Тема 3. Ущільнення ґрунтів

1. Механізм (природа) ущільнення.

2. Стандартна щільність та оптимальна вологість.

3. Просушування та дозволоження ґрунтів.

4. Методи ущільнення ґрунтів.

Ущільнення– це найдешевший та найдійовіший спосіб підвищити несучу здатність ґрунтів. Відомий він з давніх-давен, його знали ще римляни. Так, римські дороги мали спеціальні прошарки з глини, що захищали дорожній одяг від шкідливої дії вологи. Ці прошарки ретельно ущільнювалися трамбуванням.

До початку ХХ ст. дороги ущільнювалися головним чином кінськими копитами та колесами возів. Спеціальні засоби для ущільнення були примітивними й звичайно являли собою кам'яні або дерев'яні причіпні котки масою до 5 т.

1. Механізм (природа) ущільнення.

Ґрунти являють собою багатофазові системи, міцність яких залежить від дисперсності мінеральної частини, тобто вмісту різних фракцій гірських порід у даному об'ємі, щільності та вологості.

По-різному ущільнюються зв'язні і незв'язні ґрунти (поділ ґрунтів на зв'язні і незв'язні розглянуто в темі №2). Мінеральні частки й агрегати в зв'язних ґрунтах розділяються між собою водяними плівками. В тонких плівках вода перебуває під особливою дією міжмолекулярних сил, що визначає їх надзвичайні властивості. Ці плівки мають підвищену в'язкість, можуть чинити опір зсуву.

Коли ґрунт перебуває під дією зростаючого навантаження, спочатку відбувається взаємне зміщення агрегатів часток і вже потім почнуть зміщуватися частки всередині агрегатів, бо зчеплення всередині агрегатів частіше перевищує зчеплення між агрегатами. Зближаючись, частки та агрегати спочатку дотикаються один до одного водно-колоїдними плівками, які в місцях контактів починають сприймати місцевий тиск. Унаслідок цього товщина плівок на контактах зменшується, тобто плівкова волога витискується з напруженіших місць в менш напружені (їх міцність при цьому зростає). Напрям руху води визначається гравітаційними силами, характером напруженого стану та структурними особливостями об'єму ґрунту. Вільна волога, проходячи через пори та тонкі капіляри, зустрічає значний опір, тому вона переміщується досить повільно.

Коли зусилля, які виникають у зонах контактів між частками і агрегатами, перевищують граничний опір плівок зсуву, тоді ґрунт руйнується. В товщих водяних плівках сили міжмолекулярної взаємодії слабкіші, тому такі плівки чинять менший опір. Тому граничний опір зсуву, модуль пружності та деформації зменшуються зі збільшенням вологості.

Таким чином, за тривалої дії навантаження збільшиться кількість точок контактів між мінеральними частинками, а навантаження на кожний окремий контакт зменшиться. Зі збільшенням щільності зростає опір ґрунту зсуву, модуль пружності та деформації. Тому зрозуміло, чому ущільнення сприяє збільшенню міцності ґрунту.

Раніше вже йшлося про те, що водяним плівкам притаманні в'язкі властивості. Тому вода із зон контактів витискується повільно протягом деякого часу. Час дії ущільнюючих засобів дуже малий і коливається в межах 0,05-0,07 секунди за одну дію. Ось чому і виникає необхідність в декількох прикладеннях навантаження.

2. Стандартна щільність та оптимальна вологість.

Метод стандартного ущільнення був запропонований Проктором. Його суть полягає в тому, що ґрунт за різної вологості ущільнюється ударами гирі в спеціальному приладі, розміри якого та режим ущільнення стандартизовані. Випробування проводяться за допомогою приладу СоюздорНДІ пошаровим трамбуванням ґрунту ударами гирі масою 2,5 кг, яка падає з висоти 30 см. Загальна кількість ударів прийнята 120.

Максимальна щільність, яка виникає внаслідок такого ущільнення, може бути названамаксимальною стандартною щільністю (ρ_max), а та щільність, яку необхідно забезпечувати в споруджуваних насипах для забезпечення їх стійкості протягом строку служби – потрібною щільністю (ρ_п).

Методом стандартного ущільнення разом з максимальною щільністю визначається також значення оптимальної вологостіW_о, за якої щільність ρ_maxдосягається з меншою затратою механічної енергії. (рис. 3.1).

Цей метод має суттєві недоліки. Він малопридатний для незв'язних ґрунтів, оцінює ґрунти насипу тільки з точки зору щільності. Здатність ґрунтів чинити опір дії факторів клімату та навантаження від рухомого транспорту не оцінюється. Як відзначалось, максимальна щільність ρ_maxдосягається при W_о. Очевидно, ρ_maxвідповідає точці екстремуму кривої стандартного ущільнення за координатою вологості. Оптимальну вологість досить наближено можна визначити через межу текучості за такою залежністю:

W_o=kW_L, (3.1)

де k=0,70…0,75 для супісків, 0,55…0,60 для суглинків і 0,45…0,50 для глин. Отже, k залежить від гранулометричного складу ґрунту.

Таким чином, наведені в літературі границі оптимальної вологості також є наближеними (орієнтовними) – для піску W_о=8…13%, для глин 20…30%.

Визначити щільність можна за формулою:

, (3.2)

де Δ – питома вага мінеральної частини ґрунту, г/см³; V_n– об'єм повітря в долях одиниці, яке утримується в ґрунті при ρ_max.

Ущільнення ґрунту до ρ_maxпотребує значних затрат енергії машин, які виконують цю роботу. Тому насипи ущільнюють до потрібної щільності ρ_п, яка за величиною дещо менша від ρ_max. Невелике зниження стандартної щільності не призводить до відчутного зменшення водостійкості та міцності ґрунту, що підтверджується практикою.

ρ_п=к_уρ_max, (3.3.)

де к_у– максимальне потрібне значення коефіцієнта ущільнення, який приймається залежно від категорії дороги, висоти насипу та дорожньо-кліматичної зони, в межах якої будується дорога. Коефіцієнт ущільнення ґрунту – це відношення щільності скелету ґрунту в конструкції до максимальної щільності того самого ґрунту при стандартному ущільненні за ГОСТ 22733-77.

Принципово можливим в реальних умовах є переущільнення ґрунтів. При цьому щільність, дещо більша за ρ_max, досягається за вологості, яка менша від W₀. Можна досягти значення к_у=1,02…1,05. Та на жаль, у виробничих умовах дуже важко зберігати тривалий час зменшену вологість ґрунту. Навіть незначне збільшення її зводить нанівець ефект переущільнення. Окрім того, при ущільненні виникає необхідність в інтенсифікації процесу ущільнення – збільшувати масу ущільнювачів, зменшувати товщину, збільшувати кількість проходів і т.ін.

3. Просушування та дозволоження ґрунтів.

Ґрунт у природному заляганні часто має вологість, яка відрізняється від оптимальної. Практично можливі два випадки:

W_о>W_пр(3.4,а)

W_о<W_пр(3.4,б)

де W_пр– природна вологість.

У першому випадку ґрунт потрібно сушити, в другому – зволожувати. При необхідності підсушування виникає задача визначення тривалості часу, а при зволоженні – необхідної кількості води.

Розв'язуючи першу задачу, слід мати на увазі, що в період транспортування ґрунту до місця укладання та під час його розрівнювання деяка частина вологості випаровується. Швидкість просихання ґрунтових шарів залежить від вихідної вологості ґрунту (рис. 3.2). На ділянці від межі текучості W_Lдо максимальної молекулярної вологомісткості W_ммвшвидкість просихання значна, тому що міграція вологи до поверхні випаровування відбувається в основному в рідкій фазі. Надалі швидкість відчутно падає. В цей час просихання здійснюється переважно у вигляді дифузії пару. Коли вологість ґрунту наближається до межі максимальної молекулярної вологомісткості (W_ммв) швидкість просихання незначна.

Реально в процесі спорудження земляного полотна вологість шару ґрунту коливається в межах (0,4…0,9)W_L.

Розглянемо можливі ситуації розвитку процесу просихання ґрунтів.

Якщо швидкість вітру V_в=0, а температура повітря t_п≠const, тоді закономірність просихання можна описати рівнянням

W=W_поч-a₁T, (3.5)

де W – вологість ґрунту в момент часу Т; а₁– коефіцієнт, який визначається залежно від типу ґрунту і температури повітря.

В іншому випадку, коли t_п=const, а V_в≠const, тоді

W=W_поч-a₂T, (3.6)

де а₂– коефіцієнт, який визначається залежно від типу ґрунту і швидкості вітру.

У загальному випадку (t_п≠const, а V_в≠const) рівняння просихання має вигляд:

W=W_поч-(а₁+a₂)T, (3.7)

На рис. 3.3 показані характерні графіки для визначення коефіцієнтів а₁і a₂. Такі графіки побудовані для різних дорожньо-кліматичних зон.

Необхідно встановити такий момент, коли б середня вологість ґрунту становила б W_о.

Час просушування

(3.8)

Перемішування ґрунту скорочує час просихання в 2-3 рази.

Обчислюючи додаткове зволоження, необхідно врахувати втрату вологи на випаровування за період між процесами додаткового зволоження та ущільнення t_уза умови, щоб у момент ущільнення вологість ґрунту дорівнювала оптимальній. З урахуванням цього ґрунт повинен бути дозволожений до потрібної вологості W_п, тобто

W_п=W_о+(a₁+a₁)t_у, (3.9)

Кількість води для зволоження

, (3.10)

де Р_г– маса сухого ґрунту.

Дозволоження можна здійснювати в резерві, попередньо розпушуючи ґрунт на глибину 5…10 см, або ж під час укладання ґрунту в насип. Для зволоження використовуються поливальні машини, продуктивність яких визначають за формулою:

, (3.11)

де Т_з– тривалість зміни, год; q – місткість цистерни, т; к_в– коефіцієнт використання зміни в часі, к_в=0,85-0,90; ℓ - відстань транспортування води, км; V₁i V₂– відповідно швидкості руху при завантаженому та порожньому ході, км/год; t_н– час набирання води (0,15…0,25 год); П_н– продуктивність насосу цистерни при розливі води, т/год.

4. Методи ущільнення ґрунтів.

У дорожньому будівництві застосовують три основних методи: укочування, трамбування та віброущільнення.

Найпоширенішим єукочування. Для цього застосовуються найрізноманітніші котки:вальцеві, кулачкові, гратчасті та на пневматичних шинах, які найбільше поширені (табл. 3.1). Вони особливо ефективні за ущільнення зв'язних ґрунтів та певною мірою для решти видів ґрунтів (рис. 3.4).

Таблиця 3.1.