Основы уплотнения грунта

Уплотнение – процесс увеличения платности материала путем приложения внешних сил, которые могут быть плистатическими или динамическими. Наиболее распространенными областями являются автомобильные дороги, улицы и магистрали, аэродромы, земляные дамбы, насыпи железных дорог и фундаменты зданий. Другие области применения включают в себя стоянки для машин, складские площадки, спортивные площадки, промышленные и жилые площади, строительство портов, резервуаров и каналов.

В области строительства несущая способность и устойчивость каменных материалов, грунтов, асфальтобетона и цементобетона, их непроницаемость и способность противостоять нагрузкам всегда связана со степенью уплотнения материалов; так, например, увеличение степени уплотнения на 1 % обычно соответствует увеличению прочности, по крайней мере, на 10-15 %.

Хотя стоимость уплотнения может составлять только 3-5 % от общей стоимости строительства, роль уплотнения в качестве и долговечности законченного объекта гораздо значительнее. Если оно выполнено недостаточно или неправильно, то появятся осадки или другие разрушения, результатом которых будет высокая стоимость содержания.

В приведенных выше областях применения долговечность конструкции также зависит от качества покрытия, особенно на дорогах, аэродромах, стоянках машин и складских площадках. Ровность поверхности, однородная толщина слоя, правильные продольные и поперечные уклоны также необходимы для длительной эксплуатации без больших затрат на содержание. Работа оборудования для укладки является решающей в этом отношении.

Основные факторы, которые определяют результаты уплотнения, следующие:

• тип грунта(классификация);

• содержание влаги;

• метод уплотнения и прикладываемая энергия.

Типы грунтов:

Классификация грунтов:

Влияние влажности.

Большинство грунтов достигает своей наибольшей плотности при определенном оптимальном содержании влаги для данного уплотняющего усилия. Другими словами, сухой грунт является достаточно крепким и сопротивляется уплотнению, в то время как влажный грунт мягок и его легче уплотнить. Однако, чем выше содержание влаги, тем ниже плотность материала. Уплотнение грунта следует производить при оптимальной влажности. Допускаемые отклонения для связных грунтов – ± 10 %; для несвязных грунтов – ± 20 % . При недостаточной влажности связных грунтов их следует увлажнять, как правило, в местах разработки (в резерве, карьерах). При недостаточной влажности несвязных и малосвязных грунтов допускается увлажнять их в отсыпаемом слое. При избыточной влажности грунта следует производить его подсушивание.

Количество воды – g [т], необходимой для замачивания 1 м³ грунта по объему в выемке с целью повышения его влажности, следует определять по формуле:

g=Y_c*(W_o+W_п-W_к)

 Y_c – объемный вес грунта в карьере [т/м³];

 W_o – оптимальная влажность;

 W_к – влажность грунта в карьере;

 W_п – потери влаги при разработке, транспортировке и укладке грунта.

Чистый песок и гравий, так же как другие дренирующие зернистые материалы, менее чувствительны к вариациям содержания влаги и могут достигать максимальной плотности в абсолютно сухом или водонасыщенном состоянии. Низкая плотность при влажности между сухим и водонасыщенным состоянием является результатом кажущейся связности, возникающей как результат капиллярных сил, которые порождены водой в частично заполненных пустотах, удерживающих частицы посредством упругих связей. Чем меньше размер частиц, тем выше кажущаяся связность.

Методы уплотнения.

Уплотняющее оборудование для грунтовых и асфальтобетонных материалов базируется на двух важнейших принципах:

Статическое уплотняющее оборудование использует собственную массу машины, чтобы обеспечить усилие на определенную поверхность и уплотнить нижележащий материал слоя. Единственный способ регулировать статическую нагрузку, передаваемую на поверхность, состоит в изменении массы или контактной площади оборудования. Статические машины в нормальных условиях обеспечивают необходимое уплотнение в основном в верхних слоях материала, так как вследствие эффекта "распора" в частицах грунта глубинное воздействие незначительно. К распространенным типам статических уплотняющих машин, которые использовались многие годы, относятся статические трехвальцовые катки, статические тандемные катки, катки на пневматических шинах и прицепные кулачковые катки.

Вибрационное уплотняющее оборудование использует вибрирующий механизм, который обычно состоит из вращающегося эксцентрикового груза. Вибрационные уплотнители используют комбинацию динамической и статической нагрузки. Они передают быстро следующие друг за другом удары на контактную поверхность, откуда вибрация или волны сжатия передаются нижележащему материалу, чтобы привести его частицы в движение. Это эффективно снижает внутреннее трение и облегчает переупаковку частиц в состояние, в котором образуется так мало пустот и такая высокая плотность, которые только возможны. Увеличение числа точек соприкосновения между частицами ведет к высокой устойчивости и прочности. Глина и другие связные материалы требуют более высоких нагрузок и, следовательно, должно быть использовано сравнительно тяжелое уплотняющее оборудование. Однако эти материалы могут быть уплотнены только в достаточно тонких слоях. Первоначально вибрационное уплотнение рассматривалось подходящим для крупнообломочного грунта, песка и гравия, но с развитием вибрационной техники этот метод стал пригоден и для глинистых грунтов, а впоследствии и для уплотнения асфальтобетона.

При вибрационном уплотнении достигается более высокая плотность и больший глубинный эффект, чем при статическом уплотнении, и полное уплотнение достигается при меньшем числе проходов. Все это объясняет, почему вибрационное оборудование является более эффективным и экономичным почти во всех случаях. Вибрация может быть использована при трамбовании всех типов материалов, и вибрационное оборудование занимает сейчас около 70 % рынка.

ВАЖНО: на уплотняющий эффект оказывает влияние прочностное состояние нижележащего слоя грунта. Уплотнение не достижимо, если поверхность подстилающего слоя податлива. Часто невозможно достичь высокой плотности в насыпи, покоящейся на нижележащем слое с низкой несущей способностью, например, из мелкозернистого грунта с высоким содержанием влаги.

Грунтоуплотняющее оборудование.

Имеется несколько типов катков, используемых для линейного уплотнения скальной отсыпки и обычных грунтов. Наиболее распространенные типы машин и их общепринятое назначение представлены ниже. Статические катки, т.е. трехколесные, тандемные (двухколесные), на пневматических шинах и кулачковые катки доминировали на рынке до начала пятидесятых, когда были достигнуты значительные успехи в развитии уплотняющей техники с использованием вибрационных прицепных катков. К началу семидесятых тракторы и катки были объединены в одно самодвижущееся устройство. Лучшая маневренность этого типа катка обеспечила ему быстрое признание и он заменил собой прицепной каток. Самодвижущийся вибрационный каток с кулачковым вальцом типа "пэдфут" используется для уплотнения связных материалов. Наибольшие вибрационные двухосные катки с одним вибрирующим барабаном также совершенствовались в начале пятидесятых годов. Размер этих машин постепенно увеличивался и сегодня они достигают нагрузки до 15 тонн с вибрацией и приводом на оба барабана.

Механизмы статического и вибрационного действия для уплотнения асфальтобетона.

Имеется большое количество типов катков для уплотнения асфальтобетона. Выбор машины зависит от вида и объема работы и связан с конкретными условиями. Имеется также ряд легкого оборудования для уплотнения асфальтобетона, включающий виброплощадки, двухвальцовые ручные катки и легкие вибрационные катки — тандемы. Уплотняющее воздействие статического катка со стальными вальцами в первую очередь зависит от его статического веса, а также от диаметра вальца. Уплотняющее воздействие пневмоколесных катков определяется их статическим весом и давлением в шинах. Они часто используются в комбинации со статическими гладковальцовыми или вибрационными катками при завершении укатки, чтобы удалить следы от вальцов и для выглаживания поверхности. Использование гладковальцовых и вибрационных катков в данном случае связано именно с завершением укатки, а не уплотнением.

В вибрационных катках сочетается статическая нагрузка от вальцов с динамическими нагрузками. Вибрация значительно устраняет внутреннее трение в смеси и улучшает уплотняющее воздействие, даже если используются катки с относительно низкими статическими линейными нагрузками. Вибрационный каток всегда имеет более высокую производительность (выраженную в тоннах асфальтобетона, уложенного в час), чем статический каток того же веса. На жестких смесях эти различия выражены еще сильнее.

Области применения катков.