Где w - влажность грунта, выраженная в долях

Сущность процесса уплотнения состоит в том, что под воздействием механической нагрузки частицы уплотняемого материала сближаются в результате уменьшения пористости и удаления содержащегося в порах защемленного воздуха, а в некоторых случаях и влаги; плотность ρ песка - 1,9 т/м³, супеси - 2 т/м³, глины - 2-2,2 т/м³. Достижение заданной плотности грунтаив свою очередь долговечность земляного полотна зависят в значительной мере от физико-механических свойств грунта и качества уплотнения. Качество уплотнения грунта характеризуется относительным показателем плотности - коэффициентом уплотнения К_У.

Коэффициент уплотнения К_У - это отношение плотности грунта в земляном полотне (объемная масса грунта естественной структуры) или в естественном залегании к плотности грунта при стандартном уплотнении

=.

Для верхних слоев грунтов земляного полотна автомобильных дорог требования к плотности высоки. Здесь плотность грунта должна быть не ниже 0,98-1 ρ , а для нижних слоев насыпей она может быть снижена до 0,95 ρ .

Достижение высокой плотности грунтов земляного полотна связано со значительными трудностями и может быть осуществлено лишь при правильном выборе как параметров применяемых машин, так и режима их работы. Уплотнение грунтов должно производиться только специальными, предназначенными для этой цели машинами. Попытка использовать для этого землеройно-транспортные машины и совместить этот процесс с возведением земляного полотна показала, что плотность грунтов получается недостаточной, а уплотнение неравномерным, поэтому такой способ может применяться только для предварительного уплотнения грунтов, что облегчает работу основных машин.

Огромное значение при уплотнении в дорожных войсках имеет влажность грунтов. Каждой действующей на грунт нагрузке соответствует своя оптимальная влажность, при которой требуемая плотность может быть достигнута при наименьшей затрате механической работы. При недостаточной влажности для достижения требуемой плотности необходимо применять ряд мер, к числу которых относится, например, снижение толщины уплотняемого слоя. Нужно заметить, что очень сухие грунты вообще не могут быть доведены до требуемой плотности. Оптимальной влажностью w_opt называют такую влажность грунта, при которой достигается максимальная плотность с минимальными затратами. Для несвязных грунтов w_opt=9-14%. Для связных грунтов w_opt=16-22%. Качество уплотнения грунта больше всего зависит от степени его влажности. Наилучшее уплотнение с наименьшими затратами механической энергии достигается при оптимальной влажности данного грунта. Оптимальная влажность грунта w_opt, которая определяется методом стандартного уплотнения, соответствует работе средних уплотняющих машин. Оптимальная влажность, соответствующая работе тяжелых машин, обычно равна 0,8-0,9·w_opt. Грунты уплотняются укаткой (статическое воздействие), трамбованием (ударное воздействие), вибрацией (вибрационное воздействие) и комбинированным способом (рис. 11.1).

При укатке по грунту перекатывается валец или колесо, на поверхности его контакта с грунтом возникает давление (напряжение), за счет которого и развивается необратимая деформация грунта. На этом принципе основана работа всех катков. При трамбовании грунт уплотняется падающей массой, которая поднимается на какую-ту высоту и в момент встречи с грунтовой поверхностью обладает определенной скоростью. Таким образом, трамбование связано с ударом рабочего органа машины о грунт. При вибрации уплотняющая масса находится либо на поверхности уплотняемого слоя (поверхностные вибраторы), либо внутри него (глубинные вибраторы). Специальным механизмом она приводится в состояние колебательного движения. Часть кинетической энергии этой массы расходуется на колебание грунта, которое вызывает относительное смещение его частиц, чем достигается более плотная их упаковка. При вибрировании не происходит отрыв массы от уплотняемой поверхности или он весьма незначителен. Если смещение массы превышает определенный предел, то возникает отрыв ее от поверхности, что приведет к частым ударам массы о грунт. В этом случае вибрирование перейдет в вибротрамбование. От трамбования этот процесс отличается высокой частотой ударов. Несмотря на малую высоту падения массы, из-за развивающихся высоких скоростей движения энергия удара может быть значительной.

Рис. 11.1. Способы уплотнения грунтов, дорожных оснований и покрытий

Во всех случаях воздействие на грунт рабочих органов машины связано с приложением к нему циклической нагрузки. По сравнению с укаткой трамбование при мало отличающихся минимальных напряжениях характеризуется большей быстротой процессов.

Деформация и эффект уплотнения зависят как от скорости изменения напряженного состояния, так и от продолжительности действия нагрузки, а следовательно, и от числа повторения ее приложения. Лучший эффект уплотнения получится в тех случаях, когда удельное давление на поверхности контакта с рабочими органами уплотняющих машин равно 0,9-1·σ_р (σ_р - предел прочности грунта). Исключением из этого правила являются машины, действие рабочих органов которых основано на глубоком проникновении их в слой грунта (кулачковые и решетчатые катки).

Значения пределов прочности грунтов в конце уплотнения для различных методов при оптимальной влажности и плотности приведены в табл. 11.1.

Теоретическим и экспериментальным путем остановлено, что предельная глубина, на которую еще распространяется действие нагрузки, составляет 3,5 d (d - диаметр штампа).

В пределах этой зоны различают активную зону, где в процессе уплотнения деформация по глубине распределяется сравнительно равномерно. Толщина уплотняемого слоя не может быть больше глубины активной зоны.

Число проходов, которое необходимо произвести для достижения требуемой плотности, находится в зависимости от толщины уплотняемого слоя.

Таблица 11.1