзного внедорожника это не помеха.
- 3 место: грязь. Переувлажнённый связный грунт - это именно то, что первым делом приходит в голову при слове "бездорожье". Скользкая и вязкая глина может стать серьёзным препятствием даже для внедорожника, особенно при движении на подъём. Спасает только то, что глубина размокшего слоя обычно не очень велика.
- 2 место: болото. Несмотря на то, что в трясине машина может утонуть вместе с экипажем, я решил не ставить болото на первое место. Причин две: во-первых, по болотным топям обычно не ездят (иначе можно было бы включить в список и водоёмы), а во-вторых, болота практически плоские, поэтому для движения по ним не нужна большая сила тяги.
- 1 место: снежная целина. Идти по глубокому снегу, пожалуй, даже тяжелее, чем по болоту. Снег запросто может сочетать малую несущую способность с большой глубиной и плохим сцеплением, которые к тому же могут наложиться на затяжной подъём. Чем не идеальное бездорожье?
Чтобы не быть голословным приведу результаты испытаний несущей способности различных грунтов [1]:
Видно, что наибольшее погружение штампа наблюдается в рыхлом снегу и в торфе (т.е. в болоте). Можно спорить, что хуже, но очевидно одно: для преодоления снегов и болот нужна специальная техника. Недаром с древнейших времён люди пользовались снего- и болотоступами, а также лыжами и санями. В XX веке специально для этих грунтов даже изобрели отдельный класс транспортных средств – снегоболотоходы.
Однако заметьте, что для торфа резкий рост графика наблюдается только при очень большом размере штампа. Увеличение штампа при неизменном давлении означает увеличение веса, поэтому мы можем утверждать, что болото опасно прежде всего для тяжёлых машин, которые могут провалиться сквозь торф, как сквозь лёд на реке.
В то же время глубина погружения в снег определяется прежде всего давлением. Даже относительно лёгкий человек массой 80 кг, оказывающий на опорную поверхность давление около 35 кПа при ходьбе, провалится в рыхлый снег примерно на 25 см (а лыжник, кстати, – всего на 2 см).
Другая крайность – песок. И в уплотнённом, и в рыхлом состоянии он не деформируется более чем на 10 см даже при большом давлении. Значит, звание самого лёгкого бездорожья достаётся ему вполне заслуженно.
Что касается связных грунтов (глин и суглинков), то их несущая способность лежит как раз где-то между песками и болотами.
Наконец, в качестве финального аргумента я припас фотографию шинного манометра, на шкале которого различные виды бездорожья расположены в порядке уменьшения допускаемого давления. Нетрудно убедиться, что последовательность получается та же самая:
Заключение
Конечно, все эти рассуждения носят абстрактный характер. Очевидно, что зыбучие пески намного тяжелее плотного снежного наката. Понятно, что если машина легко идёт по болоту, то это вовсе не гарантирует, что она справится с крутым глиняным подъёмом. И вообще, всё многообразие грунтов не сводится к четырём простым типам. Так что поиск самого тяжёлого бездорожья в общем-то не имеет смысла. Впрочем, это не означает, что его совершенно невозможно систематизировать. И я считаю, что с этой задачей мы справились.
Спасибо за внимание!
Ссылки
- Я.С. Агейкин, Проходимость автомобилей
Об опорной проходимости с точки зрения машины:
Давления, оказываемые на грунт человеком и различной техникой:
