13. Машины для уплотнения грунтов.

13.1. Общие сведения.

Уплотнение грунтов – одна из важнейших операций в технологическом процессе строительства.

Процесс уплотнения грунтов включает в себя два этапа: разрушение существующей структуры грунта и создание новой более устойчивой, по отношению к механическим воздействиям.

Создание новой структуры заключается в относительном смещении частиц грунта, необходимом для наиболее компактной их укладки и вытеснения газообразной и жидкой фаз. Этот процесс сопровождается уменьшением объема и формированием плотной и прочной структуры, способный выдерживать внешние нагрузки.

Степень уплотнения грунтов оценивают коэффициентом уплотнения к_у, который характеризуется отношением практически полученной в сооружении плотности скелета грунта δ_пр при данной его влажности к стандартной плотности δ_ст, полученной в лабораторных условиях на приборе стандартного уплотнения СоюздорНИИ по ГОСТу .

При строительстве насыпей должна быть обеспечена следующая степень уплотнения: автодорожных – 95-98%, железнодорожных - 95-96%, гидротехнических – 98-100%.

Наибольшая степень уплотнения при наименьших энергозатратах достигается при оптимальной влажности, которая также определяется методом стандартного уплотнения. Значения оптимальной влажности для различных грунтов колеблется в пределах от 8 (пески) до 25% (суглинистые черноземы).

В практике известны три основных метода уплотнения грунтов: статическая укатка, ударное трамбование и вибрирование, а также комбинированный – виброукатка и вибротрамбование.

С учетом этого грунтоуплотняющие машины подразделяются на машины статического, ударного, вибрационного и комбинированного действия. Они, в зависимости от способа их перемещения, бывают прицепные, полуприцепные, самоходные, а также в виде навесного оборудования к базовым машинам.

По виду рабочего органа уплотняющие машины подразделяются на:

• катки статические и вибрационные с гладкой, кулачковой и решетчатой металлической обечайкой и пневмоколесные;

• трамбующие машины на базе гусеничных тракторов, управляемые вручную трамбовки с электрическим или бензиновым двигателем, а также трамбовки на базе гидромолотов к гидравлическим экскаваторам;

• самопередвигающиеся и навесные к базовым шасси виброплиты, а также виброплиты, навешиваемые на стреле экскаватора вместо ковша.

Внутри каждого из этих типов они условно делятся по своей массе на легкие, средние и тяжелые.

13.2. Катки статического действия.

Катки являются наиболее распространенными, простыми и экономичными грунтоуплотняющими машинами. Их классифицируют по массе, контактной (линейной) нагрузке (кН/м), числу вальцов и взаимному их расположению, типу привода вальцов и конструкции вальцов.

Катки бывают: легкие, массой 3-5 т с контактной нагрузкой 20-40 кН/м; средние, массой 6-10 т с контактной нагрузкой 40-60 кН/м; тяжелые, массой 10-15 т с контактной нагрузкой 60-80 кН/м и сверхтяжелые, массой 17-25 т с контактной нагрузкой 80-120 кН/м.

По числу вальцов, их взаимному расположению различают одно- двух – и многовальцевые катки. По типу привода ведущие вальцы катка могут иметь механическую, гидромеханическую или гидрообъемную трансмиссию.

Вальцы (рис. 13.1) выполняют в виде гладких цилиндрических барабанов, кулачковыми, решетчатыми, с плитками по поверхности обода, в виде набора на оси колес с пневматическими шинами, дисков и сегментов, а также копмакторными и специальной формы.

Гладкие вальцы (рис.13.1, а) представляют собой барабан цилиндрической формы. Их уплотняющее воздействие обеспечивается собственным весом, который модно увеличить дополнительным балластом (это относится также и к другим вальцам). По числу и расположению вальцов катки могут быть: одновальцовые, с поддерживающими вальцами или колесами; двухвальцевые с одним или двумя ведущими вальцами; трехвальцевые двухосные; трехвальцевые двухосные с дополнительным вальцом малого диаметра; трехвальцевые трехосные с одним или тремя ведущими вальцами.

Катки бывают самоходными и прицепными. Для получения необходимого уплотнения материала обычно требуется несколько проходов: число их зависит от типа катка, свойства грунта и толщины слоя.

Гладкие катки уплотняют грунт слоями 0,15-0,2 м без разрыхления его поверхности или с незначительным разрыхлением на глубину 1-3 мм (в несвязных грунтах). Их применяют преимущественно для прикатки в один-два прохода поверхностей, уплотненных другими катками.

Рис. 13.1 Схемы укатывающих рабочих органов: а – гладкобарабанный; б – кулачковый; в – решетчатый; г – пневмоколесный; д – с плитками, шарнирно присоединенными к ободу колеса; е – дисковый; ж – сегментный; з – компакторный валец; и – валец с набором многоугольных дисков

Диаметр Д вальца гладкого катка определяют из условия обеспечения напряжений на уплотняемый поверхности грунта не выше его предела прочности δ_р, которое записывается в виде:

δ_р = ; (13.1)

где q – вертикальная нагрузка на единицу ширины вальца; Е – модуль деформации грунта в конце его уплотнения, при оптимальной влажности для связных грунтов Е = 15÷20 МПа и для несвязных грунтов Е = 10÷15 МПа.

Установлено, что лучший эффект уплотнения имеет место, когда максимальные направления на уплотняемой поверхности будут составлять 0,8-0,9 предела прочности δ_р. Глубина активной зоны уплотнения укаткой h₀ примерно равна удвоенному максимальному поперечному размеру поверхности контакта вальца с грунтом. Из этих соображений и с учетом приведенного модуля деформаций:

; (13.2)

где W, W₀ – фактическая и оптимальная влажность грунта.

Из последней зависимости следует, что большей глубине активной зоны при равных прочих условиях соответствует больший диаметр вальца. Ограничивают этот размер по конструктивным соображениям, Д = (1,6÷1,8) м.

Ширину вальца рекомендуется принимать равной его диаметру или несколько (до 20%) больше этого размера. При малой ширине каток недостаточно устойчив, а при большой ширине ухудшается его маневренность на поворотах.

Скорости передвижения катков не влияют на изменение плотности грунтов. Но при повышенных скоростях из-за больших сдвигающих усилий на контактной поверхности формируется менее прочная структура грунта. Исследованиями установлены рациональные скоростные режимы – перемещение катка на малой скорости (1,5-2,5 км/ч) на первом и двух последних проходах и на повышенных скоростях (8-10 км/ч) на промежуточных проходах, которыми обеспечивается увеличение производительности катков примерно в 2 раза по сравнению с работой в односкоростном режиме.

Рис. 13.2 Прицепной кулачковый статический каток.

Кулачковые катки имеют валец 2 с кулачками 1 (рис. 13.2), закрепленный на раме 3. Внутренняя полость вальца заполняется балластом через люки 6. Рама катка представляет собой сварную конструкцию, состоящую из двух продольных и двух поперечных балок коробчатого сечения.

К продольным балкам рамы приварены планки для крепления подшипниковых узлов вальца. С внутренней стороны к поперечным балкам приварены скребки 4, которые предназначены для очистки вальца от налипающего грунта. В балках рамы вмонтированы чугунные балластные грузы. С наружной стороны к поперечным балкам болтами прикреплены дышла 5, на которых установлены петли, которые могут поворачиваться вокруг своей оси. При помощи дышла с петлей каток сцепляется с трактором.

При работе кулачковых катков грунт уплотняется внедряемыми в него кулачками, а на первых проходах также поверхностью вальца. По мере уплотнения грунта кулачками на глубине при каждом новом проходе их погружение в грунт уменьшается, вследствие чего валец теряет контакт с уплотняемой поверхностью. Поэтому эффективность уплотнения грунта кулачковыми катками обуславливается возможностью погружения кулачков в грунт на первых проходах с уменьшением этого погружения на последующих. Для этого на контактных площадках кулачков с грунтом должно быть достаточное давление для их погружения.

Кулачки бывают реверсивные (симметричные) и нереверсивные (асимметричные). Реверсивные кулачки работают одинаково при перекатывании вальцов в обе стороны. Нереверсивные кулачки создают неравномерное давление на грунт и действуют они при движении катка только в рабочем направлении.

Минимальный поперечный размер «b» на опорной поверхности кулачка назначают не менее ¼ толщины уплотняемого слоя, а длину кулачка = 1,4Н_о + h_р – 2,5 b (Н_о – оптимальная толщина уплотняемого слоя, Н_о = 0,12÷0,13 м; h_р – допускаемая толщина слоя поверхностного разрушения, h_р = 0,04÷0,15 м). На каждом 1м² поверхности вальца легких и средних катков устанавливают 20-25 кулачков. Диаметр вальца назначают в зависимости от длины кулачков Д = (5,5÷7)·l, а при назначении ширины вальца пользуются прежними рекомендациями для катков с гладкими вальцами.

Для обеспечения требуемого контактного давления р (от 0,7-2 МПа для легких, до 4-6 МПа и более для тяжелых катков) масса вальца не должна быть меньше (F – площадь опорной поверхности кулачка; z' – число кулачков в одном ряду по образующей вальца; g – ускорение свободного падения).

Требуемое число проходов при к_у = 0,95:

; (13.3)

где S – площадь поверхности вальца; k – коэффициент неравномерности перекрытия поверхности кулачками, в среднем k = 1,3; z – общее число кулачков на вальце.

При к_у = 0,98÷1 требуемое число проходов увеличивают в 2-3 раза.

Катки с решетчатыми вальцами имеют опорную поверхность в виде решетки. Последняя состоит из переплетенных прутьев профильной стали или же из отдельных сегментов листовой стали. Решетка имеет квадратные отверстия со сторонами квадрата 15 или 20 см. Масса катка с балластом составляет 15-30 т. Каток может уплотнять грунт слоями толщиной до 40 см. Решетчатые катки применяют при уплотнении разнообразных грунтов (песков, супеси, суглинков, глины). Широко применяют эти катки при уплотнении грунтов в зимних условиях с включениями мерзлых комьев размером до 60 см. Производительность решетчатого катка на 20-30% выше, чем у катков на пневматических шинах такой же массы.

Катки на пневматических шинах оснащают пневматическими колесами с гладкой или профильной рабочей поверхностью. Для изменения контактного давления пневматических шин на грунт изменяют размер контактной поверхности шины путем варьирования давления воздуха в шине. Катки на пневматических шинах эффективно уплотняют несвязные, слабосвязные, а также связные грунты с оптимальным содержанием воды. Их масса достигает 100, 120, а в отдельных случаях и 200 т (для уплотнения грунтов при строительстве аэродромов). Наибольшее распространение получили катки массой 20-25 и 40-50 т. Толщина уплотнения слоев для таких катков составляет 0,35-0,45 м. Требуемая степень уплотнения достигается за 6-10 проходов при рабочих скоростях передвижения 11-15 км/ч.

Наибольшее распространение получили катки с независимой подвеской отдельных колес, что обеспечивает равномерное уплотнение грунта, а при неровной поверхности предохраняет шины от перегрузки.

Катки на пневматических шинах бывают прицепными, полуприцепными и самоходными. Полуприцепной пневмоколесный каток показан на рис. 13.3.

При расчете глубины активной зоны уплотнения h₀ исходят из предложения, что пятно контакта есть эллипс с отношением полуосей = 1,3, а контактные давления распределяются по этой площади по закону эллипсоида с максимальным значением δ_max в ее центре, тогда:

; (13.4)

где Р – нагрузка на колесо.

Рис. 13.3 Полуприцепной пневмоколесный каток: 1 – дышло; 2 – рама; 3 – бункер для загрузки балласта; 4 – пневмоколесо; 5 - механизм стопорения секций; 6 – секции катка; 7 - тягач

В зависимости от прочности грунта и типа пневмоколес давление в шинах может изменяться от 0,6 до 1,4 МПа.

Тяговое усилие для передвижения катка:

; (13.5)

где М – масса катка с балластом; f – сопротивление перекатыванию, для катков с жесткими вальцами f = 0,15÷0,25 на первых проходах, f = 0,1÷0,15 – на последующих проходах; для пневмокатков соответственно f = 0,2 и f = 0,09÷0,1; i – продольный уклон уплотняемой поверхности.

Тяговый класс тягача для прицепных катков назначают на 10-20% выше тягового усилия полученного по формуле (13.5).

Требуемая мощность двигателя самоходных катков:

; (13.6)

где V_min – минимальная скорость передвижения катка при максимальном значении Т; η- КПД привода катка.

При расчете технической производительности (м³/ч) учитывают перекрытие катком следа предыдущего прохода (b_п≈0,2 м):

; (13.7)

где L- длина укатываемого участка, м; В – ширина вальца; V_ср –средняя рабочая скорость передвижения, м/ч; t_п– продолжительность одного разворота, с.

Катки с плитами (рис. 13.1, д) оборудованы вальцами, представляющими собой цилиндрический барабан, на поверхности которого расположены плитки по всей его ширине. Эти вальцы через плитки оказывают статическое воздействие на грунт с усилием, направленным вертикально к поверхности, поэтому горизонтальных смещений грунта не происходит. Катки с плитками, шарнирно присоединенными к ободу колеса, предназначены для уплотнения слабосвязных и сыпучих грунтов.

Катки с дисковыми вальцами (рис. 13.1, е) оборудованы вальцами, состоящими из дисков различного диаметра, установленных на одной оси. К началу уплотнения валец погружается в грунт так, что все диски находятся в контакте с грунтом. С увеличением степени уплотнения валец поднимается вверх и с грунтом контактируют только диски с большим диаметром. Это увеличивает контактное давление. Дисковые вальцы применяют для уплотнения несвязных и слабосвязных грунтов.

Катки с сегментными вальцами (рис. 13.1, ж) оборудованы гладкими барабанами, на ободе которых имеются сегменты. Укатывающий валец погружается в грунт по обод барабана. Затем он поднимается наверх, к поверхности прилегают только плиты, и контактное давление увеличивается.

Сегментные вальцы применяют для уплотнения таких же грунтов, что и дисковые вальцы.

Катки компакторного типа (рис. 13.1, з), представляющие собой цилиндрический барабан, на поверхности которого в несколько рядов приварены кулачки симметричной формы. По сравнению с кулачковыми вальцами, на которые похожи компакторные по своей конструкции, последние имеют меньшую ширину и меньшее число рядов с кулачками. Уплотнение происходит под действием силы тяжести катка и сминающего воздействия кулачков. Благодаря высокой рабочей скорости катка, последние врезаются в грунт с большой скоростью, создавая динамическое воздействие на грунт (ударные нагрузки). Компакторные катки применяют при уплотнении больших площадей грунта, а также для уплотнения мусорных свалок.

Катки из многоугольных дисков (рис. 13.1, и) набирают из элементов, расположенных на одной оси один за другим или смещенных один относительно другого. Диски передают грунту сжимающие и сминающие усилия. Возникают дополнительные ударные нагрузки на грунт, являющиеся результатом высоких рабочих скоростей (до 40 км/ч). Края многоугольных дисков быстро изнашиваются, но их легко заменять. Специальные вальцы применяют аналогично компакторным вальцам.

Укатывающие элементы катков, за исключением комбинированных, имеют одну и ту же форму и часто одинаковые размеры, как, например, тандемные, трехосные и четырехвальцовые катки.

Комбинированные катки имеют уплотняющие органы различной формы. В результате комбинации уплотняющих элементов (пневмошин с гладкобарабанными вальцами, кулачковыми или решетчатыми, укатывающими элементами, как со статическим, так и вибрирующим воздействием последних) во время укатывания одновременно проявляются различные эффекты и достигается высокая степень уплотнения.