Технология дорожного строительства

2.6. Уплотнение грунта при сооружении земляного полотна

Земляное полотно уплотняют для того, чтобы превратить насыпной грунт в плотный и прочный слой с заданными расчетными параметрами. Недостаточно уплотненный грунт с течением времени дает неравномерную осадку, из-за чего на поверхности покрытия возникают неровности, и оно разрушается. Тщательное уплотнение грунта повышает его прочность и водоустойчивость.

Оценкой результата служит требуемая плотность земляного полотна:

где - требуемая плотность грунта;
- коэффициент требуемого уплотнения грунта (табл. 2.8);
- максимальная плотность грунта.

Таблица 2.8

Значения минимального требуемого коэффициента уплотнения грунта

Виды земляного полотна	Часть земляного полотна	Глубина расположения слоя от поверхности покрытия, м	Значение коэффициента уплотнения во II дорожно-климатической зоне
			Усовершенствованные капитальные покрытия	Усовершенствованные облегченные и переходные покрытия
Насыпи	верхняя	до 1,5	1,00...0,98	0,98...0,95
	нижняя неподтопляемая	1,5...6,0	0,95	0,95
	нижняя подтопляемая	более 6,0	0,98	0,95
Выемки и естественные основания низких насыпей	в слое сезонного промерзания		1,00...0,98	0,98...0,95
	ниже слоя сезонного промерзания		0,95	0,95...0,92

Максимальная плотность грунта определяется методом стандартного уплотнения на приборе Союздорнии (СНБ 3.03.02-97). Метод заключается в том, что образец грунта уплотняют послойно гирей массой 2,5 кг, падающей с высоты 30 см, в 3 приема в разъемном цилиндре объемом 1 л. Каждый слой грунта уплотняют 40 ударами груза, так что общее количество ударов составляет 120. По результатам испытаний строится график зависимости плотности сухого грунта от влажности (рис. 2.13). По графику определяют оп-тимальную влажность и максимальную плотность. Циклы повторяют при различной влажности.

Рис. 2.13. График зависимости плотности сухого грунта от влажности

Под оптимальной влажностью следует понимать влажность, при которой можно достигнуть наибольшей (максимальной) плотности, а следовательно, минимальной пористости грунта при определенной работе уплотняющих механизмов.

Максимальную плотность можно получить расчетным путем из выражения:

где - плотность частиц грунта, определяемая пикнометрическим методом по ГОСТ 5180-84, для песков
= 2,65...2,67 г/см; супесей = 2,68...2,72 г/см; суглинков = 2,69...2,73 г/см; глин = 2,7.1...2,76 г/см;

- содержание воздуха в грунте при оптимальной влажности, для супесей = 6...8%; суглинков = 3...4%; глин = 4...5%;
- оптимальная влажность, которую можно определить:

1) по влажности границы текучести:

где - влажность границы текучести грунта, определяемая методом балансирного конуса, %;
- переходной коэффициент, для супесей = 0,75...0,70; суглинков = 0,60...0,55; глин = 0,50...0,45;

2) по влажности границы раскатывания:

где - влажность границы раскатывания, %;

- поправочный коэффициент, для суглинков = 1...2; глин = 2...3.

В настоящее время при применении высокоэффективных машин для уплотнения грунта его плотность в насыпи получают большей, чем в резерве. Если при приемке земляных работ обмер производят по объему грунта в выемке или резерве, - необходимо знать коэффициент относительного уплотнения грунта , представляющий собой отношение плотности сухого грунта в насыпи к плотности сухого грунта в резерве или объема грунта в резерве к объему грунта в насыпи:

Для достижения требуемых норм плотности грунты должны иметь влажность при уплотнении:

1) связные грунты:

2) несвязные и малосвязные грунты:

Для уплотнения грунтов применяют разнообразные машины, которые по способу действия на грунт можно разделить на 3 группы:

1) катки, уплотняющие грунт в процессе движения по его поверхности за несколько проходов по одному следу (вальцы катко могут быть гладкие, кулачковые или в виде пневматических шин);
2) ударные или трамбующие машины-трамбовки пневматического и взрывного действия, электротрамбовки, молотковые трамбовочные машины, трамбующие плиты;

3) вибрационные машины.

Толщину уплотняемого слоя грунта в плотном теле рекомендуется определять расчетом для различных уплотняющих средств.

Для катков с гладкими вальцами

где - коэффициент, равный для связных грунтов - 0,25, для несвязных - 0,35;

- фактическая влажность грунта, %;
- оптимальная влажность грунта, %;
- линейное давление, кгс/см;
- радиус вальца катка, см.

Для кулачковых катков

где - длина кулачка, см;
- минимальный размер опорной поверхности кулачка, см;

- глубина рыхления уплотненного слоя грунта кулачками, см (около 5 см).

Для катков на пневматических шинах

где - нагрузка на колесо катка, Н.

Для трамбующих машин

где - предельная толщина уплотнения грунта (40... 120 мм).

Ориентировочная толщина хорошо уплотненного слоя грунта (в плотном теле) различными машинами представлена в табл. 2.9.

Таблица 2.9

Значения толщины уплотненного грунта

Вид уплотняющей машины	Масса машины или уплотняющего органа, т	Толщина уплотненного грунта, см
Кулачковый прицепной каток	9...18	15...25
Прицепной каток на пневмошинах	12...15	10...20
Полуприцепной каток на пневмошинах	25...30	20...35
Полуприцепной каток на пневмошинах	40...60	25...40
Решетчатый прицепной каток	25...35	25...40
Трамбующая машина	навесная на тракторе	30...50
Трамбующая плита на экскаваторе	2 т	70...90

Необходимое число проходов по одному следу в зависимости от требуемой степени уплотнения и типа машин определяют по формулам:

для катков всех типов:

где - удельная работа машин для уплотнения, для связных грунтов = 2 Нм при коэффициенте уплотнения К = 0,95; = 4 Нм при К = 0,98; = 6 Нм при К = 1,00 (для несвязных грунтов значения уменьшают в 1,5 раза);

- толщина уплотняемого слоя в плотном теле, см;
- линейное давление катка, Н/м, определяемое из выражения:

где Q - вес катка, Н;
В - ширина рабочей площади катка, м;
f - коэффициент сопротивления движению катка;

для трамбующих машин всех типов

где - статическое давление трамбующего органа машины, МПа, определяемое из выражения:

где - вес трамбовки, Н;
- площадь основания трамбовки, м;
- высота падения трамбующего органа, м.

При проведении процесса уплотнения необходимо соблюдать обязательные условия для максимального уплотнения грунта:

1. Влажность должна соответствовать оптимальному значению . Если фактическая влажность меньше оптимальной , необходимо проводить доувлажнение грунта. При этом количество воды, необходимое для доувлажнения, рассчитывается по формуле:

где - объем уплотненного грунта, л/м;
- оптимальная влажность, %;
- фактическая влажность, %.

2. Определить толщину уплотняемого слоя Н и количество проходов уплотняющей техники по одному следу п по вышеприведенным выражениям. Окончательные значения Ни п устанавливаются путем пробной укатки (РД 0219.1.20-2001) (табл. 2.10).

3. Обеспечить равномерное уплотнение по ширине и длине захватки.

Таблица 2.10

Пробное уплотнение грунта

Операции	Состав контроля	Способ, метод контроля	Сроки, периодичность
Выбор площадки для пробного уплотнения	Типичность естественного основания и грунта	визуальный лабораторный	до начала работ
Разбивочные работы	Размеры площадки в плане; высотная разбивка толщин слоев	инструментальный	до начала работ
Контроль плотности естественного основания	Коэффициент уплотнения	лабораторный	до начала работ
Доуплотнение естественного основания (при необходимости)	Коэффициент уплотнения	лабораторный	до начала работ
Отсыпка и планировка грунта	Толщина слоя	инструментальный	в процессе работ
Прикатка легкими катками за 2...4 прохода	Число проходов; скорость движения катка	визуальный	в процессе работ
Уплотнение грунта	Схема укатки; число проходов; скорость катка	визуальный	в процессе работ
Контроль плотности грунта	Физико-механические показатели и коэффициент уплотнения грунта; количество проб; место расположения точек отбора проб	лабораторный визуальный инструментальный	после разравнивания и прикатки, через 4, 8 и n проходов катка по следу

Пробное уплотнение грунтов укаткой следует проводить перед началом и в процессе основных работ по возведению земляного полотна для всех разновидностей грунтов.

Минимальные размеры площадки для пробного уплотнения должны составлять: длина - 20 м, ширина - , где - ширина уплотняемой полосы, принимаемая по технологической характеристике уплотняющей машины.

Коэффициент уплотнения естественного основания должен быть не ниже коэффициента уплотнения грунта пробного слоя.

Грунт пробного слоя отсыпается на всю ширину площадки и на полную толщину. Контроль толщины слоя производится не менее чем в 6-ти точках.

Грунты, предназначенные для пробного уплотнения, должны иметь влажность, близкую к оптимальной.

Уплотнение отсыпаемого слоя следует выполнять круговыми проходами, начиная с круговых полос.

Пробное уплотнение грунтов катками на пневматических шинах производится при скорости первых двух проходов не более 2 км/ч, промежуточных проходов - 12...15 км/ч. Скорость передвижения кулачковых, решетчатых и виброкатков - не более 2 км/ч.

Контроль плотности грунтов в процессе пробного уплотнения следует производить перед началом работы основной уплотняющей машины (после разравнивания или прикатки легкими катками связных грунтов), а затем - через 4, 8 и n проходов по одному следу катка.

Глубина контроля плотности грунта должна составлять 10...15 см при толщине слоя 30 см; при большей толщине слоя контроль плотности производится в трех уровнях (верхней, средней и нижней части слоя).

Гладкие катки наиболее пригодны для связных и малосвязных грунтов. Основной их недостаток в том, что они могут уплотнять только тонкие слои (не более 0,2 м) и требуют сравнительно большого числа проходов на малых скоростях.

Кулачковые катки предназначены, в основном, для связных и малосвязных грунтов. Обладая одинаковой с гладкими катками массой, они дают почти вдвое большую глубину уплотнения и требуют меньшего числа проходов. Кулачковые катки эффективнее работают в рыхлых и комковатых грунтах и совершенно непригодны в переувлажненных.

Катки на пневматических шинах могут уплотнять связные и несвязные грунты. Они значительно эффективнее цилиндрических катков с жестким ободом, поскольку площадь, по которой они опираются на грунт, по мере уплотнения уменьшается, что вызывает уменьшение глубины уплотнения и повышение давления.

Трамбующие плиты применяют в качестве навесного оборудования на кранах или экскаваторах. Они являются одним из наиболее эффективных средств уплотнения насыпей на глубину до 1,5 м и пригодны для работы в связных и несвязных грунтах.

Вибрационные машины воздействуют на грунт своей массой, одновременно сообщая грунту колебательные движения. Статическое давление машины на грунт должно составлять:
для переувлажненных песков - 30...40 МПа;
для песков оптимальной влажности - 60...100 МПа;
для супеси оптимальной влажности - 100...200 МПа.

Схема уплотнения насыпи прицепным катком на пневматических шинах изображена на рис. 2.14.

Рис. 2.14. Схема работы прицепного катка на пневматических шинах

Для уплотнения насыпи следует постепенно смещать укатываемые полосы от краев к середине с перекрытием их на 0,20...0,25 м.

Производительность катков определяют по формуле:

где ;
- длительность смены;
- коэффициент использования рабочего времени, = 0,8.. .0,9;
- длина захватки, м;
- толщина уплотняемого слоя в плотном теле, м;
- ширина вальца катка, м;

- ширина полосы перекрытия следа предыдущего прохода, м, = 0,2 м;
- рабочая скорость, м/с;
- время на поворот, с;

n - необходимое число проходов по одному следу.

Производительность вибрационной машины определяют из выражения:

Производительность трамбующей машины можно определить из выражения:

где - ширина уплотняемой полосы.

Схема работы тяжелой трамбовки, подвешенной к стреле экскаватора, изображена на рис. 2.15.

Рис. 2.15. Схема уплотнения грунта трамбовкой