Современные методы уплотнения грунтов. Выбор и расчет оборудования

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

Л.Б. Белоногов, Л.В. Янковский

СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ УПЛОТНЕНИЯ ГРУНТОВ.

ВЫБОР И РАСЧЕТ ОБОРУДОВАНИЯ

Утверждено Редакционно-издательским советом университета

в качестве учебно-методического пособия

Издательство Пермского национального исследовательского

политехнического университета

2012

УДК 625.7/.8.084(075.8) Б43

Рецензенты:

д-р техн. наук А.В. Кочетков (Саратовский государственный технический университет);

канд. техн. наук В.П. Шардин (Пермский национальный исследовательский

политехнический университет)

и расчет оборудования : учеб.-метод. пособие / Л.Б. Белоногов, Л.В. Янковский. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2012. – 136 с.

ISBN 978-5-398-00786-2

Приведены способы и методы, применяемые для уплотнения грунтов при дорожном строительстве. Рассмотрены теория и нормы уплотнения, примеры расчета основных органов уплотняющих машин.

Даны методические указания к расчетной части курсового

идипломного проектирования, а также приведен пример выполнения курсового проекта.

Предназначено для студентов специальности 190205 «Подъемно-транспортные, строительные и дорожные машины

иоборудование».

УДК 625.7/.8.084(075.8)

2

1.ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1.Способы и методы уплотнения грунтов, существующие в настоящее время

Уплотняющее оборудование для грунтов и каменных материалов использует три основных рабочих принципа: статическая нагрузка, вибрация и ударное воздействие. Факторами, определяющими выбор метода и результат уплотнения, являются: тип грунта, его влажность, плотность нижележащего слоя и продолжительность уплотнения.

Статическое уплотнение. Машины статического уп-

лотнения (рис. 1) своим собственным весом оказывают давление на поверхность, производя уплотнение отсыпанного материала. Поскольку величина статического давления в грунте резко снижается по глубине, статическое уплотняющее обору-

ности.

К распространенным типам статических уплотняющих машин, которые использовались на протяжении долгих лет, относятся трехвальцовые катки, статические тандемные катки и катки на пневматических шинах (пневмоколесные катки).

5

При статическом уплотнении на нижележащий слой действует только давление.

Вибрационное уплотнение. Вибрационное уплотняющее оборудование (рис. 2) наносит удары по поверхности материала с высокой частотой. Удары генерируют волны сжатия, распространяющиеся во внутренние слои и приводящие их частицы в движение. Этим снижается или устраняется внутреннее трение в грунте, и частицы перегруппировываются в более плотное расположение. Увеличение числа точек соприкосновения частиц повышает несущую способ-

ность материала.

Вибрационное уплотнение наиболее эффективно для крупнозернистых материалов. Средние и тяжелые вибрационные уплотняющие машины могут выполнять уплотнение крупнозернистых грунтов только с малой кажущейся

связностью в слоях большой толщины. Хотя данные машины и менее эффективны для работы на мелкозернистых грунтах, они остаются одним из наиболее эффективных видов уплотняющего оборудования. Вибрационное уплотнение позволяет достигать высоких плотностей и большей глубины уплотнения, чем статическое уплотнение, на материалах всех типов, а требуемая плотность достигается за меньшее количество проходов. Этим и объясняется большая эффективность и экономичность использования вибрационного оборудования относительно его статических аналогов практически во всех случаях.

Вибрация сочетает статическое давление с динамическим усилием.

6

Ударное уплотнение. В ударном уплотнении используется высокая ударная сила. Сила удара создает в грунте волну сжатия, которая имеет значительное давление также и по глубине слоя. Наибольшая ударная сила, прилагаемая к поверхности, может быть достигнута при сбрасывании тяжелого груза, поднимаемого на высоту краном.

Трамбовки (рис. 3) работают с относительно большой высотой падения груза и генерируют сравнительно высокие ударные воздействия, дающие хороший эффект по глубине, и лучшие, по сравнению с виброплитами, показатели уплотнения связных грунтов.

Статические трамбующие катки, используемые для уплотнения связных грунтов, работают на высокой скорости, при которой башмак ударяет грунт с определенной силой.

В определенных случаях катки с вальцами треугольного, прямоугольного или пятиугольного сечения могут

давать достаточно хорошую глубину уплотнения. Эти машины оставляют необработанные в промежутке между ударами участки, которые, для обеспечения равномерности уплотнения, должны обрабатываться при последующих проходах.

Катки ударного действия для достижения полного эффекта должны работать на скорости, намного превышающей скорость статических или вибрационных уплотняющих машин. Максимальный экономический эффект от их применения может быть получен при обработке обширных площадей.

В ударном уплотнении большой ход трамбовки позволяет создать мощное ударное усилие для достижения большей глубины уплотнения.

7

1.2. Теория уплотнения, нормы уплотнения

Сущность искусственного уплотнения грунта. Грунт представляет собой трехфазную систему, включающую твердую (частицы), жидкую (вода, водные пленки) и газообразную фазы. Слой грунта, отсыпанного в насыпь, представляет собой полиагрегатную систему, между агрегатами которой формируются межагрегатные поры (макропоры), заполненные в основном газообразной фазой.

В этой системе твердые грунтовые частицы не уплотняются под воздействием реальных нагрузок. Практически неуплотняемой является и жидкая фаза. Уплотнение такой системы возможно только за счет удаления из нее газообразной или жидкой фазы.

Процесс удаления жидкой фазы связан с фильтрацией отжимаемой воды и при реальной мощности уплотняемого слоя грунта может происходить только при длительном (измеряемом сутками, месяцами и годами) действии уплотняющей нагрузки (консолидация).

На практике искусственное уплотнение грунта, отсыпаемого в насыпь, производится кратковременными (измеряемыми секундами) нагрузками, поэтому вода не успевает скольконибудь существенно отжаться из грунта. В результате уплотнение системы связывается только с отжатием газообразной фазы из межагрегатных полостей.

Предел уплотнения грунта при заданной влажности.

Физическим пределом уплотнения грунта кратковременно действующей нагрузкой теоретически является полное удаление газообразной фазы и превращение грунта из трехфазной системы в двухфазную («грунтовую массу»). Плотность грунта оценивается по массе единицы объема сухого грунта ρd , т.е.

по массе в единице объема грунта, приходящейся на долю твердой фазы. Чем выше исходная влажность грунта, тем больше объем жидкой фазы в единице объема грунта и тем

8

меньшая предельная плотность сухого грунта может быть достигнута. Эта взаимосвязь плотности и влажности для двухфазного грунта отображается зависимостью [5] (г/см3)

где ρs – плотность частиц твердой фазы, г/см3; ρв – плотность воды, г/см3;

W – влажность грунта, доли единицы.

Вместе с тем реальная плотность грунта при уплотнении при заданной влажности практически никогда не достигает ве-

личины ρпредd . Это происходит по двум причинам:

1)вследствие образования воздушных остаточных пор (защемленный воздух), в результате чего грунт никогда полностью не лишается газообразной фазы (т.е. остается трехфазным);

2)из-за недостаточного уплотняющего воздействия (недостаточные величина напряжений и суммарная длительность

их приложения и т.п.) [5].

Если вторую причину для реальных грунтов можно исключить за счет применения уплотняющего воздействия с соответствующими параметрами, то первая остается во всех случаях, хотя в количественном выражении величина воздушной остаточной пористости может зависеть от уплотняющего воздействия (никогда, однако, не обращаясь в ноль).

Достижение плотности ρпредd возможно лишь при высокой

влажности грунта, когда его использование в насыпях практически невозможно уже по технологическим причинам (липкость, проходимость и т.п.).

Ниже представлено остаточное содержание воздушной фазы в уплотненном грунте (по данным Ленинградского филиала СоюздорНИИ (Ю.М. Васильев и др.)).

9

Эти данные хорошо согласуются с результатом исследований, проведенных Н.Ю. Шкицкой, которая показала, что остаточный коэффициент водонасыщения (степень заполнения пор водой) Gо грунта при трамбовании, соответствующий практическому прекращению уплотнения, зависит от состава грунта (числа пластичности) и находится в пределах 0,82…0,92 (рис. 4). Значение Gо может быть пересчитано в объем остаточной воздушной пористости Vо по формуле [5]

где ρd и ρв – плотность соответственно сухого грунта и воды, т/м3;

W – влажность грунта, доли единицы;

Gо – остаточный коэффициент водонасыщения, доли единицы.

В связи с наличием воздушной остаточной пористости плотность грунта с заданной влажностью после уплотнения

10