Материал: 2371

γск , г/см3

Усиленное уплотнение (США)

Повышенное число ударов

на приборе СоюздорНИИ

Стандартное уплотнение

на приборе СоюздорНИИ

W0, %

Рис. 3.2. Влияние усиленного уплотнения грунта на его оптимальную влажность W0 и максимальную плотность γск

Грунты земляного полотна уплотняют до так называемой требуемой плотности, которая может быть несколько меньше или больше стандартной плотности. Степень уплотнения оценивается коэффициентом уплотнения

γст – наибольшая плотность сухого грунта при стандартном уплотнении. Из каких соображений назначают требуемую плотность грунта земля-

ного полотна?

Дело в том, что величина вертикальных давлений в теле насыпи различна по высоте насыпи (рис. 3.3).

В верхних слоях насыпи действует в основном давление от временной нагрузки (автомобильный транспорт), которое с глубиной резко затухает.

Давление от собственной массы насыпи повышается с увеличением высоты. Общее давление на глубине до 1,0–1,2 м составляет от 0,4 до 0,6 МПа, а на глубине более 10 м достигает 2,0 МПа. При этом следует иметь в виду, что верхняя часть насыпи подвергается воздействию погод- но-климатических факторов (высыхание и усадка, увлажнение и промерзание). Эти воздействия приводят к разуплотнению грунта насыпи.

Следовательно, в верхних слоях насыпи до глубины 1,0–1,2 м необходимо максимальное уплотнение в целях повышения модуля упругости.

21

Рис. 3.3. Распределение вертикальных давлений в грунте

Очевидно, указанное уплотнение может быть неодинаковым при различных аэродромных покрытиях и в различных дорожно-климатических зонах.

Большее уплотнение иногда бесполезно, если со временем переувлажнение грунта вызовет его разуплотнение.

В слоях насыпи ниже 1,5 м, где суммарное давление невелико, а сезонное колебание влажности и промерзания имеются только на откосах насыпей, требования к уплотнению земляного полотна могут быть снижены.

На основании вышеизложенного требуемая плотность грунтов назначается с учетом: капитальности покрытий (капитальные, облегчённые), до- рожно-климатических зон и элементов аэродрома (СНиП 32–03–96, табл.6,

п. 4.8).

Иногда возникает задача, что выгоднее производить поливку грунта для достижения оптимальной влажности или увеличение работы по уплотнению. Решается задача на основе экономического расчёта. Однако следует иметь в виду, что грунты, уплотненные при оптимальной влажности до требуемой плотности, обладают необходимой водоустойчивостью. Грунты, уплотненные до этой же плотности при влажности ниже оптимальной, в большей степени подвержены дополнительному насыщению водой и теряют степень плотности и прочности.

22

3.2. Физические основы уплотнения грунтов

Процесс уплотнения трёхфазных грунтов состоит в увеличении плотности грунта вследствие выжимания воздуха. При этом увеличивается содержание минеральных частиц и агрегатов грунта в единице объёма, формируются новые связи между ними и изменяется ориентация частиц. Это сопровождается увеличением плотности грунта и уменьшением деформируемости.

В связных грунтах частицы и агрегаты грунта разделены плёнками воды. После достижения определённой степени уплотнения, когда количество воздуха, оставшееся в грунте, невелико, возможности сдвигов частиц и агрегатов ограничены. Поэтому процесс уплотнения происходит, в основном, вследствие выжимания водных плёнок из зон контактов. Число контактов при этом увеличивается незначительно, но вследствие уменьшения толщины плёнок силы трения и сцепления в контактах быстро возрастают. Водные плёнки обладают вязкими свойствами. Поэтому их выжимание из зон контактов требует определённого времени. Время воздействия на грунт катков, ударных и трамбующих машин невелико и не превышает 0,05–0,07 с за одно воздействие. Процесс уплотнения и выжимания плёнок связанной воды не успевает закончиться за это время, поэтому требуется повторное приложение нагрузки на грунт.

Уплотняющее давление должно превышать сопротивление грунта уплотнению. Это сопротивление может быть разделено на три составляющих.

Первая составляющая зависит от сил трения и сцепления в зонах контакта между частицами и агрегатами.

Вторая составляющая зависит от скорости деформирования грунта при уплотнении и увеличивается с ростом скорости деформирования. Она называется вязким сопротивлением и возникает вследствие сопротивления выжиманию плёнок воды из зон контактов между частицами, а также динамики уплотнения.

Третья составляющая сопротивления грунта уплотнению определяется силами инерции и равна произведению массы грунта на ускорение.

Основными составляющими сопротивления грунта уплотнению являются первые две. Величина инерционного сопротивления по сравнению с ними невелика.

Уплотняющие давления должны несколько превышать или быть близки к пределу прочности грунта.

При уплотнении грунта катками на пневматических шинах предел прочности грунта составляет:

-несвязные и малосвязные (песчаные, супесчаные) – 0,3–0,4 МПа;

-средней связности (суглинистые) – 0,4–0,6 МПа;

23

- весьма связные (глинистые) – 0,8–1,0 МПа.

Если уплотняющие давления будут значительно больше указанных величин, произойдёт выдавливание грунта из-под уплотнителя.

В азродромном строительстве применяют следующие основные методы уплотнения грунтов:

-укатку;

-трамбование;

-виброуплотнение;

-комплексный метод (грунт одновременно подвергается укатке и вибрированию).

Последний метод как более эффективный и экономичный находит всё более широкое применение.

Наиболее распространённым методом является укатка грунтов. Для укатки применяют катки на пневматических шинах, гладковальцовые и кулачковые.

Наиболее распространены катки на пневматических шинах. Они в первую очередь рекомендуются для уплотнения грунтов, так как обеспечивают лучшее качество уплотнения и наибольшую производительность. Рабочим органом этих катков является пневматическая шина. Жесткость шины в основном зависит от давления сжатого воздуха и жесткости покрышки. Определяющим является давление сжатого воздуха.

При нагружении шина деформируется. Площадь отпечатка пневматического колеса значительно больше площади отпечатка жесткобарабанных катков. Поэтому время воздействия на грунт пневматических шин больше, чем гладковальцовых, а удельное давление по следу катка меньше.

Распределение напряжений в грунте от катков на пневматических шинах и от гладковальцовых существенно отличается.

У гладковальцовых катков напряжения на поверхности уплотняемого слоя выше, чем у катков на пневматических шинах, но они быстро убывают (затухают) с глубиной.

У катков на пневматических шинах напряжения по следу отпечатка меньшие, однако они убывают по глубине слоя менее интенсивно, вследствие большей площади нагружения (рис. 3.4).

Поэтому катки на пневматических шинах уплотняют слой на большую глубину, чем гладковальцовые. Их используют для укатки толстых слоёв с резко выраженными вязкими свойствами (связных грунтов), для которых время воздействия катка играет значительную роль.

24

а) б)

Рис. 3.4. Эпюры напряжений в грунте при укатке: а – жесткобарабанным катком; б – катком на пневматических шинах; σк – контактные давления; σz – вертикальная составляющая напряжений в грунте по оси загружения;

α– длина площади отпечатка

Сувеличением числа проходов катка на пневматических шинах увеличивается плотность грунта и его модуль упругости за счёт чего уменьшается площадь отпечатка колеса. При постоянной нагрузке на колесо это

приводит к росту средних давлений по площади отпечатка колеса. С уменьшением площади контакта колеса со слоем грунта и уменьшением его деформации мощность на перекатывание колеса уменьшается.

На рис. 3.5 представлено изменение свойств грунта и его параметров при уплотнении катком на пневматических шинах.

Основной задачей при проектировании технологии уплотнения является определение требуемых уплотняющих нагрузок, толщины слоя и числа проходов. Влажность грунта при укатке должна быть оптимальной или не отличаться более чем на 0,75–1,35Wопт в зависимости от требуемого Ку и типа грунта.

При уплотнении грунтов, влажность которых меньше оптимальной, необходимо уменьшать толщину слоя и увеличивать число проходов катка для получения требуемой плотности грунта. Уплотнение грунтов, влажность которых превышает оптимальную, не приводит к требуемой степени уплотнения. В этом случае принимают меры к ускорению просушивания грунта путем его рыхления, перевалки грейдерами, введения цемента, гипса, извести, золы, песчаных грунтов и другими добавками.

25