Главная
Возведение насыпей из одноразмерных песков, устройство на них дорожной одежды и их эксплуатация связаны с определенными трудностями ввиду специфических особенностей этих грунтов. Одноразмерные пески характеризуются преимущественным содержанием одной или двух соседних песчаных фракций в количестве более 70—75% и имеют коэффициент неоднородности менее 3—4. В них практически отсутствует пылевато-глинистая фракция.
Одноразмерные пески имеют весьма низкую прочность при влажностях ниже 8—10% и плохо уплотняются машинами. При влажности же, превышающей этот предел, прочность и плотность подобных песков практически уже не зависит от влажности. Эти грунты обладают достаточной устойчивостью по отношению к водным и морозным воздействиям. Наибольшая плотность одноразмерного песка достигается при сухом состоянии. Увеличение влажности затрудняет уплотнение и соответственно уменьшает достигаемую плотность. Вместе с тем дальнейшее увеличение влажности в какой-то мере улучшает условия перемещения частиц при уплотнении.
Для установления значений наибольшей плотности одноразмерных песков их уплотняли в стандартном приборе и в цилиндре. Исследования показали, что плотность песка в воздушно-сухом состоянии, уплотненного в стандартном приборе, в среднем на 0,03 г/см3 выше, чем плотность, достигнутая в цилиндре. При оптимальной влажности стандартная плотность песка в среднем на 0,06 г/см3 ниже плотности при его сухом состоянии.
Были получены также данные об уплотняемости одномерных песков и при вибрационных воздействиях. Исследования вели на вибростенде «Аскания». В результате установлено, что наибольшая плотность сухого песка достигается при ускорении 8g. При более высоких значениях ускорений она уже практически от них не зависит. Плотность влажных песков монотонно увеличивается и при ускорениях 6—8g составляет (1,01—1,02) δmах. При этом статическая нагрузка свыше 0,1 кгс/см2 не влияет на уплотняемость одноразмерных песков. Превышение наибольшей плотности песка в сухом состоянии по сравнению с плотностью оптимально влажного песка составило в среднем 0,08 г/см3.
Таким образом, при интенсивном вибрационном воздействии, а следовательно, в определенной мере и под транспортными нагрузками достигается плотность, равная максимальной стандартной и даже несколько превышающая ее, что указывает на возможность осадок насыпей, возводимых из одноразмерных песков, имеющих меньшие плотности.
Экспериментальные работы, выполненные в производственных условиях, показали, что даже при интенсивном уплотнении катками на пневматических шинах и тяжелыми виброкатками достигаемая плотность не превышала (0,95—0,98) δmax. Поэтому рекомендуется уплотнять эти пески вибрационными машинами. При отсутствии вибрационных машин следует ограничивать применение таких песков нижними слоями насыпей.
С течением времени под действием транспортных нагрузок происходит доуплотнение этих грунтов (табл. 53), которое сопровождается осадками. Поэтому пользоваться сниженными нормами плотности возможно лишь в крайних случаях и только при условии, когда устройство усовершенствованных дорожных покрытий предполагается не ранее чем через два-три года. Однако положение может быть значительно улучшено, если эти грунты укрепить вяжущими материалами, и в частности цементами.
Аналогичное мнение высказывается и дорожниками ФРГ. Они рекомендуют верхний слой устраивать только из разномерных материалов или укреплять одномерные грунты вяжущими.
He меньшие трудности из-за каркасной структуры возникают при уплотнении крупнообломочных грунтов, к которым относятся грунты, содержащие по массе более 50% частиц крупнее 2 мм.
С учетом степени каркасности все грунты можно разделить на три класса: I класс — грунт бескаркасный, если частиц крупнее 2 мм содержится менее 10% по массе; II класс — грунт с несовершенным каркасом, если указанные частицы составляют 10—65%; III класс — грунт каркасный, если крупнообломочной фракции в нем более 65%.
Такое разделение условно, однако оно позволяет очертить границы структурных, деформативных, прочностных и других физико-механических свойств каждого класса. Эти свойства в конечном итоге определяют устойчивость сооружений из таких грунтов, позволяют оценить их уплотняемость и подобрать необходимый уплотняющий механизм.
Грунты I класса практически не отличаются от обычных глинистых, суглинистых или песчаных грунтов. Наличие в них отдельных крупных включений не влияет существенным образом на их свойства. Уплотнять такие грунты можно катками или вибрационными машинами, если эти грунты несвязные.
Уплотнять крупнообломочный грунт II класса с несовершенным каркасом, имеющим глинисто-суглинистый заполнитель, целесообразно укаткой. При большом содержании крупнообломочной фракции хороший эффект дают периодические «встряхивания», которые могут производиться тяжелыми вибрационными машинами, плитами или катками, проходы которых чередуются с проходами решетчатых катков или катков на пневматических шинах.
Каркасные грунты III класса и грунты с несовершенным каркасом II класса чувствительны к сотрясениям, вибрациям и ударам. Поэтому и уплотнять их целесообразно вибрационными плитами и катками тяжелого типа. Особенно эффективны мощные подвесные крановые вибраторы со статической пригрузкой, создающие горизонтальные виброколебания.
Уплотнение грунтов в стесненных условиях имеет технологическую специфику, связанную или с ограниченностью фронта работ, или со слабой несущей способностью грунта, пли с особенностями геометрических элементов земляного сооружения, что практически затрудняет, а иногда и вообще исключает возможность использования обычных грунтоуплотняющих средств и машин, применяемых при линейных работах. Процесс уплотнения усложняется также наличием у малых искусственных сооружений и в траншеях различного рода труб, подземных коммуникаций и сборных элементов, не позволяющих развивать достаточные усилия, необходимые для достижения требуемой плотности.
Анализ строительства показывает, что объемы работ по уплотнению грунтов в стесненных местах весьма значительны. В целом по стране они составляют около 10% от общего объема земляных работ. Из общего объема узких и стесненных мест наибольшая часть приходится на траншеи, прокладываемые в городских условиях под проезжей частью автомобильных дорог.
Недостаточное уплотнение грунта, используемого при засыпке траншей, под действием нагрузок и погодно-климатических факторов приводит к деформациям покрытий и необходимости их ремонта на следующий год после засыпки траншей. А так как основная часть осадок грунта, как правило, завершается только на второй-третий год эксплуатации подземных коммуникаций, то 30—40% покрытий приходится ремонтировать второй, а иногда и третий раз. Затраты на такие ремонтные работы чрезвычайно высоки.
При выборе грунта засыпки и его уплотнении необходимо обеспечить его одинаковую устойчивость с окружающим грунтом.
Разрушение дорожного покрытия происходит не только вследствие недостаточной устойчивости грунта в траншее, но и в большинстве случаев в результате разной величины деформаций грунта засыпки и основного грунта земляного полотна, например, при морозном пучении. Одинаковую деформативную способность грунтов можно достичь, используя лишь местный, а не привозной грунт. Поэтому грунт, выбранный при рытье траншей, должен быть засыпан в них в таком же количестве, за исключением объема, занимаемого уложенными коммуникациями.
Это положение вместе с учетом пучинных свойств и общей устойчивости грунтов, а также возможности некоторого изгиба нежесткого покрытия легло в основу определения норм плотности грунтов обратной засыпки траншей, прорезей, колодцев и люков, разработанных Ленинградским филиалом Союздорнии и представленных в табл. 54. Эти нормы несколько снижены по сравнению с теми, которые установлены для земляного полотна автомобильных дорог, однако они обеспечивают достаточную устойчивость грунта траншеи и потому допустимы. При устройстве траншеи вне проезжей части дорог и тротуаров коэффициент уплотнения грунта обратной засыпки должен быть не ниже 0,9.
Статистические данные показывают, что траншеи в зависимости от их типа могут иметь глубину от 0,5 до 7 и ширину по низу от 0,5 до 3,5 м, т. е. их размеры могут изменяться в весьма широких пределах. После прокладки трубопровода траншею засыпают обычно местным грунтом из валиков, расположенных с одной, а иногда и с обеих сторон траншеи. Засыпку осуществляют в два приема бульдозером или реже экскаватором (рис. 105): сначала засыпают пазухи у трубопроводов, которые уплотняют вручную или соответствующими механизмами, после чего трубы присыпают защитным слоем грунта толщиной около 0,2 м, а затем засыпают и уплотняют остальную часть траншеи.
Таким образом, для механизации уплотнения грунтов в траншеях необходимо иметь минимум три типоразмера машин, соответствующих условиям производства работ и габаритам траншей; для подбивки пазух у трубопроводов, коллекторов, кабелей и уплотнения защитного слоя; для уплотнения основной засыпки в траншеях шириной до 1 м и глубиной до 1,5 м; машина может перемещаться над траншеей; для уплотнения основной засыпки в траншеях шириной от 1 до 3 м и глубиной до 3 м; машина должна перемещаться в стороне от траншеи.
Пазухи и защитный слой уплотняют в более стесненных условиях, чем основную засыпку. Поэтому рабочие органы машин первого типа должны иметь незначительные размеры — в пределах 10—20 см. Поперечные размеры рабочих органов машин второго и третьего типа могут соответствовать ширине траншеи.
При производстве земляных работ в стесненных местах вблизи искусственных сооружений существенные ограничения накладываются на методы уплотнения грунта из-за опасности повреждения труб, фундаментов, кабелей и т. п. В этих случаях категорически запрещается применять динамические методы уплотнения с интенсивными воздействиями.
Ввиду возможного расстройства и разрушения газовой, водопроводной, канализационной или тепловой сети из-за просадки труб, уплотнение грунта трамбованием и виброударным способом, по исследованиям В. В. Хиценко, возможно только при наличии над трубами защитного слоя грунта толщиной не менее 1 м.
Все это вызывает необходимость использовать машины, работающие по принципу укатки или амортизированного и регулируемого динамического нагружения, т. е. машин с незначительным уплотняющим воздействием. Поэтому в стесненных местах приходится уплотнять грунт слоями, толщина которых не превышает 20—30 см. При более толстых слоях затруднено достижение требуемых норм плотности.
Для подбивки пазух специального оборудования не выпускается. Механизировать эту операцию возможно применением пневмотрамбовки ТР-1, которая используется в литейном деле для набивки землей форм, или пневматических отбойных молотков MO-10 и ОМСП-5 с трамбующей насадкой.
Такой инструмент с уплотняющей площадкой 10—15 см в виде однорядного пакета, навешенного на стреле или рукояти экскаватора или иной базовой машины с устройством, позволяющим ему поворачиваться вокруг шарнирной точки своего крепления, может быть подан в любое труднодоступное место. Подобная навеска из четырех пневмомолотков на гидравлический экскаватор «Гредолл» применяется в США. Наиболее распространенными для уплотнения основной засыпки траншей, особенно в зарубежной строительной практике, являются вибрационные плиты. Объясняется это тем, что во многих странах, и прежде всего в европейских, распространены малосвязные и несвязные грунты.
Масса виброплит, используемых в траншеях и других стесненных местах, не превышает 600—750 кг, частота колебаний находится в пределах 1500—3600 кол/мин, а размах колебаний составляет 3—5 мм. Плиты уплотняют слои малосвязных и гравийнощебеночных материалов толщиной от 20 до 40—50 см, ширина траншеи не должна быть менее 60—100 см. При значительных размерах траншей и объемах работ экономически целесообразно использовать тяжелые виброплиты, масса которых достигает 5 т. Однако в этих случаях может возникнуть опасность передачи недопустимых нагрузок на трубы и другие искусственные сооружения.
Для траншейных работ при уплотнении как связных, так и несвязных грунтов применяются малогабаритные трамбовки, относящиеся к механизированному инструменту. У них главное, или рабочее движение, т. е. удар, осуществляется за счет пневматического, электрического или бензинового двигателя. Управление трамбовками выполняется вручную.
Трамбовки, масса которых равна 25, 60, 100 и 200 кг, широко применяются во многих странах. Нашей промышленностью выпускаются ручные трамбовки, основная техническая характеристика которых дана в табл. 55. Практика показала малую эффективность применения ручных трамбовок массой до 20—25 кг. Они малопроизводительны, обеспечивают незначительную глубину уплотнения (10—15 см) и оправданно могут быть использованы только в труднодоступных местах, при очень узком фронте работ и небольших их объемах, например при подбивке пазух.
Для уплотнения грунтов в траншеях и других узких местах более целесообразно применять ручные трамбовки массой от 40 до 120 кг с электрическим, пневматическим приводом и приводом от двигателя внутреннего сгорания. Такие трамбовки имеют производительность в 2—4 раза больше и способны уплотнять грунты в слоях толщиной до 25—35 см. Для уплотнения грунта в траншеях применяют также и специальные машины ударного или виброударного действия. Они обладают важным конструктивным достоинством — способностью опускать рабочий орган ниже уровня стояния базовой машины на значительную глубину — до 3,5 м.
Новосибирский трест «Строймеханизация» создал гидромеханическую трамбовку на базе трактора T-100 (рис. 106), предназначенную для уплотнения грунтов в пазухах фундаментов и в траншеях. Навесное оборудование машины состоит из укрепленной на задней стенке трактора неподвижной несущей рамы, к которой шарнирно подвешена стрела с направляющими для молота массой 400 кг. С противоположной стороны несущей рамы укреплен противовес, обеспечивающий машине устойчивость.
Цепь, приводимая в движение гидравлическим двигателем, с двумя парами подхватывающих кулачков поднимает молот по направляющим на высоту до 2 м. В крайнем верхнем положении ролики упоров, накатываясь на скосы-ограничители, срываются с кулачков подъемной цепи и освобождают молот, который свободно падает вниз. Вылет рабочего органа от края гусеницы составляет 2,4 м, частота ударов в минуту — 20, производительность — до 80 м3/ч.
Подъем и опускание стрелы с помощью гидроцилиндра позволяет уплотнять грунт как выше, так и ниже уровня стояния базовой машины (до 1 м). Наличие двух гидроцилиндров наклона стрелы позволяет эту операцию выполнять под разными углами при изменении наклона направляющей рамы.
В ряде зарубежных стран различными фирмами выпускаются машины ударного действия, базирующиеся на пневмоколесных погрузчиках и самоходных шасси.
В последнее время специально для стесненных мест созданы опытные образцы вибротрамбовок, навешиваемых как сменное оборудование вместо ковша обратной лопаты на гидравлический экскаватор Э-153. Вибротрамбующая плита, имеющая массу 100— 300 кг и амплитуду колебаний 5—10 мм, соединяется с рукоятью экскаватора через амортизаторы. Пригруз плиты осуществляется за счет усилия гидроцилиндра стрелы экскаватора. Вибратор направленного действия приводится от гидравлического двигателя, питаемого от общего гидравлического насоса экскаватора. Во время работы плита с размером основания 50х50 см может быть опущена на 1,5—2 м ниже уровня стояния машины. Испытания аналогичной машины, смонтированной на колесном тракторе Т-40, вибротрамбующая масса которой равна 100 кг, а амплитуда колебаний составляет 5 мм при частоте вращения дебалансного вала 1100 в минуту, показали ее пригодность для уплотнения грунтов в узких и труднодоступных местах слоями толщиной 20—30 см. Содержание глинистых частиц в грунте при этом не должно быть больше 5—6%.
Заслуживает внимания конструкция гидравлической вибротрамбовки, выпускаемой в Англии (рис. 107). Трамбовка крепится к рукояти гидравлического экскаватора посредством шарнирного механизма и управляется дополнительным гидроцилиндром.
В настоящее время предпринимаются попытки для уплотнения грунтов в траншеях использовать катки. В США для уплотнения грунтов в траншеях шириной 0,4 и 0,6 м применяется агрегат, состоящий из двух кулачковых вальцов (рис. 108). Масса одного вальца без балласта составляет 520 кг, а с балластом около 900 кг. Агрегат буксируется гусеничным тягачом-бульдозером, к толкающей раме которого прикреплена боковая стрела с поворотным шарниром, допускающая возможность смещения катка вверх и вниз внутри траншеи.
При обратной засыпке траншеи грунт распределяется слоями толщиной 15—20 см. В зависимости от вида грунта и его влажности для уплотнения каждого слоя необходимо от 4 до 10 проходов этого агрегата. Агрегат обеспечивает уплотнение 1500 м траншеи глубиной 1,5 м за 10 ч работы. При этом стоимость уплотнения по сравнению со стоимостью работ при использовании пневматических ручных трамбовок ниже в 6 раз.
Иногда целесообразно применять катки в качестве навесного оборудования. В зависимости от размеров траншеи трактор может передвигаться либо над траншеей, либо по ее дну. В Австралии применен агрегат, состоящий из гусеничного трактора и навешенного на него гладковальцового катка. При сравнительно небольшой массе катка можно реализовать значительное силовое воздействие на грунт благодаря частичной передаче на него силы тяжести трактора. Имеется также агрегат, состоящий из гусеничного трактора и навесного кулачкового катка.
Грунты в траншеях уплотняют также глубинными вибраторами. Этот метод применим при несвязных грунтах. Под вибратор подается вода под давлением 6—10 кгс/см2, что облегчает его погружение в грунт и извлечение из грунта. Глубинный вибратор навешивается на экскаватор, кран или трактор. Таким методом в Ленинграде в течение 7 лет было уплотнено в траншеях более 50 тыс. м3 несвязного грунта. Этот метод применим при отсутствии опасности расстроить или разрушить подземную коммуникацию и при хорошо обеспеченном водоотводе, что в траншее вы полнить зачастую затруднительно или вообще невозможно.
При строительстве дорог правилами предусмотрены три стадии засыпки водопропускных труб грунтом: заполнение пазух между стенками котлована и фундаментом до уровня верхней отметки фундамента, засыпка непосредственно трубы слоями не более 15—20 см с тщательным уплотнением на высоту, равную диаметру трубы и толщине защитного слоя (0,2 м), и, наконец, возведение над трубой остальной части насыпи до проектной отметки (см. рис. 105). Эти правила аналогичны правилам производства работ при обратной засыпке траншей, но размеры оставляемых прогалов, т. е. расстояний между водопропускной трубой и земляным полотном, в отличие от траншей позволяют применять для основной засыпки обычные уплотняющие средства.
Таким образом, при уплотнении грунта над водопропускными трубами, так же как и для траншей, целесообразно иметь два типа уплотняющих машин: для подбивки пазух у труб у фундаментов и для уплотнения основной досыпки. Кроме того, при уплотнении основной засыпки необходимо устраивать съезды в конце трубы для разворота движущейся вдоль нее машины или применять механизированные средства, способные вести работу челночным способом.
Для подбивки пазух, помимо уже рекомендованных средств, можно использовать также малогабаритные трамбовки массой до 40 кг и небольшие самопередвигающиеся или навешиваемые на гидравлический экскаватор виброплиты и вибротрамбовки. Грунт защитного слоя и основной засыпки можно уплотнять, учитывая габариты прогалов, катками или какими-либо средствами динамического воздействия с регулируемой интенсивностью нагрузки. При выборе такого средства следует предусмотреть необходимость уплотнения грунта у самой стенки трубы, так как не каждая машина способна к ней подойти или подать туда свой рабочий орган.
В транспортном строительстве на базе трактора Т-74 создана машина для уплотнения грунта при засыпке водопропускных труб (рис. 109). Машина допускает вынос рабочего органа по специальным трубчатым направляющим за край следа гусеницы на 85 см и таким образом может уплотнять грунт у стенки трубы. Рабочий орган машины относится к виброударным (см. рис. 85, в).
Удар молота передается на грунт через шабот. Подъем основной рамы с молотом в транспортное положение осуществляется гидроцилиндром. Рабочая скорость трактора может быть понижена ходоуменьшителем. Ударная часть молота массой 680 кг имеет размах колебаний 50—55 мм при частоте трамбования 360 ударов в минуту, а размер шабота в плане составляет 80х86 см. Толщина уплотняемого слоя легкого суглинка равна 30—35 см, а песчаного грунта — 50—60 см.
Машина с возможностью выноса рабочего органа — катка, вибрационной или трамбующей плиты — за край гусеницы тягача может решить также проблему уплотнения краевых полос насыпи.
