1.10. Выбор машин для уплотнения земляного полотна

Для достижения требуемой плотности грунта в теле насыпи требуется искусственное уплотнение, поскольку плотность отсыпаемого грунта гораздо меньше требуемой. Так, при возведении земляного полотна бульдозерами плотность грунта, укладываемого ими в насыпь, не превышает 0,7...0,8 от оптимальной. При использовании грейдер-элеваторов эта величина ещё ниже и чаще всего находится в пределах 0,55...0,70. Скреперы и автомобили-самосвалы обеспечивают более высокую плотность (0,80...0,95) благодаря укатке грунта колесами при транспортировке грунта по возводимому слою насыпи.

Существуют три основных способа уплотнения грунтов: укаткой, вибрированием и трамбованием. Выбор способа уплотнения зависит от вида грунта, его влажности, толщины уплотняемого слоя, потребной степени уплотнения, производительности и маневренности машин. Техническая характеристика машин для уплотнения грунтов приведена в табл. 1.10.1 [53].

Таблица 1.10.1

Машины для уплотнения грунтов

Тип и марка машины	Базовый трактор	Масса, т (без балласта и с балластом)	Параметры уплотнения		Мощность двигателя, кВт	Скорость движения, км/ч
			толщина слоя, м	ширина слоя, м
Вибрационные катки:
ДУ-70 (прицепной)	МТЗ 80/82	5,7	0,30	2,0	-	3...6
ДУ-74 (самоходный)	Д-243	9,0	0,35	1,7	55,2	До 7
ВГ-1202 (самоходный)	Д-245	12,0	0,40	2,25	73,5	>>5,6
ДУ-62А (самоходный)	Д-440-11	13,0	0,45	2,0	93,5	>>6,5
ДУ-58А (самоходный)	Д-40-11	15,0	0,45	2,0	93.5	>>6,5
ДУ-57-А (самоходный)	-	8,8	0,35	2,4	121	>>7,0
Д-603 (прицепной)	T-75	6,0	До 0,2	1,8	36,7	>>3,0
Д-63(прицепной)	Т-100	12,0	0,30	1,8	88,2	>>3,0
Кулачковые катки:
ДУ-70-1 (прицепной)	T-I50K	6,3	0,25	2,0	110,2	>>6,0
ДУ-26 (прицепной)	Т-75	5,0 и 9,0	0,20	1,8	55,1	4,5
ДУ-3А (прицепной)	Т-100	12,3 и 30,0	0,35	2,8	73,5	>>15
ДУ-32А (прицепной)	Т-100	9,0 и 18,0	0,30	2,6	73,5	>>4
Катки на пневматических шинах:
ДУ-30 (прицепной)	Т-75	4,0 и 12,0	0,27	2,2	55,1	5...8
ДУ-39А (прицепной)	Т-100	6,28 и 25,0	0,35	2,53	73,5	5...10
ДУ-16В (полуприцепной)	МАЗ-529Е	7,3 и 25,9	0,40	2,62	220	15...40
Д-599 (полуприцепной)	БелАЗ-531	27,8 и 56,7	0,43	2,68	-	15...40
ДУ-65 (самоходный)	Д-243	12,0	0,40	1,7	55,2	До 8,0
Трамбующие машины:
ДУ-12	T-100М	6 (масса плиты 1,4)	1,0	2,5 (площадь плиты 1,0 м2)	73,5	0,08...0,2
Дизель-трамбующая, самоходная ЦНИИС-РМЗ	-	18,8	1,2	2,8 (площадь трамбовки 0,4 м2)	-	До 0,3
ДУ-90 (вибромашины)	СП-6Д	0,23	0,35	0,55	4,4	-

При уплотнении укаткой сближение частиц грунта и придание ему устойчивой структуры обеспечивается благодаря действию массы катка, многократно проехавшего по поверхности уплотняемого грунта. Моторные катки с гладкими вальцами из-за малой эффективности используют только при завершающей стадии укатки верхнего слоя насыпи для придания ему ровности. Пневмоколесные катки могут уплотнять все виды грунтов. Их основные преимущества по сравнению с катками с гладкими вальцами заключаются в большей площади контакта с поверхностью грунта, более равномерным распределением давления по этой площади, а также в том, что благодаря эластичности шины эта площадь в процессе укатки сравнительно мало изменяется. Все это способствует увеличению глубины распространения напряжений в уплотняемом грунте и длительности их воздействия по сравнению с катками с гладкими вальцами, при повторных проходах которых площадь контакта и глубина распространения напряжений постоянно уменьшается.

Эффективное уплотнение грунта укаткой обеспечивается при условии, что удельное давление рабочего органа катка на грунт близко к его пределу прочности. При недостаточных контактных давлениях необходимая плотность не может быть достигнута, а при превышении давления возникают явления местного разуплотнения (волнообразование перед колесами катков). При уплотнении катками на пневматических шинах предел прочности составляет: песков и супесей 3...4, легких суглинков 4...6, тяжелых суглинков 6...8, глин 8...10 Па. В соответствии с этим, при уплотнении связных грунтов рекомендуется применять катки с давлением в шинах 5...6 атм., а при уплотнении несвязных грунтов - в пределах 2...3 атм. Конструкция катков на пневматических шинах позволяет регулировать как давление в шинах, так и массу катка, зависящую от его загрузки балластом.

Самоходные катки на пневматических шинах отличаются от прицепных большей маневренностью, поэтому они находят широкое применение на участках небольшого протяжения и при ограниченном фронте работ.

Кулачковые катки рекомендуется использовать для уплотнения тяжелых связных грунтов, особенно комковатых. Особенность работы этих катков заключается в том, что они уплотняют грунт, расположенный ниже уровня заглубления кулачков, верхнюю же часть слоя, находящуюся выше этого уровня, разрыхляют. Уплотнение этой части слоя, толщина которой обычно не превышает 5...6 см, достигается после отсыпки и укатки следующего слоя. Барабаны кулачковых катков изготавливают полыми для возможности их загрузки балластом.

Для уплотнения несвязных грунтов кулачковые катки неэффективны, так как такие грунты они только разрыхляют. Хорошие результаты достигаются при использовании кулачковых катков в комплекте с катками на пневматических шинах. В этом случае в начальной стадии уплотнения рыхлый грунт укатывают кулачковыми катками, а для окончательного уплотнения и придания требуемой плотности и ровности верхней части слоя, используют катки на пневматических шинах.

Решетчатые катки эффективны для уплотнения комковатых связных грунтов, гравелистых, а также содержащих мерзлые комья. Вальцы этих катков сделаны из сварной или литой решетки с квадратными ячейками 1515 или 2020 см. Решетчатые катки, также как кулачковые, рационально применять в комплекте с катками на пневматических шинах.

Производительность катка, м³/смену, можно определить по формуле

                                                                                  (1.10.1)

где Т - продолжительность смены, ч;

К - коэффициент использования рабочего времени (К_в = 0,85);

L - длина захватки, м;

Н - толщина уплотняемого слоя в плотном теле, м;

в - ширина вальца катка, м;

в_о - ширина полосы перекрытия следа предыдущего прохода м, (в_о = 0,2 м);

V - рабочая скорость, м/с;

t_пов - время на поворот, с;

п - необходимое число проходов катка по одному следу.

При уплотнении грунтов вибрированием взаимное перемещение частиц возникает вследствие колебательных движений, сообщаемых вибратором. В процессе взаимных перемещений частицы постепенно занимают все более устойчивое положение, чем обеспечивается повышение плотности грунта. Уплотнению вибрированием хорошо поддаются несвязные и малосвязные грунты. Суглинки и глины, характеризуемые преобладанием мягких частиц и хорошим сцеплением, уплотнять вибрированием неэффективно. Наибольшее применение в дорожном строительстве получили прицепные вибрационные катки. Рабочим органом виброкатка является жесткий валец, сообщающий грунту колебательные движения и одновременно воздействующий на него своей массой. Значительно реже для уплотнения грунта используют виброплиты.

Основными параметрами, характеризующими вибрационные машины, являются их масса, возмущающая сила, частота колебаний и размеры рабочего органа - вальца или плиты.

Производительность вибрационных машин определяют по формуле

                                                                                 (1.10.2)

где  - коэффициент использования рабочего времени с учетом поворотов, равный 0,7...0,8. Остальные обозначения так же, как в (1.10.1).

В последние годы виброуплотнение получает все большее распространение, увеличивается разнообразие машин, особенно перспективными считают самоходные вибрационные катки комбинированного действия. Виброкатками массой 4...5 т уплотняют грунт слоями 40...50 см, катками большей массы - слои толщиной 60...80 см. Количество проходов по одному следу при оптимальной влажности грунта составляет четыре - пять.

Трамбование является эффективным универсальным способом уплотнения, пригодным для любого вида грунтов. Важным преимуществом трамбования является возможность уплотнять грунт слоями большей толщины, чем при применении других способов уплотнения, и в стесненных условиях. Наиболее простым устройством для уплотнения грунтов трамбованием является трамбующая плита, подвешенная к стреле экскаватора или крана. Масса плит от 2...3 до 12...15 т, высота подъёма и сбрасывания плиты в начале 2 м, затем 5...6 м. Толщина уплотняемого слоя равна ширине плиты. Количество ударов два - три. Уплотнение верхнего слоя производят катками или сбрасыванием плиты с высоты 0,5 м.

Наряду с трамбующими плитами для уплотнения грунта трамбованием могут быть использованы трамбующие машины со свободнопадающими плитами на базе гусеничных тракторов, дизель-трамбовочные машины, рабочими органами которых служат дизель-трамбовки и др.

Производительность трамбующей машины можно определить по формуле

                                                                                        (1.10.3)

где В - ширина плиты, м.

Оптимальную толщину уплотняемого слоя гладкими вальцовыми катками, кулачковыми катками и катками на пневматических шинах можно определить по формулам, приведенным в табл. 1.10.2.

Таблица 1.10.2.

Формулы для определения оптимальной толщины уплотняемого слоя

Уплотняющее средство	Связные грунты	Несвязные грунты
Гладкие вальцовые катки
Кулачковые катки	H = 0,65(I + 2,5b - hp)	He уплотняют
Катки на пневматических шинах

Условные обозначения:

W, W_о - соответственно фактическая и оптимальная влажность грунта;

q - удельное линейное давление, Па;

R - радиус вальца катка, см;

I - длина кулачка, см;

b - минимальный размер опорной части поверхности кулачка, см;

h_p - глубина рыхления уплотненного слоя грунта кулачками (5 см);

Q - нагрузка на колесо катка, кг.

Основные данные, характеризующие различные уплотняющие средства, и области рационального применения приведены в табл. 1.10.3.

Таблица 1.10.3

Основные характеристики уплотняющих машин

Наименование и тип машины	Оптимальная толщина слоя в плотном теле, см		Необходимое число проходов (ударов)		Примерная призводительноть, м3/ч
	связный грунт	несвязный грунт	связный грунт	несвязный грунт	связный грунт	несвязный грунт
Кулачковый каток	20...25 15...20	-	6...8 8...12	-	130...170	-
Катки прицепные на пневматических шинах:
12...15 т	15...20 10...15	20...25 15...20	6...8 8...12	4...6 6...8	60...90	140...200
25...30 т	30...35 20...25	35...40 25...30	6...8 8...10	4...6 6...8	90...140	200...300
40...50 т	35...40 25...30	45...50 35...45	6...8 8...10	4...6 6...8	140...200	250...300
Трамбующая машина	40...50 30...40	50...60 40...50	1	1	130...150	450...500
Трамбующая плита массой 2 т при высоте падения 2 м	80...90 70...80	100...110 80...90	4...6 6...8	2...4 4...6	30...80	45...100
Вибрационные катки:
3 т	-	30...40 20...30	-	3...4	-	200...250
6 т	-	40...60 30...50	-	3...4	-	250...300

Примечание. В числителе данные, соответствующие требуемому коэффициенту уплотнения 0,95, в знаменателе коэффициенту уплотнения 0,98...1,0.

В настоящее время наиболее распространенными средствами уплотнения грунтов являются прицепные катки на пневматических шинах, кулачковые, вибрационные и решетчатые. Они просты в эксплуатации. Стоимость работ при их использовании ниже, в сравнении с другими уплотняющими машинами. Однако недостатками их является сравнительно небольшая толщина уплотняемого слоя и возможность применения только на участках длиной не менее 50...100 м, и шириной не менее 10...12 м.

Для уплотнения откосов используют гладкие вальцы, вибровальцы или трамбующие плиты, смонтированные в виде навесного оборудования к автомобильным кранам или экскаваторам.