Найважливішим технологічним процесом при будівництві земляного полотна є ущільнення, яке забезпечує необхідну міцність і стійкість ґрунтів. Від якості робіт по ущільненню залежать фактичні значення модуля пружності, кута внутрішнього тертя і зчеплення, і, отже, здатність конструкції дорожнього одягу зберігати міцність протягом заданого терміну служби.
У грунтах, що володіють низькою щільністю, при впливі транспортних навантажень накопичуються залишкові деформації. Недостатньо ущільнені грунти відрізняються неоднорідністю, меншою щільністю, мають просадки, що призводить до порушення рівності проїзної частини доріг. Зі збільшенням щільності ґрунту знижується його водопроникність. Чим щільніше грунт, тим менше діапазон зміни вологості грунту під впливом атмосферних явищ і відповідно менша ймовірність морозного обдимання.
Принциповий підхід до визначення необхідної щільності ґрунту полягає в тому, щоб в результаті ущільнення щільність стала такою, при якій не буде відбуватися накопичення залишкових деформацій земляного полотна від діючих повітряних розрахункових навантажень і змін вологості грунту. Збільшення щільності грунту до необхідних значень забезпечує стабільність основних параметрів міцності грунту, робить їх мало змінюються під впливом сезонних коливань температури і влажності.Уплотненіе грунтів окупається економією, що досягається за рахунок зменшення товщини дорожнього одягу, зменшення витрат на ремонт автомобільної дороги і зниження транспортних расходов.Обследованія і діагностика автомобільних доріг показують, що однією з причин передчасних пошкоджень є недостатня щільність грунту земляног про полотна. Це відноситься до всіх ділянок доріг, розташованим на земляному полотні і в насипах і в виїмках. З цих причин ущільнення підлягають як насипні ґрунти, так і підстави насипів і поверхневі шари грунтових підстав в виїмках. Ущільнення земляного полотна є обов'язковим, і це вимога зафіксована діючими будівельними нормами і правилами і технологічними регламентами з будівництва земляного полотна автомобільних доріг [83, 86, 87].
На основі елементарного уявлення про грунті як про трифазній системі, без урахування його структурних особливостей, застосовують такий вираз для одиничного обсягу грунту:
? - щільність скелета грунту, г / см 3;
Y - щільність мінеральних часток, г / см 3;
W - масова частка вологи грунту,%;
V - об'єм повітря,%;
1 - одиничний обсяг грунту (1 см 3).
Звідси щільність грунту:
Значення Y змінюється у вузьких межах: для супіщаних грунтів Y = 2,65-2,55 г / см 3. для глинистих і пилуватих супіщаних грунтів Y = 2,68; для важких суглинних і важких глинистих Y = 2,7; для суглинних Y = 2,6. Найбільша щільність відповідає пористості грунту в діапазоні 4-6% (6% для піщаних і супіщаних грунтів, 5% для пилуватих супіщаних, суглинних і глинистих і 4% - для важких суглинних і пилуватих глин).
Процес ущільнення складається у витісненні повітря з пор ґрунтів, віджимання води і зменшення товщини водних плівок, що досягається шляхом механічного впливу ущільнюючих машин. Віджимання води з грунту відбувається повільно і не відіграє помітної ролі в ущільненні через малого часу впливу навантажень при ущільненні машинами. Тому в процесі ущільнення при фактичній вологості відбувається головним чином видалення повітря.
Для отримання найбільш щільної структури необхідно, щоб вологість грунту була такою, при якій обсяг защемленного повітря знаходиться в зазначених вище межах: 4-6%. При цьому утворюються найбільш міцні гідратів оболонки, що забезпечують мінімальну фільтрацію і найменше розбухання грунту, а отже, і найвищий можливий модуль пружності. Якщо вологість грунту нижче, тобто обсяг пір, зайнятий повітрям, вище зазначеної величини, не створюється стійкої структури і при зволоженні грунт легко розбухає і тим більше, чим вище вологість. При недостатній щільності, навпаки, доуплотняется і дає осадку. Модуль пружності в обох випадках падає. При підвищенні вологості грунту в процесі ущільнення частина пір заповнюється водою, що витісняє повітря. Структура грунту стає нестійкою, особливо при ударному ущільненні, а модуль пружності зменшується.
Прийнято вважати, що для кожного грунту існують оптимальні вологість і щільність, що залежать від його мінералогічного і гранулометричного складу. Оптимальна вологість відповідає певній роботі, витраченої на ущільнення грунту. Ця робота визначається масою катка і числом його проходів або масою ущільнюючого вантажу, висоти його падіння і числа ударів. Більшої роботі з ущільнення відповідає менша оптимальна вологість. На рис. 2.4 показано, як змінюються щільність і оптимальна вологість для різних значень роботи по ущільненню. З деяким наближенням можна вважати, що оптимальна вологість близька до максимальної молекулярної вологості, тобто вологості, при якій вся вода в грунті знаходиться в зв'язаному стані.
У південних районах, де природна вологість нижче, слід заздалегідь зволожувати грунт або збільшувати роботу по ущільненню для досягнення необхідної щільності.
Орієнтовні значення вологості,%, для найбільш поширених ґрунтів наведені нижче:
піски дрібні та пилуваті 8-13
супеси легкі і важкі 9-15
суглинки легкі 12-18
важкі і важкі пилуваті суглинки 14-20
пилуваті і важкі пилуваті супіски, легкі пилуваті суглинки 15-22
глини пилуваті і піщанисті 16-26
глини жирні 20-30
Вимоги до ущільнення грунту і призначення необхідної щільності встановлюють відповідно до рівня напруженого стану конструкції земляного полотна. При цьому враховують, що верхня частина насипу, іноді звана робочим шаром, відчуває динамічні напруги від транспортних засобів і в найбільшій мірі піддається впливу атмосферних явищ. Ці напруги загасають з глибиною. Інша частина напружень в земляному полотні, що викликається власною вагою насипу навпаки збільшується з глибиною. Таким чином, в середній частині насипу рівень напружень і відповідно вимоги до щільності ґрунту нижче, ніж у верхній і нижній.
Зміна оптимальної щільності і оптимальної вологості при різному ущільненні:
1 - стандартне ущільнення (СРСР); 2 посилене ущільнення (США); 3 - лінія нульових пір
Необхідну щільність грунту визначають зазвичай за такою формулою:
?ст - максимальна щільність по приладу стандартного ущільнення, г / см 3;
Ляльок - коефіцієнт ущільнення, який встановлюється за СНиП 2.05.02 -85.
Ущільнення грунту здійснюють одним із таких способів: укочуванням, трамбуванням і вібрацією. Залежно від способу ущільнення кошти для ущільнення розділяють на катки, трамбують машини або плити і віброплити або віброплощадки. Можливі комбіновані кошти у вигляді віброкатків, надають поряд зі статичним впливом також вібраційне дію на грунт. Детальні характеристики машин і устаткування для ущільнення ґрунтів наведені в розд. 38.4.
Ковзанки для ущільнення ґрунтів можуть бути причіпними, напівпричіпного і самохідними. Переміщення причіпних і напівпричіпного ковзанок здійснюють спеціальними тягачами або тракторами.
Найбільш поширеними ущільнювальними машинами в дорожньому будівництві є причіпні і самохідні катки. Для ущільнення грунтів застосовують найчастіше такі різновиди ковзанок: гладковальцовими, кулачкові і вібраційні. Ковзанки з гладкими вальцями застосовують для ущільнення зв'язкових і малосвязних грунтів, шарами не більше 0,25 м.
Під час виконання земляних робіт в зимовий час і при необхідності ущільнення грунту, що містить мерзлі грудки, застосовують гратчасті катки, які подрібнюють такі грудки і ущільнюють грунт. Ґратчасті катки застосовують також для ущільнення сухих грудкуватих грунтів.
Трамбування є універсальним способом ущільнення, придатним для більшості грунтів. Його застосовують для ущільнення грунтових підстав, що існують насипів, а також при ущільненні насипного ґрунту в умовах обмеженого простору. За допомогою трамбування можна ущільнювати грунт шарами великої товщини. Трамбування дозволяє досягати щільності ґрунту вище максимальної стандартної. Цей спосіб допускає ущільнення грунту з вологістю вище і нижче оптимальної. Трамбування можна використовувати для ущільнення міцних грудкуватих грунтів, в тому числі і великоуламкових. При ущільненні шарів великої товщини (1-2 м), а також для досягнення щільності ґрунту вище стандартної максимальної щільності використовують вільно падаючі з висоти 2-6 м трамбують плити масою 2-15 т.
Вібраційне ущільнення застосовують для ущільнення великоуламкових, піщаних і інших малосвязних грунтів. Одномірні піски ефективно ущільнюються тільки вібрацією. Причіпними і самохідними віброкатків масою 4-5 т рекомендують ущільнювати грунт шарами 0,40-0,50 м, катками з більшою масою можна ущільнювати піщані ґрунти на глибину 0,6-0,8 м. В табл. 2.13 наведено зведені дані за умовами застосування різних способів ущільнення.
Ущільнюється грунт і умови роботи
Велика номенклатура засобів для ущільнення грунту випускаються вітчизняними та зарубіжними підприємствами ставить задачу вибору ущільнюючих засобів перед кожною будівельною організацією, яка бере участь у виконанні земляних робіт при будівництві автомобільних доріг. З іншого боку, при виконанні робіт на конкретному об'єкті в певних умовах також доводиться вирішувати завдання вибору з наявного в організації парку машин.
При виборі ущільнюючих машин враховують погодно-кліматичні умови, фізико-механічні властивості ґрунтів, обмеження по термінах і директивний темп ведення робіт. Критерієм для вибору оптимального варіанту служать мінімальні витрати на досягнення необхідної якості ущільнення при виконанні обмежень кожного конкретного об'єкта.
Машини для ущільнення грунтів входять до складу механізованих загонів, де основними є землерийно-транспортні машини. Тому продуктивність машин для ущільнення повинна відповідати продуктивності загону.
Відповідно до обраної машиною для ущільнення грунту слід розробити технологію ущільнення. При цьому слід встановити товщину шару, що ущільнюється, режим ущільнення - кількість проходів катка по одному сліду або число ударів трамбуючої плити, швидкість руху катка, схему переміщення ущільнюючої машини.
При визначенні товщини шару, що ущільнюється необхідно враховувати тип і різновид грунту, його початкову щільність, тип катка, його масу, необхідну щільність грунту. Оптимальну товщину шару, що ущільнюється або число проходів (ударів) ущільнюючих машин по одному сліду, необхідних для досягнення необхідної щільності, можна встановити пробної укочуванням або обчислити за такими формулами:
число проходів для ковзанок (10)
число ударів для трамбуючих машин
Ауд - питома робота машин для ущільнення зв'язкових грунтів при купівлі = 0,95 - 0,20 Дж / см 3; при купівлі = 0,98 - 0,40 Дж / см 3; при купівлі = 1 - 0,60 Дж / см 3; для незв'язних ґрунтів значення Ауд зменшують в 1,5 рази;
Але - товщина шару, що ущільнюється в щільному тілі, см;
q - лінійне тиск ковзанки, Н / см;
qо - статичний тиск трамбуючими органу машини, Н / см 2;
Q - маса катка або трамбуючої плити, Н;
В - ширина робочої площі катка, см;
F - площа опору трамбуючої плити, см 2;
f - коефіцієнт опору руху катка;
У разі застосування кулачкових катків товщина шару, що ущільнюється і число проходів відповідно
l - довжина кулачка, см;
b - мінімальний розмір опорної частини поверхні кулачка, см;
hp - товщина пухкого шару біля поверхні, см;
S - поверхня вальца, см 2;
F - опорна поверхня кулачка, см 2;
m - загальне число кулачків;
k - коефіцієнт, що враховує нерівномірність перекриття поверхні кулачками, середнє значення якого можна прийняти рівним 1,3.
Товщина відсипатися шарів грунту, як правило, повинна бути однаковою, а число проходів катка може бути різним у залежності від вимог до щільності ґрунту, змінюються від розташування шару по висоті насипу. Вологість грунту при ущільненні повинна відрізнятися від оптимальної не більше, ніж вказано в табл. 14.
Відхилення від оптимальної вологості Wo при купівлі