1.7. Теоретические предпосылки основ уплотнения земляного полотна

Уплотнение грунта - одно из важнейших условий, обеспечивающих требуемую прочность и допустимое морозное пучение. С увеличением плотности грунта возрастают его прочность, устойчивость, модуль деформации и сопротивление сдвигу, а пористость, деформируемость, водонепроницаемость, набухание и морозное пучение снижаются [9, 22, 34].

Грунт представляет собой сложное тело, в состав которого входят твердые частицы, вода и воздух. Жидкая и газообразная фазы подвижны в порах грунта, и в зависимости от действия физико-механических взаимодействий на грунт их количество может резко изменяться. Прочность грунта зависит от относительного содержания скелета и воды, т.е. от плотности и влажности грунта. Соотношение по массе и объёму трёх компонентов выражается уравнением

50

База нормативной документации: www.complexdoc.ru

- w-s v _л -+—+— = 1,

у 100 100

(1.7.1)

где d - плотность скелета грунта, г/см³;

W - массовая доля влажности грунта, %;

V - объем воздуха, %;

g - плотность твердой фазы грунта (истинная плотность скелета, г/см³);

1- единичный объем грунта (1 см³).

Отсюда, плотность скелета грунта, характеризующая степень уплотнения земляного полотна

100	Л loo.
1 W +	uWy

- =

у 100 " 100

(1.7.2)

чем меньше объём воздуха и влажность грунта. Однако прочность грунта зависит не только от плотности скелета грунта, но и от его

оттаивании и как влияет она на сцепление С, угол внутреннего трения j и модуль упругости Е.

На практике доказано, что для получения наиболее плотной структуры необходимо, чтобы влажность грунта была такой, при которой объем защемленного воздуха находился в пределах 4...6

эксперименты, именно при таком объёме воздуха грунт

51

База нормативной документации: www.complexdoc.ru

характеризуется минимальными водопроницаемостью, морозным пучением, набуханием, а также максимальным модулем упругости и сопротивлением сдвигу. Если влажность ниже, т.е. объём пор, занятых воздухом, выше, не создается устойчивой структуры, и при увлажнении грунт легко разбухает и тем больше, чем выше влажность, а при недостаточной плотности, наоборот, доуплотняется и дает осадку, а модуль упругости в обоих случаях падает. Если влажность вытесняет указанный процент воздуха, то структура также становится неустойчивой.

Исходя из вышесказанного, можно сделать вывод, что для любого вида грунта существует определенная влажность, называемая оптимальной влажностью, при которой достигается наибольшая (оптимальная) плотность грунта с минимальной затратой энергии на его уплотнение. Для соблюдения оптимального режима уплотнения до начала возведения земляного полотна проводят лабораторные испытания: определяют оптимальную плотность и влажность грунта, а также потребную для уплотнения механическую работу.

1.8. Определение оптимальной плотности и влажности грунта

Стандартное уплотнение грунта в лабораторных условиях производят на приборе СоюздорНИИ (рис 1.8.1). Отобранный из резерва или выемки образец грунта, предназначенного для устройства насыпи, высушивают до постоянного веса, растирают и просеивают через сито 5 мм.

52

База нормативной документации: www.complexdoc.ru

Рис. 1.8.1. Прибор для стандартного уплотнения:

1 - поддон; 2 - разъемный цилиндр; 3 - груз массой 2,5 кг; 4 -

стойка; 5 - цилиндрическая насадка; 6 - зажимное кольцо; 7 -

зажимный винт; 8 - ограничитель для регулирования падения

груза

Грунт, просеянный на сите, увлажняют из расчета на 4 ... 5 % ниже границы раскатывания и берут пробу для определения влажности грунта, W. Приготовленный грунт насыпают в прибор на 1/3 и уплотняют ударами груза массой 2,5 кг, падающего с высоты 30 см. Уплотнение производят в три слоя. Число ударов зависит от физико-механических свойств грунта и составляет для несвязных грунтов 20´3, для связных 40´3. Далее взвешивают разъёмный цилиндр с грунтом и без грунта. Плотность влажного грунта d_w определяют по формуле

53

База нормативной документации: www.complexdoc.ru

р-р

V '

(1.8.1)

где Р ₁ - общая масса цилиндра с грунтом, г;

Р2 - масса разъёмного цилиндра, г;

V- объём цилиндра (1000 см³).

Зная влажность и плотность влажного грунта, определяют среднюю плотность скелета грунта

д = - ^v

_u^w

100

(1.8.2)

где W - влажность грунта, %.

После этого грунт из разъёмного цилиндра высыпают в чашку, добавляют 2...3 % воды и повторяют операцию, описанную выше.

скелета от влажности грунта при уплотнении, максимум которой определяют два параметра: оптимальную плотность d0 и оптимальную влажность W₀. Если грунт содержит частицы

отс руп е^Пянн ее ого мм, то в оптимальную плотнос»^ ^ив еде дГн нную та для 1.8.1.

54

База нормативной документации: www.complexdoc.ru

Рис. 1.8. Кривые для определения оптимальной плотности и

влажности:

1 - стандартное уплотнение на приборе СоюздорНИИ; 2 -

усиленное уплотнение (США)

Таблица 1.8.1

Ориентировочные значения поправок в зависимости от процентного содержания частиц крупнее 5 мм

Содержание	Поправки		Содержание	Поправки
частиц крупнее		на	частиц крупнее		на
5 мм, %	на плотность	влажность	5 мм, %	на плотность	влажность
5	1,02	0,95	20	1,08	0,80
10	1,04	0,90	30	1,13	0,70
15	1,06	0,85	40	1,18	0,60

При обосновании параметров прибора стандартного уплотнения в СоюздорНИИ исходили из того, чтобы полученные в нем плотности были достаточно близки плотностям грунта в насыпях, проработавших не менее 20 лет, и, вместе с тем, практически достижимы с помощью уплотняющих средств массой до 10...15

55

База нормативной документации: www.complexdoc.ru

т. Полученные величины оптимальных плотности и влажности грунта не являются наилучшими, так как, повышая при уплотнении число ударов или массу груза, можно получить более высокую оптимальную плотность, меньшую оптимальную влажность грунта и соответственно более прочную структуру (рис. 1.8). В США Американская ассоциация дорожных работников (AASHO) предложила новый способ повышенного уплотнения грунтов. Он предусматривает массу уплотняющей гири 4,5 кг, высоту ее падения 45 см, уплотнение образца грунта в пять слоев 25 ударами гири на каждый слой. Этот метод теперь принят в США и ряде других стран как стандартный. Требования к плотности, установленные этим методом, выполнимы при условии использования машин для уплотнения повышенной массы и мощности и обеспечения оптимальной влажности грунта. В США для уплотнения грунтов применяют кулачковые катки массой до 100 т и на пневматических шинах массой до 300 т.

Практически каждому средству уплотнения соответствует некоторый предел затрат работы, после которого эффект уплотнения, если и повышается, то весьма незначительно (рис. 1.8.2).

Рис. 1.8.2. Увеличение плотности грунта по мере роста работы, затраченной на уплотнение:

1 - трамбовка (один удар соответствует пяти рабочим проходам катка массой 5 т); 2 - кулачковый каток массой 5 т; 3 - гладкий каток массой 8 т; 4 - каток на пневматических шинах массой 15 т

Грунт земляного полотна, уплотненный до оптимальной плотности по методике СоюздорНИИ, обеспечивает отсутствие осадок насыпи и в то же время остается во время замерзания

и

последующего оттаивания грунта без существенных изменений.

56

База нормативной документации: www.complexdoc.ru

Следует иметь в виду, что в северных районах стабильное уплотнение грунта в верхнем промерзающем слое обычно не превышает 0,95...1,0 от оптимального уплотнения; по, этой причине в северных районах нет необходимости производить усиленное уплотнение грунта. В то же время в южных районах усиленное уплотнение (1,05...1,1) позволит уменьшить расходы на строительство дорожной одежды.