Теоретические основы и методика выполнения работы

Выбор средств и режимов уплотнения грунта должен базирова­ться на анализе физической сущности процесса и особенностей вза­имодействия грунта с уплотнителем.

При уплотнении грунта происходит взаимное смещение и пере­ориентация частиц, отжатие из пор воздуха и выжимание водных пле­нок из зон контактов частиц. Протекание этих процессов может происходить только при определенных условиях.

Так, для развития процесса смешения и переориентации частиц необходимо, чтобы усилия, возникающие в зонах контактов, были больше предельных сил трения и сцепления, свойственных дачному состоянию грунта. Для удовлетворения этого условия уплотнитель дол­жен развивать достаточное удельное давление по площадке контакта с грунтом. Однако это давление не должно превышать некоторого верхнего предела, ограничиваемого возможным выпиранием грунта из-под уплотнителя.

По мере увеличения, начальной плотности грунта число контак­тов между частицами увеличивается, количество воздуха, оставшего­ся в грунте, уменьшается, и возможности смещения частиц становят­ся все более ограниченными. Поэтому процесс уплотнения начинает происходить за счет выжимания из пор воздуха и деформирования (выжимания) водных пленок в зонах контактов.

Для грунтов, обладающих связностью, процесс вынимания воз­духа с увеличением плотности грунта становится все более затрудни­тельным, и для его завершения требуется определенное время воз­действия уплотняющей нагрузки. То же относится и к процессу дефор­мирования и выжимания водных пленок: из-за присущих им вязких свойств этот процесс также требует определенного времени. Однако время воздействия современных уплотнительных машин даже при по­ниженных скоростях не превышает 0,1...0,2с и процессы не успевают завершиться. Для завершения этих процессов требуются повторные приложения уплотняющей нагрузки, и тем большее их число, чем меньшее время одного воздействия обеспечивается уплотнителем.

В дорожной практике наиболее распространенный и эффективный метод уплотнения грунтов в насыпях - укатка.

Для укатки применяют катки на пневматических шинах, жест­ко-барабанные, кулачковые, ребристые. Каждый из видов катков имеет особенности взаимодействия с уплотняемым грунтом, кото­рые и определяют эффективную область их использования.

У жесткобарабанных катков ширина отпечатка вальца отно­сительно невелика, вследствие чего время действия уплотняющей нагрузки мало, а увеличение массы катка приводит к быстрому возрастанию давлений по площади контакта. Последнее ограничи­вает возможности повышения массы катков в связи с вероятным выпиранием грунта из-под вальца. Кроме того, относительно не­большая площадь загружения приводит к тому, что вертикальная составляющая напряжений в грунте концентрируется в верхней час­ти слоя и быстро убывает с глубиной. Поэтому эффективная, область применения катков - уплотнение связных и малосвязных грунтов в тонких слоях (до 20см), в особенности верхней части полотна, так как они дают ровную и гладкую поверхность. Однако из-за незначительного времени действия нагрузки для достижения необходимой плотности требуется, сравнительно большое чи­сло проходов на малых скоростях. Поэтому применение этих катков в целом недостаточно экономично.

Кулачковые катки предназначены в основном для связных и малосвязных грунтов, но при одинаковой с жесткобарабанными кат­ками массе обеспечивают почте вдвое большую глубину проработки и требуют меньшего числа проходов, кулачковые катки эффективно работают в рыхлых и комковатых грунтах (кулачки размельчают комья) и непригодны в несвязных и переувлажненных грунтах. При­менение их для верхних слоев нецелесообразно, так как кулачки разрыхляют верхний слой на глубину 10-15 см.

Область применения ребристых катков практически аналогична кулачковым.

Наиболее эффективны в работе катки на пневматических шинах. Площадь отпечатка пневматического колеса значительно больше пло­щади отпечатка жесткого вальца, а удельное давление по следу оп­ределяется давлением воздуха в шине и жесткостью самой шины. Время воздействие, уплотняющей нагрузка на грунт больше, и тре­буемая, плотность грунта достигается при меньшем числе проходов катка. Кроме того, при увеличении массы катка из-за деформирования шины происходит быстрое увеличение площади отпечатка и сравнительно медленное возрастание давлений по следу. Поэтому с увеличением массы катка требуемое число проходов снижается, а толщина прорабатываемого слоя грунта, вследствие возрастания площади загруження и саязанного с этим уменьшения концентрации напряжений в верхней зоне слоя, увеличивается.

Учитывая это, пневматические катки эффективно применять при уплотнении толстых слоев из грунтов всех разновидностей на всех стадиях возведения полотна, особенно для уплотнения грунтов, обладающих связностью.

Важнейшие задачи проектирования технологии уплотнения - определение требуемых уплотняющих нагрузок (или толщины уплотняемого слоя при заданном типе катка) и числа проходов.

Поскольку требуемая структура грунта окончательно формиру­ется при последних проходах катка, то эти задачи необходимо решать применительно к концу процесса уплотнения.

Задачу определения толщины уплотняемого слоя можно сформулировать следующим образом: пневмокатком заданной массы с извест­ной нагрузкой на колесо необходимо уплотнить слой грунта до получения заданного значения эквивалентного модуля упругости слоя Е_э, а также установить толщину уплотняемого слоя Н.

При уплотнении напряжения в грунтовом слое убывают с глуби­ной, поэтому плотность по толщине слоя распределяется неравномер­но. Напряжения в нижней части слоя толщиной Н можно определить по формуле

, (4.1)

где - максимальное давление по площади контакта в конце уплот­нения; - коэффициент, характе­ризующий интенсивность снижения напряжений с глубиной.

Значение для пневмокатков устанавливается из графика на рис. 4.1 в зависимости от требуемо­го к концу уплотнения эквивалентно­го модуля упругости слоя и отношения r/H, где r - радиус отпечатка пневматического колеса;

. (4.2)

Здесь B,D – соответственно ширина профиля и диаметр; Q – нагрузка на колесо, кг; R_ж – коэффициент жесткости шины, кг/см (табл.4.1).

Эквивалентный модуль упругости Е_э, МПа

Рис. 4.1. График для опре­деления коэффициента в зависимости от эквивалентного модуля упругости слоя для окончания процес­са уплотнения

Значение в формуле (4.1) для пневмокатков определяет­ся из выражения

, (4.3)

где R₀ - коэффициент концентрации напряжений от рисунка протек­тора, равный отношению площади отпечатка брутто к площади нетто (R_о = 1.2 - 1.6); R_в - коэффициент, учитывающий вязкие свой­ства грунтов. По О.Т. Батракову

. (4.4)

где Е - модуль упругости в конце процесса уплотнения; R₂ - ко­эффициент для материалов с коагуляционным типом структуры, близ­кий к 1.5; - объемный коэффициент вязкости, МПа*с/см², при­нимаемый: для песков и супесей - 0.34 0.40; для суглинков -0.26 0.34; для тяжелых суглинков - 0.20 0.26; для глин - 0.15 0.20; V - скорость движения катка, км/ч.

Таблица 4.1

Расчетные характеристики шин, используемых для пневмокатков

Тип шины	Ширина профиля В, см	Диаметр шины D, см	Коэффициент жесткости шины Rж, кг/см, при давлении воздуха в шине, МПа
0,2	0,3	0,4	0,5	0,6
9.00-20 12.00-20 14.00-20 18.00-20							- -

Для процесса уплотнения по всей толщине уплотняемого слоя действующие напряжения в нижней части слоя толщиной Н должны быть не ниже предельного сопротивления грунта уплотнению (табл.4.2):

. (4.5)

Таблица 4.2

Пределы прочности грунтов с учетом всех видов сопротивлений уплотнению при оптимальной влажности

Вид грунта	Предел прочности грунтов Ry, МПа при укатке
жесткобарабанными катками	пневмокатками
Песчаный, супесчаный, пылеватый Суглинистый Тяжелосуглинистый Глинистый	0,3-0,6 0,6-1,0 1,0-1,5 1,5-1,8	0,3-0,4 0,4-0,6 0,6-0,8 0,8-1,0

Примечание: Большие значения принимаются для грунтов с большей связностью.

Тогда с учетом изложенного выше толщина уплотняемого слоя Н определяется в следующем порядке:

1. Приняв в качестве минимально допустимого значения соответствующее значение предела прочности грунта R_у из табл. 4.2 и определив по выражению (4.3) максимальное давление по следу, развиваемое данным пневмокатком, из формулы (4.1) уста­навливают величину , удовлетворяющую условию (4.5).

2. Поскольку к концу укатки необходимо, обеспечить заданное значение Е_э, то из графика рис. 4.1 по известным значениям и Е_э находят отношение r/Н, удовлетворяющее условию (4.5) и требованию достижения заданного Е_э.

3. Определив по формуле (4.2) для заданного катка значе­ние r, из отношения r/H находят требуемую толщину уплотняе­мого слоя Н.

Необходимое число проходов пневмокатка для достижения тре­буемой плотности грунта при оптимальной влажности уплотня­емого грунта W₀ устанавливают по формуле

, (4.6)

где = 0.25 для пневмокатков массой более 20 т и = 0.20 для пневмокатков массой менее 20 т; - максимально возможная плотность сухого грунта:

, (4.7)

- начальное значение плотности сухого грунта, г/см³, зави­сящее от вида грунта и способов его транспортирования и укладки (табл. 4.3).

В соответствии с нормами /3/ найденный приведенным ныше способом режим уплотнения земляного полотна может включаться в технологические карты на возведение полотна в качестве обязатель­ных требований только после проверки его пробной укаткой.

Прочностные показатели грунтовых оснований - угол внутрен­него трения и сцепление С - после уплотнения можно ориен­тировочно определять по формулам /12/:

для суглинков, глин, супесей пылеватых

, (4.8)

для легких непылеватых супесей –

, (4.9)

Таблица 4.3

Начальные значения плотности сухого грунта в зависи­мости от способа транспортирования грунта в насыпь при влажности, близкой к оптимальной

Вид грунта	Среднее значение начальной плотности сухого грунта, г/см^3, при транспортировании грунта
Грейдер-элевато-рами из боковых резервов	Бульдозе-рами из боковых резервов	Автосамосвалами	Скреперами
Без ре- гулиро-вания прохо-дов	С регу-лирова-нием прохо-дов	Без ре- гулиро-вания прохо-дов	С регу-лирова-нием прохо-дов
Песчаный Супесь легкая пылеватая Суглинок легкий пылеватый тяжелый Глинистый	1.15   1.14 1.13   1.14 1.10 1.11 1.12	1.25   1.19 1.14   1.18 1.13 1.13 1.14	1.28   1.25 1.18   1.26 1.17 1.18 1.19	1.39   1.35 1.28   1.34 1.27 1.26 1.25	1.49   1.44 1.35   1.45 1.32 1.34 1.35	1.57   1.52 1.45   1.53 1.41 1.40 1.38

Дата добавления: 2015-06-04