Подготавливаясь к застройке, проводят специальные исследования и тесты, определяющие пригодность участка к предстоящей работе: берут пробы грунта, вычисляют уровень залегания подземных вод и исследуют другие особенности почвы, которые помогают определить возможность (или ее отсутствие) строительства.
Проведение таких мероприятий способствует повышению технических показателей, вследствие чего решается ряд проблем, возникающих в процессе строительства, например, проседание почвы под тяжестью конструкции со всеми вытекающими последствиями. Первое ее внешнее проявление выглядит как появление трещин на стенах, а в совокупности с другими факторами к частичному или полному разрушению объекта.
Коэффициент уплотнения: что это?
Под коэффициентом уплотнения грунта имеют в виду безразмерный показатель, который, по сути, является исчислением из отношения плотность грунта/плотность грунта max . Коэффициент уплотнения грунта рассчитывается с учетом геологических показателей. Любой из них, независимо от породы, пористый. Он пронизан микроскопическими пустотами, которые заполняются влагой или воздухом. При выработке почвы объем этих пустот увеличивается в разы, что приводит к повышению рыхлости породы.
Важно! Показатель плотности насыпной породы намного меньше, чем те же характеристики утрамбованного грунта.
Именно коэффициент уплотнения грунта определяет необходимость подготовки участка к строительству. Опираясь на эти показатели, подготавливают песчаные подушки под фундамент и его основание, дополнительно уплотняя грунт. Если эту деталь упустить, он может слеживаться и под весом конструкции начнет проседать.
Показатели уплотнения грунта
Коэффициент уплотнения грунта показывает уровень уплотненности почвы. Его значение варьируется в рамках от 0 до 1. Для основания бетонного ленточного фундамента нормой считается показатель в >0,98 балла.
Специфика определения коэффициента уплотнения
Плотность скелета грунта, когда земляное полотно поддают стандартному уплотнению, вычисляется в лабораторных условиях. Принципиальная схема исследования заключается в помещении образца почвы в стальной цилиндр, который сжимается под воздействием внешней грубой механической силы - ударов падающего груза.
Важно! Наивысшие показатели плотности грунта отмечаются у пород с влажностью чуть выше нормы. Эта зависимость изображена на графике ниже.
Каждое земляное полотно имеет свою оптимальную влажность, при которой и достигается максимальный уровень уплотнения. Этот показатель также исследуют в лабораторных условиях, придавая породе разную влажность и сравнивая показатели уплотнения.
Реальные данные - это конечный результат исследований, измеряющийся по окончании всех лабораторных работ.
Методы уплотнения и вычисления коэффициента
Географическое расположение определяет качественный состав грунтов, каждый из которых обладает своими характеристиками: плотностью, влажностью, способностью к проседанию. Потому так важно разработать комплекс мер, направленный на качественное улучшение характеристик для каждого типа почвы.
Вам уже известно понятие коэффициента уплотнения, предмет которого изучается строго в лабораторных условиях. Проводят такую работу соответственные службы. Показатель уплотнения почвы определяет методику воздействия на грунт, вследствие которой он получит новые прочностные характеристики. Проводя такие действия, важно учитывать процент усиления, прикладываемого для получения необходимого результата. Исходя из этого вычитывается коэффициент уплотнения грунтов (таблица ниже).
Типология методов уплотнения грунта
Существует условная система подразделения методов уплотнения, группы которых формируются исходя из способа достижения цели - процесса выведения кислорода из слоев почвы на определенной глубине. Так, различают поверхностное и глубинное исследование. Исходя из типа исследования, специалисты подбирают систему оборудования и определяют способ его применения. Методы исследования почвы бывают:
- статическими;
- вибрационными;
- ударными;
- комбинированными.
Каждый из типов оборудования отображает метод применения силы, например пневматический каток.
Частично такие методы применяются в малом частном строительстве, другие исключительно при построении крупномасштабных объектов, возведение которых согласовано с местной властью, так как некоторые из таких строений могут оказывать влияние не только на заданный участок, но и на окружающие объекты.
Коэффициенты уплотнения и нормы СНиП
Все операции, связанные со строительством, четко регламентируются законом, потому строго контролируются соответствующими организациями.
Коэффициенты уплотнения грунтов СНиП определяет пунктом 3.02.01-87 и СП 45.13330.2012. Действия, описанные в нормативных документах, были обновлены и актуализированы в 2013-2014 годах. В них описываются уплотнения для разного рода почвы и грунтовых подушек, использующихся при возведении фундамента и строений разного рода конфигураций, в том числе и подземных.
Как определяют коэффициент уплотнения?
Проще всего определить коэффициент уплотнения грунта по методу режущих колец: металлическое кольцо выбранного диаметра и определенной длины забивают в грунт, во время чего порода плотно фиксируется внутри стального цилиндра. После этого массу приспособления измеряют на весах, а по окончании взвешивания вычитывают вес кольца, получая чистую массу грунта. Это число делят на объем цилиндра и получают окончательную плотность грунта. После чего ее делят на показатель максимально возможной плотности и получают вычисляемое - коэффициент уплотнения для данного участка.
Примеры вычисления коэффициента уплотнения
Рассмотрим определение коэффициента уплотнения грунта на примере:
- значение максимальной плотности грунта - 1,95 г/см 3 ;
- диаметр режущего кольца - 5 см;
- высота режущего кольца - 3 см.
Необходимо определить коэффициент уплотнения почвы.
С такой практической задачей справиться намного легче, чем может показаться.
Для начала забивают цилиндр в грунт полностью, после чего извлекают его из почвы так, чтобы внутреннее пространство оставалось заполненным землей, но снаружи никакого скопления грунта не отмечалось.
При помощи ножа грунт извлекают из стального кольца и взвешивают.
К примеру, масса грунта составляет 450 грамм, объем цилиндра 235,5 см 3 . Рассчитав по формуле, получаем число 1,91г/см 3 - плотность почвы, откуда коэффициент уплотнения почвы - 1,91/1,95 = 0,979.
Возведение любого здания или конструкции - ответственный процесс, которому предшествует еще более ответственный момент подготовки застраиваемого участка, проектирования предполагаемых построек, расчета общей нагрузки на грунт. Это касается всех без исключения построек, которые предназначены для длительной эксплуатации, срок которой измеряется десятками, а то и сотнями лет.
Качественный уровень строящихся и ремонтируемых дорожных объектов в России за последние годы заметно подрос. И во многом благодаря лучшему и более грамотному выполнению работ по уплотнению земляного полотна‚ щебеночного основания и асфальтобетонного покрытия.
Успеху способствовали внедрение новой уплотняющей техники и более эффективной технологии‚ рост знаний и практического умения ИТР и рабочих многих подрядчиков и исполнителей‚ в числе которых можно упомянуть и объединение «Дорстройпроект»‚ признанное победителем конкурса Росавтодора в 1999 году и лучшим дорожным подрядчиком России по итогам конкурса Госстроя РФ в 2000 году.
Позитивные подвижки по качеству уплотнения используемых материалов обнажили в то же время накопленные за предыдущие годы и еще нерешенные проблемы‚ задачи и вопросы‚ в том числе достаточно острые‚ по совершенствованию норм и обновлению методов и технических средств контроля качества уплотнения. И это относится как к земляному полотну и асфальтобетонному покрытию‚ так и‚ особенно‚ к щебеночному основанию.
Критический обзор и анализ‚ в сравнении с передовыми зарубежными нормами‚ методами и средствами такого контроля‚ демонстрирует явный консерватизм развития и показывает российское отставание лет на 15. Причем оно касается‚ главным образом‚ методов и средств прежде всего оперативного полевого контроля. По нормам тоже есть серьезные проблемы и недоработки‚ но они‚ в основном‚ по щебеночным основаниям‚ хотя и по земляному полотну и асфальтобетонным покрытиям следовало бы также кое-что уточнить и подправить.
В основу оценки качества уплотнения грунта земляного полотна и подстилающего слоя в России‚ как известно‚ положен принцип сравнения плотности‚ полученной в насыпи или выемке‚ с плотностью того же грунта в лабораторном приборе стандартного уплотнения СоюздорНИИ (в зарубежных странах – в приборе Проктора). Результат сравнения в виде коэффициента уплотнения (К у) «примеряют» к нормируемым ГОСТ и СНиП его значениям‚ чаще всего равным 0‚95 (низ земляного полотна) или 0‚98–1‚0 (верх земляного полотна и подстилающий слой).
Сравнение действующих в дорожной отрасли российских норм уплотнения грунтов с зарубежными подтверждает достаточный их уровень для обеспечения прочности и устойчивости земляного полотна. На всех объектах‚ где они соблюдаются‚ проблем из-за деформаций и просадок земляного полотна практически не бывает.
Изредка возникающие критические «наскоки» на них с предложениями подправить или даже с требованиями пересмотреть в сторону ужесточения неправомерны‚ необоснованны и даже вредны. Конечно‚ что-то можно и нужно уточнить и изменить с учетом климатического фактора‚ опыта работы в земляном полотне различных типов и состояний грунтов и новых возможностей уже более мощных и совершенных грунтоуплотняющих средств. Однако «резкие движения» в направлении кардинального пересмотра норм делать опасно и не нужно.
Стандартный метод оценки качества уплотнения предусматривает обязательный отбор порции или образца грунта с помощью кольца или лунки‚ точное его взвешивание‚ определение влажности путем высушивания при 105–110° С в термостате в течение 6–8 часов. Затем нужно в лаборатории выполнить процедуру стандартного уплотнения предварительно высушенного и измельченного грунта со столь же продолжительным определением оптимальной влажности.
В итоге интересующий коэффициент уплотнения грунта и его влажность могут быть выданы производителю земляных работ минимум через сутки-двое‚ когда поправить качество уплотнения бывает сложно‚ а порой уже и невозможно.
Правда‚ облегчают или спасают эту ситуацию две альтернативные возможности. Во-первых‚ россияне часто используют распространенный во многих странах метод контроля не самой плотности грунта‚ а технологии его уплотнения выбранным средством‚ установленной‚ например‚ при пробном уплотнении. Строгое соблюдение технологических режимов выполнения этой операции‚ как правило‚ гарантирует высокую вероятность получения требуемого результата по качеству. Поэтому обязательный отбор проб грунта из насыпи или выемки вместе с лабораторными процедурами можно рассматривать не как оперативный контроль‚ а как проверочный и не имеющий столь острой необходимости сиюминутной выдачи результата. Однако при возможном изменении типа и разновидности грунта или его состояния‚ чего исключать нельзя‚ такой метод контроля может давать сбои.
В подобном и других случаях дорожники широко используют вторую возможность‚ дающую им узаконенное СНиП право проводить контроль плотности с обязательным отбором проб грунта в объеме‚ составляющем не менее 10% от всех положенных измерений. В остальных 90% допускается применять косвенные методы и средства‚ в том числе и упрощенные‚ но обеспечивающие соответствующую достоверность результатов.
Подобные приборы и устройства‚ порой достаточно простые и легкие‚ удобные и дающие быстрый результат (экспресс-приборы)‚ очень полезны и нужны дорожной отрасли.
Из имеющегося многообразия этих приборов и методов наиболее распространенными и применяемыми во многих странах оказались так называемые плотномеры-пенетрометры статического и динамического типа. Только в России в разных отраслях строительства можно насчитать не менее десятка действующих их образцов. Кстати‚ уместно напомнить‚ что с помощью одного из таких плотномеров-пенетрометров в сочетании с крыльчаткой автоматические спускаемые аппараты СССР изучали на Луне свойства ее грунта‚ а американские войска прямо с воздуха оценивали несущую способность грунта Земли для посадки самолетов и вертолетов.
Одним из первых подобных плотномеров-пенетрометров‚ использовавшихся проф. Зелениным А. Н. еще в середине истекшего столетия для выявления корреляционной связи между сопротивлением грунта резанию и его плотностью‚ был плотномер ДорНИИ (рис. 1)‚ более известный под названием «ударник ДорНИИ» (от прибора стандартного уплотнения). Правда‚ в те уже далекие времена он еще не назывался пенетрометром.
Привлекательность его состояла в простоте конструкции‚ удобстве применения и быстроте получения результата. Да и сам критерий оценки плотности был прост и понятен всякому: количество ударов груза 2‚5 кгс‚ падающего с высоты 40 см‚ необходимое для погружения в грунт на глубину 10 см цилиндрического стержня с площадью основания плоского наконечника 1 см 2 (для слабых и рыхлых грунтов был второй наконечник с площадью 2 см 2).
По количеству таких ударов и заранее построенному тарировочному графику с учетом типа грунта и его влажности можно было быстро найти К у и решать вопрос о качестве уплотнения земляного полотна. Причем делать это можно в процессе выполнения самой операции‚ корректируя технологические режимы работы грунтоуплотняющих машин и соответственно результат по качеству.
Современные плотномеры-пенетрометры‚ несмотря на солидность подведенной научной базы‚ усложнение методологии измерений отдельными их образцами (двойная пенетрация‚ совмещение тарировки по К у и влажности и др.) и накопленный практический опыт использования‚ мало отличаются по своей сути от «ударника ДорНИИ» и друг от друга. Это отличие состоит в основном в форме и размерах наконечника (чаще всего конус с углом при вершине 30‚ 45 или 60° )‚ способе погружения наконечника (статическое задавливание или серия ударов) и измеряемой величине‚ служащей критерием оценки качества уплотнения.
За критерий принимают либо удельное сопротивление погружению конуса (cone index)‚ определяемое как отношение общего статического или динамического усилия вдавливания к площади основания конуса‚ либо глубину погружения наконечника‚ либо количество ударов для погружения его на заданную глубину. При этом все другие параметры прибора‚ кроме одной из названных и фиксируемых величин‚ остаются постоянными.
Опыт применения таких приборов выработал ряд особых условий и требований‚ только соблюдение которых может дать устойчивый и приемлемый по точности результат. В частности‚ плотномеры-пенетрометры статического типа (рис. 2) порой требуют солидного усилия задавливания зонда-наконечника (на плотных связных грунтах до 50–60 кгс)‚ а также равномерного и плавного его погружения на глубину до 10 см в течение 15–20 сек. (от этого зависит величина усилий).
Это не всегда и не всякий мужчина способен обеспечить‚ не говоря уже о девушках и женщинах-лаборантах. Это же‚ видимо‚ является причиной разброса результатов измерений и негативного отношения к статическим пенетрометрам некоторых специалистов дорожной отрасли.
Проще‚ надежнее и легче работать с динамическими плотномерами. Объединение «Дорстройпроект»‚ в состав которого входят 7 дорожно-строительных и ремонтных фирм‚ при оценке качества устройства земляного полотна из песчаных грунтов‚ в том числе одноразмерных‚ на протяжении ряда лет применяет для экспресс-оценки качества их уплотнения динамический плотномер типа Д-51 (рис. 3) ‚ который ни разу нас не подводил.
Лет 20 назад бывший тогда Минавтодор РСФСР организовал во Владимире сопоставительные испытания 9 различных приборов для контроля качества уплотнения связных и несвязных грунтов. В их числе были 6 статических и динамических плотномеров-пенетрометров.
По результатам этих одновременных испытаний для дорожных грунтовых объектов были рекомендованы в основном динамические плотномеры Д-51 и РБ-102А (песчаные грунты) и плотномер-влагомер Н. П. Ковалева (грунты связные). Последний‚ правда‚ трудно отнести к простым в практическом плане и экспрессным приборам.
Статические пенетрометры‚ хотя и не выдержали испытаний‚ иногда могут с пользой применяться для относительных оценок состояния отдельных мест и участков земляного полотна по принципу хуже/лучше.
Что касается влажности уплотняемых мелкозернистых грунтов‚ то ее контроль всегда осуществляется наиболее надежным и точным термовесовым способом в лабораторных условиях. Ничего лучшего пока не придумано и не предложено взамен этой простой‚ но длительной процедуры. Правда‚ в свое время в лаборатории технологии и механизации Ленфилиала СоюздорНИИ было создано устройство‚ названное «вертушкой»‚ для более быстрой сушки навески грунта в бюксе (1–1‚5 часа вместо 6–8 часов).
Основным узлом этого простого прибора был обычный проигрыватель пластинок с 33‚ 45 или 78 оборотами в минуту. На его диск с боковыми буртиками устанавливалось 12–15 бюксов с влажным грунтом. Сверху на оптимальном расстоянии‚ найденном опытным путем из условия температуры у грунта 105–110° С‚ помещался обычный с вогнутой отражательной тарелкой рефлекторный электронагреватель‚ который за счет вращения бюксов выполнял весь цикл сушки всего за 1–1‚5 часа.
Это легкая‚ компактная‚ недорогая и удобно транспортируемая «вертушка» вместе с сотрудниками лаборатории побывала на дорожных стройках Западной Сибири‚ БАМа‚ Латвии‚ Молдавии и других мест.
Достаточно оперативные результаты по влажности и плотности грунтов дают радиометрические методы и приборы. Их с успехом и давно применяют в США‚ Франции‚ Англии‚ Германии и других странах. Особенность современных образцов плотномеров такого типа состоит в том‚ что значительно повысилась безопасность работы с ними (используются излучающие элементы низкой радиоактивности) и что они оснащены микрокомпьютерами для вычисления и выдачи сразу значений влажности‚ плотности и К у грунта. Правда‚ они нуждаются в тарировке по каждому виду грунта и очень чувствительны на включения в грунте камней. В России и других странах‚ входивших в состав СССР‚ где еще жив «чернобыльский синдром»‚ трудно пока надеяться на преодоление психологического страха и внедрение радиоизотопных методов и приборов у дорожников.
Особой заботы и беспокойства у дорожников качество уплотнения насыпей из прочных и добротных скально-крупноблочных грунтов почти никогда не вызывало. Хотя целый ряд практических примеров (пилообразный профиль БАМа‚ осадки покрытия до 20–30 см на одном из карельских участков автодороги Санкт-Петербург – Мурманск‚ неровности покрытия на первой очереди обхода г. Выборга и др.) свидетельствуют о возможных серьезных неприятностях‚ если самой операции и особенно контролю качества уплотнения таких грунтов не уделяется необходимого внимания.
Сегодня уплотнение скально-крупнообломочных грунтов не может быть проблемой с последствиями‚ так как имеются эффективные уплотняющие средства в виде тяжелых прицепных или шарнирно-сочлененных виброкатков и технологические приемы ведения работ. Проблемой‚ да и то относительной‚ можно считать контроль качества их уплотнения‚ ибо на таких грунтах плотномер-пенетрометр не применить‚ пробу грунта режущим концом или методом лунки не возьмешь. Правда‚ метод единичных лунок (объем до 6–8 см 3) иногда использовался на ответственных отечественных и зарубежных гидротехнических стройках‚ но получаемую таким путем плотность не с чем было сравнивать‚ ибо трудно себе представить возможность выполнения общепринятого стандартного уплотнения грунта с твердыми включениями 100–300 мм. В некоторых случаях последнее заменяли уплотнением таких грунтов в формах увеличенных размеров (20–25 л) на вибростолах или поверхностными вибротрамбовками. Иногда в эти формы вместо реального грунта помещали модельный с последующим пересчетом результатов на реальный.
В дорожной отрасли использование таких методов возможно‚ но не всегда целесообразно. Тем более что есть более простые и оперативные‚ правда‚ косвенные способы оценки достаточности или недостаточности уплотнения крупнозернистых грунтов с помощью пробного загружения земляного полотна‚ например‚ очень тяжелым пневмокатком весом 40–50 тс (в США в свое время были даже весом 100–200 тс) или виброкатком с весом вибровальцового модуля 13–15 тс (в России есть такой‚ пожалуй‚ один из самых крупных в мире шарнирно-сочлененный К-701 М-ВК весом 26 тс‚ вибровальцовый модуль 14 тс). Если после 2–3 проходов одной из таких машин след от шин или вальца будет незначительным или еле заметным‚ с качеством уплотнения все в порядке.
Возможен также другой косвенный способ контроля качества уплотнения скально-крупнообломочных насыпей – геодезический. Их качество будет приемлемым‚ если общая осадка поверхности уплотнения‚ полученная по результатам работы уплотняющей машины‚ составит 8–10% (К у @ 0‚95) и 11–12% (К у @ 0‚98) от начальной толщины отсыпанного слоя или всей насыпи.
Не исключается также оценка качества уплотнения таких грунтов с помощью динамически нагружаемого штампа при условии‚ что его диаметр (400–600 мм) будет в 4–5 раз больше наиболее крупной фракции грунта и что динамическое давление на его подошве будет в пределах 0‚5–1‚0 кгс/см 2 .
Сегодня есть несколько действующих динамических установок прицепного или самоходного типа‚ предназначенных для определения несущей способности дорожной конструкции или отдельных ее элементов‚ с давлением штампа до 6 кгс/см 2 . Они могут быть использованы для такого контроля‚ если скорректировать их давление на 0‚5–1‚0 кгс/см 2 .
Критерием достаточности уплотнения может служить допускаемая величина осадки штампа при 10–20-кратном его ударном нагружении‚ которая для верхней части земляного полотна не должна превышать 0‚4–0‚5%‚ а для нижней части – 0‚6–0‚7% от диаметра штампа.
Кстати‚ сущность метода и параметры указанных установок динамического нагружения (УДН) были стандартизированы Советом Экономической Взаимопомощи (СТ СЭВ 5497-86‚ группа Ж81) и приняты в качестве Государственного Стандарта СССР в 1987 году. Этим стандартом нижние несущие слои‚ в том числе щебеночные и грунты земляного полотна и подстилающих слоев предписано испытывать штампом 500 мм с динамическим давлением основания 2 кгс/см 2 (щебень) и 1 кгс/см 2 (грунт) при времени его действия 0‚090–0‚110 с.
Следует заметить‚ что сама по себе контролируемая плотность грунта не столь и важна для оценки устойчивости и долговечности земляного полотна при его работе в дороге. Куда важнее прочностные и деформативные свойства грунта‚ правда‚ хорошо коррелируемые с той же плотностью и влажностью. Поэтому иногда более логично‚ привлекательно и просто измерять как раз показатели прочности и деформативности‚ которые к тому же необходимы для расчетов дорожной конструкции‚ чем плотность грунта.
Например‚ в Германии и других странах используют метод двойной оценки качества уплотнения земляного полотна – по К у и по модулю деформации или упругости. Если достигнут требуемый К у ‚ но не обеспечен модуль‚ грунт подлежит замене или укреплению вяжущими.
Измерение модуля в ряде стран осуществляют с помощью УДН‚ но не крупных (прицепных‚ самоходных)‚ а более компактных‚ легких и переносных. Одна из таких переносных (из составных элементов) УДН (рис. 4)‚ которая была разработана в ГДР в соответствии с указанным стандартом СЭВ и теперь взята на вооружение дорожниками ФРГ‚ с успехом применяется для оценки качества уплотнения и деформативно-прочностного состояния (несущей способности) грунтов земляного полотна‚ щебеночного основания‚ укрепленных грунтов‚ укрепленных по методу холодного ресайклинга материалов дорожной одежды.
Такие установки в Германии производят две фирмы – Hinkel и Gerhard Zorn‚ в Финляндии два типоразмера подобных приборов выпускает фирма Lodman.
Для российской дорожной отрасли особый интерес представляют возможность и опыт выполнения с помощью УДН практического контроля качества уплотнения как раз щебеночных оснований‚ для которых в России пока нет ни узаконенных норм‚ ни приемлемых методов и средств этого контроля. Каждый из подрядчиков сам и чаще всего субъективно‚ «дедовскими»‚ методами и мерками решает‚ что хорошо‚ а что плохо. А ведь щебеночное основание является одним из важнейших несущих элементов дорожной одежды‚ его недостаточная прочность и повышенная деформативность (низкая жесткость) сразу отражаются на состоянии асфальтобетонного покрытия (осадки‚ волны‚ трещины‚ неровности).
Объединение «Дорстройпроект» на протяжении ряда лет использует прибор ZFG 04 для контроля качества устройства щебеночных оснований (рис. 5).
И ни на одном из многочисленных построенных и отремонтированных объектов‚ в том числе на участках федеральных дорог «Россия» (Санкт-Петербург – Москва)‚ «Кола» (Санкт-Петербург – Мурманск)‚ Новая Ладога – Вологда и других‚ не было дефектов дорожной одежды из-за слабого основания.
Критерием оценки качества уплотнения щебня служит его динамический модуль деформации (или упругости‚ если осадка штампа полностью упруга)‚ фактически являющийся обобщенным или эквивалентным модулем щебеночного основания‚ подстилающего слоя и частично земляного полотна.
Чтобы снять возможные сомнения в правомерности использования такого метода и прибора ZFG 04 и для уточнения достаточных значений фиксируемых модулей‚ «Дорстройпроект» с участием независимых экспертов из филиала СоюздорНИИ (Санкт-Петербург) провел несколько серий параллельных измерений динамического модуля деформации и статического модуля упругости (рычажный прогибомер‚ груженый автосамосвал) по стандартной методике‚ рекомендованной ВСН 46-83.
Результаты этих измерений представлены на графике (рис. 6) ‚ на котором показаны также построенные экспертами (сплошная линия) и «Дорстройпроектом» (пунктирная кривая‚ статистическая обработка) зависимости динамического модуля деформации от статического модуля упругости.
Этим графиком и эмпирическими формулами можно пользоваться в практическом плане. Если на поверхности щебеночного основания эквивалентный модуль упругости (проект‚ расчет) должен составлять‚ к примеру‚ 180 МПа‚ то качество его уплотнения вместе с подстилающим слоем должно быть таким‚ чтобы динамический модуль деформации по прибору ZFG 04 был не ниже 63–65 МПа. По заключению экспертов‚ применение этого прибора не противоречит основным положениям ВСН 46-83 и является правомерным.
Поиск и разработка новых методов и средств контроля качества уплотнения грунта и щебня велись всегда и во многих странах. Особенно заманчивыми и многообещающими были идеи и предложения по установке контролирующих устройств непосредственно на катках с перспективой осуществлять непрерывный‚ а может быть‚ и автоматический контроль.
В России еще в 1937 году делались первые практические попытки в этом направлении‚ которые затем продолжались и продолжаются до сих пор.
В основе всех таких устройств и разработок‚ в том числе и за рубежом‚ лежал один принцип – зависимость либо сопротивления качению вальца или шины (по изменению крутящего момента)‚ либо осадки поверхности качения (по копирному устройству)‚ либо ее модуля деформации или упругости‚ либо амплитуды колебаний рамы или вальца виброкатка от плотности грунта или другого уплотняемого материала.
Некоторые из разработанных по такому принципу устройств были достаточно сложны и не оправдывали себя‚ другие грешили неточностью и малой чувствительностью‚ особенно в конце уплотнения. Последнее обусловлено тем‚ что с увеличением количества проходов‚ ударов‚ циклов колебаний или времени вибрирования рост плотности грунта‚ щебня и асфальтобетона замедляется по известному экспоненциальному (затухающему) закону. Поэтому к концу процесса уплотнения изменение плотности и фиксируемых величин крутящего момента‚ осадки‚ модуля‚ амплитуды и т. п. незначительно и еле заметно‚ т. е. соизмеримо с точностью отсчета этих величин.
И‚ тем не менее‚ сегодня есть реально и успешно работающие на катках такие устройства с достаточно приемлемой оценкой качества уплотнения грунта и щебня в относительных единицах. К ним можно отнести первую разработку шведских фирм Geodynamic и Dynapac.
Последняя‚ по желанию заказчика‚ комплектует все свои грунтовые виброкатки указателем (счетчиком) качества уплотнения. Этот счетчик с относительной шкалой в 150 единиц получает сигнал от акселерометра (датчика ускорений)‚ закрепленного на колеблющемся вальце (рис. 7).
По мере роста плотности‚ прочности и жесткости уплотняемого грунта или щебня колебания вальца увеличиваются (растет амплитуда‚ ускорение и сила воздействия). Эти изменения фиксируют акселерометр и табло счетчика относительного уплотнения в кабине.
По сути дела‚ счетчик регистрирует упругую реакцию и отдачу материала‚ т. е. его модуль упругости. В этом есть определенное сходство и различие этого способа с методами оценки качества уплотнения с помощью УДН и рычажного прогибомера.
Сходство с УДН состоит в том‚ что в зону динамического воздействия вальца виброкатка (или штампа УДН) могут попадать помимо уплотняемого и контролируемого слоя и нижележащие слои‚ причем разные по составу‚ состоянию и свойствам материала. В итоге‚ с помощью счетчика или указателя уплотнения фактически фиксируется эквивалентный динамический модуль упругости общей толщи материала‚ размер которой зависит от параметров катка и может составлять до 1 м и более.
Очевидно‚ по этой причине подобную систему контроля Dynapac и другие фирмы не устанавливают на асфальтобетонные виброкатки‚ уплотняющие значительно более тонкие слои (как правило‚ не более 12–15 см)‚ хотя надобность в ней именно на таких катках может быть даже больше‚ чем на грунтовых.
Вообще‚ арсенал выбора средств и методов контроля уплотнения асфальтобетонных смесей значительно беднее‚ и перспектив на благоприятное его расширение не очень много. Связано это с тем‚ что изменение прочности‚ деформативности и жесткости асфальтобетона в процессе его уплотнения обусловлено не только ростом плотности‚ но и одновременным понижением его температуры. А это существенно осложняет поиск новых критериев оценки и методов контроля качества‚ альтернативных К у и самой плотности‚ длительно измеряемой в лаборатории после отбуривания керна из покрытия.
Пожалуй‚ единственным действительно оперативным способом‚ обеспечивающим ускоренное получение информации о ходе изменения плотности асфальтобетонной смеси в процессе ее уплотнения‚ остается радиометрический. Он получил широкую практику использования на таких работах в США‚ Франции‚ Англии‚ Норвегии‚ Германии‚ Швеции и других странах в основном благодаря разработкам американских фирм (Troxler‚ Seaman‚ CPN и др.).
Лет 20 назад вдобавок к обычным поверхностным радиационным плотномерам‚ техника измерения которыми требует плотного (безвоздушного) прилегания подошвы прибора к подготовленной ровной поверхности грунта или асфальтобетона‚ появилось поколение новых устройств‚ контролирующих плотность при наличии воздушного зазора 5–6 мм.
Этот «революционный скачок» не только ускорил и упростил технологию измерения‚ но и дал возможность устанавливать прибор на движущийся каток (рис. 8).
Фирма Seaman разработала специальный самодвижущийся и дистанционно управляемый небольшой прибор-валец С-200‚ который ведет непрерывный контроль плотности по всей длине заданного участка. Одну из модификаций подобного прибора DOR-1000 используют дорожники Финляндии‚ Швеции и Норвегии (рис. 9).
С помощью DOR-1000 выявлена существенная неравномерность распределения плотности асфальтобетона как по ширине‚ так и по длине укладываемого покрытия (рис. 10) .
Особенно большое различие в плотности обнаружено между серединой и краями полосы укладки‚ которое обусловлено не только сегрегацией частиц смеси и ее температуры при укладке‚ на что иногда ссылаются‚ но и неравномерной работой (технология) уплотняющих средств‚ а может быть‚ и несовершенством последних.
Новые методы и приборы контроля высветили серьезную проблему в асфальтобетонной технологии‚ над которой теперь ломают голову специалисты многих фирм и стран и предлагают разработать эффективные меры и даже Стандарты‚ исключающие подобные результаты.
Нужно признать‚ что «законодателями мод» в решении многих технических и технологических проблем и вопросов дорожной отрасли‚ в том числе по методам и средствам контроля качества уплотнения‚ часто были и пока остаются дорожные фирмы и службы США. Весь остальной дорожный мир всегда внимательно следил и подхватывал новые разумные идеи и разработки. Достаточно вспомнить приборы Проктора‚ Маршалла‚ фирм Soiltest‚ Troxler и др.‚ которые брали и берут на вооружение дорожники большинства стран мира.
Последние серьезные исследования США по дорожной программе Superpave‚ удивившей многих своей стоимостью (50 млн USD)‚ коснулись также и проблем лабораторных и полевых методов и средств контроля качества асфальтобетонных покрытий. В частности‚ американцы теперь отказались от стандартного прибора Маршалла‚ используемого для подбора состава и оценки качества уплотнения в покрытии асфальтобетонных смесей‚ полностью перейдя на известный гирационный способ.
Отличительная особенность этого способа состоит в том‚ что формуемая в жестком стакане смесь подвергается не только вертикальному статическому (в России на гидравлическом прессе) или динамическому сжатию (в приборе Маршалла ударами груза)‚ но и одновременному боковому сдвигу‚ т. е. формование и уплотнение образца происходит по принципу «сжатие+сдвиг».
Достигается это очень простым способом: продольная ось формы со смесью отклоняется от вертикали на небольшой угол (около 1–3° ‚ у первых установок был около 10–12° ) за счет смещения нижней ее части. Эта ось с помощью специального привода совершает определенное количество вращательных движений‚ схожих с конусообразными движениями обычного волчка или гироскопа. В итоге смесь в форме получает возможность и свободу большего перемещения как в вертикальной‚ так и в горизонтальной плоскости. За счет этого она эффективнее переупаковывается (уплотняется) с соответствующим улучшением ряда физико-механических свойств и показателей и со снижением дробления ее каменной составляющей.
Такая механика уплотнения ближе к реальным процессам уплотнения смеси в покрытии гладковальцовыми и пневмоколесными катками. Многие дорожники знают о так называемом месящем воздействии пневмоколеса‚ схожем с принципом «сжатие+сдвиг»‚ и часто используют его для ликвидации мелких поверхностных трещин на укатываемом покрытии.
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
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.
Коэффициент уплотнения – это показатель, демонстрирующий, насколько изменяется объем сыпу чего материала после трамбовки или перевозки. Определяется он по соотношению общей и максимальной плотности.
Любой сыпучий материал состоит из отдельных элементов – зерен. Между ними всегда есть пустоты, или поры. Чем выше процент этих пустот, тем больший объем бу дет занимать вещество.
Попробуем объяснить это простым языком: вспомните детскую игру в снежки. Чтобы получить хороший снежок, нужно зачерпнуть из сугроба горсть побольше и посильнее ее сжать. Таким образом мы сокращаем количество пустот между снежинками, то есть уплотняем их. При этом уменьшается и объем.
То же самое будет, если насыпать в стакан немного крупы, а затем встряхнуть ее или утрамбовать пальцами. Произойдет уплотнение зерен.
Иными словами, коэффициент уплотнения – это и есть разница между материалом в его обычном состоянии и утрамбованном.
Для чего нужно знать коэффициент уплотнения
Знать коэффициент уплотнения для сыпучих материалов необходимо, чтобы:
- Проконтролировать, действительно ли вам привезли заказанное количество материала
- Купить пр авильное количество песка, щебня, отсева для засыпки котлованов, ям или канав
- Рассчитать вероятную усадку грунта при закладке фундамента, прокладке дороги или тротуарной плитки
- Правильно рассчитать количество бетонной смеси для заливки фундаментов или перекрытий
Коэффициент уплотнения при транспортировке
Представьте, что самосвал везет 6 м³ щебня с карьера на объект заказчика. В пути ему попадаются ямы и выбоины. Под воздействием вибрации зерна щебня уплотняются, объем сокращается до 5,45 м³. Это называется утряской материала.
Как же убедиться в том, что на объект привезли то количество товара, которое указано в документах? Для этого нужно знать конечный объем материала (5,45 м³) и коэффициент уплотнения (для щебня он равен 1,1). Эти две цифры перемножаются, и получается начальный объем – 6 кубов. Если он не совпадает с тем, что написано в документах, значит мы имеем дело не с утряской щебня, а с недобросовестным пр одавцом.
Коэффициент уплотнения при засыпке ям
В строительстве есть такое понятие как усадка. Грунт или любой другой сыпучий материал уплотняется и уменьшается в объеме под действием собственного веса или давлением различных констр укций (фундамента, тротуарных плит). Процесс усадки нужно обязательно учитывать при засыпке канав, котлованов. Если этого не сделать, через некоторое время образуется новая яма.
Чтобы заказать необходимое количество материала для засыпки, нужно знать объем ямы. Если вам известна ее форма, глубина и ширина, можете воспользоваться для р асчета нашим калькулятором. После этого полученную цифру нужно умножить на насыпную плотность материала и его коэффициент уплотнения.
При засыпке правильно рассчитанного материала в яму может получиться холмик. Дело в том, что в естественных условиях усадка происходит за определенный промежуток времени. Ускор ить процесс можно с помощью трамбовки. Ее проводят вручную или с помощью специальных механизмов.
Коэффициент уплотнения в строительстве
Наверное, вам известны случаи, когда в зданиях сразу после постройки появлялись трещины. А ямы на новых дорогах или провалившаяся тротуарная плитка на дорожках и во дворах? Это случается, если неправильно рассчитать усадку грунта и не предпринять соответствующие меры по ее устранению.
Чтобы знать усадку, используется коэффициент уплотнения. Он помогает понять, насколько утрамбуется тот или иной грунт в определенных условиях. Например, под давлением веса здания, плитки или асфальта.
Некоторые грунты имеют настолько сильную усадку, что их приходится замещать. Другие виды перед строительством специально трамбуют.
Как узнать коэффициент уплотнения
Легче всего взять данные о коэффициенте уплотнения из ГОСТов. Они р ассчитаны для разных видов материала.
| Наименование материала | Коэффициент уплотнения |
| ПГС | 1,2 |
| ПЩС | 1,2 |
| Песок | 1,15 |
| Керамзит | 1,15 |
| Щебень | 1,1 |
| Многокомпонентная почвосмесь | 1,5 |
В лабораторных условиях коэффициент уплотнения определяют следующим образом:
- Измеряют общую или насыпную плотность материала. Для этого измеряют массу и объем образца, вычисляют их соотношение
- Затем пробу встряхивают или прессуют, измеряют массу и объем, после чего определяют максимальную плотность
- По соотношению двух показателей вычисляют коэффициент
Документы указывают усредненные значения коэффициента уплотнения. Показатель может меняться в зависимости от различных факторов. Приведенные в таблице цифр ы достаточно условные, но они позволяют рассчитать усадку больших объемов материала.
На значение коэффициента уплотнения влияют:
- Особенности транспорта и способа перевозки
Если материал транспортируют по выбоинам или железной дороге, он уплотняется сильнее, чем при перевозке по ровной трассе или морю - Гранулометрический состав (размеры, формы зерен, их соотношение)
При неоднородном составе материала и наличии лещадных частиц (плоской или игловидной форм) коэффициент будет ниже. А при наличии большого количества мелких частиц – выше - Влажность
Чем больше влажность, тем меньше коэффициент уплотнения - Способ трамбовки
Если материал утрамбовывают вручную, он уплотняется ху же, чем после применения вибрирующих механизмов - Насыпная плотность
Коэффициент уплотнения напрямую связан с показателем насыпной плотности. Как мы уже сказали, в процессе трамбовки или транспортировки плотность материала меняется, так как становится меньше пустот между частицами. Поэтому насыпная плотность во время отгрузки в автомобиль на кар ьере и после прибытия к заказчику разная. Эту разницу можно высчитать и проверить как раз благодаря коэффициенту уплотнения.
Подробнее об этом вы можете прочитать на странице