Дорожно-строительные материалы и основы механики грунтов

1. Классификация дорожно-строительных материалов и их физико-механические свойства.

В основу классификации дорожно-строительных материалов (ДСМ) положен технологический признак, представляющий вид сырья, из которого изготовлены материалы или приемы, обеспечивающие получение материала. На базе этого ДСМ делят на следующие группы: грунты, естественные каменные материалы, вяжущие материалы, бетон, железобетонные изделия, лесные материалы, стальной прокат, полимерные материалы, искусственные каменные материалы (щебень) и химические реагенты.

В значительных количествах на строительстве дорог используют песок, песчано-гравийные смеси и гравий. Характерной особенностью, которых является большая объемная масса. Поэтому строители с целью удешевления стоимости строительства, стремятся, как можно шире использовать местные строительные материалы. Материалы, привозимые издалека называются привозными – гранитная щебенка и др.

ДСМ имеют разные физические, механические и химические свойства.

Физические свойства. Удельная масса – масса единицы объема не считая пор.

Для ее определения необходимо массу сухого материала Q разделить на абсолютный объем Vа, занимаемый материалом Q = j

Vа

Удельная масса – каменных материалов составляет 2200-3300 кг/м³, органических (дерево, битум и т. д), 900-1600 кг/м³ , черных металлов 7250-7850 кг/м³.

Объемная масса YYо – это масса единицы объема материала в естественном состоянии. Ее определяют по формуле Yо= Q; где масса образца;

V

Для большинства ДСМ объемная масса меньше - удельной. Для щебня насыпного Yо- 1500-1800 кг/ м³ , а удельная масса 3000 кг/ м³. Абсолютные плотные (безвоздушных пор и прослоек) материалы: металл, битумы, жидкости имеют равные объемные и удельные массы Y=Yо. У некоторых ДСМ объемная масса тесно связана с влажностью – дерево, песок и т.д.

Влажность W – есть отношение массы воды, содержащейся в материале к массе сухого материала. W = 100 (Qв – Qс); где

Qс

Qв – масса, образца в естественном состоянии;

Qс - масса образца в абсолютно сухом состоянии.

Влажность материала колеблется в широких пределах. Влажность камня 0.5-1%; а торфа от 86-96%. То есть в верховых торфах малой степени разложения содержится всего 4% абсолютно сухого вещества.

Пористость - степень заточения объема материала порами. Определяется по формуле:

П = Vп = V- Vа = Y-Yо = 1 – Yо; где

V V Y Y

Vп – объем пор в образце материала; Vа – объем твердых частиц.

Пористость может быть выражена в процентах;

П= 100 (1- Yо);

Y

Пористость значительно варьирует, для песка она составляет 35-45, а для торфа доходит до 90%.

Механические свойства ДСМ.

Прочность – это свойство материала сопротивляться разрушением под действием напряжения, возникающих от нагрузок, температуры и других факторов, ДСМ в дорожных конструкциях работают на сжатие, растяжение, изгиб и срез. Прочность ДСМ характеризуют приделом прочности, который имеет широкий диапазон.

Упругость – свойство материала под действием под действием нагрузок деформироваться, а после снятия нагрузки восстанавливать свою первоначальную форму.

Пластичность – способность материала изменять под действием нагрузок свои размеры и форму без образования трещин и сохранять эти размеры и форму после снятия нагрузок. К пластичным материалам относятся горячий битум, переувлажненная глина.

Хрупкость - свойство материала разгружаться без предварительной деформации. К хрупким материалам относятся – граниты, базальты и другие материалы из камня.

Твердость – способность материала сопротивляться проникновению в него твердого тела. Между твердостью и прочностью прямой зависимости нет. Твердость каменных материалов определяется по шкале твердости, в которой 10 специально подобранным материалов расположены в таком порядке, что на каждом из них последующие оставляют черту. Шкала состоит из следующих материалов: 1- тальк, 2- гипс, 3-кальцит,4-плавиковый шпат, 5-апатит, 6- ортоклаз, 7-кварцит, 8-топаз, 9-корунд, 10-алмаз.

Истираемость – способность материала уменьшаться в массе и объеме под действием стирающих усилий. Для малосвязных ДСП сопротивление истиранию имеет особо большое значение.

Испытание ДСП проводят на полочном барабане. В зависимости от истираемости

Гравий подразделяется на 4 марки:

Н- Ī – потери в массе во время испытаний до 20%.

Н- Ī Ī - / 20-30% /

Н- Ī Ī Ī - / 30-40% /

Н- ĪV - / 40-50% /

Свойство по отношению к воде.

Водопоглощение – способность материала впитывать и удерживать воду - определяют по разности масс в насыщенной воде и абсолютно сухом состоянии. Водонасыщение щебня и гравия осуществляют выдерживанием образцов в воде в течение 48 часов. Водопоглощение колеблется в широких пределах: бетон -3%, гранит -0.5, кирпич 8-20%, При водонасыщении материала его свойства существенно изменяются.

Морозостойкость – способность материала в водонасыщенном состоянии выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание без видимых признаков разрушения. Материалы по морозостойкости испытывают в холодильных камерах при t – 17°. По числу выдерживаемых циклов замораживания и оттаивания различают материалы марок. По бетону выделено 5 марок: Мрз.-50, Мрз.-100, Мрз.-150, Мрз.-200, Мрз.-300.

ЛЕКЦИЯ 6.

Грунты и их дорожная классификация.

Грунтом называют любую горную породу, образующую верхний слой земной коры, изменившуюся под влиянием сооружений.

Горные породы подразделяются по типу образования. Магматические горные породы /затвердевшая магма/ - граниты, базальты, диабазы и др. Метаморфические - кварциты, мраморы, гнейсы, сланцы / видоизмененные магматические и осадочные горные породы/.

Осадочные – песчаные, туфы, мергели, мел, доломит, известняк и другие рыхлые горные породы, образующие от разрушения магматических, метаморфических и охлажденных горных пород.

В зависимости от степени разрушения горной породы грунты разделяются на следующие виды:

- скальные – магматические, метаморфические и осадочные породы с жесткой связью между зернами в виде сплошных массивов с прочностью на сжатие более 5 МП, при меньшей прочности они называются полускальными.

- крупнообломочные – несцементированные грунты, содержащие по массе более 50% частиц крупнее 2мм.

- песчаные – сыпучие в сухом состоянии, не обладающая свойствами пластичности и содержащие более 50% обломков крупнее 2мм.

- глинистые – тонкозернистые грунты, обладающие большой влажностью, пластичностью при увлажнении и связностью в сухом состоянии. В зависимости от размеров горные породы различают:

валуны – размер более 200мм;

галька – размер 70-200мм; гравий 2-70мм;

песчаные 0.05-2мм; пылеватые от 0.05 до 0.005;

глинистые – менее 0.005мм.

В основу их классификации положено изменение свойств, при увлажнении. Валуны, галька, гравий, песчаные частицы - имеют округлые форму, сыпучи, хорошо пропускают воду и при увлажнении не изменяют своих свойств.

Пылеватые и глинистые частицы имеют сферическую форму и очень малый размер. При насыщении водой связность между частицами теряется, в результате образуется подвижная грунтовая масса называемая плывуном. При высыхании пылеватые грунты становятся связными плотными и твердыми.

Для установления вида грунта, необходимо знать, сколько в грунте частиц различной крупности. Относительное содержание в грунте частиц различной крупности, выраженное в процентах от общей массы грунта в воздушно-сухом состоянии называется зерновым.

Песчаные грунты разделяются:

- песок гравелистый более 25% частицы крупнее 2мм;

- песок крупный – более 50% частицы 0.5мм – 2.0 мм;

- песок средний крупности – более 50% частицы от 0.25мм до 0.5мм.

- песок мелкий – 75 % частиц от 0.1 до 0.25 мм

- песок пылеватый – 75% частиц менее 0.1 мм.

Глинистые грунты определяют по содержанию глинистых частиц:

- глина жирная – более 60% глинистых частиц;

- глина полужирная – 40-60% глинистых частиц;

- глина песчанистая 24-40%;

- тяжелый суглинок – 18-25%;

- легкий суглинок- 12-18%.

- тяжелая супесь - 8-12%;

- легкая супесь-3-8%; песок – менее 3%.

Физические свойства грунтов.

Грунты, как и другие ДСМ характеризуются рядом физических свойств - влажностью, пластичностью, водопроницаемостью, объемной и удельной массой скелета, пористостью, разрыхляемостью, углом естественного откоса, липкостью.

Влажность W – наряду с зерновым состоянием является основным фактором влияющим на прочность и устойчивость грунтов. Пар в грунте может быть в жидком, твердом и газообразном состоянии. Водяной пар имеется в грунтах всегда. При охлаждении он конденсируется в виде капелек, что приводит к увлажнению грунтов. В летний период парообразная влага перемещается из верхних слоев - в нижние, осенью и зимой наоборот. Данное явление вызывает вспучивание дорог, так как водяной пар конденсируется и при замерзании увеличивается в объеме. Поэтому дороги в пониженных местах «не стоят», тем более, если не выдержаны проектные отметки при строительстве или запроектирована недостаточная высота насыпи.

Жидкая вода в насыпи может быть связанной и свободной. Связанная вода покрывает грунтовые частицы тонким слоем и удерживается на поверхности частиц силой молекулярного притяжения. Удаляется лишь при t =105°. К связанной воде относится и капиллярная вода, заполняющая капилляры менее 0.1мм. Источниками этой воды являются грунтовые воды. Высота капиллярного подъема в грунтах - разная. В песках она минимальная – 0.2-0.3м, в глине может подниматься до 2.0м. В верховых торфах 15-20см, в переходных до 30-40см, в низинных 60-70см.

Свободная или правительственная влага - приникает в грунтах от дождей и при таянии снега /из атмосферы/ заполняет крупные поры и стекает под действием силы тяжести. Является основным источником передвижения грунтов основным источником переувлажнения грунтов. Под действием отрицательных температур переходит в твердое состояние, ее объем увеличивается на 8% при малом слое песка и гравия дорога вспучивается.

В зависимости от степени увлажнения грунт может находиться в четырех состояниях - твердом, тугопластичном, мягкопластичном и текучем. В твердом состоянии грунт может нести значительные нагрузки. В туго- и мягкопластичном под действием внешних нагрузок он деформируется без разрыва и сохраняет свою форму. Данное состояние дорог характерно для весенней и осенней распутицы, а также в период длительных дождей. На эти периоды лесовозные лесохозяйственные дороги закрываются, а на дорогах общего пользования резко ограничивают давления на ось или закрывают. Задача проектировщиков и строителей возвести земляное полотно так, чтобы оно в течение всего года находилось в тугопластичном состоянии. Максимальная плотность грунта 1.7 г/см³/1700кг/м³ достигается при оптимальной влажности. По данным Б.И.Кувалдина ориентировочные значения максимальной влажности и соответствующие им максимальной плотности следующие:

Грунты	Оптимальная влажность	Максимальная плотность
Песок	8-12	1800-1880
Супесь	9-15	1850-2080
Суглинок	12-20	1650-1950
Глина	19-23	1580-1700

Влажность грунта, при которой, он переходит из твердого в пластичное состояние, называют границей раскатывания Wр, а из пластичного в текучее – границей текучести Wт. Разности Wт – Wр = Wп называют числом пластичности, которое зависит от влажности и содержания глинистых частиц.

Водопроницаемость – способность грунта пропускать воду. Выражается через коэффициент фильтрации К = V / I, где V- скорость фильтрации; I- гидравлический градиент = H₁-H₂ где t

H₁ и H₂ - разность уровней воды в скважине, t – время.

По водопроницаемости грунты делятся: дренирующие и недренирующие. К дренирующим породам относятся - обломочные породы, гравелистые, крупно- и среднезернистые пески и супеси с коэффициентом фильтрации более 0.5 м/сутки.

Недренирующие грунты – глина и суглинки, мелкозернистые пески и супеси с Кф<0.5м/сутки.

Влагоемкость – количество воды, которое, способен удерживать грунт в своих порах. Влагоемкость глинистых грунтов составляет около 35%, песчаных 12-16 5. Поэтому использовать глинистые грунты для плотных дорог не рекомендуется.

Размокание - способность грунта при большом увлажнении терять связность и превращаться в текучую массу. Характерно для пылеватых грунтов.

Все виды плотности грунта – объемная масса грунта, объемная масса скелета, удельная масса и пористость рассмотрена в предыдущей главе и данной главе не повторяется.

Разрыхляемость грунта способность увеличивать объем при нарушении естественной структуры.

Угол естественного откоса – угол между основанием и откосом образующийся при отсыпке рыхлого грунта. Зависит от вида грунта и его влажности, приведены в таблице.

Липкость грунтов – способность грунтов принимать к поверхности различных предметов, в первую очередь к рабочим органам дорожно-строительной техники. Липкость характерна для глинистых и иногда пылеватых грунтов при влажности несколько больше границы раскатывания.

Механические свойства грунтов.

К ним относятся - прочность, твердость, истираемость, сопротивление удару, упругость, хрупкость. Все они рассмотрены в предыдущей главе. Поэтому не дублируются.

Улучшение физико-механических свойств грунтов.

Широко используют в практике строительство лесовозных и лесохозяйственных дорог.

Искусственное уплотнение грунтов – дешевый и эффективный способ улучшения - свойств грунтов. Хорошо уплотненный грунт не только более прочен, но и более устойчив против увлажнения.

Введение в грунт минеральных добавок является наиболее распространенным способ улучшения физико-механических свойств грунтов. Глину и суглинок улучшают песком и гравием и наоборот. Создают ОГС – оптимальную грунтовую смесь. Она представляет из себя: песчаных частиц 65-82%;

пылеватых 15-25%

глинистых 3-10%.

Укрепление грунтов вяжущими материалами производят перемешивание вяжущих – портланд-цемент, известь, битум, деготь и др. отходов промышленности с грунтом.

Комплексный метод – в грунт внести с вяжущими вводят активные добавки в качестве которых используют известь, гипс, соду и др.

ЛЕКЦИЯ №7.

Дата добавления: 2014-01-13