Обязательное уплотнение грунта, щебня и асфальтобетона в дорожной отрасли является не только составной частью технологического процесса устройства земляного полотна, основания и покрытия, но и служит фактически главной операцией по обеспечению их прочности, устойчивости и долговечности.
Раньше (до 30-х годов прошедшего столетия) реализация указанных показателей грунтовых насыпей тоже осуществлялась уплотнением, но не механическим или искусственным путем, а за счет естественной самоосадки грунта под воздействием, в основном, его собственного веса и, частично, движения транспорта. Возведенную насыпь оставляли, как правило, на один–два, а в некоторых случаях и на три года, и только после этого устраивали основание и покрытие дороги.
Однако начавшаяся в те годы быстрая автомобилизация Европы и Америки потребовала ускоренного строительства обширной сети дорог и пересмотра методов их устройства. Существовавшая тогда технология возведения земляного полотна не соответствовала возникшим новым задачам и стала тормозом в их решении. Поэтому появилась потребность в разработке научно-практических основ теории механического уплотнения земляных сооружений с учетом достижений механики грунтов, в создании новых эффективных грунтоуплотняющих средств.
Это в те годы стали изучать и учитывать физико-механические свойства грунтов, оценивать их уплотняемость с учетом гранулометрического и влажностного состояния (метод Проктора, в России – метод стандартного уплотнения), были разработаны первые классификации грунтов и нормы на качество их уплотнения, стали внедряться методы полевого и лабораторного контроля этого качества.
Основным грунтоуплотняющим средством до указанного периода являлся гладковальцовый статический каток прицепного или самоходного типа, пригодный только для прикатки и выравнивания приповерхностной зоны (до 15 см) отсыпанного слоя грунта, да еще ручная трамбовка, применявшаяся главным образом на уплотнении покрытий, при ремонте выбоин и для уплотнения обочин и откосов.
Эти простейшие и малоэффективные (с точки зрения качества, толщины прорабатываемого слоя и производительности) уплотняющие средства стали вытесняться такими новыми средствами, как пластинчатые, ребристые и кулачковые (вспомнили изобретение 1905 г. американского инженера Фитцджеральда) катки, трамбующие плиты на экскаваторах, многомолотковые трамбующие машины на гусеничном тракторе и гладковальцовом катке, ручные взрыв-трамбовки («лягушки-попрыгушки») легкие (50–70 кг), средние (100–200 кг) и тяжелые (500 и 1000 кг).
В это же время появились первые грунтоуплотняющие вибрационные плиты, одна из которых фирмы «Лозенгаузен» (впоследствии фирма «Вибромакс») была достаточно крупной и тяжелой (24–25 т вместе с базовым гусеничным трактором). Ее виброплита площадью 7,5 м 2 располагалась между гусеницами, а двигатель мощностью 100 л.с. позволял вращать вибровозбудитель с частотой 1500 кол/мин (25 Гц) и перемещать машину со скоростью около 0,6–0,8 м/мин (не более 50 м/ч), обеспечивая производительность примерно 80–90 м 2 /ч или не более 50 м 3 /ч при толщине уплотняемого слоя около 0,5 м.
Более универсальным, т.е. способным уплотнять различные типы грунтов, в том числе связные, несвязные и смешанные, показал себя метод трамбования.
К тому же при трамбовании легко и просто можно было регулировать силовое уплотняющее воздействие на грунт за счет изменения высоты падения трамбующей плиты или трамбующего молотка. Вследствие этих двух достоинств метод ударного уплотнения в те годы стал наиболее востребованным и распространенным. Поэтому количество трамбующих машин и устройств множилось.
Уместно отметить, что и в России (тогда СССР) тоже понимали важность и необходимость перехода к механическому (искусственному) уплотнению дорожных материалов и налаживанию производства уплотняющей техники. В мае 1931 г. в мастерских г. Рыбинска (сегодня ЗАО «Раскат») был выпущен первый отечественный самоходный дорожный каток.
После завершения второй мировой войны совершенствование техники и технологии уплотнения грунтовых объектов пошло с не меньшим энтузиазмом и результативностью, чем в довоенное время. Появились прицепные, полуприцепные и самоходные пневмоколесные катки, ставшие на определенный период времени основным грунтоуплотняющим средством во многих странах мира. Их вес, в том числе единичных экземпляров, варьировался в довольно широких пределах – от 10 до 50–100 т, но большинство выпускавшихся моделей пневмокатков имело нагрузку на шину 3–5 т (вес 15–25 т) и толщину уплотняемого слоя, в зависимости от требуемого коэффициента уплотнения, от 20–25 см (связный грунт) до 35–40 см (несвязный и малосвязный) после 8–10 проходов по следу.
Одновременно с пневмокатками развивались, совершенствовались и приобретали все большую популярность, особенно в 50-е годы, вибрационные грунтоуплотняющие средства – виброплиты, гладковальцовые и кулачковые виброкатки. Причем, со временем на смену прицепным моделям виброкатков пришли более удобные и технологичные для выполнения линейных земляных работ самоходные шарнирно-сочлененные модели или, как их назвали немцы, «вальцен-цуг» (тяни-толкай).
Гладковальцовый виброкаток CA 402
фирмы DYNAPAC
Каждая современная модель грунтоуплотняющего виброкатка, как правило, имеет два исполнения – с гладким и кулачковым вальцом. При этом некоторые фирмы изготавливают к одному и тому же одноосному пневмоколесному тягачу два отдельных взаимозаменяемых вальца, а другие предлагают покупателю катка вместо целого кулачкового вальца всего лишь «насадку-обечайку» с кулачками, легко и быстро закрепляемую поверх гладкого вальца. Есть также фирмы, разработавшие подобные гладковальцовые «насадки-обечайки» для монтажа поверх кулачкового вальца.
Следует особо отметить, что сами кулачки на виброкатках, особенно после начала их практической эксплуатации в 1960 г. , претерпели существенные изменения в своей геометрии и размерах, что благотворно отразилось на качестве и толщине уплотняемого слоя и снизило глубину взрыхления приповерхностной зоны грунта.
Если раньше кулачки «шипфут» были тонкими (опорная площадь 40–50 см 2) и длинными (до 180–200 мм и более), то современные их аналоги «пэдфут» стали более короткими (высота в основном 100 мм, иногда 120–150 мм) и толстыми (опорная площадь около 135–140 см 2 с размером стороны квадрата или прямоугольника около 110–130 мм).
По закономерностям и зависимостям механики грунтов увеличение размеров и площади контактной поверхности кулачка способствует росту глубины эффективного деформирования грунта (для связного грунта она составляет 1,6–1,8 размера стороны опорной площадки кулачка). Поэтому слой уплотнения суглинка и глины виброкатком с кулачками «пэдфут» при создании надлежащих динамических давлений и с учетом 5–7 см глубины погружения кулачка в грунт стал составлять 25–28 см, что и подтверждают практические измерения. Такая толщина слоя уплотнения соизмерима с уплотняющей способностью пневмоколесных катков весом не менее 25–30 т.
Если к этому добавить существенно большую толщину уплотняемого слоя несвязных грунтов виброкатками и более высокую их эксплуатационную производительность, станет понятно, почему прицепные и полуприцепные пневмоколесные катки для уплотнения грунтов стали постепенно исчезать и сейчас практически не выпускаются или выпускаются редко и мало.
Таким образом, в современных условиях основным грунтоуплотняющим средством в дорожной отрасли подавляющего большинства стран мира стал самоходный одновальцовый виброкаток, шарнирно-сочлененный с одноосным пневмоколесным тягачом и имеющий в качестве рабочего органа гладкий (для несвязных и малосвязных мелкозернистых и крупнозернистых грунтов, в том числе скально-крупнообломочных) или кулачковый валец (связные грунты).
Сегодня в мире имеется более 20 фирм, выпускающих около 200 моделей таких грунтоуплотняющих катков различных типоразмеров, отличающихся друг от друга общим весом (от 3,3–3,5 до 25,5–25,8 т), весом вибровальцового модуля (от 1,6–2 до 17–18 т) и своими габаритами. Есть также некоторое различие в устройстве вибровозбудителя, в параметрах вибрации (амплитуда, частота, центробежная сила) и в принципах их регулирования. И конечно перед дорожником могут возникать, как минимум, два вопроса – как правильно выбрать подходящую модель подобного катка и как наиболее эффективно с ее помощью осуществить качественное уплотнение грунта на конкретном практическом объекте и с наименьшими издержками.
При решении таких вопросов следует предварительно, но достаточно точно установить те преобладающие типы грунтов и их состояние (гранулометрический состав и влажность), для уплотнения которых подбирается виброкаток. Особенно, или в первую очередь, следует обратить внимание на наличие в составе грунта пылеватых (0,05–0,005 мм) и глинистых (меньше 0,005 мм) частиц, а также на относительную его влажность (в долях оптимального ее значения). Эти данные дадут первые представления об уплотняемости грунта, возможном способе его уплотнения (чисто вибрационный или силовой виброударный) и позволят остановить свой выбор на виброкатке с гладким или кулачковым вальцом. Влажность грунта и количество пылеватых и глинистых частиц существенным образом влияют на прочностные и деформационные его свойства, а, следовательно, и на необходимую уплотняющую способность выбираемого катка, т.е. его способность обеспечить требуемый коэффициент уплотнения (0,95 или 0,98) в слое отсыпки грунта, задаваемом технологией устройства земляного полотна.
Большинство современных виброкатков работает в определенном виброударном режиме, выраженном в большей или меньшей степени в зависимости от их статического давления и вибрационных параметров. Поэтому уплотнение грунта, как правило, происходит под воздействием двух факторов:
- вибраций (колебаний, сотрясений, шевелений), вызывающих снижение или даже разрушение сил внутреннего трения и небольшого сцепления и зацепления между частицами грунта и создающих благоприятные условия для эффективного смещения и более плотной переупаковки этих частиц под воздействием собственного веса и внешних сил;
- динамических сжимающих и сдвигающих усилий и напряжений, создаваемых в грунте кратковременными, но частоударными нагружениями.
В уплотнении сыпучих несвязных грунтов основная роль принадлежит первому фактору, второй служит лишь положительным дополнением к нему. В связных грунтах, в которых силы внутреннего трения незначительны, а физико-механические, электрохимические и водно-коллоидные сцепления между мелкими частицами существенно выше и являются преобладающими, главным действующим фактором служит сила давления или напряжения сжатия и сдвига, а роль первого фактора становится второстепенной.
Исследованиями российских специалистов по механике и динамике грунтов в свое время (1962–64 гг.) было показано, что уплотнение сухих или почти сухих песков при отсутствии внешней их пригрузки начинается, как правило, при любых слабых вибрациях с ускорениями колебаний не менее 0,2g (g – земное ускорение) и завершается практически полным их уплотнением при ускорениях около 1,2–1,5g.
Для тех же оптимально влажных и водонасыщенных песков диапазон эффективных ускорений несколько выше – от 0,5g до 2g. При наличии внешней пригрузки с поверхности или при нахождении песка в зажатом состоянии внутри грунтового массива его уплотнение начинается лишь с некоторого критического ускорения, равного 0,3–0,4g, с превышением которого процесс уплотнения развивается более интенсивно.
Примерно в то же время и почти точно такие же результаты на песках и гравии были получены в экспериментах фирмы «Dynapac», в которых с помощью лопастной крыльчатки было показано также, что сопротивление сдвигу этих материалов в момент их вибрирования может снижаться на 80–98%.
На основании таких данных можно построить две кривые – изменения критических ускорений и затухания действующих от виброплиты или вибровальца ускорений грунтовых частиц с удалением от поверхности, где располагается источник колебаний. Точка пересечения этих кривых даст интересующую глубину эффективного уплотнения песка или гравия.
Рис. 1. Кривые затухания ускорения колебаний
частиц песка при уплотнении катком ДУ-14
На рис. 1 показаны две кривые затухания ускорений колебаний частиц песка, зафиксированные специальными датчиками, при его уплотнении прицепным виброкатком ДУ-14 (Д-480) на двух рабочих скоростях. Если принять для песка внутри грунтового массива критическое ускорение 0,4–0,5g, то из графика вытекает, что толщина прорабатываемого слоя таким легким виброкатком составляет 35–45 см, что неоднократно подтверждено полевым контролем плотности.
Недостаточно или плохо уплотненные сыпучие несвязные мелкозернистые (песчаные, песчано-гравийные) и даже крупнозернистые (скально-крупнообломочные, гравийно-галечниковые) грунты, уложенные в земляное полотно транспортных сооружений, довольно быстро обнаруживают свою низкую прочность и устойчивость в условиях различного рода сотрясений, ударов, вибраций, которые могут возникать при движении тяжелого грузового автомобильного и железнодорожного транспорта, при работе всевозможных ударных и вибрационных машин по забивке, например, свай или виброуплотнению слоев дорожных одежд и т.п.
Частота вертикальных колебаний элементов дорожной конструкции при проезде грузового автомобиля на скорости 40–80 км/ч составляет 7–17 Гц, а одиночный удар трамбующей плиты весом 1–2 т по поверхности грунтовой насыпи возбуждает в ней как вертикальные с частотой от 7–10 до 20–23 Гц, так и горизонтальные колебания с частотой, составляющей около 60% от вертикальных.
В недостаточно устойчивых и чувствительных к вибрациям и сотрясениям грунтах такие колебания способны вызывать деформации и заметные осадки. Поэтому не только целесообразно, но и необходимо их уплотнять вибрационными или любыми другими динамическими воздействиями, создавая в них колебания, сотрясения и шевеление частиц. И совершенно бессмысленно уплотнять такие грунты статической укаткой, что довольно часто можно было наблюдать на серьезных и крупных автодорожных, железнодорожных и даже гидротехнических объектах.
Многочисленные попытки уплотнить пневмоколесными катками маловлажные одноразмерные пески в насыпях железных и автомобильных дорог и аэродромов в нефтегазоносных районах Западной Сибири, на белорусском участке автодороги Брест–Минск–Москва и на других объектах, в Прибалтике, Поволжье, Республике Коми и Ленинградской обл. не давали требуемых результатов по плотности. Лишь появление на этих стройках прицепных виброкатков А-4 , А-8 и А-12 помогло справиться с этой острой в свое время проблемой.
Еще нагляднее и острее по своим неприятным последствиям может оказаться ситуация с уплотнением сыпучих крупнозернистых скально-крупнооблочных и гравийно-галечниковых грунтов. Устройство насыпей, в том числе высотой 3–5 м и даже более, из таких прочных и устойчивых к любым погодно-климатическим проявлениям грунтов с добросовестной их укаткой тяжелыми пневмоколесными катками (25 т), казалось бы, не давало серьезных поводов для беспокойства строителям, к примеру, одного из карельских участков федеральной автомобильной дороги «Кола» (Санкт–Петербург–Мурманск) или «знаменитой» в СССР железнодорожной Байкало-Амурской магистрали (БАМ).
Однако сразу же после пуска их в эксплуатацию стали развиваться неравномерные локальные просадки неправильно уплотненных насыпей, составившие в отдельных местах автодороги 30–40 см и исказившие до «пилообразного» с высокой аварийностью общий продольный профиль железнодорожного полотна БАМа.
Несмотря на схожесть общих свойств и поведения мелкозернистых и крупнозернистых сыпучих грунтов в насыпях, их динамическое уплотнение следует выполнять разными по весу, габаритам и интенсивности вибровоздействий вибрационными катками.
Одноразмерные пески без примесей пыли и глины очень легко и быстро переупаковываются даже при незначительных сотрясениях и вибрациях, но они обладают незначительным сопротивлением сдвигу и очень низкой проходимостью по ним колесных или вальцовых машин. Поэтому уплотнять их следует легкими по весу и крупными по габаритам виброкатками и виброплитами с малым контактным статическим давлением и средним по интенсивности вибрационным воздействием, чтобы не снижалась толщина уплотняемого слоя.
Использование на одноразмерных песках среднего А-8 (вес 8 т) и тяжелого А-12 (11,8 т) прицепных виброкатков приводило к чрезмерному погружению вальца в насыпь и выдавливанию песка из-под катка с образованием перед ним не только вала грунта, но и перемещающейся за счет «бульдозерного эффекта» сдвиговой волны, заметной глазу на расстоянии до 0,5–1,0 м. В итоге приповерхностная зона насыпи на глубину до 15–20 см оказывалась разрыхленной, хотя плотность нижележащих слоев имела коэффициент уплотнения 0,95 и даже выше. У легких виброкатков разрыхленная приповерхностная зона может понизиться до 5–10 см.
Очевидно можно, а в ряде случаев и целесообразно, на таких одноразмерных песках использовать средние и тяжелые виброкатки, но имеющие прерывистую поверхность вальца (кулачковую или решетчатую), что позволит улучшить проходимость катка, уменьшить сдвиг песка и снизить до 7–10 см разрыхляемую зону. Об этом свидетельствует успешный опыт автора по уплотнению насыпей из таких песков зимой и летом в Латвии и Ленинградской обл. даже статическим прицепным катком с решетчатым вальцом (вес 25 т), обеспечившим толщину уплотняемого до 0,95 слоя насыпи до 50–55 см, а также положительные результаты уплотнения этим же катком одноразмерных барханных (мелких и полностью сухих) песков в Средней Азии.
Крупнозернистые скально-крупнообломочные и гравийно-галечниковые грунты, как показывает практический опыт, тоже успешно уплотняются виброкатками. Но вследствие того, что в их составе имеются, а иногда и преобладают крупные куски и глыбы размером до 1,0–1,5 м и более, сдвинуть, расшевелить и переместить которые, обеспечивая тем самым требуемые плотность и устойчивость всей насыпи, не так-то легко и просто.
Поэтому на таких грунтах должны использоваться крупные, тяжелые, прочные и с достаточной интенсивностью виброударного воздействия гладковальцовые виброкатки весом прицепной модели или вибровальцового модуля у шарнирно-сочлененного варианта не менее 12–13 т.
Толщина прорабатываемого слоя таких грунтов подобными катками может достигать 1–2 м. Практикуются же такого рода отсыпки в основном на крупных гидротехнических и аэродромных стройках. В дорожной отрасли они встречаются редко, и поэтому дорожникам нет особой надобности и целесообразности приобретать гладковальцовые катки с весом рабочего вибровальцового модуля тяжелее 12–13 т.
Куда важнее и серьезнее для российской дорожной отрасли является задача уплотнения мелкозернистых смешанных (песок с тем или иным количеством примесей пыли и глины), просто пылеватых и связных грунтов, чаще встречающихся в повседневной практике, чем скально-крупнообломочные и их разновидности.
Особенно много хлопот и неприятностей возникает у подрядчиков с пылеватыми песками и с чисто пылеватыми грунтами, довольно широко распространенными во многих местах России.
Специфика этих непластичных малосвязных грунтов состоит в том, что при высокой их влажности, а таким переувлажнением «грешит» в первую очередь Северо-Западный регион, под влиянием движения автотранспорта или уплотняющего воздействия виброкатков они переходят в «разжиженное» состояние вследствие низкой их фильтрационной способности и возникающего повышения порового давления при избытке влаги.
С понижением влажности до оптимальной такие грунты сравнительно легко и хорошо уплотняются средними и тяжелыми гладковальцовыми виброкатками с весом вибровальцового модуля 8–13 т, для которых уплотняемые до требуемых норм слои отсыпки могут составлять 50–80 см (в переувлажненном состоянии толщины слоев понижаются до 30–60 см).
Если в песчаных и пылеватых грунтах появляются заметное количество глинистых примесей (не менее 8–10%), они начинают проявлять значительную связность и пластичность и по своей способности к уплотнению приближаются к глинистым грунтам, которые совсем плохо или вообще не поддаются деформированию чисто вибрационным способом.
Исследованиями профессора Хархуты Н. Я. показано, что при уплотнении таким способом практически чистых песков (примесей пыли и глины менее 1%) оптимальная толщина слоя, уплотняемого до коэффициента 0,95, может доходить до 180–200% от минимального размера контактной площадки рабочего органа вибромашины (виброплита, вибровалец с достаточными контактными статическими давлениями). С повышением содержания в песке указанных частиц до 4–6% оптимальная толщина прорабатываемого слоя сокращается в 2,5–3 раза, а при 8–10% и более достичь коэффициента уплотнения 0,95 вообще невозможно.
Очевидно, в таких случаях целесообразно или даже необходимо переходить на силовой способ уплотнения, т.е. на использование современных тяжелых виброкатков, работающих в виброударном режиме и способных создавать в 2–3 раза более высокие давления, чем, например, статические пневмоколесные катки с давлением на грунт 6–8 кгс/см 2 .
Чтобы происходило ожидаемое силовое деформирование и соответствующее уплотнение грунта, создаваемые рабочим органом уплотняющей машины статические или динамические давления должны быть как можно ближе к пределам прочности грунта на сжатие и сдвиг (около 90–95%), но и не превышали его. Иначе на контактной поверхности появятся трещины сдвигов, выпоры и другие следы разрушения грунта, которые к тому же будут ухудшать условия передачи в нижележащие слои насыпи необходимых для уплотнения давлений.
Прочность связных грунтов зависит от четырех факторов, три из которых относятся непосредственно к самим грунтам (гранулометрический состав, влажность и плотность), а четвертый (характер или динамичность прикладываемой нагрузки и оцениваемый скоростью изменения напряженного состояния грунта или, с некоторой неточностью, временем действия этой нагрузки) относится к воздействию уплотняющей машины и реологическим свойствам грунта.
Кулачковый виброкаток
фирмы BOMAG
С увеличением содержания глинистых частиц прочность грунта возрастает до 1,5–2 раз по сравнению с песчаными грунтами. Реальная влажность связных грунтов является очень важным показателем, влияющим не только на прочность, но и на их уплотняемость. Наилучшим образом такие грунты уплотняются при так называемом оптимальном содержании влаги. С превышением реальной влажностью этого оптимума снижается прочность грунта (до 2 раз) и существенным образом понижается предел и степень возможного его уплотнения. Наоборот, с уменьшением влажности ниже оптимального уровня предел прочности резко возрастает (при 85% от оптимальной – в 1,5 раза, а при 75% – до 2 раз). Вот почему так трудно уплотнять маловлажные связные грунты.
По мере уплотнения грунта растет и его прочность. В частности, по достижении в насыпи коэффициента уплотнения 0,95 прочность связного грунта повышается в 1,5–1,6 раза, а при 1,0 – в 2,2–2,3 раза по сравнению с прочностью в начальный момент уплотнения (коэффициент уплотнения 0,80–0,85).
У глинистых грунтов, обладающих выраженными реологическими свойствами вследствие их вязкости, динамическая прочность на сжатие может возрасти в 1,5–2 раза при времени их нагружения 20 мсек (0,020 сек), что соответствует частоте приложения виброударной нагрузки 25–30 Гц, а на сдвиг – даже до 2,5 раз по сравнению со статической прочностью. При этом динамический модуль деформации таких грунтов повышается до 3–5 раз и более.
Это свидетельствует о необходимости прикладывать к связным грунтам более высокие уплотняющие давления динамического характера, чем статического, чтобы получить одну и ту же деформацию и результат уплотнения. Очевидно поэтому некоторые связные грунты можно было эффективно уплотнять статическими давлениями 6–7 кгс/см 2 (пневмокатки), а при переходе на их трамбование потребовались динамические давления порядка 15–20 кгс/см 2 .
Такое различие обусловлено разной скоростью изменения напряженного состояния связного грунта, при росте которой в 10 раз его прочность повышается в 1,5–1,6 раза, а в 100 раз – до 2,5 раз. У пневмоколесного катка скорость изменения контактных давлений во времени составляет 30–50 кгс/см 2 *сек, у трамбовок и виброкатков – около 3000–3500 кгс/см 2 *сек, т.е. повышение составляет 70–100 раз.
Для правильного назначения функциональных параметров виброкатков в момент их создания и для управления технологическим процессом выполнения этими виброкатками самой операции уплотнения связных и других разновидностей грунтов крайне важно и необходимо знать не только качественное влияние и тенденции изменения пределов прочности и модулей деформации этих грунтов в зависимости от их грансостава, влажности, плотности и динамичности нагрузки, но и иметь конкретные значения этих показателей.
Такие ориентировочные данные по пределам прочности грунтов с коэффициентом плотности 0,95 при статическом и динамическом их нагружении установлены профессором Хархутой Н. Я. (табл. 1).
Таблица 1
Пределы прочности (кгс/см 2) грунтов с коэффициентом уплотнения 0,95
и оптимальной влажностью
Уместно отметить, что с повышением плотности до 1,0 (100 %) динамическая прочность на сжатие некоторых высокосвязных глин оптимальной влажности возрастет до 35–38 кгс/см 2 . При снижении же влажности до 80% от оптимальной, что может быть в теплых, жарких или засушливых местах ряда стран, их прочность может достигать еще больших значений – 35–45 кгс/см 2 (плотность 95%) и даже 60–70 кгс/см 2 (100%).
Конечно, уплотнять подобные высокопрочные грунты можно только тяжелыми виброударными кулачковыми катками. Контактных давлений гладковальцовых виброкатков даже для обычных суглинков оптимальной влажности будет явно недостаточно, чтобы получить требуемый нормативами результат уплотнения.
До недавнего времени оценка или расчет контактных давлений под гладким или кулачковым вальцом статического и вибрационного катка производились очень упрощенно и приближенно по косвенным и не очень обоснованным показателям и критериям.
На основе теории колебаний, теории упругости, теоретической механики, механики и динамики грунтов, теории размерностей и подобия, теории проходимости колесных машин и изучения взаимодействия вальцового штампа с поверхностью уплотняемого линейно-деформируемого слоя асфальтобетонной смеси, щебеночного основания и грунта земляного полотна получена универсальная и довольно простая аналитическая зависимость для определения контактных давлений под любым рабочим органом катка колесного или вальцового типа (пневмошинное колесо, гладкий жесткий, обрезиненный, кулачковый, решетчатый или ребристый валец):
σ o
– максимальное статическое или динамическое давление вальца;
Q в
– весовая нагрузка вальцового модуля;
R o
– общая сила воздействия вальца при вибродинамическом его нагружении;
R o = Q в K d
E o
– статический или динамический модуль деформации уплотняемого материала;
h
– толщина уплотняемого слоя материала;
В, Д
– ширина и диаметр вальца;
σ p
– предел прочности (разрушения) уплотняемого материала;
K d
– коэффициент динамичности
Более подробная методология и пояснения к ней изложены в аналогичном сборнике-каталоге «Дорожная техника и технология» за 2003 г. Здесь уместно лишь указать, что в отличие от гладковальцовых катков при определении полной осадки поверхности материала δ 0 , максимальной динамической силы R 0 и контактного давления σ 0 у кулачковых, решетчатых и ребристых катков используется эквивалентная гладковальцовому ширина их вальцов, а у пневмоколесных и обрезиненных катков – эквивалентный диаметр.
В табл. 2 представлены результаты расчетов по указанной методике и аналитическим зависимостям основных показателей динамического воздействия, в том числе контактных давлений, гладковальцовых и кулачковых виброкатков ряда фирм с целью анализа их уплотняющей способности при отсыпке в земляное полотно одного из возможных типов мелкозернистых грунтов слоем 60 см (в рыхлом и плотном состоянии коэффициент уплотнения равен соответственно 0,85–0,87 и 0,95–0,96, модуль деформации Е 0 = 60 и 240 кгс/см 2 , и значение реальной амплитуды колебаний вальца тоже соответственно a = A 0 /A ∞ = 1,1 и 2,0), т.е. все катки имеют одинаковые условия для проявления своих уплотняющих способностей, что придает результатам расчета и их сравнения необходимую корректность.
ЗАО «ВАД» имеет в своем парке целую гамму исправно и эффективно работающих грунтоуплотняющих гладковальцовых виброкатков фирмы «Dynapac», начиная от самого легкого (СА152D ) и кончая самым тяжелым (СА602D ). Поэтому было полезно получить расчетные данные для одного из таких катков (СА302D ) и сравнить с данными аналогичных и близких по весу трех моделей фирмы Hamm, созданных по своеобразному принципу (за счет увеличения пригруза колеблющегося вальца без изменения его веса и других показателей вибрации).
В табл. 2 представлены также некоторые наиболее крупные виброкатки двух фирм (Bomag , Orenstein and Koppel ), в том числе кулачковые их аналоги, и модели широко использовавшихся ранее на автодорожных и гидротехнических стройках СССР (России) прицепных виброкатков (А-8, А-12, ПВК-70ЭА ).
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Таблица 2
Анализ данных табл. 2 позволяет сделать некоторые выводы и заключения, в том числе практического плана:
- создаваемые глаковальцовыми виброкатками, в том числе среднего веса (СА302D, Hamm 3412 и 3414 ), динамические контактные давления заметно превосходят (на подуплотненных грунтах в 2 раза) давления тяжелых статических катков (пневмоколесного типа весом 25т и более), поэтому они способны достаточно эффективно и с приемлемой для дорожников толщиной слоя уплотнять несвязные, малосвязные и легкие связные грунты;
- кулачковые виброкатки, в том числе наиболее крупные и тяжелые, по сравнению со своими гладковальцовыми аналогами, могут создавать в 3 раза более высокие контактные давления (до 45–55 кгс/см 2), и поэтому они пригодны для успешного уплотнения высокосвязных и достаточно прочных тяжелых суглинков и глин, включая их разновидности с пониженной влажностью; анализ возможностей этих виброкатков по контактным давлениям показывает, что есть определенные предпосылки несколько повысить эти давления и увеличить толщину слоев связных грунтов, уплотняемых крупными и тяжелыми их моделями, до 35–40 см вместо сегодняшних 25–30 см;
- опыт фирмы «Hamm» по созданию трех различных виброкатков (3412, 3414 и 3516) с одинаковыми вибрационными параметрами (масса колеблющегося вальца, амплитуда, частота, центробежная сила) и разной общей массой вибровальцового модуля за счет пригруза рамы следует признать интересным и полезным, но не на все 100% и прежде всего с точки зрения незначительной разницы создаваемых вальцами катков динамических давлений, например, у 3412 и 3516; но зато у 3516 время пауз между импульсами нагружения сокращается на 25–30%, увеличивая время контакта вальца с грунтом и повышая кпд передачи энергии последнему, что способствует прониканию в глубь грунта более высокой плотности;
- на основе сравнения виброкатков по их параметрам или даже по результатам практических испытаний некорректно, да и вряд ли справедливо, утверждать, что этот каток вообще лучше, а другой – плохой; каждая модель может быть хуже или, наоборот, хороша и пригодна для конкретных своих условий применения (тип и состояние грунта, толщина уплотняемого слоя); приходится только сожалеть, что до сих пор не появились образцы виброкатков с более универсальными и регулируемыми параметрами уплотнения для использования в более широком диапазоне типов и состояний грунтов и толщин отсыпаемых слоев, что могло бы избавить дорожника от необходимости приобретать набор грунтоуплотняющих средств разных типов по весу, габаритам и уплотняющей способности.
Некоторые из сделанных выводов могут показаться не такими уж новыми и даже уже известными из практического опыта. В том числе, и о бесполезности применения гладковальцовых виброкатков на уплотнении связных грунтов, особенно маловлажных.
Автор в свое время отрабатывал на специальном полигоне в Таджикистане технологию уплотнения лангарского суглинка, укладываемого в тело одной из самых высоких плотин (300 м) теперь уже действующей Нурекской ГЭС. В состав суглинка входили от 1 до 11% песчаных, 77–85% пылеватых и 12–14% глинистых частиц, число пластичности было 10–14 , оптимальная влажность – около 15,3–15,5%, естественная влажность составляла всего 7–9%, т.е. не превышала 0,6 от оптимального значения.
Уплотнение суглинка производ илось разными катками, в том числе специально созданным для этой стройки очень крупным прицепным виброкатком ПВК-70ЭА (22т, см. табл. 2), имевшим достаточно высокие вибрационные параметры (амплитуда 2,6 и 3,2 мм, частота 17 и 25 Гц, центробежная сила 53 и 75 тс). Однако из-за низкой влажности грунта требуемое уплотнение 0,95 этим тяжелым катком удалось получить только в слое не более 19 см.
Более эффективно и успешно этим катком, а также А-8 и А-12 выполнялось уплотнение сыпучих гравийно-галечниковых материалов, укладываемых слоями до 1,0–1,5 м.
По измеренным напряжениям специальными датчиками, помещаемыми в насыпь на различную глубину, построена кривая затухания этих динамических давлений по глубине грунта, уплотняемого тремя указанными виброкатками (рис. 2).
Рис. 2. Кривая затухания экспериментальных динамических давлений
Несмотря на довольно значительные различия в общем весе, габаритах, параметрах вибрации и контактных давлениях (различие доходило до 2–2,5 раз) значения экспериментальных давлений в грунте (в относительных единицах) оказались близкими и подчиняющимися одной закономерности (пунктирная кривая на графике рис. 2) и аналитической зависимости, показанной на том же графике.
Интересно, что точно такая же зависимость присуща экспериментальным кривым затухания напряжений при чисто ударном нагружении грунтового массива (трамбующая плита диаметром 1 м и весом 0,5–2,0т). И в том и другом случае показатель степени α остается неизменным и равным или близким 3/2. Изменяется только коэффициент K в соответствии с характером или «остротой» (агрессивностью) динамической нагрузки от 3,5 до 10. При более «остром» нагружении грунта он больше, при «вялом» – меньше.
Этот коэффициент K служит как бы «регулировщиком» степени затухания напряжений по глубине грунта. При высоком его значении напряжения быстрее снижаются, с удалением от поверхности нагружения и толщина прорабатываемого слоя грунта уменьшается. С уменьшением K характер затухания становится более плавным и приближающимся к кривой затухания статических давлений (на рис. 2 у Буссинэ α = 3/2 и K = 2,5). В этом случае в глубь грунта как бы «проникают» более высокие давления и толщина слоя уплотнения возрастает.
Характер импульсных воздействий виброкатков не очень сильно варьируется, и можно предположить, что значения K будут в пределах 5–6. А при известном и близком к стабильному характере затухания относительных динамических давлений под виброкатками и определенных значениях необходимых относительных напряжений (в долях предела прочности грунта) внутри грунтовой насыпи можно, с достаточной долей вероятности, устанавливать толщину слоя, в котором действующими там давлениями будет обеспечена реализация коэффициента уплотнения, например, 0,95 или 0,98.
Практикой, пробными уплотнениями и многочисленными исследованиями ориентировочные значения таких внутригрунтовых давлений установлены и представлены в табл. 3.
Таблица 3
Существует также упрощенный прием определения толщины уплотняемого слоя гладковальцовым виброкатком, по которому каждая тонна веса вибровальцового модуля способна обеспечить примерно следующую толщину слоя (при оптимальной влажности грунта и нужных параметрах виброкатка):
- пески крупные, средние, ПГС – 9–10 см;
- пески мелкие, в том числе с пылью – 6–7 см;
- супеси легкие и средние – 4–5 см;
- легкие суглинки – 2–3 см.
Заключение. Современные гладковальцовые и кулачковые виброкатки являются эффективными грунтоуплотняющими средствами, способными обеспечить требуемое качество возводимого земляного полотна. Задача дорожника состоит в грамотном осмыслении возможностей и особенностей этих средств для правильного ориентирования при их выборе и практическом применении.
Исходными данными для проектирования уплотнения грунтов, а также для проектирования оснований и фундаментов на уплотненных грунтах являются: необходимая степень уплотнения грунтов, деформационные и прочностные характеристики уплотненных грунтов, расчетные их сопротивления.
Необходимая степень уплотнения грунтов устанавливается в зависимости: от назначения уплотненных грунтов и нагрузок, передаваемых на них от фундаментов и других конструкций; от возможностей изменения температурно-влажностного режима уплотненного грунта; от диапазона изменения природной влажности грунтов, используемых для возведения обратных засыпок; от принятых и возможных технологических схем производства работ по отсыпке уплотняемого грунта и применяемого грунтоуплотняющего оборудования; от климатических условий производства работ; от производственных возможностей строительных организаций и пр. .
Для определения необходимой степени уплотнения грунтов с учетом приведенных выше факторов выполняется комплекс лабораторных исследований, включающий изучение уплотняемости грунтов (стандартное уплотнение), а также прочностных и деформационных характеристик уплотненных до различной степени плотности грунтов. По результатам стандартного уплотнения (см. рис. 13.2) определяются максимальная плотность ρ d.max , оптимальная влажность ω 0 , а также плотность сухого грунта при уплотнении его до различного коэффициента уплотнения и соответствующие диапазоны допускаемого изменения влажности.
По данным сдвиговых и компрессионных испытаний уплотненных до различной степени плотности грунтов строятся графики зависимости сцепления, угла внутреннего трения и модуля деформации от плотности грунта или от коэффициента уплотнения грунтов (рис. 13.3). На основе этих графиков в соответствии с необходимыми значениями сцепления, угла внутреннего трения и модуля деформации уплотненных грунтов назначается требуемая степень уплотнения грунтов.
Рис. 13.3. Зависимости с, φ (а ) и E (б ) от коэффициента уплотнения и плотности сухого уплотненного грунта
При отсутствии данных описанных выше исследований необходимые значения степени уплотнения грунтов принимаются по табл. 13.2.
ТАБЛИЦА 13.2. НЕОБХОДИМАЯ СТЕПЕНЬ УПЛОТНЕНИЯ ГРУНТОВ
При возможном изменении температурно-влажностного режима уплотненных грунтов за счет их периодического промерзания и оттаивания приведенные в табл. 13.2 значения k com целесообразно повышать на 0,01—0,02.
Модули деформации грунтов, уплотненных до различной степени плотности, должны приниматься, как правило, по результатам испытания их штампами. При отсутствии данных непосредственных испытаний значения модулей деформации допускается принимать по табл. 13.3.
Коэффициент изменчивости сжимаемости уплотненных грунтов α com , обусловливаемый различной степенью уплотнения, переменной влажностью, неоднородностью состава грунта и представляющий собой отношение максимального значения модуля деформации к его возможному минимальному значению, допускается принимать: α com = 1,2 при k com = 0,92, α com = 1,35 при k com = 0,95 и α com = 1,5 при k com = 0,98.
ТАБЛИЦА 13.3. НОРМАТИВНЫЕ ЗНАЧЕНИЯ МОДУЛЕЙ ДЕФОРМАЦИИ НЕКОТОРЫХ ВИДОВ УПЛОТНЕННЫХ ГРУНТОВ
Прочностные характеристики уплотненных до различной степени плотности грунтов определяются путем испытания их на срез в условиях завершенной консолидации с получением зависимости сцепления с и угла внутреннего трения φ от коэффициента уплотнения. Для предварительных расчетов нормативные значения прочностных характеристик уплотненных лессовых грунтов рекомендуется принимать по табл. 10.4.
Расчетные сопротивления уплотненных грунтов определяются с учетом прочностных характеристик грунтов и размеров фундаментов. При отсутствии прочностных характеристик, а также для предварительного назначения размеров фундаментов допускается пользоваться условными значениями расчетных сопротивлений R 0 уплотненных насыпных грунтов (табл. 13.4).
ТАБЛИЦА 13.4. РАСЧЕТНЫЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ ОСНОВАНИЯ ИЗ УПЛОТНЕННЫХ ГРУНТОВ
Руководство по устройству обратных засыпок котлованов с подготовкой оснований под технологическое оборудование и полы на просадочных грунтах
Подготавливаясь к строительным или дорожным работам, осуществляются различные действия по выявлению характеристик почвы, грунта и важным параметром является коэффициент уплотнения грунта. Выполнение специальных задач для выявления характеристик земли позволяет точно определить технические данные и показатели территории обработки для выполнения соответствующих строительных и дорожных работ. Какой коэффициент уплотнения грунта должен быть для конкретного вида земельных работ? Для этих целей используются специальные расчётные нормативы, регламентные положения и стандарты надзорных ведомств.
Определение по техническим стандартам
Коэффициент уплотнения грунта является условным безразмерным показателем или величиной, который по своей сути ведёт отсчёт из реального соотношения данных плотности имеющегося вещества\ к плотности почвы max (условный показатель максимума грунта). Если мы посмотрим на землю, как на объективный тип материала, то заметим, что его структура имеет микроскопические видимые и невидимые поры, заполненные естественным воздухом или обработанный влагой. Учитывая закон уплотнения сжимаемости грунта, в процессе выработки пор становится очень много, и рыхлость является основным показателем, где общая насыпная характеристика плотности будет значительно меньшим показателем, чем коэффициент уплотнения грунта в утрамбованном виде. Этот важнейший параметр необходимо учитывать при возведении земляных подушек под основание фундамента объекта, а также при проведении дорожных работ. Если не производить трамбовку почвы, то в будущем имеет место появления риска усадки здания, дефектов на готовом дорожном полотне.
Ниже приведена таблица, исходя из которой, можно оперировать данными при расчёте коэффициента уплотнения грунта по таблице СНИП.
| Тип земли\почвы | Оптимальные показатель влажности | Параметр максимальной плотности из расчёта т\м 3 |
|---|---|---|
| Песчаные | 0,08/0,12 | 1,80-1,88 |
| Супесчаные | 0,09/0,15 | 1,85-2,08 |
| Супесчано-пылевидные | 0,16/0,22 | 1,61-1,80 |
| Суглинистые | 0,12/0,15 | 1,65-1,95 |
| Тяжёлые, кат. суглинистые | 0,16/0,20 | 1,67-1,79 |
| Пылевидные, кат. суглинистые | 0,18/0,21 | 1,65-1,74 |
| Глиняные | 0,19/0,23 | 1,58-1,80 |
«При проведении расчёта и определения уплотнения коэффициента грунта, нужно помнить, что для насыпной категории плотность будет меньше, чем для аналогичных характеристик утрамбованной почвы.»
Методика расчёта
При проведении строительных работ не следует избегать данных параметров, особенно для подготовки песчаной или земляной подушки под основание строящегося объекта. Непосредственный параметр коэффициент уплотнения грунта будет фиксирован в диапазоне расчёта от 0 до коэффициента 1, например, для подготовки бетонного типа фундамента, показатель должен быть >0,98 коэффициентного балла от расчётной нагрузки.
Для каждой категории земляного полотна имеется свой уникальный показатель определения коэффициента уплотнения грунта по ГОСТ исходя из оптимальных характеристик влажности материала, в результате которого можно добиться максимальных характеристик уплотнения. Для более точных определений данных используется лабораторный метод расчёта, поэтому, каждая строительная или дорожная компания в обязательном порядке должны иметь собственную лабораторию.
Реальная методика, позволяющая ответить на вопрос как рассчитать коэффициент уплотнения грунта измеряется только после того, как будет произведена процедура трамбовки прямо на месте. Специалисты и эксперты в области строительства называют данный метод, как система режущих колец. Попробуем разобраться, как определить коэффициент уплотнения грунта по данному методу.
- В землю забивается определённого диаметра лабораторное кольцо из металла и ведомой длины сердечник;
- Внутри кольца фиксируется материал, который потом взвешивается на весах;
- Далее высчитываем массу используемого кольца, и перед нами имеется масса готового материала для расчёта;
- Далее имеющийся показатель разделим на известный объем металлического кольца — в результате имеем фиксированную плотность материала;
- Делим фиксированную плотность вещества на табличный показатель максимальной плотности.
- В итоге имеем готовый результат стандартного уплотнение грунта ГОСТ 22733-2002.
В принципе, это и есть стандартный метод расчёта, который используется строителями и дорожниками при выявлении коэффициента относительного уплотнения грунта согласно общепринятым нормам и стандартам по расчёту.
Технические регламенты и стандарты
Стандартный закон уплотнения грунта мы знаем еще со времён школьной парты, но данную методику используют только при проведении производственных работ в строительной и дорожной сфере. В 2013-2014 годах произошла актуализация данных расчёта по СНиП, где уплотнение грунта ЕНИР указано в соответствующих пунктах регламентного положения 3.02.01-87, а также в части методики применения для производственных целей СП 45.13330.2012.
Типологии определения характеристик материала
Коэффициент уплотнения грунта предусматривает применение нескольких типологий, главной целью которых является формирование окончательной процедуры технологического вывода кислорода из каждых слоёв почвы, учитывая соответствующую глубину трамбовки. Так, для выявления коэффициента уплотнения грунта при обратной засыпке используют как поверхностный метод расчёта, так и универсальную глубинную систему исследования. Эксперт при выборе методики расчёта должен определить первоначальный характер почвы, а также конечную цель трамбовки. Реальный коэффициент динамичности при ударном уплотнении грунтов может быть определён при помощи использования специальной техники, например — пневматический тип катка. Общая типология метода определения параметров вещества определяется следующими методами:
- Статический;
- Вибрационный вариант;
- Технологически ударный метод;
- Комбинированная система.
Зачем нужно определять коэффициент уплотнения почвы?
Частично некоторые из вышеперечисленных методик используется в частном домостроении, но как показывает практика, необходимо обратиться к специалистам, чтобы можно было избежать ошибок при возведении фундамента. Высокая нагрузка несущих конструкций на некачественную трамбовку материала может со временем вылиться в серьёзную проблему, например, усадка дома будет иметь существенный характер, что приведёт к неминуемому разрушению строения.
В промышленных масштабах трамбовка является обязательным условием, и лабораторная методика определения параметров коэффициентов для уплотнения вещества является необходимым условием соблюдения технического задания и паспорта объекта строительства или дорожного полотна. Помните одну простую вещь, если вы используете в производственном цикле земляной материал, то лучшим вариантом будет применение материала с наивысшими показателями максимальной плотности вещества.
Есть еще один существенный момент, который влияет на расчёты, это географическая привязка. В данном случае необходимо учитывать характер почвы местности исходя из данных геологии, а также рассматривая погодные и сезонные характеристики поведения почвы.
Коэффициент уплотнения грунта — это безразмерный показатель, исчисляющийся как отношение плотности грунта к его максимальной плотности. В любом грунте есть поры — микроскопические пустоты заполненные воздухом или влагой, при выработке грунта таких пор становится слишком много, он становится рыхлым, насыпная плотность гораздо меньше плотности утрамбованного грунта. Поэтому при подготовке песчаных подушек под фундамент, оснований фундамента или при засыпке пазух грунт нужно дополнительно уплотнять, иначе со временем грунт будет слеживаться и под собственным весом и весом здания будет просаживаться.
Требуемый коэффициент уплотнения
Коэффициент уплотнения грунта показывает насколько хорошо уплотнён грунт и может принимать значения от 0 до 1. Для оснований фундамента требуемый коэффициент уплотнения — 0,98 и выше.
Определение коэффициента уплотнения
Максимальная плотность — плотность скелета грунта — определяется в лабораторных условиях методом стандартного уплотнения. Он заключается в том, что грунт помещают в цилиндр и сжимают его, нанося удары падающим грузом. Максимальная плотность зависит от влажности грунта, характер этой зависимости показан на графике:
Зависимость максимальной плотности грунта от влажности.
Для каждого грунта есть оптимальная влажность, при которой можно достичь максимального уплотнения.
Эта влажность определяется так же в при лабораторных исследованиях грунта при разной влажности.
Реальная плотность грунта при подготовке основания измеряется после работ по его уплотнению. Самый просто метод — метод режущих колец: металлическое кольцо определённого диаметра и известной длины забивается в грунт, грунт фиксируется внутри кольца, затем его масса измеряется на весах. Взвесив грунт, вычитаем массу кольца, получаем массу грунта. Делим её на объем кольца — получаем плотность грунта. Затем делим плотность грунта на его максимальную плотность — и вычисляем коэффициент уплотнения грунта.
Набор колец для определения плотности грунта.
Кокой коэффициент уплотнения к грунта?
Например, известна максимальная плотность скелета грунта — 1,95 г/см3, режущее кольцо имеет диаметр 5 см и высоту 3 см, определим коэффициент уплотнения грунта. Первым делом нужно забить кольцо полностью в грунт, затем убрать грунт вокруг кольца, ножом отделить кольцо с грунтом внутри от грунта под основанием и достать кольцо, придерживая грунт снизу так, чтобы ничего не выпало. Затем также с помощью ножа грунт можно извлечь из полости кольца и взвесить. Например, масса грунта составила 450 г. Объем нашего кольца — 235,5 см3, значит плотность грунта составляет 1,91 г/см3, а коэффициент уплотнения грунта — 1,91/1,95 = 0,979.
К этой статье есть подборка видео (количество видеороликов: 3)
Читайте так же:
Глинистые грунты
Глинистый грунт – это грунт, который более чем на половину состоит из очень мелких частиц размером менее 0,01 мм, которые имеют форму чешуек или пластин. К глинистым грунтам относятся супесь, суглинок и глина.
Дата публикации: 25.11.2014 09:09:15
Подсчет объема работ по обратной засыпке пазух котлована (траншей) с уплотнением
Подсчет объема обратной засыпки производят на основании рабочей схемы земляного сооружения (рис.6).
Рис. 6. Схема для подсчета объема грунта обратной засыпки
Объем грунта обратной засыпки подсчитывается по следующей формуле:
V о.з. = (V общ. к + V с – V бет) k о. р. , м 3 , (24)
где V общ. к – общий объем разработанного грунта в котловане (траншеях), м 3 ; V с – объем здания, м 3 ; V бет – общий объем фундаментов (ростверков), м 3 ; k о. р – коэффициент остаточного разрыхления грунта, который определяется по формуле или по табл. 3 настоящих указаний.
k о. р. = 100+Р/100, (25)
где Р – показатель разрыхления грунта, % (принимать по ЕНиР, сб. Е2, вып. 1, с.
Иногда для обратной засыпки необходимо завозить весь грунт или часть его объема. Это бывает в тех случаях, когда местные грунты не пригодны для обратной засыпки (мерзлые, с примесями снега; глины, обладающие свойством пучения и др.), что необходимо учесть при определении потребности в транспорте, а также при составлении календарного графика производства работ.
Объем работ по уплотнению обратной засыпки может быть вычислен либо в квадратных метрах, либо в кубических, в зависимости от того, каким способом будут производиться работы: механизировано или вручную, с учетом выбранных машин для уплотнения и их параметров. Уплотнение обратной засыпки необходимо производить послойно.
При подсчете работ по уплотнению грунта необходимо сначала выбрать машину или механизм для уплотнения грунта и установить толщину слоя уплотнения данной машиной.
Объем грунта, подлежащего уплотнению, равен объему обратной засыпки и находится по формуле (24)
V упл. = V о.з (26)
В случае, когда объем работ по уплотнению грунта измеряется в м 2 , суммарная площадь уплотняемого грунта определяется по формуле
F упл. = V о.з /h у. , (27)
где h у – толщина уплотняемого слоя, м.
Полученные в разделе 2 результаты по расчету объемов работ вносятся в табл. 4.
Таблица 4
Сводная ведомость объемов работ
| № п/п | Наименование работ | Единица измерения | Объем работ |
| Срезка растительного слоя | м 2 / м 3 | ||
| Разработка грунта экскаватором | м 3 | ||
| Разработка траншей для съездов | м 3 | ||
| Устройство креплений стенок выемки | м 3 | ||
| Зачистка дна котлованов | м 3 | ||
| Устройство свайных фундаментов: для забивных свай для буронабивных свай | шт м 3 | ||
| Устройство монолитных фундаментов или ростверков: установка опалубки установка арматуры укладка бетонной смеси | м 2 тн м 3 | ||
| Гидроизоляция фундаментов | м 2 | ||
| Обратная засыпка | м 3 | ||
| Уплотнение грунта | м 3 (м 2) |
ПОДБОР СРЕДСТВ ВОДООТЛИВА
Для организации стока атмосферных и талых вод сразу же после срезки растительного слоя необходимо выполнить вертикальную планировку, обеспечив соответствующие уклоны площадки (не менее 0,02), а также устроить с нагорной стороны площадки обвалования и нагорные канавы.
Для осушения котлованов (траншей) в процессе производства работ в грунтах с малым притоком грунтовых вод применяется открытый водоотлив, для чего по периметру котлована устраиваются водосборные канавы (глубиной 0,5-0,7 м) с уклоном в сторону приямков (зумпфов). На дно канав укладывается слой крупнозернистого песка, гравия или щебня толщиной 10-15 см. Из приямков собранная вода откачивается насосными установками. При этом насосная установка открытого водоотлива должна быть оборудована резервными насосами. Количество насосов определяется исходя из притока грунтовых вод со всей площади дна котлована и откосов, расположенных ниже
отметки уровня грунтовых вод, и часовой производительности насоса по формуле:
N = (F д +F отк.) а К/П н (28)
где F д и F отк — площадь сбора грунтовых вод со дна котлована (траншеи) и откосов, расположенных ниже отметки уровня грунтовых вод, м 2 ; а — коэффициент удельного притока грунтовых вод с 1 м 2 площади котлована, м 3 /ч; К = 1,5-2,0 — коэффициент запаса (на случай обильных дождей или неисправности насосов); П н - часовая производительность выбранного насоса, 8-40 м 3 /ч.
Значения коэффициента удельного притока грунтовых вод для различных грунтов: а = 0,3 м 3 /ч - для песка, а = 0,16 м 3 /ч — для супеси, а = 0,1 м 3 /ч - для суглинка, а = 0,01 м 3 /ч — для глины.
Рекомендуется при глубине выемок до 7 м применять диафрагмовые насосы, а при большей глубине — напорные центробежные. При большой площади котлована или протяженности траншей рекомендуется выбирать насосы небольшой производительности. Это позволит равномерно расставить их по периметру котлована, последовательно включая в работу по мере откачки. Кроме того, это облегчит подвод воды к зумпфам.
При откачке воды из небольших котлованов под одиночные фундаменты удобно использовать насосы, установленные на автомобиле или передвижной тележке.
Насосы должны работать круглосуточно, независимо от сменности работ. В небольших котлованах под отдельно стоящие фундаменты водоотлив производится при отрывке котлованов и затем прекращается. Вторично водоотлив осуществляется перед монтажом фундаментов и продолжается до окончания обратной засыпки и уплотнения грунта в пазухах. Обслуживание насосов, наблюдение за их работой и состоянием зумпфов и уклонов дна выполняет звено в составе слесаря 4-го разряда — 1 чел., землекопа 2-го разряда — 1 чел. При малом притоке вод насосы могут включаться периодически.
Значимые факторы и свойства
Коэффициент относительного уплотнения
Уплотнение при обратной засыпке и трамбовке
Уплотнение при транспортировке
С понятием коэффициента уплотнения песка регулярно сталкиваются не только специалисты проектных организаций, но и эксплуатационники, непосредственно выполняющие работы на строительных площадках.
Коэффициент уплотнения грунта служит одним из основных критериев качества выполнения подготовительных работ на строительных участках и служит для сопоставления фактически достигнутого показателя плотности грунта на подготовленном участке с нормативным значением.
Также понятие коэффициента уплотнения широко используется для объемного учета сыпучих материалов. Наиболее точным способом учета является весовой метод , однако на практике его использование часто нецелесообразно из-за отсутствия или труднодоступности весового оборудования. Использование объемного учета не требует сложного оборудования, но ставит проблему сопоставления объема материала в карьере (при добыче), в местах складирования, в кузове автомобиля (при перевозке) и при использовании на объекте.
Значимые факторы и свойства
Коэффициент уплотнения – это отношение плотности (объемной массы) «скелета» грунта на контролируемом участке к плотности того же грунта, прошедшего процедуру стандартного уплотнения в лабораторный условиях.
Используется для оценки соответствия качества выполненных работ нормативным требованиям. Нормативные значения коэффициента для различных видов работ приведены в соответствующих ГОСТ, СНиП, а также в проектной документации на объект, и составляют обычно 0,95 – 0,98 .
«Скелет» грунта – твердая часть структуры при определенных значениях рыхлости и влажности. Объемный вес «скелета» песка рассчитывается как отношение массы твердых составляющих к массе, которую имела бы вода, если бы занимала весь объем, занятый грунтом.
Определение максимальной плотности грунтов в стандартных условиях предполагает проведение лабораторных исследований, в ходе которых пробы грунта подвергаются уплотнению при постепенно увеличивающейся влажности до определения показателя оптимальной влажности, при которой будет достигнута максимальная плотность песка.
Коэффициент относительного уплотнения
При выполнении работ по перемещению песка, извлечению его из тела карьера, транспортировке и других операций, связанных с изменением таких свойств, как рыхлость, влажность, крупность частиц, происходит изменение плотности «скелета».
Для расчета потребности и учета поступления строительного материала на площадку применяется коэффициент относительного уплотнения – отношение весовой плотности «скелета» песка на объекте к весовой плотности на участке отгрузки.
Коэффициент относительного уплотнения определяется расчетным путем и указывается в проектной документации на объект строительства (если для снабжения песком используются плановые поставки).
При проведении расчетов учитываются:
физико-механические характеристики песка (прочность частиц, крупность, слеживаемость);
результаты лабораторного определения максимальной плотности и оптимальной влажности;
насыпной вес песка в условиях естественного расположения;
условия транспортировки;
климатические и погодные условия на период осуществления доставки, возможность отрицательных температур.
Уплотнение при обратной засыпке и трамбовке
Обратная засыпка – процесс заполнения вырытого котлована после выполнения определенных видов работ ранее вынутым грунтом или песком.
Процесс трамбовки выполняется по месту засыпки грунта с применением трамбовочных устройств, ударным воздействием или при применении давления.
В процессе выемки грунта происходит изменение его физических свойств, поэтому для определения объема необходимого для отсыпки песка необходимо учесть коэффициент относительного уплотнения.
Уплотнение при транспортировке
Транспортировка насыпных грузов автомобильным или железнодорожным транспортом также приводит к изменению плотности грунта
. Встряхивание транспортного средства, воздействие осадков, давление верхних слоев песка приводят к уплотнению материала в кузове.
Для определения количества песка, необходимого для обеспечения заданного объема строительного материала на объекте, этот объем необходимо умножить на коэффициент относительного уплотнения, указанный в проекте на строительные работы.
Извлечение песка из тела карьера наоборот приводит к его разрыхлению и, соответственно, уменьшению весовой плотности. Это также необходимо учесть при планировании перевозок.
Страница 32 из 34
ПРИЛОЖЕНИЕ 4 Справочное
КОЭФФИЦИЕНТ УПЛОТНЕНИЯ ГРУНТА
Коэффициент уплотнения грунта — отношение плотности скелета грунта в конструкции к максимальной плотности скелета того же грунта при стандартном уплотнении по ГОСТ 22733-77.
ПРИЛОЖЕНИЕ 5
Справочное
ТИПЫ БОЛОТ
Следует различать три типа болот:
I — заполненные болотными грунтами, прочность которых в природном состоянии обеспечивает возможность возведения насыпи высотой до 3 м без возникновения процесса бокового выдавливания слабого грунта;
« Пред. — След. »
Нормы уплотнения грунта в теле насыпей
2.18. В проектах необходимо предусматривать работы по уплотнению насыпей из грунтов всех видов, за исключением скальных из слабовыветривающихся горных пород (для железнодорожных насыпей). Для верхней части насыпей из скальных грунтов слабовыветривающихся пород следует применять щебенистый материал.
Уплотнение в железнодорожных насыпях скальных грунтов из легковыветривающихся пород (аргиллитов, алевролитов, глинистых сланцев и т.п.), а также крупнообломочных грунтов, в том числе с глинистым заполнителем, обеспечивается посредством:
назначения необходимого числа проходов уплотняющих машин, устанавливаемого на основе предварительного пробного уплотнения;
ограничения толщины отсыпаемых слоев и размеров отдельных камней;
создания запаса на осадку согласно нормам, приведенным в табл. 7, п. 1.
Таблица 7
|
Характеристика условий |
Величина запаса в % от проектной высоты насыпи |
|
1. Насыпи железнодорожные из скальных и крупнообломочных грунтов при послойном возведении насыпи с применением уплотняющих машин |
|
|
2. Насыпи железнодорожные из песчаных и глинистых грунтов, возводимые с коэффициентом уплотнения К: |
|
|
К = 0,90 (п. 2.19) |
|
|
3. Насыпи железнодорожные из глинистых переувлажненных грунтов |
|
|
* Большие величины запаса относятся к насыпям, возводимым в короткие сроки (до 6 месяцев) из грунтов с влажностью, близкой к предельно допустимой (п. 2.22). |
2.19. Требуемую плотность песчаных и глинистых грунтов в теле насыпей в г/см 3 следует определять по формуле
где - максимальная плотность (объемный вес скелета используемого грунта) в г/см 3 , определяемая по методу стандартного уплотнения (приложение 2);
К - минимальный коэффициент уплотнения, принимаемый по табл. 8 - для железнодорожных насыпей и табл. 9 - для автодорожных.
Таблица 8
Уменьшение коэффициента уплотнения песчаных и глинистых грунтов по сравнению с нормами, приведенными в табл. 8, допускается для насыпей железных дорог в случаях невозможности или нецелесообразности достижения этих значений по физическим свойствам фунтов с малой влажностью, в том числе сухих барханных песков, или переувлажненных глинистых гротов. Для насыпей автомобильных дорог такое уменьшение по сравнению с величинами табл.
9 необходимо предусматривать в случае применения глинистых переувлажненных грунтов.
Таблица 9
|
Коэффициент К в случаях применения покрытия |
||||||
|
Виды земляного полотна |
Часть земляного полотна |
Глубина расположения слоя от поверхности |
усовершенствованных капитальных |
усовершенствованных облегченных и переходных |
||
|
покрытия в м |
В дорожно-климатических зонах |
|||||
|
неподтапливаемая |
||||||
|
подтапливаемая |
||||||
|
Выемки и естественные основания |
В слое сезонного промерзания |
|||||
|
низких насыпей |
Ниже слоя сезонного промерзания |
|||||
|
* В пределах IV и V дорожно-климатических зон - до 0,8 м. Примечание. Большие значения коэффициента уплотнения следует принимать в случаях применения цементобетонных и цементогрунтовых покрытий и оснований, а также усовершенствованных облегченных покрытий. |
Уменьшенные значения коэффициента уплотнения следует принимать на основе данных стандартного уплотнения с учетом положений пп. 2.22, 5.9, а также предусматривать дополнительные меры, обеспечивающие общую устойчивость земляного полотна и прочность его основной площадки для железных дорог и верхней части земляного полотна для автомобильных дорог, с обоснованием решений технико-экономическими расчетами.
ПРИЛОЖЕНИЕ 3
Справочное
Элементы земляного полотна
Верхняя часть земляного полотна (рабочий слой) - часть полотна, располагающаяся в пределах земляного полотна от низа дорожной одежды на 2/3 глубины промерзания, но не менее 1,5 м от поверхности покрытия проезжей части.
Основание насыпи - массив грунта в условиях естественного залегания, располагающийся ниже насыпного слоя, а при низких насыпях - и ниже границы рабочего слоя.
Основание выемки - массив грунта ниже границы рабочего слоя.
ПРИЛОЖЕНИЕ 4
Справочное
Коэффициент уплотнения грунта
Коэффициент уплотнения грунта - отношение плотности скелета грунта в конструкции к максимальной плотности скелета того же грунта при стандартном уплотнении по ГОСТ 22733-77.
ПРИЛОЖЕНИЕ 5
Справочное
Типы болот
Следует различать три типа болот:
I - заполненные болотными грунтами, прочность которых в природном состоянии обеспечивает возможность возведения насыпи высотой до 3 м без возникновения процесса бокового выдавливания слабого грунта;
ПРИЛОЖЕНИЕ 6
Справочное
Стабильные и нестабильные слои насыпи
Стабильные слои насыпи - слои, сооружаемые из талых или сыпучемерзлых грунтов, плотность которых в насыпи соответствует нормам табл. 22.
Нестабильные слои насыпи - слои из мерзлых или талых переувлажненных грунтов, которые в насыпи имеют плотность, не отвечающую нормам табл. 22, вследствие чего при оттаивании или длительном действии нагрузок могут возникать деформации слоя.
ПРИЛОЖЕНИЕ 7