1.6. Теоретические основы уплотнения конструктивных слоев дорожных одежд

Для уплотнения нежестких оснований и покрытий применяют катки: статические с гладкими вальцами; на пневматических шинах; вибрационные с гладкими вальцами.

Особенности работы гладковальцовых катков.

Для катков с гладкими вальцами эффективность уплотнения зависит от:

- массы катка – Р, кг;

- диаметра вальца – Д, см;

- давление на единицу длины вальца – q, Па/см;

- рабочей скорости – V, км/ч;

- числа проходов по одному следу – n.

Свойства уплотняемого материала характеризуется углом трения ; предельным сцеплениемс, Па; вязкостью среды ,. Эти свойства меняются от типа конструктивного слоя дорожной одежды, температуры, пористости уплотняемого материала. Уплотнение достигается за счет уменьшения пор.

Если при последовательных проходах деформация осуществляется не за счет уменьшения пористости, т.е. уменьшения объема, а за счет просадок основания или пластичного течения, то эффект уплотнения отсутствует и процесс уплотнения сводится к образованию пластических деформаций в виде волн. Чтобы избежать пластического течения, каток должен быть не слишком тяжел, но все же достаточной массы для сближения минеральных частиц уплотняемого слоя.

У катка с гладкими вальцами при первых проходах (рис.1.4) среднее удельное давление , Па, на поверхности можно с некоторым допущением принять

, (1.20)

где - безразмерный коэффициент, принимаемый в начале уплотнения равным 1, в конце – 2;

- глубина следа, оставляемого катком.

Рис.1.4. Деформация уплотняемого слоя:

а – в начале уплотнения; б – по мере уплотнения

В дальнейшем по мере увеличения уплотнения вместо следует принимать величину

, (1.21)

где - остаточная деформация;

- упругая деформация, увеличивающаяся по мере уплотнения материала.

Для жесткого вальца можно применять равным

, (1.22)

В этом случае удельное давление катка в конце укатки

, (1.23)

где - модуль упругости всего нижележащего полупространства, при уплотнении обычно составляет 35…38 МПа.

Отношение находится в пределах для катков:

легких (массой 5…7 т) – 0,30;

средних (массой 8…12 т) – 0,35…0,60;

тяжелых (массой более 12 т) – свыше 0,60 до 1,0.

К среднему удельному давлению катка, полученному по (1.23) необходимо добавить дополнительное воздействие за счет тангециальной силы в ведущих вальцах, которое может увеличить примерно в 1,25…1,5.

Таким образом, у легких катков среднее удельное давление на поверхности будет изменяться от 0,7 до 1,5 МПа, у средних от 0,75 до 1,75 МПа, у тяжелых от 1,2 до 2,5 МПа.

Для катков на пневматических шинах давление передается через эллипс, близкий к кругу диаметром 30…35 см с наибольшим удельным давлением (с учетом тангециальной силы и жесткости покрытий) соответственно 0,6…1,0 МПа. Удельное сопротивление укатываемого слоя вдавливанию равно

, (1.24)

где - величина сцепления, зависящая от длительности приложения нагрузки, степени увлажнения (для минеральных материалов, содержащих мелкозем), температуры (для органических вяжущих);

- угол трения, меняющийся главным образом только от характера материала и меньше от влажности и температуры.

Исследования проведенные в МАДИ позволили установить допустимое давление при укатке покрытий и оснований с учетом угла внутреннего трения и величины сцепления(табл. 1.5).

Большая разница между давлением катка в начальный период уплотнения и допустимым давлением, уплотняемого материала, вызывает большую деформацию поверхности уплотняемого слоя и этим нарушает режим укатки.

Сопоставляя ис удельными давлениями от катков можно выбрать правильный режим уплотнения. Пластичные смеси нужно уплотнять без остановки катков. По этой причине в жаркую погоду на уплотненном слое недопустимо оставлять катки (особенно тяжелые с гладкими вальцами).

С учетом табл. 1.5 большинство конструктивных слоев дорожных одежд уплотняют сначала легкими или средними катками с гладкими вальцами.

Таблица 1.5

Ориентировочные значения допустимых давлений на уплотняемые слои дорожных одежд

Покрытие и основание	Угол трения	Сцепление, кПа		Допустимое давление, кПа
		начальное	после уплотнения	начальное	конечное
Щебеночное покрытие, устроенное по способу заклинки Щебеночное покрытие из рядового щебня Гравийное основание Гравийное покрытие, устроенное смешением на дороге Щебеночное, устроенное по способу пропитки Асфальтобетонное из горячих смесей, тип А, Б, В (начальная температура около 1000С, в конце уплотнения 600С Асфальтобетонное из горячих смесей, тип Г, Д Асфальтобетонное из холодных смесей, тип Бх, Вх Цементогрунтовое Из грунта, укрепленного органическим вяжущим Грунтовое оптимального состава Песчаное	50 40…45 35 30 45 35 28 45 40…45 25 25 30	2,0 2,5 1,5 4,0 3,0 2,0 1,5 1,0 2,0 3,0 1,5 1,0	13,0 12,0 7,5 12,0 15,0 15,0 15,0 7,5 20,0 10,0 6,0 2,5	7,00 6,00 3,00 6,00 9,00 4,00 2,00 3,00 5,00 4,00 2,00 1,50	45,00 30,00 15,00 18,00 45,00 30,00 21,00 22,00 50,00 12,00 8,00 4,00

Примечание. Увлажнение при уплотнении покрытий или оснований из необработанных материалов повышает сцепление на 10…20%.

Принципиальная разница в воздействии между катками с гладкими вальцами и пневматическими шинами состоит в следующем. Гладкие вальцовые катки фактически уплотняют плоскостью образуемой половиной хорды, отсекающей сегмент катка на высоте деформации от каждого прохода. При повторных проходах нарастание деформаций от каждого прохода постепенно уменьшается по логарифмическому закону

, (1.25)

где -коэффициент, характеризующий нарастание деформаций.

При этом уменьшение деформации после каждого прохода приводит к уменьшению площади воздействия катка на материал, а следовательно, к увеличению среднего удельного давления на поверхность.

Полухорда, выраженная формулой (1.26) постепенно уменьшается за счет увеличения

, (1.26)

Как известно из механики грунтов глубина уплотняемого слоя близка к ширине контакта вальца «в», а далее быстро затухает. Глубина уплотнения изменяется и составляет в начале укатки от 10 до 6 см, а по мере укатки до 6…4 см. По мере затухания остаточных деформаций давление начинает передаваться на ширину всей хорды, что снова несколько увеличивает глубиной уплотнения. Оптимальная толщина уплотняемого слоя гладкими вальцовыми катками приведена в табл. 1.6.

Таблица 1.6

Оптимальная толщина уплотнения, см

Тип катка	Уплотняемый материал
	Щебень, гравий	Щебень, гравий, обработанный органическими вяжущими	Асфальтобетонная смесь
Легкий Средний Тяжелый	8…12 10…14 12…20	6…7 8…9 10…12	4…5 5…6 6…8

Примечание. Меньшие значения для более вязких материалов

В отличие от катков с гладкими вальцами катки на пневматических шинах имеют постоянную поверхность контактов сразу после первых проходов (диаметром 30 см). Поэтому оптимальная толщина уплотняемого слоя у них остается постоянной и более высокой, чем у катков с гладкими вальцами, если только давление достаточно, чтобы уплотнять весь слой. Для этого необходимо, чтобы внешнее давление превосходило внутреннее сопротивление материала в процессе всего периода уплотнения. Поэтому при остывании органических вяжущих эффект от катков на пневмошинах будет уменьшаться, если не повышать давление в шинах.

При назначении толщины уплотняемого слоя и выборе катка необходимо учитывать допустимое давление на подстилающий слой.

Давление на нижележащий слой самоходного катка с гладкими вальцами

(1.27)

у катка на пневматических шинах с диаметром следа 30 см

, (1.28)

где - удельное линейное давление на валец катка, Па;

- толщина слоя, см;

- удельное давление на валец катка с пневматическими шинами, Па;

- коэффициент (для уплотненного слоя может быть принят равным 0,64, для рыхлого – 1,0). Для катков на пневматических шинах коэффициент «» следует уменьшать в 10 раз.

Число проходов катка по одному следу устанавливают опытным путем с учетом общей остаточной деформации определяемой по формуле

, (1.28)

где исоответственно конечная и начальная плотность уплотняемого материала;

- толщина уплотняемого слоя.

Качество уплотнения во многом зависит от рабочей скорости катка. Ряд экспериментальных исследований показал, что с точки зрения производительности рабочая скорость катка должна быть 5…6 км/ч, однако наибольший модуль упругости уплотняемого слоя достигают при меньших скоростях, так как при этом увеличивается длительность воздействия катка и улучшаются условия образования структуры слоя. Катки на пневматических шинах, имеющие большую площадь контакта с покрытием, допускают большие скорости.

Высокие скорости могут вызвать образование волн и нарушение ровности основания или покрытия. Чем пластичнее слой, тем опаснее для него большие скорости уплотнения. Учитывая, что в начале требуется наибольшее тяговое усилие, первые проходы для обеспечения ровности должны быть на малой скорости (2,0…2,5 км/ч), затем переходят на большие скорости (до 8,0…10,0 км/ч) несколько последних проходов снова делают на малых скоростях, чтобы создать прочную структуру.

Для щебеночных слоев и в особенности смесей с органическими вяжущими наибольшую скорость не следует увеличивать больше 5…6 км/ч.

В настоящее время все больше внимания уделяют вибрационному уплотнению, позволяющему значительно облегчить массу машин и увеличить производительность. Вибрационными катками можно уплотнять малосвязные материалы: щебеночные, гравийные, цементогрунтовые и асфальтобетонные смеси [3].