2560

2

УДК 630*383.7

Макеев, В. Н. Дорожно-строительные материалы и машины [Текст] : метод. указания к выполнению лабораторных работ для студентов специальности 250401 – Лесоинженерное дело / В. Н. Макеев, Д. Н. Афоничев, С. М. Гоптарев ; Фед. агентство по образованию, ГОУ ВПО «ВГЛТА». – Воронеж, 2010. – 36 с.

Печатается по решению учебно-методического совета ГОУ ВПО «ВГЛТА» (протокол № 4 от 11 декабря 2009 г.)

Рецензент заведующий кафедрой строительства автомобильных дорог Воронежского государственного архитектурно-строительного университета д-р техн. наук, проф. В. П. Подольский.

Научный редактор д-р техн. наук, проф. В. К. Курьянов

3

Введение

В дорожном строительстве лесопромышленных производств в настоящее время приоритет следует отдавать дорогам круглогодового действия, помня при этом, что важным направлением совершенствования строительства лесовозных дорог является концентрация его объемов на одном объекте. Одним из перспективных направлений по повышению качества таких дорог и снижению стоимости их строительства является более широкое использование местных строительных материалов и особенно грунтов.

Пригодность грунтов для дорожного строительства во многом зависит от их физических и механических свойств. От этих свойств зависит устойчивость земляного полотна, прочность дорожных покрытий и системы водоотвода. Ими (свойствами) определяется выбор типа и производительность дорожных машин, организация и методы производства земляных работ.

Грунты, улучшенные скелетными и другими добавками и вяжущими материалами, широко применяются для устройства оснований и покрытий дорожных одежд.

Пригодность грунтов для заданных целей, устойчивость земляного полотна и долговечность дорожной одежды в значительной степени зависят от зернового состава, физических и механических свойств.

Поэтому в данных методических указаниях рассматриваются физикомеханические свойства грунтов.

По своему характеру все лабораторные работы относятся к научноисследовательским и предусматривают задачу привития студентам навыков самостоятельного выполнения экспериментальных исследований, обработки и анализа результатов этих исследований.

Настоящие методические указания предназначены для студентов третьего курса специальности 250401 – Лесоинженерное дело.

4

1. Грунты – основной вид дорожно-строительных материалов

1.1. Основные виды и происхождение грунтов

Транспорт леса является связующей фазой лесопромышленного производства. Главным составляющим элементом его являются лесовозные дороги различного срока действия. Это – магистрали, ветки и временные подъездные пути – усы. Магистраль представляет собой основной путь, действующий в течение всего срока освоения лесного массива. Ветки являются дорогами более низкого класса, со сроком службы от 3-х до 10-ти лет. Усы – пути кратковременного действия (до 1 года).

До 90-х годов только для целей лесопромышленного производства ежегодно строилось до 7 тыс. км постоянных дорог всесезонного действия и более 40 тыс. км временных дорог. Основным видом работ при строительстве таких дорог являются земляные работы. Средний объем земляных работ на 1 км пути составляет: в равнинной местности 3000...6000 м3, в пересеченной – 5000…7000 м3 и горной – 6000...10000 м3. При выполнении земляных работ предметом труда (объектом разработки) являются грунты, как основной вид дорожно-строительных материалов.

Грунтами называют верхние слои земной коры, подвергшиеся в течение длительного времени воздействию внешних природных факторов: воды, температуры, ветра, солнца и т.д. Грунты являются основным материалом, из которого сооружают земляное полотно и дорожную одежду (покрытие) при строительстве дорог в условиях леса.

В зависимости от происхождения грунтообразующие горные породы разделяют на изверженные, метаморфические и осадочные.

Кизверженным породам относятся граниты, сиениты, базальты, диабазы, порфиры и другие породы.

Кметаморфическим породам относятся мраморы, кварциты, гнейсы сланцы и др.

Преобладающее значение в образовании поверхностных грунтов имеют осадочные породы, которые можно разделить на следующие основные группы: сцементированные осадочные породы – песчаники, мергели, руды, конгломеранты и т.д.; химически осажденные породы – доломиты, гипс, каменная соль,

5

кремнистые руды, опоки и др.; породы органического происхождения – известняки, торф, сапропели; рыхлые горные породы, которые, в свою очередь, подразделяются на несвязные (валуны, галичник, щебень, гравий, пески) и пластически связные (супеси, суглинки, глина).

Грунты представляют собой сложную дисперсную систему, состоящую из твердой, жидкой и газообразной фаз. Твердая фаза (скелет грунта) состоит из минеральных и органических частиц разнообразной величины и формы. Жидкая фаза (вода) и газообразная фаза (воздух и пары воды) заполняют промежутки (поры) между твердыми грунтовыми частицами. Таким образом, грунты представляют собой сложные многокомпонентные среды, трудность разработки которых дорожными машинами зависит в первую очередь от характера структурных связей, происхождения, условий образования, гранулометрического состава, пластичности, структуры, текстуры, наличия влаги, льда, газов и пр.

Взависимости от степени разрушения горной породы и некоторых свойств, важных в строительном отношении, грунты подразделяют на следующие основные классы:

скальные – изверженные, метаморфические и осадочные породы с жесткой связью между минералами или зернами, излагающими в виде сплошного массива или трещиноватого слоя;

крупнообломочные – несцементированные грунты, содержащие более 50 % по массе обломков кристаллических или осадочных пород с размерами частиц более 2 мм ( по диаметру);

песчаные – сыпучие в сухом состоянии грунты, не обладающие свойством пластичности (число пластичности меньше единицы) и содержащие менее 50 % по массе частиц крупнее 2 мм;

глинистые – связные в сухом состоянии тонкозернистые грунты, для которых число пластичности (интервал влажности между границей текучести и границей раскатывания) больше единицы.

К глинистым и песчаным грунтам, а иногда и к крупнообломочным относятся также грунты растительно-наземного происхождения (чернозем, зерновоподзолистые почвы, солонцы и др.).

Вособую группу обычно принято выделять грунты органического происхождения – торф, трепел.

Взависимости от температуры и наличия льда (очень важно для условий лесопромышленных предприятий северной части России) грунты подразделяют

6

на немерзлые, морозные (охлажденные) и мерзлые. Немерзлые грунты не содержат лед и имеют положительную температуру. Морозные грунты – не содержат лед при отрицательной температуре и в них отсутствуют льдоцементные связи. Мерзлые грунты имеют отрицательную или нулевую температуру и содержат лед, цементирующий минеральные частицы.

По продолжительности непрерывного пребывания в мерзлом состоянии эти грунты, в свою очередь, подразделяют: кратковременно-мерзлые (часы, сутки), сезонно-мерзлые (месяцы), перелетки (от одного до двух лет), многолетнемерзлые (от трех лет и выше).

При строительстве дорог большое значение имеет трудность разработки грунтов. В зависимости от этого (трудности разработки) грунты принято подразделять на одиннадцать основных групп:

группа I – наиболее легко разрабатываемые грунты (легкие); группа II – средние;

группа III – тяжелые;

группа IV – скальные, предварительно разрыхляемые и т.д.;

группы IX…XI – скальные породы, наиболее тяжело разрабатываемые специальными способами и средствами.

Машинная разработка предусматривается только для первых восьми групп (категорий). Категории (группы) грунтов в этой системе представляются линейными зависимостями от плотности грунтов: чем выше плотность грунта, тем выше и его категория.

1.2. Зерновой состав грунтов и их классификация

Зерновым (гранулометрическим) составом грунта называют содержание по массе в грунте частиц различной крупности, выраженное в процентах по отношению к массе сухой навески, взятой для анализа.

Зерновым составом грунта называют относительное содержание в нем частиц различного размера, выраженное в процентах от общей массы грунта, которое находится в воздушно-сухом состоянии.

Дорожно-строительные качества грунтов во многом зависят от диаметра и формы минеральных частиц, их минералогического состава, от количественных соотношений минеральных частиц, воды и воздуха.

В дорожной строительстве принята следующая классификация частиц грунта по крупности (по диаметру): валуны – более 200 мм; галька

7

– 70…100 мм; гравий 2…70 мм; песчаные частицы – 0,05…2 мм; пылеватые 0,005…0,05 мм; глинистые – менее 0,005 мм.

Особенно большое влияние на свойства грунта оказывают глинистые частицы размером менее 0,005 м. Песчаные частицы образуют основной скелет грунта и имеют шаровидно-кубовидную форму.

Пылеватые частицы имеют пластинчато-сферическую, сливовидную

иигольчатую формы, не обладают связностью и являются заполнителем промежутков между песчаными частицами.

Глинистые частицы имеют пластинчато-чешуйчатую форму, играют роль вяжущего в грунте и придают ему связность и пластичность.

Содержание песчаных и глинистых частиц в процентах к общей массе грунта положено в основу дорожной классификации грунтов.

Обычные (пекальные) грунты состоят из песчаных, пылеватых и глинистых частиц. При наличии в зерновом составе грунта глинистых частиц до 3 %

ипылеватых меньше, чем песчаных, грунт называют песчаным.

При содержании глинистых частиц от 3 до 12 % грунт называют супесчаным (супесью), от 12 до 30 % – суглинистым (суглинком) и более 30 % – глинистым (глиной).

Таким образом, в дорожном строительстве приняты следующие виды грунтов (ГОСТ 25100-82).

1. Крупнообломочные:

щебенистый (при преобладании окатанных частиц – галечниковый) – масса частиц крупнее 10 мм составляет более 50 %;

дресвяный (при преобладании окатанных частиц – гравийный) – масса частиц крупнее 2 мм составляет более 50 %,.

2. Песчаные:

песок гравелистый – масса частиц крупнее 2 мм составляет более 25 %; песок крупный – масса частиц крупнее 0,5 мм составляет более 50 %; песок средней крупности – масса частиц крупнее 0,25 мм составляет бо-

лее 50 %; песок мелкий – масса частиц крупнее 0,1 мм составляет более 75 %;

песок пылеватый – масса частиц крупнее 0,1 мм составляет менее 75 %. 3. Глинистые:

супесь легкая включает в себя песчаных частиц (крупнее 0,25 мм) более 50 %, глинистых – от 3 до 6 % (пылеватые частицы отсутствуют);

8

супесь тяжелая включает в себя песчаных частиц (крупнее 0,25 мм) менее 50 %, глинистых – от 6 до 10 % (пылеватые частицы отсутствуют);

супесь пылеватая включает в себя пылеватых частиц больше, чем песчаных и глинистых, которых содержит от 3 до 10 %;

суглинок легкий включает в себя песчаных частиц больше, чем пылеватых, а глинистых – от 10 до 20 %;

суглинок тяжелый включает в себя песчаных больше, чем пылеватых, а глинистых – от 20 до 30 %;

суглинок легкий пылеватый включает в себя пылеватых частиц больше, чем песчаных, а глинистых – от 10 до 20 %;

суглинок тяжелый пылеватый – пылеватых частиц содержит больше, чем песчаных, а глинистых – от 20 до 30 %.

глина песчаная (тощая) – содержит песчаных частиц больше, чем пылеватых, а глинистых – от 30 до 40 %.

глина пылеватая – пылеватых частиц содержит больше, чем песчаных, а глинистых – от 30 до 40 %;

глина полужирная – содержит глинистых частиц от 40 до 60 %; глина жирная – содержит глинистых частиц более 60 %.

1.3. Характеристики и показатели физико-механических свойств грунтов

Лабораторные испытания грунтов имеют большое значение в дорожном строительстве. Они проводятся для общей характеристики грунтов при устройстве земляного полотна или пригодности их для укрепления. Характеристики грунтов, получаемые в результате лабораторных испытаний можно условно разделить на четыре группы: классификационные; расчетные; состава и свойств грунтов, позволяющие косвенным путем судить о прочности и пригодности для укрепления; физических и механических свойств укрепленных грунтов. Вместе с этим, в дорожной практике физико-механические свойства грунтов выражают следующими показателями.

1. Показатели, характеризующие состав грунта: гранулометрический состав; минералогический состав; химический состав.

9

2. Показатели, характеризующие свойства и состояние грунта:

физические свойства (плотность; объемная масса; пористость; коэффициент пористости; предел текучести; предел пластичности и число пластичности); водные свойства (размокание; набухание; усадка; влагоемкость; капил-

лярность; водопроницаемость); состояние грунта (естественная влажность; коэффициент водонасыщения;

степень плотности (для песков); естественная уплотняемость (для глин); естественная консистенция);

механические свойства (максимальная плотность и оптимальная влажность; модуль деформации и модуль упругости; сопротивление сжатию; сопротивление сдвигу).

показатели, характеризующие состав грунтов, дают представление об их природе, свойствах и позволяют приближенно судить о возможных изменениях свойств и состояния грунтов при строительстве различных инженерных сооружений. Так, гранулометрический состав является одной из важнейших характеристик грунта, имеющей существенное значение для оценки его дорожностроительных свойств.

1.4.Методы лабораторных испытаний грунтов

Взависимости от показателей существуют различные методы определения состава и физико-механических свойств грунтов, которые также подразделяются на три основные группы:

1.Методы определения гранулометрического состава грунтов.

2.Методы лабораторного определения физических свойств грунтов.

3.Полевые методы определения физико-механических свойств грунтов. Рассмотрим отдельные (наиболее распространенные) методы первых

двух групп.

Для определения гранулометрического состава грунтов в настоящее время известны следующие методы:

1.Визуальный метод, заключающийся в сравнении (на глаз) изучаемого грунта с эталонами, механический состав которых известен.

2.Методы М. М. Филатова, Л. В. Новикова и С. И. Рутковского.

3.Ситовой метод – рассеивание грунта на ситах.

10

4.Гидравлические методы, основанные на различиях в скорости падения в воде частиц различной крупности.

5.Пипеточный метод.

6.Ареометрический метод.

7.Метод центрифугирования.

Вкачестве основных методов приняты: ситовой, пипеточный и ареометрический. Ситовой метод применяется при разделении на фракции несвязных, крупнообломочных и песчаных грунтов, содержащих небольшое количество пылеватых и глинистых частиц. Определение гранулометрического состава грунта этим методом производится при помощи специального комплекта сит с диаметром отверстий 10; 7; 5; 3; 2; 1; 0,5 и 0,25 мм.

Пипеточный метод применяют для определения гранулометрического состава глинистых грунтов. Им определяют содержание в грунте фракций диаметром 0,25 мм и менее (более крупные фракции выделяют ситовым методом). Пипеточный метод основан на различной скорости падения грунтовых частиц в спокойной воде.

Ареометрический метод определения гранулометрического состава принят как основной для связных грунтов. Он выполняется специальным прибором

– ареометром, устройство которого основано на законе Архимеда: всякое погруженное в жидкость тело теряет в своем весе столько, сколько весит вытесненная им жидкость.

Для определения основных физико-механических свойств грунтов применяются следующие методы:

определение плотности грунта (удельной масса грунта) пикнометрическим методом;

метод режущих цилиндров для определения объемной массы грунта; метод высушивания проб грунта до постоянной массы для определения

влажности и степени водонасыщения его (весовой метод); метод с использованием балансирного конуса Л. М. Васильева для опреде-

ления характерных влажности и числа пластичности грунтов; метод непосредственного наблюдения с использованием капилляриметра

системы Г. Н. Каменского для определения высоты капиллярного поднятия воды в грунтах;