3. Способы уплотнения грунтов

Уплотнение машинами статического действия

Уплотнение машинами статического действия в зависимости от формы наружной поверхности барабана (шины) катка подразделяется на уплотнение:

- гладкими катками,

- пневмошинными катками,

- кулачковыми катками,

- решетчатыми катками (Рис.9.8).

Рис.9.8 Схемы уплотняющих катков статического действия

а, б, в – катки с гладкими вальцами, г – кулачковые, д – решетчатые, е – пневмоколесные, ж - комбинированные

Уплотнение гладкими катками

Сущность этого способа – уплотнение за счет силового воздействия на грунт в период движения катка (рис.9.9).

Рис 9.9. Схема уплотнения гладким катком.

Рис.9.9а. Общий вид гладкого катка

По мере движения катка в каждой точке грунта проходит волна напряжений и под действием напряжений происходит перегруппировка частиц.

Катки с гладкими вальцами имеют наибольшее распространение. Преимущество – простота конструкции. Недостатки – неравномерная передача напряжений на грунт и неравномерность уплотнения в пределах толщи. Эффект уплотнения зависит от параметров (размеров) катка – веса Q, линейного давления на грунт - , радиуса барабана R и режима уплотнения (числа проходок , скорости движения катка ).

Максимальное давление:

, , кгс/см (9.4)

где - линейное среднее удельное давление на грунт, - модуль упругости грунта, - соответственно естественная и оптимальная влажности, R – радиус барабана катка, B - ширина катка,

Уплотнение пневмошинными катками

Сущность – та же. Преимущество – деформируется не только грунт, но и сама шина, что приводит к относительно более равномерному распределению напряжений в грунте по глубине (рис.9.10).

Рис.9.10. Схема уплотнения пневмошинным катком.

, , (9.5)

- сила тяжести, приходящаяся на одно колесо, P – давление в шинах, кгс/см²,

- статический коэффициент жесткости покрышки, зависящий от давления в шинах (изменяется от 0,6 до 0,16 при изменении давления от Р=1 до Р=6 кг/см²)

Уплотнение кулачковыми катками

Сущность – уплотнение (т.е. перегруппировка частиц) за счет повышенного давления под кулачком (рис.9.11).

Рис.9.11. Схема уплотнения кулачковым катком

, , (9.6.)

a, b, f – размеры и площадь кулочка, m – количество кулачков в ряду, l – длина кулочка, - допустимое удельное давление

Рис.9.12. Общие виды катков: а, б, в – гладкие катки, г – пневмошинный каток.

Различают три зоны уплотнения по глубине (Рис. 10.4.): h1 – зона разрыхления при выглублении кулачка, h2 – зона уплотнения за счет сдвига в боковую поверхность при заглублении кулачка, h3 – зона, где грунт уплотнения вертикальной нагрузкой ниже опорной поверхности кулачка.

Способ эффективен в связных грунтах, где требуются повышенные напряжения. Нагрузка на один кулачек должна быть разрушающей для данного грунта, но не такой, чтобы кулачек вдавливался на всю высоту.

, , (9.7)

где - вес катка, - площадь кулачка, - количество кулачков в ряду, - высота кулачка, см, - толщина кулачка, см, - допустимое удельное давление на опорную поверхность кулачков, (типа и свойств грунта).

Уплотнение машинами динамического действия

Уплотнение происходит под действием удара. Рабочими органами трамбующих машин являются плиты различных размеров, различного веса и формы, которые сбрасываются с различных высот (рис.9.12).

Рис 9.13. Схема уплотнения грунта трамбовкой.

Рис.9.14 Уплотнение грунта трамбованием

а) трамбующими плитами на базе крана – экскаватора; б) трамбующими плитами при обратной засыпке котлованов в стесненных условиях; в) трамбующей машиной на базе гусеничного трактора; г) вальцевой трамбовкой на крутых откосах.

Действие удара протекает в короткий промежуток времени. Кинетическая энергия падающей плиты передается частицам грунта, вызывая их перемещение и плотную укладку. Сопротивление по мере внедрения плиты увеличивается, а отсюда и сила удара изменяется от максимума в момент соприкосновения до 0 в конце погружения.

, , (9.8)

где - вес грунта, - высота падения груза, - продолжительность удара, - глубина погружения за один удар, - ускорение силы тяжести, - площадь ударного элемента (плиты).

При повторяющихся ударах величина уменьшается, сокращая продолжительность , и сила удара возрастает. Отсюда степень уплотнения можно регулировать не только силой тяжести, но и числом ударов .

Так как напряжение зависит от трудно определяемой величины продолжительности удара , было предложено (проф. Харкута Н.Я.) определять параметры трамбующих машин по показателю удельного импульса:

, тс. с/см² (9.9)

Опытами установлены предельные импульсы для различных грунтов, зная которые возможно определить необходимые параметры.

=(40-60)10-3 кгс с/см² – для легких грунтов,

=(175-225)10-3 кгс с/см² – для связных тяжелых грунтов.

Оптимальная толщина слоя возрастает с возрастанием . Например:

при =20*10-3 =0,3 м, при =180*10-3 =1,35 м.

На связных грунтах можно получить большую глубину уплотнения, чем на несвязных. Имеются примеры уплотнения больших глубин до 10м и более. При этом вес груза (плиты) достигает десятков тонн.

Уплотнение машинами вибрационного действия

Сущность уплотнения – перегруппировка частиц за счет их колебаний, вызванных вибрационными машинами. Машины вибрационного действия сообщают грунту частые колебательные движения. Связи между частицами разрушаются. Из-за их разных сил инерции и импульсов происходит взаимное перемещение и более компактная укладка – уплотнение.

Процесс вибрации также значительно уменьшает условные коэффициенты вынужденного трения грунтов, что уменьшает сопротивление частиц трению. Так сухой мелкозернистый песок имеет коэффициент внутреннего трения до вибрации – 0,5, во время вибрации – 0,07, а после вибрации – 0,85.

Эффективность уплотнения зависит от энергии вибрации Pв, разнородности грунта , влажности W, частоты и амплитуды вибрации , времени вибрации .

Энергия вибрации

(9.10)

где Pв - энергия вибрации, - масса дебаланса, - окружная скорость, - эксцентриситет дебаланса, - частота колебаний, - амплитуда колебаний, - угловая скорость.

Увеличение частоты колебаний увеличивает эффективность уплотнения. Для виброуплотнения применяют машины разных типов – чисто вибрационные или комбинированные – виброударного действия. Последние наиболее эффективны. Типы машин: виброплиты, вибротрамбовки, виброкатки. Толщина слоев колеблется от 0,2 до 1,2 м.

Разновидности вибрационного уплотнения:

Большой интерес представляет глубиное гидровиброуплотнение (рис.9.15).

Рис.9.15. Уплотнение грунта глубинными вибраторами

а) на глубину до 10 метров, б) на глубину до 2 метров,

1 – тяжелый гидровибратор, 2 – подвод воды, 3 – подвод электроэнергии, 4 – места погружения глубинных вибраторов, 5 – зона уплотнения грунта, 6 – глубинные вибраторы на штангах.

При этом используют стержневые электровибраторы с одновременной подачей воды в зону уплотнения. Применяется для рыхлых и малосвязных грунтов.

Уплотнение взрывами – разновидность вибрационного уплотнения – применяется для несвязных грунтов – песков.

Самоуплотнение замочкой и отсыпкой в воду

Один из древних приемов уплотнения – замочка насыпей.

Применялся с древних времен для возведения насыпей из лессовых грунтов.

Принцип – обильное увлажнение (до полного насыщения) вызывает потерю связности, распад агрегатов, оплывание макропор, что способствует более плотной укладке частиц. Уплотнение замочкой лессов сопровождается значительной деформацией насыпей.

Развитием этого способа является отсыпка грунта непосредственно в воду (рис.9.16).

Очередной слой укладываемого грунта отсыпают в воду – в пруд в обвалованном пространстве. В последние годы способ усовершенствовался путем дополнительного уплотнения машинами (бульдозерами, а/с, скреперами). Высота слоя больше глубины воды. Укладка в воду обеспечивает распад агрегатов, ликвидацию макропористости, в результате чего получается монолитная структура достаточной плотности и водопроницаемости. Существенное влияние оказывает гидродинамическое действие воды, интенсивность отсыпки.

Рис.9.16. Схема укладки грунта отсыпкой в воду

- Дамбы обвалования; 2 - Ярус отсыпанного грунта в воду (карта отсыпки); 3 - Труба для пропуска воды на соседние карты укладки; 4 - Транспорт

Сводная классификация способов уплотнения грунтов дана в таблице 9.2.

Выборочная номенклатура отечественных катков дана в таблице 9.3.

Т

Способы уплотнения грунта

аблица 9.2

Машинами статического

действия с укаткой

Прицепные катки

Гладкие

Пневмошинные

Кулачковые

Решетчатые

Самоходные катки

Гладкие

Пневмошинные

Попутный проход машин

Скреперы

Автосамосвалы

Бульдозеры

Тракторы

Машинами динамического действия (трамбованием)

Трамбовка на базе экскаваторов

Плиты

Вальцы

Трамбовка на базе тракторов

Плиты

Дизельтрамбовка

Механизированный инструмент (ручной)

Пневмотрамбовка

Электротрамбовка

Дизельная трамбовка

Машинами вибрационного действия

Для поверхностного уплотнения

Прицепные

Самоходные

Для глубинного уплотнения

Гидровибраторы

Машинами комбинированного действия

Отсыпкой грунта в воду

Прицепные виброкатки

Самоходные виброкатки

Катки с падающими грузами

Таблице 9.3. Выборочная номенклатура отечественных катков

Модель катка		Показатели
		Масса без балл/с балл	Ширина уплотняемой полосы		Скорость рабочая/транспорт.	Диаметр вальцев	Толщина уплотняемого слоя	Число проходов по следу		Частота колебания
		т	м		м/сек					Гц
Самоходные с гладкими вальцами
ДУ-50	6,5/8		1,8		0,76/2,17
ДУ-48Б	9/12		1,85		0-1,8/1,8
ДУ-49А	11/18
Кулачковые
ДУ-26А	5/9		1,8			1,4	0,2-0,22
ДУ-27	9,2/17,6		4			1,4	0,2-0,22
Прицепные на превмошинах
ДУ-30	4/12,5		2,2		1,4/6,9		0,25		8-10
ДУ-39А	6/25		2,6		1,4/6,9		0,35		6-10
Полуприцепные на пневмошинах
ДУ-37В	13/22,75		2,61		3/8,3		0,25		6-8
ДУ-21	27,8/56,7		2,68		4,2/93		0,43		6-8
Самоходные на пневмошинах
ДУ-31А	8,44/14		1,9		До 5,7		0,15
ДУ-29	23/30		2,22		До 6,4		0,15
Прицепные вибрационные
А-4	3,8		1,5				0,1-0,15		6-8
А-12	11,8		2				0,25-0,4		6-8
Самоходные с вибрацией
ДУ-54А	1,5/2,0		0,857	0,5-0,83						52
ДУ-47Б	6/8		1,2	0,42-1,88		1,6				30
ДУ-58	15/16		2	0-1,8/4,45						25,40