До фізико-механічними властивостями грунту відносять: пластичність, зв'язність, твердість, питомий опір при обробці, липкість, набухання, усадку. Пластичність, зв'язність, твердість і питомий опір при обробці проявляються під впливом зовнішніх впливів і характеризують здатність грунту чинити їм опір. Набухання, усадка, липкість виявляються при відсутності дії зовнішніх сил. Вони притаманні тільки вологому грунті, а їх прояв характеризує грунт як високодисперсних систему.
П л а с т і ч н о с т ь - здатність грунту змінювати свою форму під впливом зовнішніх сил без порушення цілісності (без розривів і тріщин) і зберігати додану форму після їх усунення. Пластичність залежить від гранулометричного складу і вологості грунту. Піски практично не пластичні. Сухим і сильно перезволожених грунтів пластичність також не характерна. Виявляється пластичність в певному інтервалі зволоження, від якого залежить консистенція ґрунту - ступінь рухливості грунтових частинок під впливом зовнішніх механічних впливів при різній вологості грунту.
Розрізняють такі види консистенції:
• тверда - грунт має властивості твердого тіла;
• напівтверда - грунт втрачає пластичність і набуває перехідний стан між твердим і пластичним тілами;
• в'язкопластичні - пластична, не прилипає до інших тіл;
• ліпкопластічная - грунт пластична, прилипає до інших тіл;
• вязкотекучем - грунт розтікається товстим шаром;
• рідких - грунт розтікається тонким шаром.
Зазвичай для грунту характерні перші чотири стану, але в деяких випадках вона набуває і текучі консистенції, що призводить до розвитку солифлюкции - оползанію грунту, пересичені водою, під впливом власної маси. Соліфлюкція часто проявляється в полярному поясі. Цьому сприяє розвиток тривало-сезонної або багаторічної мерзлоти, що викликає сповзання оттаявшего шару грунту по мерзлому грунту. Нерідко солифлюкция спостерігається в високогірних областях, на схилах в зонах виклинювання грунтових вод. Плинність грунту впливає на розвиток ерозійних процесів при розчиненні крутих схилів.
Умовними характеристиками консистенції грунту є константи пластичності (константи Аттерберга): межа плинності і межа розкочування.
Верхня межа пластичності, або межа плинності, - вагова вологість грунту, при якій стандартний металевий конус під дією власної маси (76 г) занурюється в грунтовий зразок на глибину 10 см.
Нижня межа пластичності, або межа розкочування, - межа між напівтвердих і пластичним станом грунту, т. Е. Вагова вологість, при якій зразок грунту можна розкачати в шнур діаметром З мм без утворення в ньому розривів і тріщин.
Число пластичності різницю між числовими виразами верхнього і нижнього меж пластичності. Характеризує діапазон вологості, в якому проявляються пластичні властивості грунту. У цьому інтервалі грунт деформується, але зберігає надану їй форму, максимально набухає, має слабку опором при зовнішньому механічному впливі.
Найбільш високу пластичність мають глинисті грунти. За цим показником вони перевершують суглинні грунту приблизно в два рази, а супіщані - в три. За інших рівних умов грунту, в мулистих фракції яких домінують мінерали монтмориллонитовій групи, мають більш високу пластичність, ніж грунту з переважанням каолінітові мінералів. Пластичність грунтів істотно зростає при збільшенні вмісту обмінного натрію, при насиченні ППК іонами кальцію і магнію пластичність знижується.
З в я з н о с т ь - здатність грунту протистояти зовнішньому зусиллю, спрямованому на роз'єднання механічних елементів. Виражається в кг / см 2. Ця властивість обумовлена силами зчеплення між грунтовими частинками, що виникають в результаті їх безпосередньої взаємодії або за допомогою проміжних речовин (клеїв, цементів і т. Д.). Можливості підключення грунту залежить від гранулометричного і мінералогічного складів, структурного стану, вологості і гумусірованності.
Високої связностью характеризуються грунти важкого гранулометричного складу, в мулистих фракції яких переважають мінерали групи монтморилоніту. Чим легше гранулометричний склад грунтів, тим менше їх зв'язність. При оструктуріваніі грунтів збільшується механічна міцність окремих агрегатів, але зменшується зв'язність грунтів, полегшуються їх обробка та розповсюдження кореневих систем рослин.
Можливості підключення грунтів посилюється в міру насичення ППК обмінним натрієм. В результаті диспергування збільшується питома поверхня ґрунту, а отже, зростають і сили зчеплення між частинками. Тому солонців завжди притаманна висока зв'язність.
Гумус також впливає на зв'язність грунтів. Він збільшує зв'язність піщаних і супіщаних грунтів і знижує її у важкосуглинистих і глинистих за рахунок структурообразующего ефекту.
Величезний вплив на цей показник надає вологість грунту. При сильному иссушении грунтів їх зв'язність збільшується в 5-10 разів, досягаючи максимальних значень при вологості, близькій до вологості в'янення.
Т в е р д о с т ь - властивість грунту в природному стані чинити опір здавлювати і Розклинювальні впливу. Виражається в кг / см 2. Твердість визначають спеціальними приладами - Твердоміри, забезпеченими загостреними наконечниками у вигляді конуса, клина або циліндра з малою площею (плунжерами). Моделюючи роботу плуга в грунті, визначають опір, який вона чинить розклинюванню або розрізання в вертикальному і горизонтальному напрямках. Чим вище твердість грунту, тим більший опір вона чинить расклівіванію. За допомогою твердоміра вимірюють і опір грунту стисненню або здавлення який чинить на неї сільськогосподарська техніка, що пересуває по поверхні. Чим більше твердість грунту, тим менше тягові зусилля при перекочування.
У д е л ь н о в и с о п р о т і в л е н і е - тягове зусилля, що витрачається на підрізання і оборот 1 см 2 поперечного перерізу пласта ґрунту при обробці. Виражається в кг / см 2. Тягове зусилля при оранці витрачається на подолання тертя грунту об метал, на деформацію ґрунту - розтягнення, стиснення, зрушення, крутіння і відкидання пласта в сторону.
Залежно від гранулометричного складу, фізико-хімічних властивостей, вологості грунту і її агрохозяйственного стану питомий опір коливається в межах 0,2-1,2 кг / см 2. Воно зростає в міру переходу від легких грунтів до глинистих, у міру збільшення солонцюватих грунтів і погіршення їх структурного стану. Великий вплив на величину питомого опору надає вологість грунту. При низькій вологості, близької до вологості стійкого в'янення, питомий опір досягає максимального значення. В процесі обробки засушений грунту різко зростають енергетичні витрати, грунт розпорошується, а якщо вона погано оструктурена, то формуються брили.
У міру збільшення вологості питомий опір неухильно знижується і досягає мінімуму при деякому значенні, характерному для кожної конкретної грунту. При подальшому підвищенні вологості грунту питомий опір знову зростає. Це обумовлено збільшенням липкості ґрунту, в результаті чого посилюється зчеплення ґрунтових частинок з поверхнею знарядь, що обробляють грунт. Зовнішнє тертя грунту об поверхню металу змінюється внутрішнім тертям грунту об грунт. При обробці грунту з підвищеною вологістю крошения грунту не відбувається, рілля виходить змащеній. Після висихання такої ріллі утворюються численні щільні глиби.
Л і п к о с т ь - здатність вологого грунту прилипати до інших тіл. Кількісно липкість ґрунту характеризується зусиллям, необхідним для відриву металевої пластинки від вологого грунту, і виражається в г / см 2. Це властивість проявляється в тому випадку, коли сили зчеплення між грунтовими частинками стають менше, ніж між ґрунтом і предметами, дотичними з нею.
Залежність липкості від вологості має вигляд параболічної кривої. У кожній конкретній грунті липкість починає проявлятися при певному значенні вологості, яке характеризує вологість початкового прилипання. У міру збільшення вологості грунту зростає і її липкість, але тільки до тих пір, поки не досягне максимальних значень. Подальше підвищення вологості грунту призводить до зменшення липкості, оскільки порушується зчеплення між частинками грунту, і грунт набуває текучу консистенцію. Вологість, при якій липкість ґрунту проявляється в найбільшою мірою, називають вологістю максимального прилипання.
Липкість грунту тісно пов'язана з гранулометрическим і мінералогічним складами. За цим показником глинисті грунти в 8-10 разів перевершують суглинні і в 20-25 разів - піщані і супіщані. Липкість мінералів групи монтморилоніту при ближчого ступеня дисперсності вдвічі вище липкості гидрослюд і а п'ять разів вище липкості каолинита. Липкість грунту істотно зростає під впливом обмінного натрію, що викликає пептизацію ґрунтових колоїдів і руйнування структури.
Липкість визначає таке важливе агрономічну властивість грунтів, як фізична стиглість.
Н а б у х а н і е - збільшення обсягу грунту при зволоженні. Виражається у відсотках від початкового об'єму. В основі набухання лежать сорбція молекул води грунтовими частинками. В результаті гідратації ґрунтових частинок сили зчеплення між ними слабшають, відбувається їх відділення один від одного, що супроводжується збільшенням загального обсягу грунту. Величина набухання тісно пов'язана з гранулометрическим і мінералогічним складами грунту, а також складом обмінних катіонів.
Оскільки сорбційні властивості найбільшою мірою проявляються у тонкодисперсних частинок, особливо колоїдних, то в міру обважнення гранулометричного складу здатність ґрунтів до набухання зростає.
Істотну роль в набуханні грунтів відіграє мінералогічний склад. Глинисті мінерали з фіксованою нерозширювана кристалічною решіткою (каолініт, хлорити, гідрослюд) сорбують молекули води тільки на зовнішній поверхні. У мінералів з лабільною кристалічною решіткою (монтморилоніт, вермикуліту) сорбція води відбувається і між пакетами. Проникаючи в межпакетное простір, молекули води викликають їх розширення і відповідно збільшення загального обсягу мінералів. Тому грунту, що мають близький гранулометричний склад, але різняться набором мінералів в мулистій фракції, мають різну ступінь набухання.
На набухання сильно впливає склад обмінних катіонів. Наприклад, монтморилоніт, насичений Са 2+ або іншими багатовалентними катіонами, набухає в меншій мірі, ніж монтмориллонит, що містить обмінний Nа у великій кількості. У першому випадку молекули води, які проникають в межпакетное простору, розсовують ах завдяки розклинюючий тиск, що розвивається за рахунок молекулярних сил, тільки до певної межі. Цього тиску недостатньо для подолання сил тяжіння, що виникає завдяки многовалентного катіонів, і алюмосилікатні шари залишаються пов'язаними один з одним. Тому в межслоевом просторі монтмориллонитов насичених багатовалентними катіонами, немає умов для розвитку подвійного електричного шару я виникнення сил відштовхування. Такий кристал по відношенню до води веде себе як єдине ціле, набухаючи до певного обсягу, обмеженого дією іонно-електростатичних сил тяжіння.
Органічна речовина відіграє подвійну роль в набуханні грунтів. У вільному стані гумусові кислоти відрізняються високою гидрофильностью і набуханням. Ці властивості вони проявляють в лужних грунтах, оскільки знаходяться в диспергованому стані і насичені натрієм. Гумусові кислоти, будучи скоагульованого дво- і тривалентними катіонами, навпаки, сприяють зменшенню набрякання ґрунту. Це відбувається в результаті зниження їх власної гидрофильности і зменшення дисперсності грунтової маси завдяки агрегації частинок грунту гелями гумусових речовин. Набухання грунтів знижується при наявності в ґрунтовому розчині водорозчинних солей, що викликають коагуляцію ґрунтових колоїдів.
У с а д к а - зменшення обсягу грунту при висиханні. Це процес, зворотний набухання, він залежить від тих же факторів. Чим більше набухання грунту при зволоженні, тим сильніше її усадка при подальшому висиханні. Межа усадки відповідає видаленню всієї грунтової вологи, крім гигроскопической, і переходу ґрунту з напівтвердий консистенції в тверду.
У природних умовах цикли «набухання-усадка» відповідають циклам «зволоження-висушування» грунту. Ці динамічні процеси сильно впливають на агрофізичні стан грунтів. При цьому важливе значення має інтенсивність їх прояву. При помірній амплітуді такі процеси сприяють агрегатоутворення і самомульчірованію поверхні, що сприятливим чином позначається на водно-повітряному режимі грунтів. При частих і великих амплітудах цикли набухання та усадки викликають руйнування грунтової структури, більш щільну переупаковку ґрунтових частинок, формування системи глибоких тріщин, розчленовують грунт на масивні брили.
Фізико-механічні властивості грунту нерідко виступають в якості їх найважливіших характеристик. Цим властивостям відводять першорядне значення при вирішенні численних енергетичних проблем, пов'язаних з обробкою грунту. Фізико-механічні властивості визначають якість обробки грунту і характер її деформації при роботі сільськогосподарських агрегатів, знос окремих частин знарядь обробки, що стикаються з грунтом, і коефіцієнт їх корисної действія.Поетому оцінка цих властивостей необхідна для конструювання сільськогосподарських знарядь і машин, розрахунків опору грунту при обробці і перекочування по ній сільськогосподарської техніки.
Фізико-механічні властивості сильно впливають на розвиток і характер поширення кореневих систем культурних рослин за профілем грунту. У зв'язку з цим регулювання фізико-механічних властивостей має велике значення для ефективного використання орних угідь.
Система заходів щодо регулювання фізико-механічних властивостей грунту повинна бути спрямована на оптимізацію чинників, з якими пов'язано їх прояв. Оскільки гранулометрический і мінералогічний склади належать до нерегульованих факторів, то їх враховують, підбираючи оптимальні терміни обробки грунту в залежності від її вологості. Інші фактори, що визначають фізико-механічні властивості ґрунтів, в тій чи іншій мірі піддаються оптимізації. Істотно поліпшити фізико-механічні властивості ґрунтів можна за допомогою регулювання вологості грунту (видалення надлишку вологи йди заповнення її нестачі при зрошенні), комплексу заходів щодо поліпшення структурного стану грунтів і збільшення їх гумусірованності, меліорації кислих і лужних грунтів, спрямованої на зміну складу обмінних катіонів, а також за допомогою пісковання і глінованія.