4. Уплотнение насыпных земляных сооружений

4.1. Нормирование плотности грунта

Стабильность пути железнодорожных линий в большой мере зависит от качества уплотнения грунтов, осуществляемого в процессе сооружения земляного полотна. При недостаточном уплотнении возможны неравномерные осадки и деформации основной площадки. В настоящее время предусмотрено строгое нормирование плотности грунтов в теле вновь сооружаемой насыпи.

Излагаемый в данном разделе материал основывается на знании курса механики грунтов, поэтому здесь не приводятся развернутые определения физико-механических свойств грунтов и способы их определения.

В дальнейшем используются следующие условные обозначения:

W – влажность грунта, %;

W_т – влажность на границе текучести, %;

W_p – влажность на границе раскатывания, %;

W_o – оптимальная влажность, %;

γ – объемный вес влажного грунта, г/см³;

δ – объемный вес скелета грунта (плотность), г/см³;

δ_н – нормативная плотность, г/см³;

δ_max – максимальная стандартная плотность, г/см³;

 – удельный вес грунта, г/см³;

_в – удельный вес воды, г/см³;

К – коэффициент уплотнения;

К₁ – коэффициент относительного уплотнения.

Эффективность уплотнения зависит от рода грунта, его влажности, толщины уплотняемого слоя, грунтоуплотняющей машины, технологии возведения насыпи, а также от температурных условий во время производства работ.

Степень уплотнения грунта характеризуется коэффициентом уплотнения К, равным отношению фактической плотности δ к максимальной стандартной плотности δ_max; последняя определяется в лаборатории при соответствующих условиях стандартного уплотнения:

К = δ / δ_max.

Контроль качества уплотнения грунта в процессе возведения насыпи заключается в систематическом сравнении фактической плотности грунта с нормативной плотностью; при этом должно соблюдаться условие:

δ  δ_н .

Нормативная плотность определяется из условия:

δ_н = К  δ_max .

Максимальная стандартная плотность грунта (δ_max) определяется в результате проведения испытания грунтов в лабораторных условиях либо методом определения ориентировочного значения максимальной стандартной плотности и оптимальной влажности грунтов. Термин стандартная плотность подразумевает затрату определенного количества работы на уплотнение образца в определенных условиях.

В лаборатории стандартное уплотнение грунта производится с помощью прибора стандартного уплотнения (рис. 4.1), который состоит из следующих деталей: подстаканника 1; разъемного стакана 2 вместимостью 1000 см³, диаметром 100 мм и высотой 127 мм; верхнего стакана (насадки) 3; стойки с уплотнителем 4 (вес стойки с уплотнителем 1,4 кг); груза 5 весом 2,5 кг; ограничительного кольца 6 с винтом и зажимного кольца 7 с зажимными винтами 8.

Заполнение прибора рыхлым грунтом производится в три приема равными порциями и таким образом, чтобы толщина уплотненного слоя составляла 1,3 высоты стакана. Повышение уплотненного грунта над кромкой разъемного стакана после уплотнения трех слоев не должно быть более 1 см.

Уплотнение грунта в приборе производится ударами груза весом 2,5 кг, свободно падающего по штоку с высоты 30 см. При этом каждый слой уплотняется числом ударов, равным 1/3 от общего числа ударов, назначенного для уплотнения.

Общее число ударов для песка и супесей – 75, для пылеватых супесей, суглинков и глин –120.

После этого определяются влажность и объемный вес грунта в стакане. Далее операции по уплотнению повторяются, причем каждый раз увеличивается влажность грунта.

Рис. 4.1. Прибор стандартного

уплотнения

Влажность грунта определяется по двум пробам, отбираемым в бюксы из внутренней части уплотненного образца.

Испытание повторяется до тех пор, пока объемный вес влажного грунта не станет уменьшаться. После окончания опыта и определения влажности вычисляется объемный вес скелета грунта (плотность δ), г/см³:

δ = γ / (1+ 0,01∙ W),

где γ – объемный вес влажного грунта;

W – влажность, %.

На основании данных, полученных в результате испытаний, вычерчивается кривая зависимости плотности грунта от влажности (рис. 4.2). По этой кривой определяется максимальная стандартная плотность. Соответствующая этой плотности влажность является оптимальной влажностью грунта.

В дополнение к основному методу при текущем контроле качества уплотнения грунта можно ориентировочно определять максимальную стандартную плотность и оптимальную влажность расчетным методом, не прибегая для всех образцов к стандартному уплотнению их в приборе.

Рис. 4.2. Кривая стандартного уплотнения

В этом случае максимальную плотность δ_max определяют по формуле, г/ см³:

δ_max = ( – (1 – 0,01∙V)) / (1 + ∙ 0,01∙ W_o / _в),

где  – удельный вес минеральной части, г/ см³, который при такого рода расчетах может быть принят равным для супесей 2,68, для суглин- ков 2,7, для глин 2,74;

_в – удельный вес воды;

V – объем содержащегося в грунте воздуха при оптимальной влажно-сти, % (обычно принимают 3–5 %);

W_o – оптимальная влажность, %.

Ориентировочно значение оптимальной влажности W_o, %, может быть определено следующим образом:

по известному значению влажности на границе раскатывания W_р:

W_o = W_р – a,

где a – поправка для глинистых грунтов, равная 1–2%;

по известному значению влажности на границе текучести W_т:

W_о =  ∙ W_т ,

где  – переходный коэффициент; ориентировочно для суглинистых черноземов  = 0,65.

Уплотнение грунта до установленных норм приводит к тому, что плотность грунта в насыпи иногда оказывается выше плотности грунта в резервах или карьерах. В связи с этим в забое потребуется разработать объем грунта больший, чем в насыпи после уплотнения. Таким образом, при установлении фактического рабочего объема земляных работ следует учитывать коэффициент относительного уплотнения грунта К₁ , определяемый как отношение грунта, взятого из резерва (карьера, выемки), V_рез к объему этого же грунта, который он занял после уплотнения в теле насыпи, V_нас:

К₁ = V_рез / V_нас

или

К₁ = δ_нас / δ_рез,

где δ_нас – средняя плотность грунта в насыпи;

δ_рез – средняя плотность грунта в карьере или разрезе.

Среднюю плотность грунта определяют на основании отбора проб грунта в насыпи и в резервах в процессе сооружения земляного полотна.

Для участка насыпи средняя плотность может быть определена по формуле:

δ_нас = ,

где δ_i – фактически замеренные плотности грунта в насыпи, гсм³;

n – общее число замеров плотности.

Для определения средней плотности грунта в резерве (карьере) предварительно вычисляется средняя плотность грунтов в одном шурфе:

= ^,

где – средняя плотность i-го шурфа, г/см³;

– плотность отдельных слоев грунта i-го шурфа, г/см³;

h_j – толщины соответствующих слоев, см;

j = 1, 2,…, n – количество слоев грунта i-го шурфа.

Средняя плотность грунта в резерве (карьера) по данным нескольких шурфов:

_рез = ^,

где n – число шурфов (обнажений), которые должны размещаться равномерно по всей площади разрабатываемого резерва (карьера).

Подставляя полученные средние значения δ_нас и _рез в выражение для К₁, получим коэффициент относительного уплотнения грунта и фактический объем земляных работ:

V_рез = К₁V_нас.

Для ориентировочного определения рабочей кубатуры при заданном коэффициенте уплотнения коэффициент относительного уплотнения К₁ может быть принят по табл. 4.1.

Т а б л и ц а 4.1

Заданный коэффициент уплотнения насыпи	Коэффициент относительного уплотнения
	песков, супеси, пылеватых суглинков	суглинков, глин	лёссовидных грунтов, лёссов, черноземов
1,00	1,10	1,05	1,20
0,95	1,05	1,00	1,15
0,90	1,00	0,95	1,10