УДК 625.74 ББК 39.31 А46

Рецензенты: д-р техн. наук, проф. В.Б. Пермяков (СибАДИ); д-р техн. наук, проф. В.В. Сиротюк (СибАДИ)

Работа утверждена редакционно-издательским советом СибАДИ в качестве учебно-методического пособия.

Александрова, Н.П.

А46 Методы определения максимальной плотности грунтов земляного полотна автомобильных дорог [Электронный ресурс] : учебно- СибАДИ

методическое пособие / Н.П. Александрова, Т.В. Семенова, Г.В. Долгих. – Электрон. дан. − Омск : СибАДИ, 2015. – URL: http://bek.sibadi.org/ cgi-bin/irbis64r_plus/cgiirbis_64_ft.exe. - Режим доступа: для авторизованных пользователей.

ISBN 978-5-93204-838-2

Рассмотрено определение максимальной плотности и оптимальной влажности грунтов в приборе СоюздорНИИ для стандартного уплотнения в соответствии с требованиями стандарта РФ ГОСТ 22733 2002, а также стандартным и модифицированным методами Проктора с применением ручных и полуавтоматических приборов для уплотнения.

Приведены данные нормативных зарубежных документов, а также коэффициенты, позволяющие выполнить пересчет максимальной плотности и оптимальной влажности грунта, определяемых методами Проктора, на аналогичные параметры грунта, устанавливаемые согласно стандарту РФ ГОСТ 22733 2002.

Имеет интерактивное оглавление в виде закладок.

Предназначено для студентов всех форм обучения направления «Строительство» дорожно-строительных профилей и магистерских программ дорожной отрасли, а также для специальности «Строительство ун кальных зданий и сооружений» дорожной специализации.

Текстовое (с мвольное) издание (8,5 МБ)

Системные требован я : Intel, 3,4 GHz ; 150 МБ ; Windows XP/Vista/7 ; DVD-ROM ;

1 ГБ свободного места на жестком д ске ; программа для чтения pdf-файлов Adobe Acrobat Reader

Редактор И.Г. Кузнецова Техническая подготовка Т.И. Кукина

Издание первое. Дата подписания к использованию 13.10.2015

Издательско-полиграфический центр СибАДИ. 644080, г. Омск, пр. Мира, 5 РИО ИПЦ СибАДИ. 644080, г. Омск, ул. 2-я Поселковая, 1

© ФГБОУ ВПО «СибАДИ», 2015

Согласно 436-ФЗ от 29.12.2010 «О защите детей от информации, причиняющей вред их здоровью и развитию» данная продукция маркировке неподлежит.

1.ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ, ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Вданном разделе приведены термины и определения, используе-

мые в стандартах ASTM D 698 12 [10] и ASTM D 1557 12 [11], а

также общепринятая терминология стандарта ASTM D 653 11 [9]. При этом авторы принимали во внимание стандарты РФ и применяли

для аналогичных характеристик терминологию ГОСТ 22733 2002 [3]

и ГОСТ 5180 84 [2].

Образец грунта нарушенного сложения представительная масса грунта, в которой при отборе из массива грунта изменились естественное сложение и (или) влажность грунта [1].

Точечный метод отбора образцов грунта отбор образцов

грунта нарушенного или ненарушенного сложения (монолита) из точки массива грунтаСибАДИ[1].

Влажность грунта Wе отношение массы воды в объеме грунта к массе этого грунта, высушенного до постоянной массы [2].

Гигроскопическая влажность Wg влажность грунта в воздуш-

но-сухом состоянии, т. е. в состоянии равновесия с влажностью и температурой окружающего воздуха [2, 9].

Граница текучести Wт влажность грунта, при которой грунт находится на границе пластичного и текучего состояний [2, 9].

Граница раскатывания (пластичности) Wp влажность грунта,

при которой грунт наход тся на границе твердого и пластичного состояний [2].

График стандартного уплотнения графическое изображение зависимости изменения плотности сухого грунта от влажности при испытании методом стандартного уплотнения [3].

Коэффициент увлажнения влажность грунта в долях от оптимальной влажности, определяемая отношением влажности грунта к оптимальной влажности.

Кривая уплотнения (кривая Проктора) – кривая, описывающая зависимость удельного веса или плотности сухого грунта от его влажности при испытании стандартным или модифицированным методом [9]. Российским аналогом является термин график стандарт-

ного уплотнения [3].

Максимальная плотность (стандартная плотность) наи-

большая плотность сухого грунта, которая достигается при испытании грунта методом стандартного уплотнения [3, 9].

3

Оптимальная влажность Wо − значение влажности грунта, при котором он может быть уплотнен до максимального веса сухого грунта [9], или влажность, соответствующая максимальной плотности сухого грунта [3].

Плотность грунта масса единицы объема грунта [2, 9]. Плотность сухого грунта d отношение массы грунта за выче-

том массы воды и льда в его порах к его первоначальному объему

[2, 9].

Плотность частиц грунта s масса единицы объема твердых (скелетных) частиц грунта [2, 9].

Стандартное уплотнение послойное (в три слоя) уплотнение образца грунта с постоянной работой уплотнения [3].

стоят из минеральных частиц, между которыми имеются поры, заполненные воздухом и водой. Минеральные частицы имеют кристалли-

сталлических соединений в точках контакта частиц друг с другом.

зационные связи, образующиесяАв результате отложения поликри-

Между минеральными частицамиби пленочной водой возникают элек-

тромолекулярные силы, которые о разуют водно-коллоидные связи. Кристаллизационныеии водно-коллоидные связи называют структурными [4] и они соед няют минеральные частицы в агрегаты.

Кристаллизац онные связи могут быть водостойкими и неводостойкими (размягчаемымиС растворимыми), но в любом случае являются жесткими и хрупкими, вследствие чего не восстанавливаются после разрушения. Водно-коллоидные связи подразделяют на коагуляционные и конденсационные, которые являются вязкопластичными, мягкими и способными восстанавливаться после разрушения.

Грунты, как и любое физическое тело, обладают набором физических свойств, обуславливаемых минералогическим и химическим составами его элементов и выражаемых численными показателями. К основным свойствам грунта относят плотность грунта , плотность сухого грунта d, плотность частиц грунта s, пористость n, коэффициент пористости e, влажность в естественном состоянии W и характерные влажности (оптимальную Wo, границы раскатывания Wр и текучести Wт).

4

Отметим, что все показатели взаимосвязаны друг с другом математическими зависимостями, основные из них приведены в табл. 1.

Таблица 1. Математические формулы связывающие , d, s, n, e и W

пористости (коэффициента пористости), а плотность грунта зависит

еще и от влажностии. Поэтому в 1933 г. Ральф Проктор внес предло-

жение оценивать степень уплотнения по плотности сухого грунта (dry

density – отсюдаСпроисхожден е индекса d) [7].

Оценка качества уплотнен я грунта земляного полотна произво-

дится сравнением коэффициента уплотнения грунта в насыпи или выемке kу с его требуемыми значениями kтр. Критерием качественного уплотнения является выполнение условия

(1)

Фактические значения коэффициента уплотнения определяются отношением плотности сухого грунта в насыпи или выемке d к его максимальной стандартной плотности, полученной в лабораторном приборе стандартного уплотнения СоюздорНИИ d(mах) по [3] (в зарубежных странах – в приборе Проктора [9]). Таким образом, коэффициент уплотнения определяется по формуле

5

Коэффициент уплотнения грунта является важнейшей характеристикой, которую тщательно контролируют, определяя плотность сухого грунта в теле земляного полотна и максимальную стандартную плотность.

В соответствии с требованиями [6] контроль плотности сухого грунта выполняют в каждом технологическом слое по оси земляного полотна и на расстоянии 1,5–2,0 м от бровки, а при ширине слоя более 20 м – также и в промежутках между ними. Плотность грунта необходимо проверять на каждой сменной захватке работы уплотняющих машин. Причем в насыпях высотой до 3 м плотность контролируется не реже чем через 200 м, в насыпях высотой более 3 м – через 50 м. Контроль плотности верхнего слоя производится не реже чем

Кроме того, контроль плотности производится в каждом слое засыпки пазух труб, над трубами, в конусах и в местах сопряжения с

как правило, в месте его получения (в резерве, карьере) не реже одно-

допускается использовать ускоренныеАи полевые экспресс-методы и приборы.

го раза в смену и обязательно при выпадении осадков. Плотность и

влажность грунта следует определять по [2]. Для текущего контроля

связей увеличиваетсяи, а бпоказатели механических свойств грунтов улучшаются. ВСкол чественном отношении зависимость показателей механических свойств грунтов от коэффициента уплотнения и влажности можно представить эмпирическими формулами В.М. Сиденко, О.Т. Батракова и Ю.А. Покутнева [8]. Эти формулы связывают значения штампового модуля упругости и параметров линейной зависимости Кулона-Мора с относительной влажностью и коэффициентом уплотнения. Данные формулы приведены в табл. 2.

С увеличением плотности сухого грунта количество структурных

6

Таблица 2. Формулы для расчета показателей механических свойств грунта

Для ориентировочного расчета параметров линейной зависимости Кулона-Мора, называемых сцеплением С и углом внутреннего трения

Примечание. и – постоянные Ляме, Па; G – модуль сдвига или поперечной упругости; К – объемный модуль упругости, Па; – коэффициент Пуассона.

7

Примем, что коэффициент Пуассона величина постоянная, например, по СНиП 2.02.01 83* для супесей =0,3, для суглинков=0,35 и для глин =0,42. Тогда для суглинков и глин модуль сдвига можно определить по формуле

2 1 μ W у W

где ЕW и GW – модуль упругости и модуль сдвига при произвольной относительной влажности, Па; а – поправочный коэффициент для перехода от штампового модуля к продольному модулю упругости при одноосном сжатии, который может быть рассчитан по формуле Н.Н. Иванова, а может быть установлен экспериментально по аналогии с коэффициентами Агишева (эти коэффициенты используют для перехода от компрессионного модуля деформации к штамповому).

Таким образом, степень уплотнения грунта оказывает существенное влияние на любую деформационную характеристику. Чем выше плотность сухого грунта, тем больше величина деформационной характеристики и меньше деформации земляного полотна. С увеличением плотности возрастают и характеристики сопротивления сдвигу.

Требуемые значения коэффициента уплотнения регламентируются [5] и приведены в табл. 4.

8

Таблица 4. Требуемые значения коэффициента уплотнения

3. Для земляного полотна, сооружаемого в районах распространения островной высокотемпературной вечной мерзлоты, коэффициенты уплотнения следует принимать такими же, как для II дорожно-климатической зоны.

Из табл. 4 вытекает, что в зависимости от природноклиматических условий (ДКЗ) и условий эксплуатации дорожной конструкции (тип одежды и элемент земляного полотна) выдвигаются различные требования по степени уплотнения. Здесь возникает вполне резонный вопрос: «Почему не принять одинаковые требования к степени уплотнения?» Казалось бы, раз уплотнение столь позитивно сказывается на деформационных и прочностных характеристиках, то требования по коэффициентам уплотнения должны быть максимально возможные.

По мнению авторов, различие в требованиях к величине коэффициента уплотнения необходимо по двум основным причинам. Во-

9

первых, уплотнение является достаточно энергоемким процессом. Поэтому в тех элементах земляного полотна, в которых возникают наибольшие напряжения и имеет место наибольшее увлажнение, следует предусматривать наибольшие требуемые коэффициенты уплотнения. В менее увлажненных элементах земляного полотна, а также в элементах с меньшими напряжениями такие высокие коэффициенты уплотнения не требуются, поэтому для уменьшения энергоемкости уплотнения требования могут быть ниже. Во-вторых, деформации морозного пучения и набухания приводят к уменьшению плотности сухого грунта. Поэтому если уплотнить грунт до коэффициентов 1>kу 1,1 и не предусмотреть в конструкции земляного полотна мероприятий по недопущению увлажнения грунта, то со временем (2–3 года) коэффициенты уплотнения уменьшатся. В этом случае энергия,затраченнаянапереуплотнение грунтаИ, будет израсходована зря.

Для раскрытия влияния влажности грунта на степень уплотнения

этого необходимо рассматривать структуру грунтов и ее изменение в процессе уплотнения.

обсудим процессы, происходящие в Дгрунте при его уплотнении. Для

методов укаткой, трамбованиемАили вибрацией вода не успевает отжаться из зон контактовбмежду агрегатами и частицами. Это объясняется тем, что дляифильтрации воды через тонкие поры требуется определенное время. Поэтому уплотнение грунтов при воздействии

При уплотнении дисперсных грунтов любым из традиционных

циклических кратковременных нагрузок в основном происходит из-за вытеснения воздухаС, вследств е чего минеральные частицы сближаются, а поры уменьшаются.

При уплотнении работа затрачивается на преодоление трения между частицами и агрегатами, а также на их перемещение. Если влажность грунта мала, то добавление в него воды уменьшает трение между частицами и агрегатами, а также способствует размягчению и растворению неводостойких кристаллизационных связей. Эти эффекты облегчают перемещение частиц и способствуют их более тесной укладке при той же затраченной работе. Поэтому с увеличением содержания воды в грунте до определенного предела плотность скелета увеличивается. В любом грунте существует связанная система воздушных пор, сообщающихся с атмосферой. В результате уплотнения нагрузкой воздух вытесняется в атмосферу, а объем такой системы пор постепенно уменьшается. Вследствие этого грунт упрочняется, а зависимость деформации уплотнения от количества воздействий нагрузок имеет затухающий характер.

10

При чрезмерной влажности смазывающий эффект уже не увеличивается, а вода препятствует сближению частиц и даже приводит к их раздвижке. Поэтому зависимость плотности скелета от влажности грунта имеет максимум.

Влажность грунта, при которой в лабораторном приборе стандартного уплотнения достигается максимальная плотность сухого грунта d(mах), называют оптимальной влажностью Wо. Здесь отметим, что в соответствии с формулой (2) максимальной стандартной плотности соответствует значение коэффициента уплотнения kу=1. Коэффициенты уплотнения меньше 1 можно получить при влажности, отличающейся от оптимальной. Причем чем меньше требуемое значение коэффициента уплотнения, тем больше интервал варьирования влажности, в котором можно выполнить такое уплотнение. При этом необходимо иметь в виду, что, оценивая пригодность грунта для уплотнения по влажности, принято оперировать понятием «коэффициент увлажнения». Коэффициент увлажнения представляет собой от-

Для того чтобы получить количественные зависимости плотности скелета грунта от влажности, а следовательно, и зависимости коэффициента уплотнения от коэффициента увлажнения, необходимо выполнить лабораторные испытания.

11