1. Поверхностное и глубинное уплотнение грунтов

1.1. Общие положения

Уплотнение грунтов производится укаткой, трамбованием, вибрацией, виброударами, взрывами, статической нагрузкой от собственного веса грунта, а также от дополнительной пригрузки.

При укатке на грунт передается наклонное давление, складывающееся из вертикального от собственного веса механизма и горизонтального, возникающего за счет тягового усилия. Наиболее эффективным для уплотнения грунта является наклонное давление, создаваемое перекатыванием колеса или барабана.

Трамбование грунта связано с ударами рабочего органа – трамбовки, поднятой на некоторую высоту, о грунт. Уплотнение грунта происходит под воздействием передающейся на него ударной энергии и сопровождается перемещением частиц грунта в вертикальном и горизонтальном направлениях. При этом только часть ударной энергии расходуется на уплотнение, а остальная поглощается грунтом за счет его упругого сжатия.

При уплотнении вибрацией и виброударами на грунт передаются колебательные и ударные воздействия от рабочего органа, в результате чего происходит более плотная укладка грунта и его уплотнение. Вибрационные и виброударные воздействия различаются между собой по частоте и амплитуде колебаний. С уменьшением частоты и увеличением амплитуды колебаний вибрационные воздействия переходят в виброударные, а машины соответственно называют вибрационными и виброударными.

При взрывах грунты уплотняются под воздействием энергии ударной волны и колебаний грунта, возникающих при взрыве взрывчатого вещества. При этом лишь небольшая часть энергии взрыва расходуется на уплотнение грунта, остальная часть идет на его разуплотнение, упругое сжатие и т.п.

Методы уплотнения грунтов подразделяются на поверхностные, когда уплотняющее воздействие прикладывается с поверхности грунта, и глубинные – при передаче уплотняющего воздействия по всей или по определенной глубине массива грунта.

К поверхностным методам относятся уплотнение грунтов укаткой, тяжелыми трамбовками, трамбующими машинами, виброкатками, виброплитами и вибротрамбовками, подводными взрывами, а также вытрамбовывание котлованов; к глубинным методам – пробивкой скважин (грунтовыми сваями), глубинными вибраторами, глубинными взрывами, статическими нагрузками от собственного веса, а также от дополнительной пригрузки, в том числе с песчаными, бумажно-пластиковыми и другими дренами.

В процессе уплотнения укаткой, трамбованием, вибрацией, виброударами и взрывами уплотняющие воздействия на грунты передаются по определенным циклам, в результате чего на грунт воздействуют циклические нагрузки, характеризующиеся последовательной сменой процессов нагрузки и разгрузки. В соответствии с этим в уплотняемом грунте происходят обратимые (упругие) и необратимые (остаточные) деформации, последние и обеспечивают повышение степени плотности грунтов. При уплотнении грунтов статической нагрузкой от их собственного веса, а также от дополнительной пригрузки происходят в основном необратимые деформации.

П ри любом режиме уплотнения для каждого вида грунта и уплотняющего воздействия процесс накопления остаточных деформаций и, следовательно, повышение степени плотности грунта могут происходить только до определенного предела после передачи на него определенной работы. Дальнейшее увеличение работы без изменения режима уплотнения сопровождается в основном обратимыми деформациями и не приводит практически к повышению степени плотности грунта (рис.1). Такое состояние грунта, при котором в процессе уплотнения практически не происходит повышения его степени плотности, называется уплотнением до отказа, а повышение плотности сухого грунта при единичном приложении нагрузки, выражаемое часто понижением уплотняемой поверхности от одного удара или прохода, называется отказом. При самоуплотнении грунтов от их собственного веса, а также от дополнительной нагрузки состояние уплотнения до отказа характеризуется условной стабилизацией осадки.

Рис.1. Понижение уплотняемой поверхности в зависимости от числа ударов (проходов)

а – от общего числа ударов; б – от каждых двух ударов; 1 – точка уплотнения до отказа

Уплотняемость грунтов определяется по методике стандартного уплотнения. Уплотнение производится трамбованием при различной влажности грунта 40 ударами груза весом 215 Н, сбрасываемого с высоты 30 см. По результатам стандартного уплотнения строится график зависимости плотности сухого уплотнения грунта от влажности (рис.2). Из графика видно, что максимальное значение плотности сухого грунта достигается при определенной его влажности, называемой оптимальной, и уплотняемость каждого вида грунта определяется максимальной плотностью и оптимальной влажностью.

Максимальная плотность уплотненного грунта – это наибольшее значение плотности сухого грунта, достигаемое при оптимальной влажности и принятых режимах, методах и энергии уплотнения.

Рис.2. Зависимость плотности сухого уплотненного глинистого грунта от влажности

1 – кривая стандартного уплотнения; 2 – оптимальная влажность; 3 – максимальная плотность ρ_dmax=1,74 т/м³ при k_com=1 и ω=ω₀; 4 – k_com=0,98 при ρ_d=1,7 т/м³ и ω=0,165÷0,195; 5 – k_com=0,95 при ρ_d=1,65 т/м³ и ω=0,153÷0,202; 6 – k_com=0,92 при ρ_d=1,6 т/м³ и ω=0,145÷0,208

Оптимальной влажностью называют влажность, при которой достигается максимальная плотность уплотненного грунта и требуется наименьшая затрата работы для достижения максимальной плотности грунта при заданном режиме уплотнения. Оптимальную влажность глинистых грунтов, уплотняемых трамбованием, при отсутствии данных непосредственного ее определения рекомендуется принимать ω₀ = ω_р – (0,01 ÷ 0,03), а укаткой ω₀ = ω_р (где ω_р – влажность на границе раскатывания).

Уплотнение грунтов обычно производится до определенной степени плотности, выражаемой через коэффициент уплотнения k_com, представляющий собой отношение заданного или фактически полученного значения плотности сухого уплотненного грунта ρ_d к его максимальному значению по стандартному уплотнению ρ_d,max, т.е. k_com = ρ_d/ρ_d,max.

Каждому значению коэффициента уплотнения соответствует определенный диапазон допускаемого изменения влажности уплотняемого грунта, за который принимаются крайние значения влажности по кривой стандартного уплотнения (см.рис.2) или отношение крайних значений влажности ω к оптимальной ω₀, т.е. k_и =ω / ω₀ (табл.1).

ТАБЛИЦА 1. ЗНАЧЕНИЯ ДИАПАЗОНОВ ДОПУСКАЕМОГО ИЗМЕНЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ УПЛОТНЯЕМЫХ ГРУНТОВ

Грунты	Диапазон допускаемого изменения влажности грунта при kcom
	0,98	0,95	0,92
Крупные, средние, мелкие пески Пылеватые пески Супеси Суглинки Глины	Не ограничивается
	0,6-1,35 0,8-1,2 0,85-1,15 0,9-1,1	0,5-1,45 0,75-1,35 0,8-1,2 0,85-1,15	0,4-1,6 0,65-1,4 0,7-1,3 0,75-1,2

При уплотнении грунтов максимальная степень плотности достигается на поверхности приложения уплотняющего воздействия, а по глубине и в стороны – снижается. В связи с этим выделяются зона распространения уплотнения и уплотненная зона грунта.

Зона распространения уплотнения представляет собой толщу грунта h`_com в пределах которой происходит повышение его плотности. Эта зона распространяется от уплотненной поверхности на глубину, на которой плотность сухого грунта повышается не менее чем на 0,02 т/м³ по сравнению со значением ее до уплотнения.

За уплотненную зону принимают толщу грунта, в пределах которой плотность сухого грунта не ниже заданного или допустимого ее минимального значения.

Уплотнение грунтов сопровождается не только повышением степени его плотности, но и соответствующим понижением уплотненной поверхности (см.рис.1). Понижение уплотненной поверхности представляет собой разность отметок ее до и после уплотнения и определяется по результатам опытных работ или вычисляется по формуле

Δh = (1 – ρ`<sub>d</sub>/ρ<sub>d.com</sub>)h`_comm_com (1)

где ρ`<sub>d</sub> – среднее значение плотности сухого грунта до уплотнения; ρ<sub>d.com</sub> – среднее значение плотности сухого грунта, в пределах зоны распространения уплотнения; h`_com; m_com - коэффициент, учитывающий боковое расширение грунта в стороны и выпор его, принимаемый равным m_com = 1 ÷ 1.2.