17. Факторы, влияющие на интенсивность уплотнения грунтов и их характеристика

Для создания устойчивых, надежных и прочных земляных сооружений укладываемый грунт необходимо уплотнять. Укладку и уплотнение грунтов выполняют при планировочных работах, возведении различных насыпей, обратных засыпках траншей и пазух котлованов. Уплотняют грунт обычно послойно, по мере его поступления.

С увеличением плотности грунта обычно возрастают его прочность, водонепроницаемость, сопротивляемость размыву, повышается статическая устойчивость земляного сооружения.

Степень уплотнения грунта оценивают по его плотности, которую обычно выражают в г/см³ и т/м³.

На уплотняемость грунта влияют следующие факторы: гранулометрический состав, связность, начальная плотность, влажность, толщина укладываемых и уплотняемых слоев, способы уплотнения, характеристики применяемых машин, число проходок уплотняющим механизмом по одному месту.

Обычно более интенсивно и легко уплотняются несвязные грунты, между частицами которых нет цементационных связей. Более равномерное уплотнение можно получить при укладке грунта тонкими слоями.

Процесс уплотнения в значительной степени зависит от влажности грунта. Действие воды, обволакивающей поверхность частиц грунта, можно уподобить смазке, снижающей трение частиц грунта между собой при более плотной укладке их в результате приложения нагрузки.

Однако по мере увеличения влажности плотность грунта будет возрастать (при одной и той же затраченной работе) до определенного предела, выше которого с увеличением влажности плотность грунта уменьшается. Это объясняется несжимаемостью воды при заполнении ею, всех свободных пор в рыхлом грунте.

Уплотнение грунта с наименьшими затратами энергии может быть достигнуто при оптимальной влажности. Ее точное значение устанавливают только по данным пробного уплотнения. Для эффективного использования уплотняющих машин сухие грунты доувлажняют, а переувлажненные подсушивают при послойной укладке.

Грунт следует доувлажнять по возможности в карьерах (за 2...3 месяца до начала разработки). Если это невозможно, то воду добавляют на месте укладки из автоцистерн или из временных водопроводов.

Необходимую плотность грунта нельзя получить однократным приложением уплотняющей нагрузки. При первых проходах катков или ударах трамбовок происходит интенсивное нарастание плотности. После 3...4 проходов интенсивность уплотнения резко падает, а после 10...12 уплотнение почти прекращается. Нужное число повторных приложений нагрузок (проходов) можно установить только по пробному уплотнению грунта. Обычно необходимое число проходов катков по одному месту составляет 6...8.

18. Способы уплотнения грунта, их характеристика и условия применения

Процесс укладки грунта в профильные насыпи требует выполнения ряда строительных операций: подготовка основания под насыпь и под каждый укладываемый слой; насыпка-навал грунта; послойное разравнивание насыпанного грунта; доувлажнение и выдерживание грунта до равномерного распределения влаги; собственно уплотнение; срезка неуплотненных слоев грунта с откосов и перемещение его в тело основной насыпи (срезка бахромы).

Способы уплотнения грунтов: укатывание; трамбование; вибрация.

Способ укатки применяется для уплотнения связных и малосвязных грунтов (суглинков, супесей).

Трамбованием и вибрацией рекомендуется уплотнять несвязные грунты (песчаные, гравелистые, галечные). Уплотнение грунта трамбованием эффективно на любых грунтах, но оптимальных результатов достигает на грунтах с пониженной влажностью.

Для уплотнения грунтов используют различные машины: катки статического действия с гладкими, кулачковыми и вибровальцами, с пневматическими шинами; трамбующие машины с вальцами, с падающим грузом, с трамбующими плитами, с виброплитами.

На выбор уплотняющих механизмов оказывает влияние степень требуемого уплотнения, свойства грунта, объемы выполняемых работ, сроки и темпы производства работ, погодные условия.

Наибольшее распространение получило уплотнение грунта катками статического действия: гладкими, кулачковыми, катками на пневмошинах, решетчатыми катками. Это обусловлено простотой и надежностью оборудования, высокой производительностью и сравнительно низкой стоимостью. В построечных условиях используют также и машины динамического действия – катки с вибрационными механизмами.

Катки не могут быть использованы в стесненных условиях, труднодоступных местах, при большой крутизне уплотняемой поверхности (круче 1:5) и при необходимости уплотнять грунт на глубину более 0,4...0,5 м.

Основные показатели, характеризующие работу уплотняющих машин, следующие: толщина уплотняемого слоя; равномерность уплотнения по глубине слоя; необходимое число проходов по одному месту.

При выборе типа катка необходимо учитывать характер взаимодействия его рабочего органа с грунтом (рис. 5.9).

Рис. 5.9. Схемы взаимодействия органов грунтоуплотняющих машин с грунтом: а – валец гладкого катка; б – пневмошинный каток; в – кулачковый каток; г – трамбовка.

Катки с гладкими вальцами на пневматическом ходу применяют для уплотнения несвязных грунтов, толщина слоя уплотнения Н₀ = 0,15 м, число проходов катка по одному месту n = 4…10. Катки с гладкими вальцами неравномерно передают нагрузку на грунт и неравномерно уплотняют его в пределах толщи уплотняемого слоя Н_О. Максимальные напряжения в грунте под гладким вальцом после каждого прохода увеличиваются в связи с уменьшением площади контакта вальца с грунтом.

Кулачковые катки используют для уплотнения связных грунтов, Н₀ = 0,25…0,4 м, n = 4…14.

В процессе уплотнения грунта кулачковым катком в слое уплотненного грунта можно выделить три зоны (рис. 5.9, в); h₃ — ниже опорной поверхности кулачка, в которой грунт подвергается интенсивному уплотнению вертикальной нагрузкой; h₂, в которой грунт уплотняется за счет сдвига его в боковом направлении в результате внедрения в него кулачка, h₁ в которой грунт разрыхляется при выглублении кулачка, и последующее уплотнение его может быть осуществлено только при уплотнении вышележащего слоя.

Применение кулачковых катков на несвязных грунтах неэффективно из-за плохой уплотняемости и податливости разрушению при вдавливании кулачка. Наибольшее давление, передаваемое кулачковым катком на грунт,

σ_max = Q/(0,5mf),

где Q — сила тяжести катка, кН; т — число рядов кулачков по ширине катка; f — опорная поверхность торца одного кулачка, см².

Нагрузка на один кулачок должна быть разрушающей для данного грунта, но не такой, чтобы кулачок вдавливался в грунт на всю высоту; по мере увеличения числа проходов и уплотнения грунта погружение кулачка должно уменьшаться.

Пневмошинные катки уплотняют любые грунты, Н₀ = 0,15…0,5 м, n = 4…8 для несвязных грунтов; n = 6…12 на связных грунтах.

При взаимодействии с грунтом пневмошинных катков деформируется не только грунт, но и сама шина, что приводит к относительно равномерному распределению напряжений в грунте.

В. П. Ковальчук предложил для определения давления на грунт пользоваться формулой

σ_max = p/(1-ξ)

где р — давление в шине, МПа; ξ — статический коэффициент жесткости покрышки.

Оптимальная толщина слоя уплотняемого грунта зависит от вида катков, их параметров, влажности грунта и может быть вычислена по следующим формулам:

для гладких катков

для пневмошинных катков

для кулачковых катков

H₀ = 0,65 · (L + 0,25 · b – h₁).

где w — влажность уплотняемого грунта, %; w₀ — оптимальная влажность грунта, %; Q₁ — сила тяжести, приходящаяся на одно колесо пневмошинного катка, кН; L — длина кулачка, см; b — толщина кулачка, см; h₁ — толщина верхнего разрыхленного слоя после прохода кулачкового катка, см; А — коэффициент, полученный на основании экспериментальных исследований: для гладких катков на сыпучих грунтах 0,4; для гладких катков на связных грунтах 0,3; для пневмошинных катков на любых грунтах – 0,2.

Решетчатые катки используют для уплотнения связных комковатых грунтов, со смерзшимися комьями и гравелистых грунтов.

Схемы движения катков должны быть увязаны с размерами поперечного сечения возводимых насыпей. При небольшой ширине насыпей разворот катков на них невозможен и осуществляется за пределами насыпей. От края насыпи катки проходят не ближе 0,5 м, что приводит к образованию неуплотненной зоны по откосу («бахромы»). Неуплотненный грунт с откосов обычно срезают, направляя его в насыпи.