ГлавнаяИмел распространение взгляд, согласно которому при уплотнении необходимо добиваться возможно большей плотности.
Для выяснения связи между плотностью грунта и его сопротивлением внешним нагрузкам были поставлены опыты, в которых определяли модули деформаций путем вдавливания штампа в поверхность грунтового полупространства. Полупространство состояло из грунтов одной и той же влажности, уплотненных до различных плотностей. Опыты повторяли на грунтах разных влажностей. Оказалось, что модули деформации увеличиваются лишь до определенных значений плотностей, после которых дальнейшее уплотнение ведет уже к снижению модулей (рис. 40). Te значения плотностей, которые соответствуют максимальным модулям деформации, могут быть названы критическими. Как видно из рис. 40, критические плотности уменьшаются с повышением влажности. Оказалось, что на вид зависимости модуля деформации от плотности оказывает влияние характер уплотнения грунтов. Кривые рис. 40 получены в результате уплотнения грунтов ударной нагрузкой. Если грунты уплотнять медленной нагрузкой, например, под прессом, то при оптимальных и менее чем оптимальных влажностях модули растут с увеличением плотности и, достигнув критических значений, стабилизируются. Эти стабильные значения и соответствующие им критические плотности грунтов несколько больше, чем при ударных нагрузках. Для грунтов, влажность которых превышает оптимальные значения и при медленной нагрузке, характерны кривые, имеющие максимум.
Возможно, что уменьшение или стабилизация модулей деформации грунтов объясняется чрезмерным сближением частиц и их агрегатов. При таком сближении водно-коллоидные пленки в местах контактов сжимаются, а в других местах утолщаются, это ведет к переходу части связанной воды в свободную, что облегчает относительное перемещение частиц.
При уплотнении грунтов машинами характер приложения нагрузки носит всегда динамический характер, даже если процесс ведется катками. Поэтому всегда следует считаться с наличием критических плотностей.
Однако эти плотности велики и потому трудно достижимы. Так, при связных грунтах оптимальной влажности критическая плотность равна (1—1,02)δmax, а при влажности 0,9Wо она близка к 1,1δmах. Поэтому ,при имеющихся в настоящее время средствах уплотнения опасаться переуплотнения грунтов не следует.
Таким образом, для достижения грунтами достаточной прочности и устойчивости плотности грунтов не должны быть чрезмерно большими, но вместе с тем, во избежание осадок под нагрузками и чрезмерного морозного пучения, они не должны быть и малыми, т. е, плотности грунтов земляного полотна автомобильных дорог должны иметь какие-то оптимальные значения.
Для оценки степени уплотнения грунтов в США и практически во всех европейских странах принят метод Проктора. Сходный с ним метод уже упоминавшегося выше стандартного уплотнения был разработан в России Н. Н. Ивановым и М. Я. Телегиным. Сущность обоих методов состоит в том, что конкретный образец грунта подвергается уплотнению в приборе, размеры которого, а также и способ уплотнения стандартизированы. В итоге находится то наибольшее значение плотности, которое может быть получено при данной интенсивности уплотнения, и соответствующая этой плотности влажность. Сравнительными испытаниями установлено, что, несмотря на различие в параметрах стандартного прибора и прибора Проктора, результаты уплотнения в них грунтов практически одинаковы.
Основным достоинством уплотнения грунтов в стандартных приборах является непосредственное испытание на уплотняемость конкретных грунтов, которые предположено использовать для возведения земляного полотна автомобильных дорог.
Вместе с тем многолетняя практика применения стандартного и других сходных с ним методов уплотнения грунтов позволила выявить и их недостатки, которые могут быть сведены к следующим:
1. Методы оказались не всегда в полной мере пригодными для установления необходимой плотности песчаных грунтов. В этих случаях максимальные плотности являются недостаточными и легко превышаются при уплотнении грунтов в производственных условиях или же, наоборот, как, например, в случае однородных мелких дюнных песков, они получаются чрезмерно большими и потому труднодостижимыми в производственных условиях. Стандартное уплотнение в его чистом виде практически неприменимо при уплотнении грунтов, имеющих крупные включения, Этот недостаток частично устраняется дополнительными испытаниями грунтов и введением соответствующих дополнений как в нормы плотностей, так и в методику проведения стандартного уплотнения.
2. При повторных проведениях стандартного уплотнения на одном и том же грунте имеются расхождения в полученных данных, которые на некоторых грунтах достигают 0,02—0,03 относительных единиц. Эти расхождения связаны с периодическим разуплотнением грунта по мере роста числа ударов и могут быть отнесены к случайным ошибкам. Уменьшить влияние случайных ошибок можно увеличением числа определений. Поэтому стандартное уплотнение на одних и тех же грунтах надо проводить, не менее 2 раз.
3. Длительность и трудоемкость процесса стандартного уплотнения грунтов затрудняет осуществление оперативного полевого контроля, при котором фактически достигнутые плотности грунта должны быть сопоставлены с требуемыми значениями. При полевом контроле основная трудность состоит в определении влажности грунта. Влияние этого недостатка снижено разработкой приборов для быстрого определения влажности грунтов. К числу таких приборов, в первую очередь, относится широко применяемый прибор Н. П. Ковалева, который, будучи дополнен разработанным Ленинградским филиалом Союздорнии буром для отбора проб грунта в ненарушенной структуре, позволяет определять плотности и влажности грунтов до глубины 0,5—0,6 м. Быстрое определение влажности грунтов без отбора проб возможно применением радиоактивного прибора с нейтронным излучением.
4. Стандартное уплотнение дает возможность только односторонне оценить состояние грунтов — определить достигнутую плотность. Способность грунтов к сопротивлению нагрузкам и воздействиям погодных факторов не оценивается. Для установления корреляционных связей между плотностью грунтов и их прочностью и устойчивостью ведется большая исследовательская работа.
Таким образом, недостатки, связанные с применением стандартного уплотнения, могут быть если не устранены, то, во всяком случае, уменьшены введением разного рода дополнительных мероприятий. Однако эти недостатки послужили поводом для критики, в результате которой, особенно за границей, периодически предлагается замена метода каким-либо другим способом или же дополнение его другими испытаниями. Сторонниками замены метода предложено большое количество новых способов, из которых, однако, заслуживают внимание лишь немногие.
Так, в Англии метод Проктора предложено заменить контролем над содержанием в грунте воздуха, при этом предполагается, что для верхних и нижних слоев насыпей количество воздуха соответственно не должно быть больше 5 и 10%. Этот метод, приемлемый для Британских островов, где грунты круглогодично имеют постоянную влажность, близкую к пределу пластичности, оказался малопригодным для других районов, особенно тех, где глубина промерзания грунта существенна. Сходный метод оценки степени уплотнения грунтов принят в Японии, где также чрезвычайно высокая влажность грунтов. В этой стране нормируется максимальное влагосодержание грунтов и одновременно объем пор, заполненных воздухом, который установлен в пределах от 10 до 2%.
Имеются предположения и по замене метода Проктора компрессионными испытаниями грунтов. Применительно к данному грунту и его расположению в насыпи отыскивается такое состояние, при котором действующая нагрузка практически не вызывает нарастание деформации, т. е, ползучесть грунта становится незначительной. Такие испытания разработал А. Мысливец (Чехословакия). Это состояние предложено характеризовать не объемным весом грунта, а модулем осадки, определяемым непосредственно на месте работ пробной нагрузкой. Для безопасности эта нагрузка, по сравнению с той, которая будет действовать в дальнейшем, должна быть увеличена на 1 кгс/см2. Подобным образом найдено, что грунт, имеющий плотность, равную максимальной стандартной, может выдерживать нагрузку не более 1,5 кгс/см2, что соответствует давлению от расположенных выше масс грунта и дорожной одежды на глубине около 7,5 м. На основании этого делается вывод, что для нижних слоев более высоких насыпей такое уплотнение грунта недостаточно. Этот метод в некоторой мере отображает действительную работу грунта в насыпях и потому заслуживает внимания, однако он сложен, еще не вполне доработан и не учитывает морозных воздействий.
В настоящее время еще не разработан метод, которым можно было бы заменить испытания грунтов в стандартном приборе или же в приборе Проктора. Необходимые плотности грунтов могут быть назначены лишь на основе непосредственных испытаний конкретных грунтов. Это и является причиной широкого применения метода стандартного уплотнения, несмотря на его недостатки. Возможно, что в дальнейшем стандартное уплотнение будет заменено другим, более совершенным методом и, в частности, таким, который позволит определять и прочностные свойства грунтов. Однако такая замена будет возможна лишь в результате длительных исследований. Всякий новый метод окажется нежизнеспособным, если он не будет основан на результатах непосредственных испытаний конкретных грунтов.
В мировой практике строительства применяется несколько методов, аналогичных стандартному уплотнению и уплотнению грунтов в приборе Проктора (табл. 14). Существенным отличием стандартного прибора от других является то, что трамбовка ударяет о штамп, перекрывающий всю поверхность грунта, тогда как у других приборов трамбовка ударяет только по части поверхности и потому во время процесса ее непрерывно перемещают. Нормы плотности устанавливают в долях от максимальных значений, которые получают при уплотнении грунтов в этих приборах. В табл. 14 сопоставлены и результаты уплотнения грунтов в различных приборах. При этом значения максимальной плотности и оптимальной влажности грунтов, определенные методом стандартного уплотнения, приняты за единицу. Как видно, при испытании грунтов в приборе Проктора получаются такие же результаты, что и в стандартном приборе, а другие методы дают более высокие плотности грунтов и соответственно меньшие значения оптимальных влажностей.
При сопоставлении аналогичных методов уплотнения можно заключить, что получаемая плотность грунта тем выше, чем интенсивнее уплотняющее воздействие, которое может быть охарактеризовано удельным импульсом удара г. Вместе с тем оптимальная влажность грунта снижается с ростом уплотняющего воздействия (рис. 41). Изменяя параметры приборов так, чтобы каждый раз увеличивать уплотняющее воздействие, можно получить бесконечное количество методов уплотнения, а следовательно, и соответствующих им максимальных плотностей и оптимальных влажностей грунтов.
Из всех возможных вариантов методов уплотнения лучшим будет тот, который позволит выявить состояние грунтов, обеспечивающее нужные прочность и устойчивость в земляном полотне автомобильных дорог. Грунты, имеющие влажность, равную пределу пластичности, значения которой близки к оптимальной влажности, обладают наибольшей водоустойчивостью, так как они не набухают и обеспечивают получение плотностей, практически исключающих возможность осадок. Грунты оптимальной влажности обнаруживают минимальное морозное пучение и потому имеют максимальную прочность при оттаивании. Следовательно, стандартным уплотнением непосредственно определяется такая влажность грунта, при которой обеспечиваются наибольшие прочность и устойчивость грунтов.
Существует мнение, что при испытаниях грунтов должны быть найдены влажности, которые являются оптимальными применительно к существующим средствам уплотнения и потому обеспечивают получение максимально возможных плотностей грунтов. Дорожное машиностроение развивается в направлении создания более производительных и мощных машин для уплотнения грунтов, чему в немалой мере способствует также и повышение норм плотностей грунтов. Поэтому оптимальные влажности, определяемые применительно к машинам для уплотнения грунтов, по мере развития этих машин должны непрерывно уменьшаться, что делает нецелесообразным принимать их значения в качестве критерия для разработки парам прибора.
Оптимальные влажности, полученные в стандартном приборе, отличаются от влажностей, соответствующих пределам пластичности, весьма незначительно (рис. 42). Это положение справедливо по отношению ко многим видам грунтов, начиная от тяжелых супесей и кончая глинами. Поэтому при влажности, соответствующей оптимальной, практически вся вода находится в связанном состоянии. Многочисленными опытами установлено также, что между пределом текучести и оптимальной влажностью грунтов нет постоянного соотношения. Это соотношение зависит от гранулометрического состава грунта, и, в частности, как абсолютный, так и относительный разрыв между этими влажностями увеличивается по мере увеличения содержания в грунтах глинистых частиц. Поэтому оптимальную влажность приближенно можно определять, ориентируясь на предел пластичности, а не на предел текучести.
В настоящее время оптимальную влажность часто находят по пределу текучести, вводя в этот предел постоянный переходный коэффициент, что неизбежно приводит к ошибкам.
Таким образом, методом стандартного уплотнения и прибором Проктора определяются такие влажности грунтов, которые обеспечивают их наилучшую устойчивость. Поэтому вряд ли целесообразен полный переход на какой-либо иной вид испытаний, в том числе и на аналогичный модернизированному методу Проктора, который за последнее время получил в США значительное распространение.