НЕОБХОДИМОСТЬ И СПОСОБЫ УПЛОТНЕНИЯ ГРУНТА
Уплотнение грунта применяется при постройке различных объектов: железных и автомобильных дорог, земляных дамб и фундаментов строений, улиц и магистралей, каналов и резервуаров, спортивных и складских площадок, стоянок для машин и аэродромов, промышленных или жилых зданий и много другого. Эта процедура позволяет увеличить прочность и несущую способность не только почвы, но и укладываемых сверху каменных материалов, цементо- или асфальтобетона.
Между степенью уплотнения грунта и прочностными характеристиками этих материалов существует определенная зависимость: увеличение первого параметра всего на 1 % приводит к повышению прочности на 10-15 %. Стоимость такой операции, как правило, составляет всего 3-5 % от общей сметы строительства. При этом следствием невыполненного или неправильно выполненного уплотнения грунта станут осадки или другие разрушения, повышающие стоимость содержания сооружения.
ОПТИМАЛЬНЫЕ УСЛОВИЯ ВЫПОЛНЕНИЯ УПЛОТНЕНИЯ ГРУНТА
Критерием правильно проведенного уплотнения грунта служит его плотность. При этом помимо типа почвы основным фактором, влияющим на результат работы, является ее влажность. От нее зависит подвижность частиц грунта. Оптимальный уровень влажности для песка – 8-14 %, для супеси – 9-15 %, для суглинка – 12-18 % и для глины – 16-26 %. При соблюдении этих параметров необходимая степень уплотнения грунта достигается наименьшими затратами.
Слишком сухую почву требуется увлажнять. Вода позволяет частицам грунта легче менять свое положение и уменьшает сопротивляемость. Если увлажнение провести невозможно, следует уменьшать толщину уплотняемых слоев почвы. Это позволяет добиться аналогичного результата. Возможна и обратная ситуация, когда грунт оказывается переувлажненным. В этом случае поры в нем заняты не воздухом, а водой, существенно мешающей уплотнению. Такую почву необходимо подсушивать.
СПОСОБЫ УПЛОТНЕНИЯ ГРУНТА
Существует несколько способов уплотнения грунта:
Первый дорожный каток был построен в 1902 году в Англии. Он весил 16 т и работал на керосине. В России использование самоходных катков с гладкими металлическими вальцами при строительстве асфальтобетонных дорог было начато в 1925 году.
В настоящее время наибольшее распространение получили уплотняющие машины комбинированного действия. В своей работе они сочетают несколько способов уплотнения грунта и являются более эффективными. К таким устройствам относятся, например, виброкатки или вибротрамбовки.
УПЛОТНЕНИЕ ГРУНТА ПРИ СООРУЖЕНИИ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА
Общие положения
Уплотнение — механизированный способ уменьшения пустот в грунтах, сопровождающийся сближением частиц и агрегатов и выжиманием воздуха. При этом изменяются свойства грунта: уменьшается пористость, возрастает число контактов частиц в единице объема, увеличивается прочность, уменьшается водопроницаемость, измениются температурные характеристики.
Основным параметром процесса уплотнения, определяющим его эффективность, является плотность материала. Эффективность уплотнения зависит от величины уплотняющих нагрузок и времени их действия. Поэтому основная задача теории уплотнения — установление связи между плотностью материала, величиной уплотняющих нагрузок и времени их действия.
Процесс уплотнения заключается в необратимом сжатии зернистой системы под воздействием главных нормальных напряжений, которые прямо пропорциональны уплотняющей нагрузке. Сближение частиц происходит в результате приложения к ним цикличной нагрузки. В процессе нагрузки напряжение в грунте повышается до наибольшего значения, при разгрузке — понижается. Под скоростью изменения напряженного состояния при цикличной нагрузке понимается скорость изменения напряжения во времени:
Уплотнение грунтов, из которых сооружается земляное полотно, является технологическим процессом, в результате которого достигаются расчетная прочность, устойчивость и стабильность дорожной конструкции.
Для уплотнения связных грунтов целесообразно применять катки статического уплотнения, несвязных грунтов — катки динамического уплотнения, а также катки на пневматических шинах. Уплотнение рыхлых, особенно глинистых, грунтов следует производить двумя видами катков: предварительное уплотнение (при- катка) — массой 6. 12 т, окончательное уплотнение — массой более 25 т.
Контактное давление на протяжении всего процесса уплотнения должно быть близко к пределу прочности грунта. При превышении предела прочности грунта могут возникнуть явления местного разупрочнения: волнообразование перед колесами катков, выдавливание грунта в стороны при трамбовании.
Каждый последующий проход уплотняющей машины по одному следу нельзя делать до тех пор, пока вся ширина земляного полотна не будет перекрыта следами предыдущего прохода уплотняющей машины; на насыпях шириной более 20 м допускается продольное деление захваток.
При влажности менее допустимой несвязные и малосвязные грунты рекомендуется увлажнять в отсыпанном слое незадолго перед уплотнением. Связные грунты, в которых перераспределение влаги идет медленнее, рекомендуется увлажнять на месте разработки (в карьере, выемке, резерве) после их разрыхления.
При интенсивных кратковременных дождях, приводящих к переувлажнению грунтов, отсыпку и уплотнение связных грунтов следует прекращать до их просыхания. В этом случае принимают меры к ускорению просушивания грунтов (рыхление, перевалка грейдерами, бульдозерами и т.п.). Допускается удалять верхний, переувлажненный после дождя слой грунта в отвал с последующим его использованием в других местах.
Основы нормирования и обеспечения требуемой степени уплотнения земляного полотна автомобильных дорог
Государственный дорожный научно-исследовательский институт ФГУП «СОЮЗДОРНИИ»
ОСНОВЫ НОРМИРОВАНИЯ И ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТРЕБУЕМОЙ СТЕПЕНИ УПЛОТНЕНИЯ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ
1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИСКУССТВЕННОГО УПЛОТНЕНИЯ СВЯЗНЫХ ГРУНТОВ ПРИ СООРУЖЕНИИ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА
1.1. Сущность искусственного уплотнения грунта
1.2. Предел уплотнения грунта при заданной влажности
1.3. Зависимость достигаемой плотности от уплотняющего воздействия
2. ПЛОТНОСТЬ ГРУНТА И ЕГО СВОЙСТВА
2.1 Свойства уплотненного грунта, учитываемые при сооружении автомобильных дорог
2.2 Плотность грунта и его прочность
2.3 Плотность грунта, его водно-физические и криогенные свойства
2.4 Условия обеспечения стабильности свойств искусственно уплотненного грунта
3. НОРМИРОВАНИЕ ПЛОТНОСТИ В ДОРОЖНОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ
4. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТРЕБУЕМОЙ СТЕПЕНИ УПЛОТНЕНИЯ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА
5. ВОПРОСЫ КОНТРОЛЯ ПРИ УПЛОТНЕНИИ ГРУНТОВ
Обобщены в компактной форме результаты исследований, выполненных различными авторами, в том числе в Союздорнии, по одной из важнейших проблем, непосредственно связанной с надежностью и долговечностью дорожных конструкций.
Освещены теоретические основы уплотнения грунтов земляного полотна и нормирования степени уплотнения, принятые в отечественной практике в сопоставлении с практикой других стран.
Отражены основные положения по методам и средствам обеспечения требуемой степени уплотнения.
Обращено внимание на предложенные в последние годы (в том числе авторами) экспресс-методы контроля степени уплотнения и увлажнения грунтов, обеспечивающие достаточную оперативность необходимой количественной оценки при контроле качества уплотнения в условиях дорожного строительства.
Работа предназначена для широкого круга специалистов, связанных с проблемой уплотнения грунтов, а также для студентов и аспирантов дорожной отрасли.
ПРЕДИСЛОВИЕ
То обстоятельство, что крупные основные публикации, касающиеся этой темы, появились давно и многие из них вошли в категорию раритетов, вызывает определенные трудности в части обеспечения преемственности в ее решении. В частности, в последние годы возникают дискуссии о необходимости пересмотреть нормы уплотнения грунтов, используемых при сооружении земляного полотна. При этом зачастую не учитывается в полной мере предшествующий опыт, в технической литературе появляются некорректные публикации, а это ведет к принятию неоправданных решений.
В таких условиях представилось необходимым выполнить обобщающую работу, которая осветила бы состояние проблемы с учетом новых данных науки и практики в этой области.
Работа написана д-ром техн. наук, проф. В.Д. Казарновским (разделы 1 и 2, заключение), инж. А.К. Мирошкиным (разделы 3 и 4 совместное В.Д. Казарновским), канд. техн. наук И.В. Лейтланд (раздел 5 совместно с А.К. Мирошкиным).
Общее редактирование выполнил заслуженный деятель науки и техники РФ, академик Российской академии транспорта, доктор технических наук, проф. В.Д. Казарновский.
Авторы надеются, что предлагаемая работа может быть полезна как молодым научным работникам, включающимся в решение этой проблемы (или уже работающим над ней), так и производственникам, и может быть использована в учебном процессе при подготовке инженеров-дорожников.
Генеральный директор В.М. Юмашев
1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИСКУССТВЕННОГО УПЛОТНЕНИЯ СВЯЗНЫХ ГРУНТОВ ПРИ СООРУЖЕНИИ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА
1.1. Сущность искусственного уплотнения грунта
Грунт представляет собой трехфазную систему, включающую твердую (частицы), жидкую (вода, водные пленки) и газообразную фазы.
Слой грунта, отсыпанного в насыпь, представляет собой полиагрегатную систему, между агрегатами которой формируются межагрегатные поры (макропоры), заполненные в основном газообразной фазой [ 1].
В этой системе твердые грунтовые частицы не уплотняются под воздействием реальных нагрузок. Практически не уплотняемой является и жидкая фаза. Уплотнение такой системы возможно только за счет удаления из нее газообразной или жидкой фазы.
Процесс удаления жидкой фазы связан с фильтрацией отжимаемой воды и при реальной мощности уплотняемого слоя грунта может происходить только при длительном (измеряемом сутками, месяцами и годами) действии уплотняющей нагрузки (консолидация).
На практике искусственное уплотнение грунта, отсыпаемого в насыпь, производится кратковременными (измеряемыми секундами) нагрузками, поэтому вода не успевает сколько-нибудь существенно отжаться из грунта. В результате уплотнение системы связывается только с отжатием газообразной фазы из межагрегатных полостей.
1.2. Предел уплотнения грунта при заданной влажности
(1)
Этой зависимости при ρ s = 2,70 г/см 3 соответствует кривая 1 на рис.1.
Таким образом, грунт с некоторой влажностью Wi не может быть уплотнен до плотности большей, чем соответствующая этой влажности плотность по кривой 1 (см. рис.1) независимо от величины кратковременной нагрузки. Для получения большей плотности нужно предварительно умёньшить влажность грунта.
1. вследствие образования воздушных остаточных пор (защемленный воздух), в результате чего грунт никогда полностью не лишается газообразной фазы (т.е. остается трехфазным);
2. из-за недостаточного уплотняющего воздействия (недостаточные величина напряжений и суммарная длительность их приложения, и т.п.).
Если вторую причину для реальных грунтов можно исключить за счет применения уплотняющего воздействия с соответствующими параметрами, то первая остается во всех случаях, хотя в количественном выражении величина воздушной остаточной пористости может зависеть от уплотняющего воздействия (никогда, однако, не обращаясь в ноль).
Достижение плотности 
возможно лишь при высокой влажности грунта, когда его использование в насыпях практически невозможно уже по технологическим причинам (липкость, проходимость и т.п.).
По данным Ленинградского филиала Союздорнии (Ю.М. Васильев и др.) остаточное содержание воздушной фазы в уплотненном грунте составляет [ 8, 17] (табл. 1 ):
Таблица 1
Остаточное содержание воздуха, доли единицы объема
(2)
где ρd и ρв, — плотность соответственно сухого грунта и воды, т/м 3 ;
В связи с наличием воздушной остаточной пористости плотность грунта с заданной влажностью после уплотнения не может быть больше величины 
:
1.3. Зависимость достигаемой плотности от уплотняющего воздействия
Как уже отмечалось выше, величина воздушной остаточной пористости V о в общем случае зависит от уплотняющего воздействия: она будет тем меньше, чем больше уплотняющее усилие и более длительное время действует (больше число приложений нагрузки). В общем виде характер зависимости получаемой плотности от влажности грунта при уплотнении отображается кривыми уплотняемости грунта, к которым относится и так называемая «кривая стандартного уплотнения» (рис.3).
Ее можно получить трамбованием грунта при строго заданных (стандартизованных) параметрах уплотняющего воздействия, в которые входят:
— масса падающего груза;
— диаметр площадки, передающей нагрузку на грунт;
— толщина уплотняемого слоя;
Количественные параметры кривой стандартного уплотнения зависят от значений указанных параметров.
Увеличение уплотняющего воздействия (усилия и времени его действия) приводит к смещению кривой уплотняемости влево ( см. рис.3 ). Это означает, что величина максимальной плотности увеличивается, а оптимальная (для данного увеличенного воздействия) влажность понижается. Вместе с тем во всех случаях, как бы ни было увеличено уплотняющее воздействие, 
не может превышать величины 
.
Насколько 
будет приближаться к 
зависит от уплотняющего воздействия. При недостаточно большом для данной влажности грунта воздействии величина 
не может быть достигнута ни при какой суммарной длительности действия нагрузки (числе приложения). В то же время при достаточной величине нагрузки предельную фактическую плотность можно получить тем быстрее, чем больше нагрузка (рис.4 ).
2. ПЛОТНОСТЬ ГРУНТА И ЕГО СВОЙСТВА
2.1 Свойства уплотненного грунта, учитываемые при сооружении автомобильных дорог
С точки зрения строительства земляного полотна автомобильных дорог интерес представляют две категории свойств уплотненного грунта:
2.2 Плотность грунта и его прочность
.Изучению зависимости прочности грунта от его плотности посвящены многочисленные фундаментальные труды крупнейших геотехников. Среди отечественных ученых можно отметить проф. Н.Н. Маслова, проф. Н.А. Цытовича, проф. Х.М. Шахунянца, проф. Н.Я. Хархуту и многих других.
Общие выводы из результатов этих работ сводятся к следующему.
При заданной влажности сцепление связного грунта увеличивается с ростом плотности. Характер этой зависимости применительно к уплотнению кратковременной нагрузкой представлен на рис.5, из которого видно, что прирост сцепления на конечном участке замедляется и при предельном уплотнении достигает своей максимальной величины.
В то же время угол внутреннего трения, сильно зависящий от влажности грунта, при постоянной влажности почти не зависит от плотности [25].
Деформативность (модуль деформации) грунта уменьшается при увеличении его плотности (при постоянной влажности), однако в ряде случаев отмечается ее снижение при превышении некоторой плотности грунта (эффект «переуплотнения» по Н.Я. Хархуте). Это объясняется появлением структурных изменений в грунте при попытке получить плотность, превышающую некоторую величину для данного грунта при определенном уровне его увлажнения ( рис. 6 ).
Таким образом, по указанным данным можно сделать следующий общий вывод: увеличение плотности в целом способствует повышению прочности и снижению деформативности грунта до определенного предела, соответствующего данной влажности, однако при некоторых условиях попытки получить большую плотность могут привести к эффекту переуплотнения, связанному с изменением агрегатного состава грунта.
2.3 Плотность грунта, его водно-физические и криогенные свойства
Вопрос о влиянии плотности на капиллярное поднятие изучался многими учеными [ 9, 10, 20]. Общий результат исследований сводится к тому, что повышение плотности при заданной влажности замедляет поднятие капиллярной воды вплоть до практического прекращения движения воды в этой форме.
Водопроницаемость в зависимости от плотности глинистых грунтов изучалась как гидротехниками, так и дорожниками, установившими, что при повышении плотности она может быть существенно снижена (вплоть до нуля).
Способность грунта впитывать воду в зависимости от плотности изучена В.И. Рувинским, показавшим, что увеличение плотности ведет к снижению впитывающей способности [9].
Наряду с отмеченным, важной закономерностью является то, что пучинистость грунта при промерзании определяется исходной влажностью и условиями подтока воды в зону промерзания (закрытая или открытая система), т.е. зависит не только от свойств грунта, но и от конструкции земляного полотна. Миграция воды в зоне промерзания имеет пленочный механизм. Ее максимум для данного грунта достигается при максимальной толщине пленок, что имеет место при влажности, близкой к максимальной молекулярной влагоемкости. Дальнейшее увеличение влажности грунта не приводит к существенному повышению пучинистости при промерзании.
Вместе с тем уменьшение исходной влажности грунта при промерзании в целом снижает его пучинистость, величина которой определяется в этом случае разностью фактической влажности и влажности, соответствующей незамерзающей пленочной влаге. Последняя зависит от значения отрицательной температуры: чем оно ниже, тем меньше в грунте незамерзшей влаги. Процесс миграции воды в зону промерзания определяется пленочно-капиллярным механизмом и связан с режимом (скоростью) промерзания. Таким образом, величина пучинистости грунта зависит не только от плотности грунта, но и от его влажности, условий притока капиллярной воды и режима промерзания.
Как видим, механизм морозного пучения достаточно сложен, вследствие чего величина пучения определяется не только плотностью фунта, но и рядом других факторов.
Набухание может происходить только при влажности меньше так называемой влажности на границе усадки. Понижение влажности уплотняемого грунта ниже границы усадки приводит к разуплотнению грунта в случае его последующего увлажнения. Это происходит тем медленнее, чем больше плотность грунта, но в любом случае плотность грунта со временем при набухании достигает величины, соответствующей его влажности на границе усадки.
2.4 Условия обеспечения стабильности свойств искусственно уплотненного грунта
В связи с указанным, при комплексном проектировании земляного полотна и дорожных одежд оперируют такими понятиями как расчетный период, расчетный год и т.д.
Н.Я. Хархутой и Ю.М. Васильевым показано [ 3, 8], что плотность грунта земляного полотна с течением времени приближается к некоторой величине, именуемой «бытовой плотностью». Она отражает все оказываемые воздействия на грунт в процессе эксплуатации.
Важным обстоятельством при этом является то, что результат воздействия агрессивных факторов зависит не только от свойств грунта, но и в значительной степени от конструкции земляного полотна и дорожной одежды, а также расположения данного грунтового слоя в конструкции. В связи с этим при нормировании плотности земляного полотна следует учитывать общие климатические условия, особенности конструкции и условия расположения грунта в ней.
Кроме того, необходимо дать технико-экономическое обоснование затрат на ту или иную степень уплотнения, сопоставляя их с реальными результатами работы конструкции в целом с учетом изменений плотности (и, следовательно, свойств) грунта во времени.
Общие выводы в отношении зависимости свойств уплотненного грунта от его плотности сводятся к следующему:
1. Водно-физические, физико-механические и криогенные свойства грунта зависят как от плотности, так и от влажности грунта при уплотнении.
2. При заданной влажности повышение плотности может благоприятно сказаться на свойствах грунта, однако при этом необходимо учитывать следующее:
— пределом, к которому стремятся показатели физико-механических, водно-физических и криогенных свойств грунта, являются их значения, отвечающие предельно достижимой плотности грунта при данной его влажности 
;
— асимптотический характер той или иной зависимости может отражать достаточно малый эффект от дополнительного уплотнения в зоне, где плотность грунта приближается к фактически предельно достижимой;
4. Уровень «бытовой плотности» зависит от начальной плотности грунта и в целом не превышает ее. Однако при некоторой начальной плотности «бытовая плотность» мало отличается от начальной, что позволяет говорить о достижении стабильной плотности грунта уже при сооружении земляного полотна.
3. НОРМИРОВАНИЕ ПЛОТНОСТИ В ДОРОЖНОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ
Стандартное уплотнение как база нормирования
В дорожном строительстве России, как и многих других стран, степень уплотнения песчаных и глинистых грунтов при сооружении земляного полотна автомобильных дорог нормируют на основе некоторой эталонной зависимости «влажность грунта при уплотнении плотность сухого грунта», получаемой опытом на стандартное уплотнение. Грунт уплотняют в жесткой цилиндрической форме приложением трамбующей нагрузки со стандартными массой трамбующего груза, высотой его сбрасывания, числом приложений нагрузки, условиями передачи нагрузки на грунт, толщиной и числом слоев.
. (4)
В основе нормирования плотности лежит выражение
— требуемый коэффициент уплотнения.
Таблица 2
Значение параметра по методике
Внутренний диаметр формы, мм
Вместимость формы, см 3
Диаметр контакта при ударе, мм
Число ударов на слой
Удельная энергия уплотнения, Дж/см 3
(5)
Таблица 3
Элемент земляного полотна
Глубина расположения слоя от поверхности покрытия, м
Наименьший коэффициент уплотнения грунта при типе дорожной одежды
облегченном и переходном
в дорожно-климатических зонах
Неподтопляемая часть насыпи
Подтопляемая часть насыпи
В рабочем слое выемки ниже зоны сезонного промерзания
В нормах декларируются возможность и целесообразность при соответствующем технико-экономическом обосновании более значительного уплотнения грунта верхней части рабочего слоя (0,2-0,3 м). В этом случае требуется, сохранить повышенную степень уплотнения во времени. Для V дорожно-климатической зоны, где грунты в недоувлажненном состоянии, рекомендуется на основе технико-экономического анализа рассмотреть целесообразность увеличения степени уплотнения в указанной части рабочего слоя до Ку 1,0÷1,05. Такая же рекомендация дается для дорог I категории независимо от дорожно-климатической зоны.
Следует отметить, что аналогичные рекомендации для верхнего слоя земляного полотна толщиной 20 см есть в зарубежных нормах, но только для слоев из зернистых материалов (песков).
Вместе с тем, заложенное уже в определение требуемых коэффициентов уплотнения условие обеспечения стабильности, т.е. малой изменяемости во времени плотности грунта при уплотнении, является вообще одним из основополагающих при нормировании плотности. В работах Н.Я. Хархуты, Ю.М. Васильева и др. обращается внимание на то, что уплотнение благоприятно сказывается на механических, водно-физических и криогенных свойствах грунта, однако само по себе оно не может исключить полностью сезонные изменения плотности и влажности грунта под воздействием факторов, формирующих водно-тепловой режим земляного полотна [ 3. 8, 9 ].
В результате возникают процессы морозного пучения, набухания и т.д., поэтому плотность и влажность грунта не остаются постоянными в течение годового цикла. Диапазон их изменения (и, следовательно, прочности и деформативности) зависит от их исходных значений, интенсивности и длительности внешних воздействий и может затухать от цикла к циклу. В частности, В.И. Рувинский [9] показал, что такой характер имеет разуплотнение вследствие морозного пучения.
Это обстоятельство при нормировании плотности учитывается следующим образом:
1. Требуемая плотность должна обеспечивать минимально возможные изменения свойств грунта в годовом цикле.
2. При реализации норм следует учитывать, что амплитуда изменения свойств зависит не только от плотности, но и от влажности грунта при уплотнении.
3. Уменьшение плотности со временем должно учитываться при назначении не только норм уплотнения, но и прочностных и деформационных характеристик грунта рабочего слоя, используемых в расчете дорожных одежд [13]. При этом необходимо ориентироваться не на начальные плотность и влажность грунта, а на стабилизировавшийся их уровень, который зависит не только от свойств грунта, но и от конструктивных параметров земляного полотна и дорожной одежды. Поскольку при нормировании плотности масштабом служит величина максимальной плотности при стандартном уплотнении, а этот метод в принципе является чисто эмпирическим (в связи с чем и существуют различные его варианты), представляет интерес сопоставление значений 
и Wopt. получаемых по различным методикам стандартного уплотнения. В табл.4 приведены результаты специально проведенных испытаний глинистых грунтов с различными значениями числа; пластичности [7].
Таблица 4
Союздорнии ( ГОСТ 22733-77)
Суглинок тяжелый пылеватый ( Jp =13,5)
Глина пылеватая ( Jp =23,2)
Как видим, значения коэффициента для пересчета зависят от типа грунта, однако для всех грунтов с точностью не менее 0,015 его можно принять: для нормального Проктора 0,975, для модифицированного 1,06. В этом случае известные нормы плотности, принятые в различных странах, можно пересчитать на метод Союздорнии ( табл. 6 ).
Таблица 5
Коэффициент для пересчета норм по методу
Суглинок тяжелый пылеватый ( J р =13,5)
Анализ табл. 6 показывает, что если не считать требования к плотности верхнего зернистого слоя толщиной 0,2 м в нормах США и Германии, то требуемая степень уплотнения в пределах рабочего слоя не превышает 1,01 и не опускается ниже 0,93. При этом принятые в России нормы являются одними из самых жестких (после Финляндии).
Следует обратить внимание, что обеспечение норм плотности всегда рассматривается в комплексе с влажностью грунтов при уплотнении, поэтому действующие нормы содержат определенные требования к степени увлажнения грунта.
Однако реально влажность грунта при уплотнении имеет решающее значение с нескольких точек зрения, поэтому действующие нормы предусматривают в отношении ее определенные ограничения. Совокупность их трактует понятие «оптимальная» влажность в гораздо более широком смысле, чем это имеет место в опыте на стандартное уплотнение.
Таблица 6
Метод стандартного уплотнения
Нормы плотности, доли единицы
Коэффициент приведения к методу Союздорнии
Нормы плотности в пересчете на метод Союздорнии
Союздорнии ГОСТ 22733-77
Нормальный Проктор А SN М D 698-91
Нормальный Проктор DJN 18127:1993
При этом учитываются следующие позиции.
3. Влажность при уплотнении влияет на свойства грунта в уплотненном состоянии (наряду с плотностью). При одной и той же плотности сухого грунта свойства уплотненного грунта могут существенно зависеть от его влажности в момент уплотнения [26]. Требуемой с этой точки зрения является такая влажность, при которой свойства грунта приобретают необходимый уровень и стабильность.
Говоря об оптимальной влажности в широком смысле, имеют в виду максимальное удовлетворение всем частным ограничениям, обеспечивающим в итоге:
— физическую возможность достижения требуемой плотности;
— стабильность структуры уплотненного грунта;
— максимальную экономическую эффективность технологического процесса.
Такой комплексный подход при нормировании уплотнения грунтов реализуется уже на стадии разработки методик стандартного уплотнения. В частности, при выборе параметров стандартного уплотнения Союздорнии исходили из двух условий [6]:
1. получаемые плотности образца должны быть достаточно близки требуемой плотности (за которую принимали плотность грунта насыпей в возрасте не менее 20 лет);
2. при получаемой оптимальной влажности требуемая плотность могла быть достигнута приемлемым количеством проходов (не более 10-15) катка средней массы (8 т).
Очевидно, что оптимальная с точки зрения эффективности работы уплотняющей машины или механизма влажность грунта должна меняться в зависимости от параметров уплотняющего воздействия, т.е. от возможностей машины.
В этом отношении показательно введение модифицированного метода Проктора, разработанного для тяжелых уплотняющих машин (15 т и более). Уплотняющее воздействие этих машин позволяло при несколько более низкой, чем оптимальная по нормальному Проктору, влажности добиваться плотности выше максимальной по обычному Проктору.
Зависимость оптимальной влажности от параметров техники поставила вопрос о дополнительных ограничениях при определении оптимальной влажности грунта при сооружении земляного полотна:
— возможность получить наиболее стабильную к внешним погодно-климатическим воздействиям структуру грунта после уплотнения;
Выполненный анализ большого фактического материала показал, что достаточно близка такой влажности величина оптимальной влажности, получаемой по методам Союздорнии и нормального Проктора [ 4, 3, 18]. Она, в свою очередь, приближается к влажности на границе раскатывания ( W р ), которая определяет переход грунта из твердой консистенции в пластичную. Оптимальная влажность по модернизированному Проктору ( см.табл.4 ) составляет 0,82-0,80 оптимальной по методу Союздорнии. При такой влажности структура грунта хотя и имеет большую прочность в момент завершения уплотнения, но может оказаться менее устойчивой во времени при активном воздействии погодно-климатических факторов (прежде всего, увлажнения) вследствие избытка свободных поверхностных сил. Степень неустойчивости структуры грунта может сильно зависеть от его состава (в том числе минералогического).
При втором ограничении речь идет о соотношении влажности грунта, при которой физически может быть достигнута требуемая плотность, и реальной природной влажности грунта.
Применительно к методу стандартного уплотнения Союздорнии действующие СНиП 2.05.02-85 (прил. 2, обязательное, табл.11) классифицирует грунты по степени увлажнения следующим образом:
Таблица 7
Супеси легкие и пылеватые
Супеси тяжелые пылеватые, суглинки легкие и легкие пылеватые
Суглинки тяжелые и тяжелые пылеватые, глины
Таким образом, при требуемой степени уплотнения для рабочего слоя 1,0-0,98 предельно допустимая степень увлажнения грунта составляет:
супесей легких и пылеватых
супесей тяжелых пылеватых, суглинков легких и легких пылеватых
суглинков тяжелых и тяжелых пылеватых, глин
Таким образом, принятые значения требуемых норм уплотнения (1,0-0,95) сбалансированы с данными о природной влажности грунтов центрального региона, которая позволяет получать эту степень уплотнения в большинстве случаев.
Вместе с тем, если попытаться с помощью отраженных в табл.4 коэффициентов перейти к значениям предельно допустимой степени увлажнения грунтов применительно к нормам, основывающимся на модифицированном Прокторе, то допустимая степень увлажнения составит:
супесей легких и пылеватых
супесей тяжелых пылеватых, суглинков легких и легких пылеватых
суглинков тяжелых и тяжелых пылеватых и глин
Сопоставление этих величин с наиболее часто встречающимися значениями природной степени увлажнения грунтов показывает, что грунты в природном состоянии примерно в 85% случаев попадают в категорию грунтов повышенной влажности (в лучшем случае), а требуемый коэффициент уплотнения 1,00-0,98 от стандартной плотности может быть достигнут не более чем в 15% случаев.
4. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТРЕБУЕМОЙ СТЕПЕНИ УПЛОТНЕНИЯ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА
В настоящее время для уплотнения грунтов используются различные уплотняющие средства, а уплотнение производят укаткой, трамбованием и вибрацией. На практике часто комбинируют средства уплотнения. Для глинистых грунтов эффективны укатка, трамбование, виброукатка и вибротрамбование.
Каждое уплотняющее средство обладает своим уплотняющим воздействием, вследствие чего влажность грунта, оптимальная для уплотнения его речными уплотняющими средствами, оказывается различной (рис.10).
Попытки получить большую степень уплотнения с помощью этих уплотняющих средств показывают, что диапазон, ограничивающий степень увлажнения по СНиП в этом случае должен быть существенно уже.
Обобщенные данные по исследованиям Л. Форссблада, Н.Н. Хархуты, Н.П. Вощинина и др. [ 5, 8, 22] в части условий, обеспечивающих высокие коэффициенты уплотнения связных грунтов, приведены в табл.8.
Таблица 8
Коэффициент уплотнения* по методу
Условия обеспечения коэффициентов уплотнения
Допустимый Ку по методу Союздорнии
Минимальное число проходов катка
* Достигается при Ку практически равном 1,0
Получить влажность грунта в пределах Ку=0,98÷1,02 мало реально, а без отклонений (1,0) просто невозможно.
Других средств уплотнения, выпускаемых серийно, в настоящее время нет. Трамбующие машины хорошо зарекомендовали себя при уплотнении дна котлованов и различных толстослойных засыпок у труб, мостов, путепроводов, при наличии дренажей, но использование их неэффективно при больших объемах работ. Кроме того, не налажен их серийный выпуск, а по производительности при линейных работах они уступают виброкаткам.
Нормирование степени уплотнения грунта земляного полотна является весьма важным инженерным мероприятием, направленным на обеспечение прочности и устойчивости дорожной инструкции «земляное полотно + дорожная одежда». К числу других мероприятий относятся: обеспечение требований по возвышению земляного полотна; ограничение номенклатуры грунтов, используемых в рабочем слое; применение специальных конструктивных слоев (морозозащитные, дренирующие и др.). Наконец, важным элементом системы мер является назначение характеристик грунта при расчете дорожных одежд не в соответствии с той плотностью и влажностью грунта, которые он имел при уплотнении, а с учетом последующих их изменений в расчетные периоды (снижение плотности и увеличение влажности) под влиянием водно-температурных факторов и напряжений. При этом интенсивность воздействия указанных факторов на грунт, подстилающий дорожную одежду, зависит от конструкции последней. Тип дорожной одежды определяет также допускаемые деформации и допуски в отношении количественных значений характеристик грунта.
Таким образом, лишь учет всех отмеченных взаимосвязей при комплексном подходе к назначению конструкции дорожной одежды в увязке с земляным полотном позволяет получить оптимальное решение, отражающее не только техническую, но и экономическую стороны.
Принцип комплексного проектирования рабочего слоя земляного полотна и дорожной одежды обоснован в работах М.Б. Корсунского и др., как наиболее целесообразный по технико-экономическим соображениям для строительства к эксплуатации дорог на территории России, разнообразной по природным (погодно-климатическим, теологическими т.п.) и социально-экономическим условиям.
5. ВОПРОСЫ КОНТРОЛЯ ПРИ УПЛОТНЕНИИ ГРУНТОВ
Качество уплотнения грунта при сооружении земляного полотна в отечественной практике характеризуется величиной коэффициента уплотнения. При этом эффективность контроля степени уплотнения грунта в процессе сооружения земляного полотна зависит от оперативности получения данных испытаний. Следует отметить, что применяемая методика, основывающаяся на использовании стандартизованных методов испытаний (определение плотности на отобранных образцах, установление влажности грунта методом термостатирования, проведение испытаний на стандартное уплотнение по ГОСТ и т.д.), не позволяет быстро получить нужные данные. Практически это означает, что в результате испытаний только фиксируется фактически достигнутая степень уплотнения, когда ничего изменить нельзя и (в лучшем случае) можно констатировать наличие брака.
Неудовлетворенность такой методикой контроля степени уплотнения вызвала разработку различных предложений по применению экспресс-методов контроля или переход на так называемый технологический контроль. Последний представляет собой систему, при которой на некотором головном участке отрабатывают технологию уплотнения, обеспечивающую достижение требуемой степени уплотнения заданного по составу и влажности исходного грунта при применении заданной техники. При этом устанавливают необходимую толщину слоя и число проходов уплотняющей техники, которые и контролируют при производстве работ.
В отечественной практике такая система контроля пока не нашла применения из-за разнородности используемых грунтов и различий в их исходной влажности. Взамен предложен целый ряд экспресс-методов определения требуемых для оценки степени уплотнения характеристик. В частности, в последние годы достаточно широкое распространение получают различного рода пенетрационные испытания, основанные на взаимосвязи плотности-влажности грунта с усилием, необходимым для вдавливания в грунт наконечников различной формы.
Известно, что с увеличением плотности грунта удельное сопротивление пенетрации возрастает. Однако на ее величину влияет не только плотность грунта, но и его влажность. Для песчаных грунтов влияние влажности несущественно, поэтому для таких грунтов используется прямая зависимость удельного сопротивления грунта пенетрации от плотности. В глинистых грунтах фактор влажности зачастую является определяющим. Тем не менее, удалось решить проблему учета влияния влажности и плотности грунта на величину удельного сопротивления пенетрации.
При этом использовали тот факт, что если на уплотнение образцов грунта при различной влажности затрачена определенная работа, эквивалентная работе стандартного уплотнения, то между удельным сопротивлением грунта пенетрации и его влажностью существует однозначная зависимость: с увеличением влажности грунта снижается величина удельного сопротивления пенетрации. Эту зависимость можно установить в лабораторных условиях на образцах, получаемых при испытании грунта на стандартное уплотнение. График зависимости удельного сопротивления грунта пенетрации от влажности, как правило, строят непосредственно под графиком кривой стандартного уплотнения (рис.11).
Определение плотности грунта с помощью плотномера-пенетрометра конструкции Союздорнии ( рис. 12 ) в процессе уплотнения осуществляют по следующей технологии:
— на обследуемом поперечнике готовят площадки размером 20×20 см, снимая верхний слой грунта толщиной 5 см;
— плавно с постоянной скоростью задавливают рабочий наконечник плотномера-пенетрометра в грунт на глубину 10 см. На одном месте (с расстоянием между точками задавливания наконечника не менее 10 см) данную операцию повторяют 4-5 раз;
— по результатам проведенных измерений подсчитывают среднюю арифметическую величину удельного сопротивления грунта пенетрации;
— по тарировочному графику (рис. 13) находят фактическое значение коэффициента уплотнения для соответствующей влажности. Тарировочный график строят предварительно в лаборатории при испытании грунта на стандартное уплотнение.
Для основных разновидностей грунтов имеются обобщенные тарировочные графики, которые можно использовать в практике строительства после соответствующей корректировки.
Данный метод пригоден для основных разновидностей песчаных и глинистых грунтов при влажности от 0,8 до 1,10 (оптимальной) и коэффициенте уплотнения от 0,93 до 1,02.
Лабораторными испытаниями установлено, что имеется взаимосвязь не только между удельным сопротивлением пенетрации и влажностью, но также и числом пластичности грунта. Полученная по результатам испытаний номограмма (рис. 14) дает возможность определить относительную, а затем и абсолютную влажности грунта.
Дальнейший анализ результатов эксперимента показал, что при Ку= 1÷1,4 прослеживается достаточно малая зависимость коэффициента увлажнения от числа пластичности грунта. Получен обобщенный график взаимосвязи удельного сопротивления пенетрации и коэффициента увлажнения грунта (рис. 15) (плотность соответствует кривой стандартного уплотнения).
В результате предложены два варианта методики:
1. определение фактической влажности грунта после установления числа пластичности (см. рис. 14 );
2. определение степени увлажнения грунта без учета числа пластичности (см. рис. 15 ). Техника реализации методики состоит в следующем:
— отбирается образец грунта нарушенной структуры при максимальном сохранении естественной влажности и уплотняется в один слой за 40 ударов трамбовки массой 1,5 кг ( рис. 16 );
— подготовленный образец испытывают на пенетрацию конусом с углом раскрытия α =30° под нагрузкой Р = 6 кгс ( рис.17 );
— по полученной величине удельного сопротивления пенетрации по номограммам рис. 14 или 15 определяют искомую величину.
Сравнение результатов, получаемых по разработанным вариантам, со стандартной методикой (по величине коэффициента увлажнения грунта) показало, что по первому варианту в 90% случаев при Ку=1,0÷1,4 различие в результатах определяемого параметра не превышает ±0,05 при среднем коэффициенте корреляции 0,97; абсолютная погрешность по коэффициенту увлажнения второго варианта не превышает ±0,10 при коэффициенте корреляции 0,95.
Методика ускоренного определения оптимальной влажности грунта сводится к следующему:
— готовят образец грунта согласно ГОСТ 5180-84 для определения влажности на границе текучести;
— из полученной грунтовой пасты формуют с помощью специального шаблона а виде кольца (рис. 18) образец грунта толщиной 1-2 мм и диаметром 50мм;
— подготовленный образец помещают под пресс любой конструкции с точностью фиксации нагрузки до 0,05 МПа и прикладывают статическую нагрузку Ро, величина которой зависит от числа пластичности грунта 1р (рис. 20, кривая 1) и выдерживают в течение 5 мин;
Для определения максимальной плотности предварительно в зависимости от числа пластичности грунта по рис.20 устанавливают величину остаточного коэффициента водонасыщения грунта (кривая 2) и плотность частиц грунта (кривая 3). Значение последней устанавливают по графику при отсутствии результатов прямого испытания.
Значение максимальной плотности грунта рассчитывают по формуле
6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В изложенном материале можно выделить следующие основные позиции:
2. Нормативные значения степени уплотнения определяются с учетом следующих основных положений:
— грунт, имеющий заданную влажность, нельзя уплотнить кратковременно действующей нагрузкой (при сколь угодно большом ее значении и числе приложений) до плотности выше плотности, соответствующей суммарному объему пор, равному объему воды, содержащейся в грунте при данной влажности. Большее уплотнение грунта возможно только после предварительного снижения его влажности; под воздействием факторов водно-теплового режима и напряжений от временной и постоянной нагрузок первоначально получаемая при уплотнении плотность грунта изменяется в годовом и многогодовом циклах. Степень изменения зависит от параметров воздействующих факторов; конструкции дорожной одежды, расположенной на поверхности земляного полотна; состава грунта и его исходного состояния по плотности и влажности. При прочих равных условиях наиболее стабилен грунт, имеющий при уплотнении влажность, близкую к максимальной молекулярной влагоемкости, когда практически вся вода находится в связанном состоянии. Эта влажность оптимальна для получения структуры грунта, наиболее стабильной к воздействию факторов водно-теплового режима;
— возможный предел уплотнения заданного грунта при заданной его влажности достигается при определенном уровне уплотняющего воздействия: величине возникающих напряжений и суммарной длительности их действия. Минимальное уплотняющее воздействие, которое позволяет достичь предела уплотнения грунта при влажности, обеспечивающей стабильную структуру, является наиболее рациональным с точки зрения затрат на уплотнение. В связи с этим уплотняющие средства должны позволять получить такое воздействие при приемлемой для практики суммарной длительности приложения уплотняющей нагрузки (число проходов и т.п.);
— в лабораторных условиях эталонную зависимость плотности грунта от его влажности можно получить методом стандартного уплотнения. Испытаниями на стандартное уплотнение определяются максимальная плотность и оптимальная влажность;
— из известных методов стандартного уплотнения оптимальную влажность, близкую максимальной молекулярной влагоемкости, дают обычный метод Проктора и метод Союздорнии. Установлено, что предел уплотнения достигается при этой влажности уплотняющими средствами средней массы (катки 8 т) за приемлемое число проходов и при соответствующем ограничении толщины уплотняемого слоя. Использование более тяжелой техники позволяет при той же влажности грунта уменьшить требуемое число приложений нагрузки и увеличить допустимую толщину уплотняемого слоя;
— обследование состояния по плотности насыпей земляного полотна, проработавших не менее 20 лет, показало, что плотность грунта в них близка к максимальной плотности при стандартном уплотнении по обычному методу Проктора или методу Союздорнии.
3. Выявленные закономерности позволили установить нормы уплотнения на основе параметров, получаемых по методам стандартного уплотнения, через коэффициенты уплотнения (отношение требуемой плотности сухого грунта к максимальной плотности сухого грунта при стандартном уплотнении). Для глинистых грунтов по нормам ведущих стран в пересчете на метод Союздорнии они колеблются от 1,01 до 0,90. Отечественные нормы по минимальным коэффициентам уплотнения, отвечающие фактическим коэффициентам уплотнения насыпей, проработавших не менее 20 лет, являются одними из самых жестких среди норм для глинистых грунтов в насыпях автомобильных дорог. Нет ни одного примера, объективно свидетельствующего о недостаточности норм, действующих в настоящее время в России.
4. Нормативные положения по уплотнению, принятые на основе метода стандартного уплотнения, касаются не только плотности, но и влажности грунта при уплотнении. При этом степень увлажнения грунта оценивается тоже как отношение фактической влажности к оптимальной по стандартному методу. Нормы плотности (особенно ниже 1,0) могут быть обеспечены при так называемой допустимой влажности, которая несколько превышает оптимальную по методу стандартного уплотнения и зависит от требуемой плотности. При влажности грунта больше допустимой нормы плотности не обеспечиваются никакими уплотняющими средствами.
6. Поведение грунта земляного, полотна под действием водно-теплового режима и нагрузок зависит не только от свойств грунта, но и от конструкции земляного полотна и дорожной одежды. Земляное полотно (рабочий слой) и дорожная одежда проектируются комплексно. Принимаемые в расчет значения прочностных и деформационных характеристик грунтов, а также водно-температурных и силовых воздействий на рабочий слой увязаны с конструкцией дорожной одежды.
7. В случаях, когда с помощью конструктивных специальных мер (термоизолирующие, гидроизолируюшие слои и т.п.) создается возможность сохранить полученную при строительстве плотность грунта, нормы рекомендуют рассматривать варианты повышенного уплотнения. При этом влажность грунта в момент уплотнения не должна препятствовать получению повышенной плотности. Это возможно в южных регионах (при производстве работ в летнее время) или при введении в технологический процесс подсушивание грунта. Такие решения принимаются на основе технико-экономических расчетов.
8. Существующие уплотняющие средства позволяют обеспечить требуемые коэффициенты уплотнения при влажности грунта в пределах от нормальной до допустимой. При этом, в зависимости от их вида и мощности меняются толщина уплотняемого слоя и число приложения нагрузки.
При снижении влажности при уплотнении может потребоваться применение более тяжелых уплотняющих средств. Эта же проблема возникает при получении более высокой плотности при пониженной влажности грунта.
9. Основным недостатком технологии и организации уплотнения является несбалансированность темпов строительства земляного полотна с номенклатурой и количеством уплотняющих средств у конкретного подрядчика. Кроме того, должен быть ужесточен действенный контроль технологии уплотнения (контроль не только плотности, но и исходной влажности грунта, его состава, (однородности и т.п.).
Таким образом, из изложенного выше можно сделать следующие общие выводы:
1. Действующие нормы плотности земляного полотна основаны на результатах комплексных многолетних исследований. Они увязаны со свойствами грунтов, конструкциями земляного полотна и дорожных одежд, их напряженным состояниям, воздействием водно-теплового режима, с условиями увлажнения основной массы грунтов в их природном залегании, возможностями уплотняющей техники. Иными словами, нормы всесторонне учитывают как природные факторы и особенности работы земляного полотна, так и технологические и экономические аспекты. В настоящее время нет объективных доказательств недостаточности этих норм, поэтому постановка этого вопроса, особенно в части глинистых грунтов, не имеет оснований.
2. Имеющиеся в настоящее время уплотняющие средства по своим техническим параметрам позволяют при допустимой влажности грунта обеспечивать требуемые коэффициенты уплотнения. Вопрос заключается только в том, что разные средства обеспечивают различный уровень экономичности процесса уплотнения (производительность, расход горючего и т.п.) и требуют грамотного их применения в технологии уплотнения.
3. В проблеме уплотнения существует несколько аспектов, проведение исследований по которым могло бы быть, на наш взгляд, полезным без претензий на опасный и необоснованный радикализм ужесточения норм:
— необходимо более подробно изучить проблему большей дифференциации норм плотности с учетом особенностей территорий и дорожной сети и с большим отражением в них статистической природы показателем степени уплотнения грунта. При этом региональную дифференциацию норм плотности следует сочетать с дифференциацией расчетных характеристик грунта земляного полотна, используемых при проектировании дорожных одежд;
— следует усилить работы по созданию системы и средств оперативного контроля грунтов, используемых в земляном полотне (степень увлажнения, состав, степень уплотнения);
— необходимо продолжить совершенствование технологии и средств уплотнения грунтов в дорожном строительстве с учетом особой важности этого элемента технологии в обеспечении качества и долговечности конструкции.