книги из ГПНТБ / Полосин-Никитин, С. М. Механизация дорожных работ учебник

2

Рис. 8.26. Схемы уплотнения грунтов катками. Цифрами показана очередность проходов катка (номера проходов)

рациональным скоростным режимом работы катков понимают та­ кое сочетание скоростей движения на различных стадиях, при кото­ ром без снижения качества уплотнения грунтов достигается макси­ мальная выработка катков. Первый проход каток совершает на ма­ лой скорости. Этим обеспечивается лучшая ровность поверхности слоя, которая сохраняется и при последующих проходах. Так как первый проход требует максимального тягового усилия, при таком режиме лучше используется мощность тягача. За последующие про­ ходы на высокой скорости происходит уплотнение и доведение грун­ та до значений, близких к оптимальным. Два последние прохода, как правило, производят на малой скорости (не выше 2—2,5 км/ч), доводя плотность грунта до оптимальных значений и повышая мо­ дуль деформации, тем самым улучшая структуру грунта. Рациональ­ ный скоростной режим уплотнения связных грунтов может дать экономию до 30—40% общей стоимости уплотнения, а также при­ мерно в 2 раза повысить выработку катков.

Грунт укатывают по кольцевой схеме (рис. 8.26) с постепенным смещением от обочин к оси дороги. При этом должно быть обеспе­ чено перекрытие следа уплотняющей машины для обеспечения рав­ номерности уплотнения.

В отличие от катков с гладкими вальцами воздействие кулачко­ вых катков характеризуется большим удельным давлением, кото­ рое по своей величине значительно превосходит пределы прочности грунтов. Ввиду этого кулачковые катки эффективны на уплотнении связных грунтов, особенно комковатых, и мало эффективны при уп­ лотнении несвязных грунтов, где отдельные частицы перемещаются в сторону и вверх, что влечет за собой разрушение структуры. При движении кулачкового катка хорошо уплотняется лишь часть грун­ та, расположенная ниже погружения кулачков: верхняя часть мо­ жет быть уплотнена лишь при отсыпке нового слоя грунта. В связи с интенсивным уплотнением части слоя и в связи с этим повышением несущей способности, заглубление кулачков постепенно уменьшает­ ся, поэтому на легких и средних катках толщина верхней неуплот-

ненной части слоя грунта сравнительно невелика и составляет 4—6 см. Оптимальную толщину грунта (в см), которую может уп­ лотнить кулачковый каток, определяют по формуле:

Я к.к« 0,65 ( £ к + 2 ,5 й - А р),

где LK— длина кулачка, см; b — максимальный поперечный размер опорной части кулачка, см 6 ^ 0 ,2 5 Я п; # п — толщина уплотняемого слоя грунта в плотном теле, см; hv ■— глубина, на которой нижний ранеее уплотненный слой остался разрыхленным (5 см ).

Кулачковые катки особенно эффективны, когда грунты в начале уплотнения достаточно рыхлы, что обеспечивает проработку всей толщины слоя и нарастание плотности действительно идет снизу вверх. Кулачковые катки малопригодны, например, для уплотнения сравнительно плотных грунтов. Опыт эксплуатации показывает, что для достижения грунтом оптимальной плотности достаточно одно­ кратного перекрытия всей поверхности слоя кулачками. При этом условии необходимое количество проходов по одному следу опреде­ ляют по формуле

п= SFrnkн.п.

где 5 — поверхность вальца катка, см2; F — опорная поверхность кулачка, см2; т — общее число кулачков; кнл — коэффициент, учи­ тывающий неравномерное перекрытие поверхности грунта кулачка­

ми (кн.п=1.3).

Решетчатые катки по сравнению с кулачковыми на 20—30% ме­ нее металлоемки. Вальцы этих катков выполняют из решетки, изго­ товленной методом плетения из круглой прутковой стали. Катки эф­ фективны при уплотнении связных и несвязных грунтов, особенно таких, которые содержат твердые включения (крупнообломочные грунты, мерзлые комья и др). Ввиду больших контактных давлений при работе катка происходит дробление как мерзлых комьев, так и других крупных включений, что способствует лучшей упаковке грун­ та, т. е. значительно повышает качество уплотнения.

Для выбора массы катка G для уплотнения различного грунта можно воспользоваться формулой [8.17], которая пригодна только при работе катка на грунтах, где отдельные крупные включения не превышают 5— 10 см. Если необходимо дробление мерзлых кусков грунта, то массу катка, рассчитанную по формуле, следует увели­ чить в 1,3— 1,5 раза.

G = { 2 £ о + l D S L o + б > ) : (£* + rfn p ) ] } ,

где к — поправочный коэффициент; сгр — предел прочности грунта, кгс/см2; D — поперечный размер окна решетки (просвет), см; Ь0 — ширина вальцов, см; с?Пр — диаметр прутка, из которого изготовлена решетка вальца.

При двухсекционном катке L0 равна удвоенной ширине одного вальца. > Для малосвязных грунтов — пески, супеси, в том числе пылева­

тые ар = 3—6; группы средней связности (суглинки) 6—8 и высокой связности (тяжелосуглинистые) — 8— 15 кгс/см2.

242

Универсальны для уплот­ нения катки на пневматиче­ ских шинах. Ими послойно уплотняют грунты, улучшен-

•ные вяжущим и грануломет­ рическими добавками, осно­ вания и покрытия капиталь­ ного и облегченного типов. На катках установлены ши­ ны низкого давления с регу­ лируемым давлением. Рису­

асфальтобетонных покрытий.

Эффективность катков на пневматических шинах во многом зави­ сит от выбора их параметров. Только при этих условиях можно до­ биться высокой выработки и значительно снизить стоимость уплот­ нения. К основным параметрам катков относятся: давление сжа­ того воздуха в шинах, масса катка, потребное число проходов по одному следу, оптимальная толщина уплотняемого слоя грунта. Вследствие сжатия шин в рабочем секторе катки характеризуются большим временем действия нагрузки, чем катки с гладкими валь­ цами. Большая площадь контакта шин с грунтом (рис. 8.27) обес­ печивает уплотнение на значительную глубину. Пневматические шины дают возможность получить оптимальные режимы напряже­ ний благодаря изменению давления воздуха с учетом грунта. Элас­ тичность пневматических шин обеспечивает равномерное распреде­ ление напряжений на поверхности грунта в конце уплотнения. Ввизу указанных преимуществ требуется меньше проходов по одному следу, чем катками с гладкими вальцами и кулачковыми; уплотня­ ют они грунт на большую глубину. Катки на пневматических ши­ нах универсальнее, так как могут использоваться для уплотнения различных грунтов, в то время как область применения других кат­ ков ограничена.

Для нормальной работы катка должна быть достаточная сила тяги, чтобы преодолеть все сопротивления. Одним из важнейших по­ казателей, определяющих рациональное применение катков на пнев­ матических шинах, являются их выработка П э и стоимость работ по уплотнению:

Пэ ~ [L (B — a) h0tcB\: [(Z,: v) + *п] п ,

где L — длина укатываемого участка, м; В — ширина укатываемой полосы, м; а — величина перекрытия, м (0,2—0,3); h0 — оптималь­ ная толщина слоя грунта в плотном теле, м; кв — коэффициент ис­ пользования машинного времени катка (0,80—0,85); v — рабочая скорость катка, м/ч; tn — время на поворот катка в конце участка (0,02 ч); п — необходимое число проходов по одному следу.

С целью обеспечения равномерного уплотнения грунтов, гравий­ но-щебеночных материалов, асфальтобетона, имеющего температу­ ру 120— 140°, успешно применяют шины радиальной конструкции, в каркасе и брекере которых применен металлокорд разрывной проч­ ностью нити 165 кгс. Для того чтобы обеспечить максимальную ши­ рину площади контакта и равномерное удельное давление на ука­ тываемую поверхность, шины имеют увеличенную ширину беговой дорожки без рисунка, уменьшенную кривизну профиля протектора. Уплотняемая поверхность получается ровной, а нужная степень уплотнения достигается за меньшее число проходов по одному

следу.

Оптимальную толщину уплотняемого слоя (в см) определяют по различным формулам. Для связного грунта рекомендуется формула

[8.3]

Л = 0 , 18Г ф : Г о / о к^ : ( 1 - ф ) ,

где ф — коэффициент жесткости пневматической шины; №ф, W0 — фактическая и оптимальная влажность грунта, %; GK— масса кат­

Примерное число проходов катка по одному следу для связных грунтов пять-шесть, для несвязных три-четыре, грунтов, обработан­ ных вяжущим — четыре-пять.

У п л о т н е н и е г р у н т а т р а м б о в а н и е м происходит за счет энергии падающей массы — рабочего органа трамбующей ма­ шины. В момент соприкосновения падающей массы с грунтом за очень малый промежуток времени возникают очень большие напря­ жения. Трамбованием можно уплотнять связные и несвязные грун­ ты. Большим преимуществом этого способа является возможность уплотнения слоев большой толщины, в силу чего этот способ явля­ ется единственно целесообразным для уплотнения грунтов зимой. Однако трамбование — дорогой способ.

У п л о т н е н и е г р у н т а в и б р и р о в а н и е м и в и б р о ­ т р а м б о в а н и е м производится при помощи поверхностных или глубинных виброуплотнителей. В процессе уплотнения рабочий ор­ ган машины располагается внутри уплотняемого слоя или на его поверхности. Масса вибратора приводится в колебательное движе­ ние механизмом эксцентрикового типа. За счет развившейся кинети­ ческой энергии в колебательное движение вводится и расположен­ ная вблизи вибратора масса грунта. В зоне действия вибратора в частицах грунта развиваются инерционные силы, величина которых прямо пропорциональна их массам. Из-за разности масс в местах контактов частиц возникают напряжения, нарушается связь между ними, происходит их относительное перемещение. Оно наступит тем скорее, чем больше разница масс частиц и слабее силы связей меж­ ду ними. Несвязные и слабосвязные грунты, включающие частицы различной крупности со слабыми связами, успешно уплотняются

244

Плотностьр , г / с м ъ

Рис. 8.28. Экспрессные методы контроля плотности грунта радиоизо­ топными приборами:

/ — и ст о ч н и к у - и з л у ч е н и я ; 2 — д е т е к т о р ; 3 — и с с л е д у е м ы й г р у н т ; 4 — с в и н ц о в ы й к о н т е й н е р с у з к и м ц и л и н д р и ч е с к и м о т в е р с т и е м ( к о л л и м а т о р о м ); 5 — с в и н ц о ­ в ы й э к р а н с к о л л и м а т о р о м ; 6 — р а с с е я н н о е и з л у ч е н и е ; 7 — д е т е к т о р ; « — и с т о ч ­ н и к у - и з л у ч е н и я ; 9 —- э м и т е р и т (и л и к а т о д н ы й в ы п р я м и т е л ь ); 10 — д е т е к т о р ; 11 - г и л ь з а ; 12 — и с т о ч н и к б ы с т р ы х н е й т р о н о в ; 13 - о б с а д н а я т р у б а

нено из-за сложности измерений. Для этой цели пригоден широкий луч. При про­ свечивании широким пучком плотность

1п/0 •/

среды), имп/мин;

d — толщина просвечиваемого слоя;

р, — массовый коэффициент ослабления у-излучения в грунте, зависящий от энергии излучения и химического состава исследуемой среды.

Для источника С060—0,0562 см2/ч, а для Cs137—0,0773 см2/ч. Метод рассеянно­ го у-излучения позволяет определить плотность грунтов путем регистрации интен­ сивности рассеянных средой у-квантов. Его применяют для измерения плотности грунтов в естественном залегании и плотности насыпных грунтов до глубины 20—30 м, изучения режима влажности грунта, определения плотности поверхно-

246

у с и л и т е л ь ; 5 — Э Л Т ; б — г е н е р а т о р м е т к и ; 7 — г е н е р а т о р м е х а н и ч е с к и х к о л е б а н и й ; 8 — м о щ н ы й у с и л и т е л ь ; У — г е н е р а т о р ; 10 — н а ­ с т р о е н н ы й у с и л и т е л ь

стных слоев 5— 15 см без внедрения датчиков в грунт. Измерение плотности гр ун ­ та методом рассеянного излучения производится радиометрическими приборами, в которых источник и детектор квантов разделены свинцовым экраном, погло­ щающим прямое у-излучение. Детектор регистрирует в основном излучение, рас­ сеянное средой, контактирующей с прибором. При измерении плотности грунта пользуются функциональной зависимостью между регистрируемой интенсив­ ностью у-излучения и плотностью среды (грунта). График этой зависимости при­ веден на рис. 8.29. Такие графики строят для каждого прибора в отдельности. Различают датчики для измерения поверхностных слоев и для определения плот­ ности в скважинах (рис. 8.28, г, д).

Нейтронный метод основан на определении влажности грунтов радиометри­ ческим способом по регистрации тепловых, надтепловых или захватного у-излуче;

основном зависит от влажности, и регистрируемой плотностью тепловых (надтеп­ ловых) нейтронов или захватного у-излучения. Быстрые нейтроны, испускаемые источником в окружающую среду, испытывают соударения с ядрами химических элементов и рассеиваются, передавая им свою энергию. После многократных столкновений нейтроны замедляются до скорости теплового движения. Из всех химических элементов, входящих в состав, наиболее сильным замедлителем яв­ ляется водород. Для замедления быстрых нейтронов на атоме водорода требует­ ся 19 столкновений, в то же время на ядрах других элементов — в десятки ра» больше. Тепловые нейтроны диффундируют в среде и затем захватываются ядра­ ми элементов среды, что сопровождается испусканием у-квантов захватного из­ лучения. В результате замедления и диффузии вокруг источника образуется поле­ тепловых нейтронов. Чем выше влажность среды, тем меньше линейные размерыэтого поля и больше его плотность. Датчики для измерения влажности включа­

Для оценки качества уплотнения грунта можно использовать ме­ тод «Бегущей волны». Его разработал и применил для оценки мо­ дулей упругости дорожных одежд проф. А. К. Бируля в 1938 г.. Дальнейшую успешную разработку этого метода выполнил канд.. техн. наук И. В. Защук. Метод позволяет определить прочностные характеристики, степень уплотнения грунтов земляного полотна и грунтов, укрепленных вяжущим, модули упругости конструктивных слоев дорожных одежд. Основой метода является возбуждение раз­ личных типов продольных и поперечных акустических волн в испы­

туемом слое или конструкции. Меняя их частоту и зная скорость рас­ пространения, можно определить различные физико-механические свойства разнообразных материалов.

§ 44. ГИДРОМЕХАНИЗАЦИЯ РАЗРАБОТКИ ГРУНТОВ

Гидромеханизацией называется комплекс процессов и техноло­ гических приемов, связанных с разрушением грунтов и горных по­ род, их транспортированием и укладкой в тело сооружения или в отвал гидравлическим методом. Смесь разрушенного грунта или по­ роды с водой называется гидросмесью. К основным условиям, опре­ деляющим эффективность гидромеханизации, относятся: наличие достаточного количества воды; качество грунтов, поддающихся гидроразрушению; климат; наличие дешевой электроэнергии. Эф­ фективность оборудования и машин гидравлической разработки грунта зависит от концентрации гидросмеси. В ее составе должно содержаться много твердых частиц. Для этой цели консистенцию гидросмеси регулируют в области входа грунта во всасывающую трубу и по пути транспортирования. Консистенция гидросмеси на всасывающей трубе землесоса зависит от ее заглубления в грунт и скорости передвижения. Регулирование гидросмеси при транспорти­ ровке осуществляется сгустителями, которые повышают консистен­ цию гидросмеси путем отвода некоторого количества осветленной воды.

Струи воды для разрушения грунтов и горных пород создаются гидромониторами. Гидромонитор состоит из нижнего неподвижного колена, верхнего колена, которое вращается вокруг вертикальной оси благодаря шарнирному устройству, ствола, имеющего возмож­ ность отклоняться от горизонтальной плоскости вверх и вниз при помощи вертикального шарового шарнира. На конец ствола навин­ чивается насадок, формирующий вылетающую из гидромонитора струю. Управление стволом монитора осуществляется при помощи рычага-водила, или зубчатых, червячных, гидравлических передач, а также насадка отклонителя— дефлектора.

От насосной станции 8 первого подъема через высоконапорную станцию 7 подается вода по трубопроводу 6 к работающим гидро­ мониторам 4 (рис. 8.30, а ). Для транспортировки гидросмеси при­ меняют землесос — центробежный грунтовый насос 5, предназна­ ченный для перекачки гидросмеси. Гидросмесь поступает в землесос по всасывающей трубе и подается в напорный трубопровод 3 для транспортировки на карту намыва 2 и намывную насыпь 1 и распре­ деляется разводящими грунтопроводами 9.

При гидромониторной разработке размыв грунта осуществляют по двум основным схемам: с размывом в целике и после предвари­ тельного рыхления. Несвязные и малосвязные грунты (песок, супесь, легкий суглинок, песчаная глина) разрабатывают по первой схеме, связные (плотный суглинок, тощая и полужирные глины, песчано­ гравийные грунты) по второй. Грунт в целике можно разрабатывать встречным, попутным и попутно-встречным забоями.

248

Забои

Рис. 8.30. Гидромеханический способ разработки грунтов:

а — о б щ а я с х е м а г и д р о м е х а н и з а ц и и ; б — с п о с о б ы р а з р а б о т к и гр у н т а г и д р о м о н и т о р а м и ;

I — в с т р е ч н ы м з а б о е м ; I I — п о п у т н ы м з а б о е м ;

1 — н а м ы в н а я н а с ы п ь ; 2 — к а р т а н а м ы в а ; 3 — т р у б о п р о в о д г и д р о м а с ­ с ы ; 4 — г и д р о м о н и т о р ; 5 — з е м л е с о с ; 6 — т р у б о п р о в о д н а п о р н о й в о д ы ; 7 и 8 — н а с о с н ы е с т а н ц и и н и з к о - и в ы с о к о н а п о р н а я

При встречном забое (рис. 8.30, б) направление струи воды и по­ тока гидросмеси не совпадают. Гидромонитор располагают на по­ дошве забоя, и грунт размывается выше подошвы. Транспортиро­ вание гидросмеси от забоя к зумпфу (яме) обеспечивается уклоном, учитывающим разрабатываемый грунт. При этом способе эффектив­ но используется разрушительная сила струи. Напорная струя созда­ ет врубы, благодаря чему интенсивно обрушивается грунт и облег­ чается его последующий размыв. Встречным забоем можно разра­ батывать плотные грунты при меньшем расходе воды. Недостаток способа в удаленности гидромонитора от забоя по требованиям ох­ раны труда.

Во влажных грунтах при встречном забое затруднена передвиж­ ка гидрооборудования и уборка недомыва.

249

При попутном забое (рис. 8.30, б —г) направление струи воды и потока гидросмеси совпадает, гидромонитор устанавливают на верх­ ней площадке. Транспортирование гидросмеси от забоя зумпфу не требует больших уклонов. При этом способе гидромонитор и водо­ воды находятся на сухом месте и легко перемещаются; струя воды используется не только для размыва но и для подгонки размытого грунта к приемным устройствам. К недостаткам попутного забоя -следует отнести неполное использование ударной силы водяной -струи, большой удельный расход воды и малую эффективность об­ рушения забоя. Попутно-встречным забоем (комбинация первых двух) размывают крупный песок и песчано-гравелистые грунты, ког­ да требуется частая подгонка грунта. При разработке грунта гид­ ромониторами для перемещения гидросмеси от забоя к зумпфу не­ обходим уклон уступа, что всегда ведет к недомыву грунта.

При ручном управлении гидромониторы в забое расставляют с учетом безопасного расстояния от гидромонитора до забоя:

I = аН ,

.где Я — высота уступа (забоя); а — коэффициент приближения, зависящий от свойств грунта (0,9— 1,1 для глинистых, 0,8— 1 для

•суглинистых и 0,4—0,3 для песчаных).

Предварительное разрыхление грунта повышает выработку гид­ ромониторов, позволяет уменьшить напор воды, улучшает консис­ тенцию гидросмеси и значительно снижает стоимость размыва 1 м3 грунта. Разрыхлять грунт можно гидравлическим и механическим способами. К механическим способам относятся экскаваторные, скреперные и бульдозерные разработки. Практикуется буро-взрыв­ ной способ, предварительный гидравлический размыв целика (в ка­ навы, траншеи или скважины подают воду, которая насыщает грунт и вызывает его обрушение). В результате самотечного движения воды, кроме ослабления связей частиц происходит некоторый по­ верхностный (эрозионный) размыв грунта, что облегчает его после­ дующую разработку гидромониторами. Комбинируя разработку скрепером или экскаватором организуют транспортирование грунта гидроспособом. При разработке грунта землесосные снаряды совер­ шают перемещение (папильонирование), чтобы поддерживать по­ стоянный контакт грунтозаборного устройства с грунтом.

А в т о м а т и з а ц и я г и д р а в л и ч е с к и х п р о ц е с с о в сводится к дистанционному управлению поворотом ствола в гори­ зонтальной'и вертикальной плоскостях, передвижению гидромони­ тора к забою, автоматическому покачиванию ствола в горизонталь­ ной плоскости на любой угол и дистанционному управлению сменой насадок.

При централизованном управлении полным комплексом машин технологического процесса, включающим гидромонитор, землесос, насосную станцию и перекачивающие станции, на пульте дистанци­ онного управления достаточно установить соответствующие кнопки, связанные с пусковой аппаратурой землесоса и насосных станций. Путем нажатия кнопки включают двигатель вакуумнасоса, посред-

250