2.5. Уплотнение грунтов

Важнейшим технологическим процессом при строительстве земляного полотна является уплотнение, которое обеспечивает требуемую прочность и устойчивость грунтов. От качества работ по уплотнению зависят фактические значения модуля упругости, угла внутреннего трения и сцепления, и, следовательно, способность конструкции дорожной одежды сохранять прочность в течение заданного срока службы.

В грунтах, обладающих низкой плотностью, при воздействии транспортных нагрузок накапливаются остаточные деформации. Недостаточно уплотненные грунты отличаются неоднородностью, меньшей плотностью, имеют просадки, что приводит к нарушению ровности проезжей части дорог. С увеличением плотности грунта снижается его водопроницаемость. Чем плотнее грунт, тем меньше диапазон изменения влажности грунта под воздействием атмосферных явлений и соответственно меньше вероятность морозного пучения.

Таблица 2.12

Рай- оны Рос- сии	Дорожно-климатические зоны	Сроки производства земляных работ			Количество нерабочих дней								Коли- чество рабочих дней в строи- тельном сезоне	Принятая сменность работы из условия использования светового дня			Расчет- ная продол- житель- ность сезона, смен
		дата начала	дата окончания	календарное количество дней	выход- ные и празд- ничные дни	ремонт и про- филак- тика машин	простой по организа- ционным причинам	внутри- объектные переходы на другие места работ	простой по атмосферным причинам					из них в марте, октябре, ноябре и декабре	в апреле, мае, июне, июле, августе и сентябре	Средний коэффи- циент сменности работ
									общее к-во дож- дливых дней	из них падает на нера- бочие	кол-во дней про- стоев	итого не- рабо- чих дней
Ев- ро- пей- ская часть	I	5/VI	25/IX	112	16	5	3	2	13	3	10	36	76	-	2	2,00	150
	II (северная часть)	10/V	10/Х	153	22	6	4	3	12	2	10	45	108	1	2	1,95	210
	II (южная часть)	25/IV	20/Х	179	27	8	5	4	14	3	11	55	124	1	2	1,85	230
	III	20/IV	30/Х	183	30	8	5	4	9	2	7	54	129	1	2	1,85	240
	IV	I/IV	15/IХ	228	36	10	6	5	9	2	7	64	164	1	2	1,80	295
	V	25/III	25/XI	245	39	10	6	5	7	2	5	65	180	1	2	1,80	325
	Горы и пред- горья	25/III	20/XI	240	38	10	6	5	17	4	13	72	168	1	2	1,80	300
	Черно- морское побе- режье	5/III	20/XII	290	46	12	7	5	26	6	20	90	200	1	2	1,60	320
Запад- ная Сибирь	II (северная часть)	20/V	30/IX	134	19	6	4	3	17	4	13	45	89	-	2	2,00	180
	III	5/V	10/Х	157	23	7	4	3	6	1	5	42	115	1	2	1,95	22
	IV	1/V	10/Х	163	25	7	4	3	4	1	3	42	121	1	2	1,95	235
	Горы и пред- горья	5/V	10/Х	157	23	7	4	3	10	2	8	45	112	1	2	1,95	220
	Высоко- горные районы Алтая	1/IV	25/IX	116	17	5	3	2	16	3	13	40	76	-	2	2,00	150
Восточ- ная Сибирь (южная часть)	I (южная часть)	20/V	30/IX	133	19	6	4	3	9	2	7	39	94	-	2	2,00	190
	II (северная часть)	25/V	30/IX	128	19	5	3	2	16	3	13	42	86	-	2	2,00	170
	III	10/V	5/Х	148	21	6	4	3	3	-	3	37	111	1	2	1,95	215
	IV	5/V	10/Х	157	23	7	4	3	4	1	3	40	117	1	2	1,95	230
	Горы и пред- горья (север- ная часть)	5/V	5/Х	122	22	5	3	2	16	4	12	44	78	1	2	1,95	150
	Горы и пред- горья (южная часть)	1/VI	20/IХ	111	20	5	3	2	36	9	27	57	64	-	2	2,00	130
Даль- ний Восток	I	20/V	5/Х	108	19	4	2	1	16	4	12	38	70	1	2	1,95	140
	II (южная часть)	1/V	15/Х	167	26	7	4	3	20	4	16	56	111	1	2	1,85	205
	III	15/IV	5/Х	204	31	9	5	3	18	4	14	62	142	1	2	1,80	200
	Горы и пред- горья	20/V	20/Х	158	22	7	4	3	15	3	12	48	110	1	2	1,80	200

Обследования и диагностика автомобильных дорог показывают, что одной из причин преждевременных повреждений является недостаточная плотность грунта земляного полотна. Это относится ко всем участкам дорог, расположенным на земляном полотне и в насыпях и в выемках. По этим причинам уплотнению подлежат как насыпные грунты, так и основания насыпей и поверхностные слои грунтовых оснований в выемках. Уплотнение земляного полотна является обязательным, и это требование зафиксировано действующими строительными нормами и правилами и технологическими регламентами по строительству земляного полотна автомобильных дорог [83, 86, 87].

Уплотнение грунтов окупается экономией, достигаемой за счет уменьшения толщины дорожной одежды, уменьшения затрат на ремонт автомобильной дороги и снижения транспортных расходов.

Принципиальный подход к определению требуемой плотности грунта состоит в том, чтобы в результате уплотнения плотность стала такой, при которой не будет происходить накопления остаточных деформаций земляного полотна от действующих повторных расчетных нагрузок и изменений влажности грунта. Увеличение плотности грунта до требуемых значений обеспечивает стабильность основных параметров прочности грунта, делает их мало изменяющимися под влиянием сезонных колебаний температуры и влажности.

На основе элементарного представления о грунте как о трехфазной системе, без учета его структурных особенностей, применяют следующее выражение для единичного объема грунта:

где (2.7)

δ - плотность скелета грунта, г/см³;

Y - плотность минеральных частиц, г/см³;

W - массовая доля влажности грунта, %;

V - объем воздуха, %;

1 - единичный объем грунта (1 см³).

Отсюда плотность грунта:

(2.8)

Значение Y изменяется в узких пределах: для супесчаных грунтов Y = 2,65-2,55 г/см³, для глинистых и пылеватых супесчаных грунтов Y = 2,68; для тяжелых суглинистых и тяжелых глинистых Y = 2,7; для суглинистых Y = 2,6. Наибольшая плотность соответствует пористости грунта в диапазоне 4-6 % (6 % для песчаных и супесчаных грунтов, 5 % для пылеватых супесчаных, суглинистых и глинистых и 4 % - для тяжелых суглинистых и пылеватых глин).

Процесс уплотнения состоит в вытеснении воздуха из пор грунтов, отжатия воды и уменьшения толщины водных пленок, что достигается механическим воздействием уплотняющих машин. Отжатие воды из грунта происходит медленно и не играет заметной роли в уплотнении из-за малого времени воздействия нагрузок при уплотнении машинами. Поэтому в процессе уплотнения при фактической влажности происходит главным образом удаление воздуха.

Для получения наиболее плотной структуры необходимо, чтобы влажность грунта была такой, при которой объем защемленного воздуха находится в указанных выше пределах: 4-6 %. При этом образуются наиболее прочные гидратные оболочки, обеспечивающие минимальную фильтрацию и наименьшее разбухание грунта, а следовательно, и наивысший возможный модуль упругости. Если влажность грунта ниже, то есть объем пор, занятый воздухом, выше указанной величины, не создается устойчивой структуры и при увлажнении грунт легко разбухает и тем больше, чем выше влажность. При недостаточной плотности, наоборот, доуплотняется и дает осадку. Модуль упругости в обоих случаях падает. При повышении влажности грунта в процессе уплотнения часть пор заполняется водой, вытесняющей воздух. Структура грунта становится неустойчивой, особенно при ударном уплотнении, а модуль упругости уменьшается.

Принято считать, что для каждого грунта существуют оптимальные влажность и плотность, зависящие от его минералогического и гранулометрического состава. Оптимальная влажность соответствует определенной работе, затраченной на уплотнение грунта. Эта работа определяется массой катка и числом его проходов или массой уплотняющего груза, высоты его падения и числа ударов. Большей работе по уплотнению соответствует меньшая оптимальная влажность. На рис. 2.4 показано, как меняются плотность и оптимальная влажность для разных значений работы по уплотнению. С некоторым приближением можно считать, что оптимальная влажность близка к максимальной молекулярной влажности, то есть влажности, при которой вся вода в грунте находится в связанном состоянии.

Экспериментально оптимальную влажность определяют с помощью прибора стандартного уплотнения Союздорнии по ГОСТ 22733-2002, последовательно определяя стандартную плотность при переменных значениях влажности грунта. Влажность соответствующую максимальной плотности считают оптимальной.

В южных районах, где естественная влажность ниже, следует предварительно увлажнять грунт или увеличивать работу по уплотнению для достижения требуемой плотности.

Ориентировочные значения влажности, %, для наиболее распространенных грунтов приведены ниже:

пески мелкие и пылеватые 8-13

супеси легкие и тяжелые 9-15

суглинки легкие 12-18

тяжелые и тяжелые пылеватые суглинки 14-20

пылеватые и тяжелые пылеватые супеси, легкие пылеватые суглинки 15-22

глины пылеватые и песчанистые 16-26

глины жирные 20-30

Содержание воздуха при стандартной плотности для разновидностей грунтов в среднем составляет: супесь - 8...10 %, тяжелый суглинок - 3...4 %, суглинок - 4...5 %, глина - 4...6 %.

Требования к уплотнению грунта и назначение необходимой плотности устанавливают в соответствии с уровнем напряженного состояния конструкции земляного полотна. При этом учитывают, что верхняя часть насыпи, иногда называемая рабочим слоем, испытывает динамические напряжения от транспортных средств и в наибольшей мере подвержена воздействию атмосферных явлений. Эти напряжения затухают с глубиной. Другая часть напряжений в земляном полотне, вызываемая собственным весом насыпи наоборот увеличивается с глубиной. Таким образом, в средней части насыпи уровень напряжений и соответственно требования к плотности грунта ниже, чем в верхней и нижней.