Почва — это плодородный поверхностный слой земли, состоящий из определенного соотношения твердых минеральных частиц различного размера и из частиц органического* происхождения (гумуса), между которыми имеются поры, заполненные воздухом и влагой, с растворенными в ней питательными веществами. Почва является не только средой для прорастания сельскохозяйственных растений, но и несущим основанием, по которому движутся тракторы и автомобили. Поэтому физико-механические свойства почв и характер процессов, происходящих при взаимодействии с почвой колес и гусениц, необходимо знать для построения теории сухопутных тяговых и транспортных машин и для правильной почвозащитной их эксплуатации.
Однако большое разнообразие почв и множество факторов, влияющих на их свойства, затрудняют разработку теоретически обоснованных зависимостей, которые могли бы характеризовать процесс взаимодействия ходовых систем машин с почвой при различных ее состояниях и условиях нагружения. Имеющиеся данные о механике почв носят либо частный, либо в значительной степени эмпирический характер. Поэтому рассмотрим лишь некоторые сведения, представляющие интерес с рассматриваемой точки зрения, т. е. сведения об агрофизических и ме­ханических свойствах.
Структура — это соотношение в процентах комков почвы размером более 10 мм, 0,25... 10 мм и менее, расположение этих комков по глубине пахотного слоя. Структура почвы зависит от количества органической части (гумуса, растительных остатков), количества и видов живых микроорганизмов, климата (тепло, влага), системы машин и технологии обработки почвы, крошения (рыхления) на комки размером 0,25... 10 мм, а также от степени уплотнения и распыления почвы ходовыми системами тракторов (автомобилей), которые укрупняют комки и распыляют поверхностные слои почвы.
Гранулометрический состав — это процентное содержание в почве минеральных твердых частиц разного размера (песчаных и глинистых). В зависимости от преобладания песчаных (зерна кварца, полевых шпатов и других составляющих размером 0,1... 1 мм) или глинистых (пластинки окислов кремния, алюминия размером менее 0,01 мм) частиц различают песчаные, супесчаные (до Ю...20% глинистых частиц), суглинистые (суглинки) и глинистые (глины) почвы.
Плотность (масса единицы объема) зависит при данном состоянии почвы от минералогического состава и процентного содержания гумуса, а также от степени уплотнения почвы ходовыми системами тракторов, автомобилей и сельскохозяйственных машин. Существует вполне определенное значение плотности почвы, при котором растения хорошо прорастают, получая питание, и дают высокий урожай. Например, на суглинистых почвах такое оптимальное значение плотности р ориентировочно находится в пределах 1,0...1,2 г/см3, а для супесчаных — в пределах 1,25... 1,35 г/см3. Конкретные оптимальные значения плотности зависят от состояния почвы и вида растений.
Если ходовые системы машин уплотняют почву до плотности больших значений, чем оптимальные, то плодородие данной почвы уменьшается, а сопротивление и энергоемкость ее обработки увеличиваются. В связи с этим плотность рценивают в зависимости от наибольшего и среднего давления, оказываемого на почву колесами и гусеницами машины, от числа проходов этих машин по одному и тому же следу и сравнивают с оптимальным значением плотности для данной почвы.
Влажность почвы оценивается отношением массы воды, содержащейся в единице объема почвы, к массе этой единицы объема почвы
W =--100%,
'"воды + '"тверд 
где т.0ды — масса воды, выпарившейся при температуре №0..Л05°С из образца почвы объемом обычно 50 см3, взятого в специальный сосуд из горизонта почвы на глубине 50 мм от поверхности и помещенного в специальную печь для испарения воды; ттмря — масса твердых частиц почвы, оставшихся в сосуде после испарения воды.
Влажность минеральных почв находится в пределах 4...20% в зависимости от широты и климата региона страны. В дождливые сезоны влажность почвы возрастает, при засухе — резко уменьшается по сравнению с приведенными значениями. На поливных землях влажность почвы зависит также от нормы полива, его периодичности и других факторов.
Твердость почвы определяют в процессе вдавливания в почву твердомеров плунжерного типа или ударников конусной формы. Твердость характеризует сопротивление почвы резанию.
При воздействии на почву ходовых органов движущихся машин она подвергается сжатию (уплотнению) и сдвигу в разных направлениях. В результате этого в ней возникают поля нормальных и касательных напряжений, распространяющихся в глубину и в разные стороны от места приложения нагрузки. Значения напряжений и распределение их в деформируемых слоях почвы зависят как от действующих нагрузок и условий их приложения, так и в значительной степени от физических свойств и состояния почвы. От способности почвы выдерживать указанные нагрузки зависят глубины следов, образуемых движущимися колесами и гусеницами, сопротивление качению и сила сцепления ведущих органов с почвой. Поэтому основными механическими свойствами почвы, влияющими на тягово-сцепные свойства машины, являются сопротивления сжатию и сдвигу. Сопротивление почвы сжатию зависит от глубины h (рис.
6) ее осадки под жестким штампом при вдавливании последнего.
Из рисунка 6 видно, что штамп с опорной площадью F и шириной b нагружают нормально к поверхности почвы силой Quit, под действием которой штамп деформирует почву на глубину Л. Под штампом образуется уплотненный слой почвы, эпюра давлений р которого характеризуется средним рСр й наибольшим Ртах значениями. Вид эпюры зависит от жесткости и шероховатости штампа, от физических свойств почвы. Если экспериментальную зависимость между средним давлением рср под штампом и глубиной h его погружения аппроксимировать какой-либо функцией, то можно получить кривую, изображенную на рисунке 7.
На кривой можно выделить три участка, отображающих особенности взаимодействия между давлениями р и внутренними силами сопротивления почвы. На участке / кривая близка к наклонной прямой. Здесь происходит, главным образом уплотнение почвы. На участке // осадка почвы растет быстрее, чем внешняя нагрузка. В уплотняющейся почве возникают очаги местных сдвигов; по мере роста внешней нагрузки напряжения сдвига становятся в ряде мест больше внутреннего трения и сцепления между частицами почвы. В результате этого рост осадки постепенно становится все более интенсивным.
На участке III начинается пластическое течение почвы: весь массив, подвергнутый деформации, охвачен сдвигами. Уплотнение почвы прекращается, и вся она из-под колес и гусениц выпирается в стороны. На этом участке кривой осадки, представленной в виде вертикальной прямой, условно принято, что осадка прогрессирует без повышения внешней нагрузки.
Для математического описания экспериментально полученных данных р и А используют несколько функций: степенную, с гиперболическим тангенсом, синусоидальную, показательную и др.
Ниже приведены функции, предложенные соответственно про­фессорами М. С. Летошневым, С. С. Корчуновым и В. В. Ка-цыгиным:
Рср = М»; рср = рнес (1 — е"А>*); рсР = p„Jh (Шриес),
где k и р. — эмпирические коэффициенты, характеризующие свойства почвы и зависящие от размеров и формы жестких штампов, а также от скорости их вдавливания; рЯес — несущая способность штампа, т. е. значение среднего давления, при котором почва деформируется без дальнейшего увеличения внешней нагрузки.
Значения коэффициентов k, р. н несущей способности р»ес зависят от размеров и формы штампов. Поэтому указанные формулы находят применение лишь для теоретического анализа зависимости глубины следа от давления под колесами или гусеницами.
Для использования опытных данных о сопротивлении почвы сжатию под штампами малых размеров применительно к пятнам контакта колес и гусениц реальных размеров обращаются к методу подобия и размерностей. При этом для определения значений внешней нагрузки QH на натурное колесо или гусеницу используют безразмерные критерии и масштабы подобия взаимодействия малых (модельных) и реальных колес (гусениц) с почвой. Основной критерий имеет вид
ЯштКР**"*) = cFH![b*(H-h)],
где р — плотность почвы; v — скорость сжатия почвы; с — коэффициент про­порциональности; F— площадь контакта штампа с почвой; Н — глубина пахотного слоя.
Нагрузка на реальное колесо или гусеницу
где kp и ke — соответственно масштабы плотности и площади контакта гео­метрически подобных штампа и колеса; r\F — коэффициент несоответствия формы площадей.
Сопротивление почвы сдвигу определяется в основном сцеплением и внутренним трением между частицами.
Сцепление между частицами почвы обусловлено ее влажностью, а также наличием глинистых фракций, органических коллоидов и других естественных вяжущих веществ.
Внутреннее трение между частицами почвы возникает при сдвиге вследствие зацепления одних частиц за другие, которое проявляется только при действии на почву нормальной сжимающей нагрузки и находится в известной зависимости от ее значений. Наибольшим внутренним трением обладают песчаные и супесчаные почвы, состоящие из шероховатых частиц с относительно большими неровностями.
В общем случае сопротивление тх сдвигу можно определить по формуле Кулона:
x^C+ptgu, (14)
где С —сцепление частиц почвы, кПа; р — нормальные напряжения (давления), кПа; р.— угол внутреннего трения почвы.
Графически эта зависимость представлена на рисунке 8. Кривая начинается в точке а, в которой давление на почву р— =0, а касательное (сдвиговое) напряжение to=C создается молекулярными силами сцепления. Дальнейший рост сопротивления сдвигу обусловлен трением между частицами почвы. Для сухих песчаных почв С=0, поэтому их сопротивление сдвигу определяется ординатами кривой относительно оси абсцисс, про­веденной через точку а. В почвах большой связности трение между частицами несущественно. Для них приведенную кривую можно заменить прямой, проходящей через точку а параллельно оси абсцисс. Оба рассмотренных примера являются крайними; в большинстве же случаев почвы обладают промежуточной структурой.
Механические свойства почвы в зависимости от ее состояния изменяются в широких пределах. Например, на механическую прочность почвы существенно влияет ее влажность.
Чтобы получить выражение для коэффициента сцепления почвы, необходимо разделить обе части формулы (14) на давление р. Тогда
Эта зависимость в функции давления р приведена на рисунке 9, где показаны четыре зоны. Верхние границы каждой из четырех зон соответствуют углу трения ji=*15°, а нижние — углу трения ц=35°.
Из рисунка видно, что для получения, например, коэффициента сцепления в пределах 1^<рСц^2 необходимо создать давление на почву не более 15...30 кПа (в зависимости от сцепления С и угла трения \i почвы) и лишь для связных почв, например сухих глин (С=15...20 кПа), можно получит* фсц>1 при давлениях до 60 кПа. Большие значения фсц (до 7,5) соответствуют малым давлениям (р—15 кПа) и значительному сцеплению в почве (С^7 кПа). Коэффициент фсц<0,7...0,3 имеют почвы с повышенной влажностью (С^7 кПа), сыпучие и сухие грунты при давлении р>30 кПа.
Таким образом, по расчетным данным, значение фсц резко возрастает при давлении ниже 30 кПа практически на почвах всех видов и состояний и может достигать значений, намного больших единицы. Экспериментальные данные качественно подтверждают эту закономерность.

Однако на практике закономерность Кулона проявляется только при сдвиге (перемещении) S почвы. Согласно данным, полученным в опытах со сдвиговыми пластинами и дисками, значение тШах образуется при определенном S=So- Схема установки для исследования почвы на сдвиг приведена на рисунке 10, а. Сдвиговую пластину длиной Lon и шириной 6, оснащенную почвозацепами, нагружают нормальной силой Qmr и протягивают с силой ГШт по почве на расстояние S с помощью троса. Изменяя значение нагрузки Qnn и путь сдвига, на регистрирующем приборе получают зависимость Гшт** "7(S; Фшт), изображенную на рисунке 10,6. При S=S0 почва оказывает наибольшее сопротивление сдвигу.
Полученная в процессе опыта (на песчаной почве) зависимость тх от рСр изображена на рисунке 10, е.
Согласно опытным данным, после деления обеих частей зависимости 7\iiT=f(S; Qun) на площадь F сдвиговой пластины эту зависимость можно аппроксимировать (приближенно заменить) следующими функциями, предложенными учеными Г. И. Покровским и А. В. Васильевым:
= T„JF„ = (С+Р tg rt (1 - ers/*); (15)
хх = TmjF - (C^+Q (1 - (16)
= ИС+Р tg |i)+(C+ep;tg ц) 2h3Jb] [Ak+B] (1 - ег*/*), (17) 
где k, Ci, Сг, C3 и d — эмпирические коэффициенты, зависящие от состоя» ния и вида почвы; р — давление на элементарную площадку пятна контакта; е — коэффициент бокового давления почвы; Л„ц —высота почвозацспа; А н В — коэффициенты, характеризующие физические свойства почвы и зависящие от значения сдвига почвы.
Для сравнительной оценки касательной силы тяги колес и гусениц используют формулы:
Рк-=б|т^; PK = jjt^, (18)
О f
где Ь и F — соответственно ширина и площадь пятна контакта движителя с почвой; Lon—длина пятна контакта.
Сопротивление почвы сдвигу создается не только под пятном контакта, но и по боковым поверхностям колеса (гусеницы), которыми оно соприкасается с почвой при погружении. В этом случае боковины действуют на почву с некоторым боковым давлением рбок. В результате значение создаваемой силы тяги больше значения, определенного по формуле (18).
Кроме того, в формулах (15) ...(18) учитывается среднее значение сопротивления хх сдвигу, в то время как под почвоза-цепами и между ними действуют различные по значению касательные реакции почвы.
Значение этих реакций зависит ;от материала почвозацепов, пластины или звена гусеницы, который влияет на закон распределения давлений под деталями штампа.
На развитие деформаций в почве влияет не только значение, но и характер нагрузки, скорость ее приложения и продолжительность действия.
Деформация почвы при полном приложении нагрузки меньше, чем при неравномерной нагрузке. При кратковременном действии нагрузки напряженное состояние почвы продолжается меньше того времени, которое необходимо для полного развития деформаций, соответствующих данной нагрузке. Это особенно относится к связным почвам, которые деформируются сравнительно медленно.
Исследованиями установлено, что на связных почвах глубина колеи, образуемой при прохождении колес и гусениц, несколько уменьшается с повышением скорости движения, если только увеличение скорости не сопровождается возникновением дополнительных динамических нагрузок на почву. При многократных приложениях нагрузки, например, в процессе перекатывания опорных катков по гусеницам или в условиях движения машин колоннами, деформации почвы, прекратившиеся после первого воздействия, продолжают расти при последующих воздействиях.