4.3貫入
4.3.1機具零部件的緩慢貫入
一、一般特點
在機具作業中，支承件或零部件與土壤接觸的麵積，即承載麵尺寸往往較小，使得承載麵周圍土體的受力受到端邊效應的影響較大，難於作為平麵問題處理，精確計算十分困難。還由於貫入過程的動態性質及在失效區產生切削、剪切，壓實、塑性流動的綜合作用，使得貫入理論計算變得更加複雜。因此，一些研究者提出了許多經驗或半經驗公式。然而，理論分析有利於對過程的理解和數量的概括把握。因此，4.2節所介紹的淺基礎的一般承載過程和深基樁的理論分析，對研究機具零部件的貫入過程具有重要的參考價值和啟發作用。其塑性極限平衡受力計算的方法和步驟，也可在根據具體情況修正的基礎上能夠應用於機具零部件的貫入。
通過實驗發現，在貫入部件壓頭底下，有一固定形狀的土核，形成壓頭的一部分，與之一起貫入。土核的形狀與壓頭角度尺寸和表麵光潔度以及土壤特性有關。用白灰夾層試驗和Zelenin所得出的不同形狀壓頭所形成土核的近似形狀；當壓頭成尖錐，角小於50度-60度無土核產生，壓頭錐麵與土壤之間相對滑動，發生金屬與土壤之間的摩擦阻力。當壓頭達一定大小的鈍錐以後，不論錐麵形狀如何，是否對稱，也不論貫入方向是鉛垂、水平或斜向，各種土壤都將產生形狀相差不大的土核，與壓頭成為一體；這時土核與土壤間相對滑動，產生土壤-土壤的摩擦阻力，此阻力對不同形狀的壓頭都是一樣的。蘇聯學者對平底壓頭所得出的土核斜邊與壓頭底麵夾角f的一個試驗值如下：從這個試驗數據來看，貫入壓頭和地基承載有所不同：壓頭的貫入深度大，壓頭底下土壤得到充分的壓實。可以認為密實成團的土壤將形成較大的土核，實際的土核因尖角易掉落而成圓弧形就可以說明這點。底麵粗糙將增加壓頭底下土壤的壓實和粘附。這樣，底麵理想的光滑的壓頭的土核角參照基腳情況，可預計為+—般表麵加工的鋼鐵錐頭，將不產生任何土核。Zelenin試驗得出的這個角度是50%在此以上，將產生的土核。隨著壓頭底麵粗糙度和形狀的有利於進一步壓實和粘附土核，土核的角將增加，因為隨著壓實和粘附程度的增高，土壤的P角值由於顆粒之間的相互嵌入和咬合，一般亦增高。
為確定壓實土核的出現對貫入阻力的影響，美國水道試驗站進行了試驗，表明對2.5cm和5.0cm直徑的壓頭，其錐角為30度時無土核，平頭及半球形時有土核，此時壓頭緩慢壓入，阻力的差別不顯著。在無土核存在的範圍內，衝擊式堅實度計貫入阻力，錐角15度的比37.5度的小，37.5度的比45度的小，貫入深度隨衝擊能量增加，而阻力一貫入深度曲線的梯度不變。
二、緩慢貫入阻力的試驗和分析
1.Kostritsyn的簡化
假設其軸杆較細，在貫入過程中軸杆基本上不與土接觸，從而不產生阻力；同時側端效應忽略不計，從而簡化為平麵問題。這時不論壓頭周圍土體發生何種不同的切削、剪切、壓縮、塑性流。
2.Kondner對貫入阻力的因次分析
Kondner用因次分析法研究小型的典型壓頭幾何形狀對貫入阻力的影響。他建立了貫入過程的基本無量綱量及這些無量綱量之間的關係。
從某一高度自由落下的衝擊式圓錐儀常用於預測某種土壤的車輛通過性。土壤堅實度計和圓錐儀是目前唯一最簡易的能在不同程度上近似地測定田間土壤強度混合指標的手段，但能否反映土壤的強度參數外摩擦角），能否用於類比所要研究機具另部件阻力與貫入量關係，需要從貫入過程和機具作業過程分析和處理。
4.3.2撞擊貫入作用
在撞擊作用下，土抵抗貫入的阻力與在靜（慢）載下有所不同。比如在打樁時，樁周圍土體受擾動並產生較大的孔隙水壓力，使土的抗剪強度降低，摩擦力減小。但經過一段時間的間歇後，孔隙水壓力逐漸消散，土逐漸固結壓密，與此同時，土的結構強度逐漸恢複，因而土的抗剪強度增大，承載能力提高。
現分析貫入物體A受自H。高度下落的物體B所撞擊的貫入過程。設貫入物體A被撞擊後仍為彈性體，且其變形是單自由度的。土的阻力Q顯然是非彈性的，可視為端部阻力QP和側麵摩擦力Qs之和，Q=QP+Q1。在物體A中任取厚度微元，則運動方程為不論樁是剛體還是彈性體，阻力Q即為承載力，為時間函數，並與貫入物體形狀、撞擊速度等有關。
4.4壓密
在耕作和土方施工中，往往需要將一部分土體壓至適量密度，以獲得所需要的土層結構，達到調節水、鹽和熱運動的目的；或將土層壓成密實，以保持邊坡穩定或具有足夠的承載能力；這時土體的壓密具有積極意義。然而在機具作業中，壓實過程都是無所不在的，嚴格地說，機具零部件對土壤施加的任何壓力，都會伴隨著一定的壓密。過量的壓密帶來不良的植物生長環境，增加地表水土流失和蒸發，因而過實的田地需要每年重新耕鬆恢複；而零部件在作業過程中所造成的局部壓密，往往還會因使土壤強度增加，而提高零部件本身的後續工藝能耗。有些研究者把壓實看作人類對自然環境的一種汙染，主張在零部件設計中注意利用張力，避免重型拖拉機造成的壓實等不良後果。
在機具作業中，零部件對土壤施加的各種作用力，往往都會有對土體施加壓力載荷的成分，因此，壓實是土壤工藝中普遍存在的一個因素。
粘性土的顆粒和集粒是無規則地排列的-在壓實過程中，土粒的主要麵逐步調整至與作用力的方向適應。當顆粒接觸處切應力小於固化凝聚力（由於土壤中膠粒的化學固結而形成的，以cy表示）與原始凝聚力之和時，土壤發生彈性變形。粘性土由於自重壓力引起的彈性變形區域達到整個土體。任何土在載荷剛加上或卸除的瞬間都隻發生彈性變形。土壤各顆粒之間的凝聚力的大小是不一致的，應力集中程度也不一致。載荷增加至顆粒或團粒接觸處的切應力大於凝聚力與cy之和）時，產生凝聚聯結的破壞，首先是固化膠膜的破壞；破壞發生於強度最小、應力最大點。土體各點凝聚聯結的破壞是逐步發生的。在粘結成整體的幹土情況下，隨著壓力載荷進一步增大，剪應力大於凝聚力的破壞點和麵越來越多，產生結構變形區。彼此相交的破裂麵使結構變形區出現了許多鬆動的粒團。壓力增加，鬆動的粒團相互擠緊，與此同時，一些細粒擠入粒團的孔隙之中，因此土中孔隙體積減少，土體發生壓密。壓密是漸進過程，當土體的側向阻力小於壓密阻力時，發生流動。流動的速度取決於壓差和凝膠的性質。若粒團的位移僅僅引起土體形狀的改變，並不引起土體的壓密，而且固化凝聚聯結是脆性的，則壓力卸除後，已形成的破裂麵仍留土中，這時土壤隻有原始凝聚力。在產生壓密情況下，粒團位移後，應力重行分配，經過一段時間之後凝聚力才得到恢複，結構變形區消失（脆性固化膠膜的恢複需要時間較長些，而韌性固化膠膜則較快），土體重新符合彈性性質，但較前密實。結構變形區內的壓密引起地麵的沉降，地麵沉降部位的寬度通常較結構變形區大，如果結構變形區的含水量變大，也會產生自發的壓密。
在土壤含水量較大的情況下，（飽和或不飽和）土體容積在壓力作用下，緩慢地縮小，這種在一定常壓下以隙水的溢出為主要特征的逐步縮小過程稱為固結。固結也是一種壓密過程，但由於固結過程曆時較長，往往不僅需要知道最終的壓密程度，還需要知道中途的固結度和飽和度，從而引人時間因素。
在土壤加工和行駛領域裏，作業對象主要是半無限土體；半無限土體在壓力作用下密度場所起變化的計算，需要知道所考慮土體內三維應力場的分布，同時需要知道該土壤的壓縮特性。土壤的壓縮特性，可通過試驗來研究，這類室內試-叫壓縮試驗。
土的壓縮試驗有側限壓縮和三軸壓縮試驗等。地基尺寸往往較大，土體在沉降中可以假定無側向變形，這與壓縮試驗條件相似。但是在機具實際作業中，是可以機動地調節和變化的，這種各向同時施壓時的容積變化，比側限壓縮時大。另外，在壓力作業的同時，如果伴隨有另外的剪切作用，則產生滑移所需應力減少，從而影響壓縮量，而這種情況在機具作業中是常見的；土建中到達滑裂的情況相對較少，機具作業中則較多，而從壓密轉人滑裂時，土體可能變鬆。有些濕粘土滑裂時也有隻移動而容積不變的。機具作業中往往有振動、波動和搖動在土內傳播，而引起個別顆粒之間的聯結破壞，造成沉降增大。BapKaH的研究表明，對土施加振動時，其內摩阻減少，以致土在原來穩定的外載作用下開始流動。若土的天然孔隙比為6，則當振動的相對加速度小於該土的振密曲線中與A相應的相對振動加速度值時，則振動不能引起該土體振動壓密。