4.3 Способы уплотнения грунтов
Уплотнение грунтов, искусственное преобразование свойств грунтов в строительных целях без коренного изменения их физико-химического состояния; представляет собой процесс взаимного перемещения частиц грунта, в результате которого увеличивается их плотность.
Грунты уплотняют с целью получить заданные физико-технические свойства. Чаще всего уплотняют насыпные разрыхленные грунты при строительстве качественных (профильных) земляных сооружений.
Необходимую плотность нельзя получить однократным приложением уплотняющей нагрузки. Вначале при первых проходках катков или других трамбовок происходит интенсивное нарастание плотности, а после 3 – 4 проходов интенсивность уплотнения сильно снижается.
Для уплотнения грунта применяют различные способы: механическое уплотнение машинами; уплотнение при отсыпке грунта в воду; естественное самоуплотнение.
Наибольшее распространение получил способ механического уплотнения грунта машинами статического действия – укаткой катками: гладкими, кулачковыми, пневмошинными, решетчатыми.
Прочность и устойчивость возведенных насыпей, не так давно, обеспечивалась в основном за счет естественной консолидации (самоуплотнения) грунта во времени. Поэтому укладку основания и покрытия разрешалось выполнять только спустя определенный промежуток времени, составляющий, в зависимости от типа и состояния грунта, иногда 2 – 3 года.
Необходимо было исключить сезонность и стадийность устройства земляного полотна, а для этого нужны были, прежде всего, соответствующие грунтоуплотняющие средства и технологические методы уплотнения различных грунтов, в том числе и в зимний период ведения работ. Особенно актуальной такая задача была (и остается сейчас) для многих мест и регионов России, где зимний период, в отличие от многих европейских стран, составляет не менее 5-7 месяцев в году и где около 6% территории страны вообще находится в зоне вечной мерзлоты.
Практические решения по проблеме уплотнения грунтов все чаще и больше стали опираться на научные достижения и разработки, в частности механики грунтов. Был внедрен метод стандартного уплотнения грунтов Проктора (США), введено понятие об оптимальной влажности грунта и выявлено ее влияние на результат уплотнения. Впервые появилось понятие о предварительном и основном этапах уплотнения, связанных с необходимостью постепенного повышения уплотняющего давления (нагрузки) на грунт. При выборе типа катка необходимо учитывать характер взаимодействия его рабочего органа с грунтом. Этим обусловлена малая эффективность и практическая несостоятельность обычного гладковальцового статического, катка самоходного или прицепного на уплотнении грунтов, особенно мелкозернистых связных и несвязных. Этот недостаток устранен моделями гладковальцовых катков вибрационного действия.
Рисунок 20 - Каток гладковальцовый вибрационного действия.
Одновременно с решением проблемы стадийности возведения качественных насыпей за счет искусственного уплотнения, решена также задача ликвидации сезонного характера выполнения земляных работ. Постепенно были разработаны научно-технические основы, практические правила и рекомендации устройства зимой бездефектного земляного полотна. Они включают в себя комплекс специальных мер по предварительной подготовке карьера к зимней разработке (главное – снижение возможной глубины промерзания грунта до приемлемой для экскаватора или тракторного рыхлителя величины, а в некоторых условиях и полная его защита от воздействия мороза), по выбору надлежащих и эффективных машин и механизмов разработки карьера, по подготовке автотранспортных средств доставки грунта к месту его укладки в насыпь (обогрев кузова выхлопными газами и укрытие грунта брезентовым пологом), по выбору средств и технологии отсыпки, разравнивания и уплотнения грунта в условиях возможного быстрого его смерзания в насыпи; по обязательному соблюдению ограничений на количество и размеры мерзлых комьев, допускаемых к попаданию в насыпь, и, наконец, по методам и средствам контроля качества уплотнения грунта.
При работе помимо способности уплотнять слои толщиной не менее 40 – 50 см каток или иного типа грунтоуплотняющая машина обязаны иметь более высокую производительность (минимум на 25-30%), чем производительность самой укладки грунта в насыпь. Кроме того, такая машина или каток должны иметь возможность вести уплотнение челночным способом, т.е. без разворотов в конце захватки, на которые, как правило, затрачивается определенное время из незначительного его резерва на всю операцию зимнего уплотнения.
Наибольшее распространение и применение сейчас в мире получили самоходные шарнирно-сочленённые виброкатки с гладкими или кулачковыми вальцами. Как показал практический опыт, в том числе российский, наиболее подходящими для зимних земляных работ следует признать те из них, которые имеют вибровальцовый модуль весом не ниже 7-8 т (общий вес вместе с тракторным модулем около 12,5-13 т), так как только при таком или большем весе вибромодуля современного катка толщина уплотняемого слоя, его производительность и способность дробить мерзлые комья своими кулачки будут соответствовать зимним потребностям и ограничениям (рисунки 20, 21)
Рисунок 21 – Шарнирно-сочленённый каток с кулачковыми вальцами
Прежний российский опыт показал, что достаточно хорошо и эффективно можно вести уплотнение грунта простым и дешевым прицепным решётчатым катком, весом 25 т. (рис. 22 а), выпускавшимся в свое время дорожниками Латвии и двумя заводами бывшего Минтранестроя в городах Ростове-на-Дону и Угличе.
Каток прекрасно себя зарекомендовал на многих автодорожных, портовых, железнодорожных и аэродромных стройках Прибалтики, Дальнего Востока, Сибири (БАМ), Средней Азии, Кавказа, Армении, Крыма, Заполярья и Северо-Западного региона. При этом он с успехом укатывал также трудноуплотняемые одноразмерные пески (толщина укатываемого слоя зимой доходила до 45-55 см), скально-крупнообломочмые грунты и щебеночные основания.
Помимо прицепного варианта этого катка выпускаются и используются также небольшие партии прицепных и полуприцепных комбинированных пневморешётчатых статических катков общим весом 15-25 т. с блоком пневмошин и решетчатым вальцом (рис. 22 б), которые поочередно могут опускаться на поверхность укатки и создавать необходимое силовое воздействие, в том числе и за счет переставляемого на катке балласта.
На выполнении уплотнительных работ в таких местах не могут быть использованы крупные грунтоуплотняющие средства, применяемые при устройстве обычных насыпей, выемок, площадок или оснований. Их габариты и силовое воздействие зачастую не соответствуют размерам этих мест и условиям сохранности ответственных элементов и конструкций в них (трубы, кабели, опоры, плиты, балки и т. п.).
Во всем мире, в том числе и в России, грунты в стесненных, неудобных и труднодоступных местах уплотняют, как правило, малогабаритными средствами ударного и виброударного типа - ручными вибротрамбовками, виброплитами и виброкатками (рисунок 23).
Иногда используют также гидромолоты, навешиваемые на стрелу одноковшового экскаватора или специализированной машины. Методы и средства статического уплотнения практически не применяются ввиду их малой эффективности.
Рисунок 23 - Уплотнение грунта ручной вибротрамбовкой.
В целом ряде стесненных и неудобных мест (траншеи, водопропускные трубы и т. п.) используются виброплиты. Виброплита в конце захватки не может быть развернута для обратного хода. Использование в таких случаях нереверсивных плит (их вес, как правило, находится в пределах 40-200 кгс) с ходом только вперед практически невозможно. Здесь необходимы реверсивные виброплиты (рис. 24), осуществляющие обратный ход без своего разворота.
Рисунок 24 - Схема работы виброплиты.
Такие виброплиты, имеющие вес от 120-130 до 700-800 кгс, устроены несколько более сложно, чем нереверсивные. На них установлен двухвальный вибровозбудитель с дисбалансами на каждый из валов, причем вращаются они синхронно и в противоположных направлениях.
Путем манипулирования установкой угла наклона результирующей двух центробежных сил этих дебалансов можно получить только вертикальное воздействие плиты на грунт или разной величины вертикальное и горизонтальное усилия.
За счет горизонтальной составляющей обеспечивается перемещение виброплиты, а при смене направления горизонтальной силы она получит обратный ход без своего разворота.
Для работы самоходных виброплит необходимо поверхность уплотнения определенным образом предварительно подготовить, т.е. отсыпать более или менее равномерную толщину слоя грунта, соответствующую уплотняющей способности виброплиты, разровнять и спланировать поверхность ее перемещения. Последнее сделать бывает не так просто, особенно в глубоких траншеях, что создает трудности для самоходности виброплиты и снижает эффективность ее работы.
а) – схема уплотнения виброкатком; б) – вальцовая трамбовка
1 – виброкаток; 2 – канат; 3 – блок; 1 – экскаватор; 2 – валец; 3 – трос;
4 – лебёдка; 5 – трактор. 4 – подъемный трос; 5 – стрела.
Рисунок 25 – Схемы уплотнения откосов качественных насыпей машинами динамического действия.
Специальных грунтоуплотняющих машин для откосов сейчас нет. Каждый российский или зарубежный подрядчик решает эту задачу по своему и исходя из имеющихся возможностей.
В частности, откосы некоторых насыпей из наиболее неустойчивых на них песчаных грунтов можно уплотнять виброкатком весом 3-5 тс на боковом гибком прицепе к тракторной лебедке (рис. 25 а). Однако работать такой каток способен только на уклонах не более 30–35% или не круче 1:3.
В некоторых видах строительства (природоохранное, дорожное, гидротехническое, гидромелиоративное) успешно используется так называемая вальцовая трамбовка в виде гладкого металлического вальца (например, от списанного крупного катка), подвешиваемого к стреле любого тросового экскаватора-драглайна вместо ковша емкостью 0,65-1,0 м3
Контрольные вопросы:
1. Какие виды транспортировки грунта используются при строительстве земляных сооружений?
2. В чем заключается особенность укладки грунта в качественные насыпи?
3. Какие существуют способы уплотнения грунтов?