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
Уплотнение грунта является одним из наиболее важных и ответственных технологических процессов, применяемых при строительстве земляного полотна, площадок различного назначения, грунтовых подушек, в том числе и под фундамент, различных земляных сооружений, подготовки основания под заливку полов, строительстве автомобильных и железных дорог, взлетно-посадочных полос, прокладке улиц и сооружении дамб.
От качества уплотнения грунта зависит:
Грунты без уплотнения неоднородны. В них могут быть пустоты, участки большей и меньшей плотности, накапливающие под воздействием механических нагрузок остаточные деформации, что со временем приводит к проседанию земляного полотна, его деформации и образованию неровностей и ям на проезжей части дороги. При уплотнении грунта всего лишь на 1% его прочность и устойчивость к нагрузкам возрастает на 10%, а то и на 15%.
К тому же проведение работ по уплотнению грунта дает большой экономический эффект. Их стоимость составляет в среднем 3-5% от общих затрат на строительство, а полученный результат в несколько раз увеличивает срок службы сооружения, его надежность и прочность.
Понятие уплотнения грунта
Уплотнением грунта называется процесс искусственного преобразования его свойств без существенного изменения физических или химических характеристик, в ходе которого происходит перемещение частиц грунта, приводящее к увеличению количества контактов между ними в единице объема.
При уплотнении грунт становится более прочным и плотным, а его несущая способность возрастает в несколько раз. При этом уменьшается способность грунта к фильтрации и размыванию, а также подверженность просадке при сезонных колебаниях температур.
Механизм уплотнения грунта основан на вытеснении из него жидкой и газообразной фазы и стремлении привести грунтовые массы в твердое состояние с содержанием воздуха в занимаемом объеме не более 3-5%.
Провести уплотнение грунта можно только при его увлажнении. При этом уровень влажности для каждого вида грунта подбирается индивидуально, в зависимости от его физических и химических свойств.
Так, например, уплотнение песка возможно при уровне его влажности 14-23% (в зависимости от фракции песка). Поэтому песчаные почвы предварительно обильно смачивают.
Грунт с высоким содержанием глины и суглинка, напротив, уплотняют при уровне влажности ниже так называемой «границы раскатывания», для чего применяют рыхление и подсушивание, приводящее к удалению лишней влаги. В случае, когда подсушка не дает ощутимых результатов, грунт уплотняют, втрамбовывая в него щебень.
Выбор способа уплотнения грунта во многом зависит от его типа и физико-химических характеристик.
Классификация грунтов
При классификации грунтов учитывается однородность их состава, прочность и надежность связей между отдельными частицами грунта, их размер и форма, способность к поглощению влаги и подверженность размыванию потоками воды. Кроме того учитывается возраст горных пород, составляющих грунт и их геологическое происхождение.
При проведении земляных работ используют следующую классификацию грунтов:
Скальные грунты, представляющие собой плотные горные породы, покрытые тонким слоем почвы. Чаще всего скальные грунты сформированы из гранита, базальта, песчаника, доломита и известняка. Они отличаются высокой прочностью, устойчивостью к нагрузкам, перепадам температур и воздействию влаги.
Полускальные грунты состоят из тех же горных пород, что и скальные грунты, но характеризуются наличием большого количества трещин и разломов, снижающих их уровень прочности.
Крупнообломочные грунты, состоящие из обломков и кусков горных пород различной величины. Их характерной особенностью является низкий уровень сжимаемости и высокий риск размывания потоками воды
Песчаные грунты, состоящие из сыпучих песков. Их характерной особенностью является водопроницаемость и подверженность размыванию, а также способность к уплотнению во влажном состоянии.
Глинистые грунты, состоящие из глины без примеси песка. Их характерной особенностью является способность к набуханию при увлажнении, подверженность размыванию потоками воды и вспучивание при замерзании. Уплотняются глинистые грунты плохо.
Суглинки, состоящие из глины и песка, количество которого может достигать 90%. Суглинки подвержены размыванию и набухают при контакте с водой.
Торфяники, состоящие из растительных остатков. Этот вид грунта характеризуется высокой степенью сжимаемости, а также высоким содержанием влаги.
Пылеватые грунты или так называемые «плывуны»: наиболее сложный вид грунта, характеризующийся низкой способностью к уплотнению, подвижностью и подверженностью к размыванию
Все перечисленные виды грунтов имеют естественное, природное происхождение. Однако в строительстве часто приходится использовать так называемые искусственные грунты, среди которых различают насыпные и улучшенные основания.
Насыпные основания устраивают с использованием гравия, щебня, песка, строительного мусора, шлака, «пустых» горных пород и отходов промышленного производства.
Улучшенные основания формируют из рыхлых, малосвязанных грунтов, цементируя их или скрепляя различными другими способами с использованием жидкого стекла, битума и т.д.
Способы уплотнения грунта
В зависимости от вида грунта и его технических характеристик используют различные способы уплотнения грунта.Существует три способа уплотнения грунта:
При необходимости их комбинируют.
Трамбование грунта
Трамбованием называется один из способов механического воздействия на грунт, при котором происходит его уплотнение, сопровождающееся удалением пустот и воздушных полостей. Основное достоинство трамбования состоит в возможности уплотнения слоев грунта большой толщины при различных уровнях влажности. Однако применять трамбование при уплотнении слишком влажных грунтов опасно: можно получить обратный результат.
Трамбование применяют для уплотнения крупнообломочных, комковатых грунтов, различных насыпей, а также грунтов, доступ к которым ограничен или стеснен.
Для трамбования используется различная техника и приспособления, например, свободно падающие с высоты 2-6 метром трамбовочные плиты, весом от 2 до 15 тонн или грузы цилиндрической формы с плоским дном, вес которых также составляет несколько тонн. Получаемый при этом результат (степень уплотнения) зависит от произведенной работы, определяемой как произведение веса применяемой плиты, высоты сбрасывания и их количества
Глубина уплотнения грунта зависит также от размера контактной площади трамбовки: чем меньше контактная площадь и больше вес плиты, тем больше глубина уплотнения грунта.
Такая трамбовка производится с помощью специальной техники (тракторов, погрузчиков, подъемников и т.д.) и называется тяжелой.
При выполнении небольших объемов работ может применяться ручная трамбовка грунта, выполняемая при помощи специальных инструментов, называемых «толкушками», которые, в свою очередь, разделяются на «легкие», весом до 30 кг, и «тяжелые», вес которых составляет 80 кг и более. «Толкушки» могут быть механическими и ручными.
Выполнять трамбование грунта можно в любое время года, но зимой хорошие результаты можно получить только с использованием тяжелой трамбовки.
Укатка грунта
Укаткой называют способ механического воздействия, применяемый для уплотнения песчаных, крупнообломочных и глинистых грунтов на свободных участках большой площади, где есть все необходимые условия для маневрирования применяемых при этом машин и механизмов.
Укатка производится послойно: вначале уплотняется один слой, затем насыпается и уплотняется следующий слой грунта.
Степень уплотнения грунта при укатке зависит от уровня его влажности и применяемых для работы механизмов. При этом используются специальные катки, автомашины, груженые скреперы и тракторы. Выбирают оборудование для укатки грунта в зависимости от его вида, а также в зависимости от производительности и веса машин и механизмов.
Работы по укатке грунта проводят в несколько этапов. Вначале выполняют предварительную укатку, называемую также «подкаткой», используя при этом легкие катки или тракторы. Затем проводят опытные работы и определяют оптимальный уровень уплотнения грунта. На основании полученных результатов рассчитывают количество проходок используемой для работы техники.
Вибрирование
Вибрирование или вибрационное уплотнение является одним из наиболее эффективных способов механического воздействия на грунт, при котором достигается максимальный уровень контакта между его частицами и полностью удаляются пустоты.
Еще одно достоинство вибрирования состоит в возможности достижения высокого глубинного эффекта уплотнения грунта при сравнительно небольшом количестве проходок. Ни при каких других способах уплотнения этот эффект достичь невозможно.
Вибрационное уплотнение выполняется с помощью вибрирующего механизма, основанного на вращении эксцентрикового груза. При этом одновременно создается динамическая и статическая нагрузка на грунт.
Вибрирование можно назвать универсальным методом уплотнения грунтов. Первоначально оно рекомендовалось лишь для песчаных и крупнообломочных грунтов, но с развитием техники, применяемой для вибрации, этот способ стал широко использоваться для уплотнения глин и суглинков.
Виды работ по уплотнению грунтов
Виды работ по уплотнению грунтов зависят от требуемой степени его уплотнения, значение которой определяется на стадии проектирования в зависимости от качества грунта и его свойств, а также в зависимости от вида, возводимого на нем объекта.
Работы ведутся на участках, размер которых устанавливается так, чтобы обеспечить максимальные темпы работ по уплотнению. Обычно для катков длину участков делают не менее 250 м, а для трамбующих машин не более 50 м.
Ширина уплотняемого участка должна быть достаточной для безопасного движения техники и исключающей возможность ее сползания под откос.
Если протяженность участка увеличить, производительность катка возрастет, но при этом велика вероятность высушивания грунта, что негативно сказывается на качестве его уплотнения.
Укладка и уплотнение
Прежде чем начать уплотнение, грунт насыпают равными по толщине слоями и выравнивают. Если имеет место избыточная влажность, применяется рыхление грунта на глубину его уплотнения и подсушивание. Во время дождя работы по уплотнению грунта прекращают.
В ходе работ осуществляется постоянный контроль качества и соответствие уровня уплотнения требуемым техническим условиям. Для этого используются полевые лаборатории, с помощью которых можно с высокой степенью точности определить качество грунта и уровень его плотности.
Уплотнение просадочных грунтов
Особого подхода требует уплотнение структурно неустойчивых грунтов, способных при определенных условиях (наводнениях, землетрясениях) изменить свою начальную структуру, что может привести к значительным усадкам. Такие грунты называются просадочными.
К просадочным относятся лессовые грунты, обладающие макропористой структурой и способностью к размываемости и размоканию. В большинстве случаев в состав лессовых грунтов входит гипс, известь, а также другие быстрорастворимые соли и соединения. В обычном состоянии лессовые грунты легко уплотняются и могут находиться в составе земляных насыпей. Однако при контакте с водой они теряют связность и образуют значительные просадки, величина которых может составлять 2 и более метра.
При строительстве к таким грунтам применяют следующие защитные меры, исключающие их контакт с влагой.
Глубинное уплотнение грунтов
Уплотнение грунтов, производимое на глубине, с помощью свай и скважин, называется глубинным. Оно имеет свои характерные особенности.
Среди способов глубинного уплотнения лидирующие позиции занимает вибро уплотнение, основанное на способности грунтов переходить в плотное состояние под воздействием вибрации. Для этого вибратор медленно опускают в скважину, в которую через нижнее сопло подается вода. Затем его извлекают, одновременно заменив нижнюю подачу воды на верхнюю подачу. Под воздействием вибрации грунт уплотняется, а на месте нахождения вибратора образуется воронка, которую в дальнейшем засыпают песком.
Для грунтов с высоким уровнем влажности используют глубинное уплотнение, основанное на устройстве вертикальных дрен. Для этого в грунт погружают обсадную трубу, засыпают ее песком, который затем уплотняют вибрированием. По окончании этого процесса обсадную трубу извлекают, оставляя в грунте песчаный столбик (дрену). Количество таких дрен определяется на стадии проектирования.