Механические свойства почв определяют их способность сопротивляться внешним нагрузкам, воспринимать механические воздействия и изменять свое состояние под влиянием физических факторов. Эти свойства играют ключевую роль в инженерной геологии, строительстве, сельском хозяйстве и экологии, так как именно они определяют устойчивость сооружений, водный режим и продуктивность почвенного покрова.
1. Плотность почвы Плотность почвы выражает массу единицы объема и зависит от минерального состава, влажности и пористости. Различают:
2. Пористость (n) Пористость показывает долю пустот в объёме почвы. Величина n выражается в процентах:
$$ n = \frac{V_{пор}}{V_{общ}} \cdot 100\% $$
Пористость варьирует от 30 до 70 % в зависимости от типа почвы. Чем выше пористость, тем меньше прочность и больше водопроницаемость.
3. Влажность (W) Влажность определяется отношением массы воды к массе сухой почвы:
$$ W = \frac{m_{воды}}{m_{сухой}} \cdot 100\% $$
Она влияет на текучесть, пластичность и сопротивление нагрузкам. Для песков характерна низкая влагоёмкость, для глинистых почв – высокая.
4. Сцепление и углы внутреннего трения
Сжимаемость почвы Под действием внешней нагрузки почва изменяет свой объем. Коэффициент сжимаемости (a) зависит от пористости, влажности и минерального состава. Сильно сжимаемые почвы – это торфы, илистые грунты; слабо сжимаемые – плотные пески и скальные породы.
Модуль деформации (E) Характеризует жесткость почвы и определяется по отношению приращения напряжения к относительной деформации. Значения E варьируют от 10⁵ Па для мягких глин до 10⁸ Па для плотных песков.
Ползучесть При длительном действии нагрузки почва может деформироваться во времени. Это явление особенно заметно в глинах и водонасыщенных грунтах.
Предел прочности при сжатии Отражает способность почвы противостоять разрушению при вертикальной нагрузке. Для песчаных грунтов прочность обеспечивается в основном силами трения, для глин – когезией.
Сдвиговая прочность Определяется по критерию Кулона:
τ = c + σ ⋅ tan ϕ
где τ – предельное касательное напряжение, σ – нормальное напряжение, c – сцепление, φ – угол внутреннего трения.
Устойчивость откосов Связана с балансом сил, действующих в массиве почвы. При превышении критического угла откос становится неустойчивым, что приводит к оползням.
Пески обладают низким сцеплением, высокой фильтрационной способностью, хорошо дренируют воду, но мало удерживают питательные вещества. Суглинки характеризуются смешанным составом, умеренной водопроницаемостью и достаточной прочностью. Глины имеют высокий коэффициент сцепления, низкую фильтрационную способность и подвержены сильным деформациям при изменении влажности.
Особо опасным явлением является разжижение грунтов при сейсмических воздействиях или интенсивном увлажнении. В этих условиях песчаные грунты теряют прочность и ведут себя как жидкость.