Современные методы уплотнения грунтов. Выбор и расчет оборудования
.pdf
Рис. 9. Методы замещения
Отбор образца кольцом. В мелкозернистые грунты, особенно глины, забивается кольцо (рис. 10), после чего оно извлекается, а содержимое его центральной части (керн) используется для определения плотности.
Рис. 10. Отбор образца кольцом
Радиометрический метод. Радиометрические измерения плотности обеспечивают оперативные показания плотности материала уплотняемого грунта. Они также позволяют определять влажность грунта. Радиометрические приборы (рис. 11) работают на том принципе, что излучение от радиоактивного изотопа, проходящее через материал, ослабевает прямо пропорционально его плотности. Наилучшие результаты данный метод показывает на однородных грунтах.
21
Рис. 11. Радиометрический метод
Статическое определение несущей способности. Несущая способность уплотненного материала испытывается статической нагрузкой. Путем определения деформации под нагруженной плитой (рис. 12) при известных значениях площади нагружения и величины нагрузки можно рассчитать модуль упругости уплотненного грунта.
Рис. 12. Статическое определение несущей способности
22
На результаты измерения будет влиять несущая способность нижележащих слоев, причем степень этого влияния определяется толщиной уплотненного слоя.
Пенетрационное испытание. Существует несколько раз-
новидностей пенетрационных испытаний (погружения стержня), с помощью которых делаются попытки количественной оценки состояния грунта. Одним из наиболее распространенных является «Калифорнийский» метод определения несущей способности (СВК). Метод СВК является чисто качественным подходом. Он не призван определить непосредственно ка- кую-либо основную характеристику грунта. По существу, он представляет собой процесс введения в пробу грунта стандартного плунжера цилиндрической формы со стандартной скоростью погружения с одновременным измерением сопротивления грунта введению этого инородного тела. После этого производится сравнение измеренного сопротивления с некоторыми стандартными величинами. Отношение полученного сопротивления к стандартному и называется показателем СВК. «Калифорнийский» метод определения несущей способности чаще всего применяется на мелкозернистых грунтах.
Испытание падающим грузом. Устройства с использова-
нием падающего груза дают возможность эффективного и быстрого определения с поверхности несущей способности конструкции прямо на объекте. Испытание может выполняться одним оператором. Прибор измеряет величину поверхностной деформации, вызванной падением груза, после чего рассчитывается динамический модуль упругости. Используются грузы как малой, так и большой массы.
Измерение вертикальной осадки поверхности. Данный метод в основном используется на насыпях из скальных и крупнообломочных грунтов.
Уровень некоторого числа контрольных точек замеряется с помощью геодезических инструментов (рис. 13) до и после уплотнения.
23
Рис. 13. Измерение вертикальной осадки поверхности
Пробная укатка. В данном испытании по поверхности уплотненного материала пускается сверхтяжелый каток с пневматическими шинами. Качество уплотнения определяется по глубине полученного следа, которая не должна превышать некоторую стандартную величину.
Непрерывный контроль процесса уплотнения. Многие до-
рожные и другие службы технического контроля требуют представления документальных доказательств выполнения условий контракта, и не только по результатам точечных, случайным образом выполненных измерений, а по всей площади объекта. Требования по гарантиям качества привели к необходимости создания бортовой системы регистрации (слежения и контроля) результатов уплотнения, в которой показатели уплотнения выводятся на шкалу плотномера (рис. 14), установленного непосредственно на приборной панели катка. Одновременная и непрерывная регистрация показателей уплотнения по всей площади уплотняемой поверхности дает бесценную информацию о качестве и однородности уплотнительных работ. Этот метод обладает значительными преимуществами по сравнению с обычными системами контроля, которые иногда требуют прерывания работ и приводят к вынужденным простоям. Обычные методы испытаний, применяемые при уплотнении грунта, на практике могут привести к затратам, превышающим стоимость самих работ.
24
Рис. 14. Непрерывный контроль процесса уплотнения
Плотномер доказал свою состоятельность как чрезвычайно экономичный метод контроля. Использование плотномера с системой регистрации в комбинации с ограниченным объемом испытаний на плотность и несущую способность стало стандартом оформления договоров на работы по уплотнению во многих странах. Измеритель уплотнения – полезный инструмент для оптимального использования грунтового катка.
Плотномер и система регистрации. Принципы работы.
Плотномер (указатель относительного уплотнения), устанавливаемый непосредственно на катке, состоит из акселерометра, монтируемого на вибрационном вальце, процессора и шкалы на приборной панели. Сигналы от акселерометра преобразуют-
25
ся в величину относительного уплотнения (СМУ), которая представляет собой косвенный показатель несущей способности грунта. Глубина регистрации степени уплотнения прибором определяется типоразмером катка и выбранной амплитудой.
Бортовой компьютер, записывающий и выводящий на экран результаты измерений, может быть установлен в поле зрения оператора катка. Система регистрации позволяет представить на экране всю площадь выполненных работ. Использование цветных и черно-белых графических символов дает четкое представление о зонах, требующих дополнительного уплотнения. Зарегистрированные данные измерений могут затем быть перенесены на персональный компьютер для окончательного анализа и хранения.
Области применения плотномера. Плотномер (постав-
ляемый вместе с системой регистрации или без нее) лучше всего подходит для применения на крупнозернистых грунтах и на каменных насыпях. Мягкие слабоуплотненные грунты дают худший результат в отличие от твердых и хорошо уплотненных. Прочность увеличивается прямо пропорционально несущей способности.
При строительстве автодорог и аэродромов успешное применение нашла процедура, по которой плотномером обследовалась вся площадь выполненных работ, после чего в нескольких точках, давших, по показаниям плотномера, наихудшие результаты, было произведено статическое определение несущей способности. Такая процедура дает хорошие гарантии того, что требуемая несущая способность будет достигнута по всей площади, например, слоя основания.
На мелкозернистых грунтах несущая способность в большой степени обусловлена влажностью грунта. Поскольку плотномер дает показания несущей способности, прямого соотношения между измеренным им показателем относительного уплотнения и плотностью грунта не существует, поэтому
26
плотномер не может использоваться для непосредственного управления работами, как на крупнозернистом материале. Данные по уровню и равномерности распределения несущей способности, даваемые плотномером, могут быть, однако, чрезвычайно ценными. Плотномер может быть полезен для определения зон мягкого и слабого мелкозернистого грунта с высокой влажностью. Такие зоны обнаруживаются как в насыпях, так и в естественных грунтах. Катки, оборудованные системами плотномера, были успешно использованы для исследования подстилающих грунтов естественного происхождения, на которых планировалось строительство автодорожных и железнодорожных насыпей.
Даже если в контрактные требования и не включается обязательное использование плотномеров, они могут помочь подрядчику определить зоны, на которых требуется большее количество проходов катка, а также определить оптимальное количество проходов, чтобы избежать лишней укатки.
Средства контроля
В основу оценки качества уплотнения грунта земляного полотна и подстилающего слоя в России, как известно, положен принцип сравнения плотности, полученной в насыпи или выемке, с плотностью того же грунта в лабораторном приборе стандартного уплотнения СоюздорНИИ (в зарубежных странах – в приборе Проктора). Результат сравнения в виде коэффициента уплотнения (Kу) «примеряют» к нормируемым ГОСТом и СНиПом его значениям, чаще всего равным 0,95 (низ земляного полотна) или 0,98…1,0 (верх земляного полотна и подстилающий слой).
Стандартный метод оценки качества уплотнения предусматривает обязательный отбор порции или образца грунта с помощью кольца или лунки, точное его взвешивание, определение влажности путем высушивания при 105…110 °С в тер-
27
мостате в течение 6…8 ч. Затем нужно в лаборатории выполнить процедуру стандартного уплотнения предварительно высушенного и измельченного грунта со столь же продолжительным определением оптимальной влажности. В итоге интересующий коэффициент уплотнения грунта и его влажность могут быть выданы производителю земляных работ минимум через сутки-двое, когда поправить качество уплотнения бывает сложно, а порой уже и невозможно.
Одним из первых подобных плотномеров-пенетрометров, использовавшихся профессором А.Н. Зелениным еще в середине истекшего столетия для выявления корреляционной связи между сопротивлением грунта резанию и его плотностью, был плотномер ДорНИИ (рис. 15), более известный под названием «ударник ДорНИИ» (от прибора стандартного уплотнения). Правда, в те далекие времена он еще не назывался пенетрометром.
Привлекательность его состояла в простоте конструкции, удобстве применения и быстроте получения результата. Да и сам критерий оценки плотности был прост и понятен всякому: количество ударов груза 2,5 кгс, падающего с высоты 40 см, необходимое для погружения в грунт на глубину 10 см цилиндрического стержня с площадью основания плоского наконечника 1 см2 (для слабых и рыхлых грунтов был второй наконечник с площадью 2 см2).
По количеству таких ударов и заранее построенному тарировочному графику с учетом типа грунта и его влажности можно было быстро найти Kу и решать вопрос о качестве уплотнения земляного полотна. Причем делать это можно в процессе выполнения самой операции, корректируя технологические режимы работы грунтоуплотняющих машин и, соответственно, результат по качеству.
28
Рис. 15. Плотномер ДорНИИ
Плотномеры-пенетрометры статического типа (рис. 16) порой требуют солидного усилия надавливания зонда-наконеч- ника (на плотных связных грунтах до 50…60 кгс), а также равномерного и плавного его погружения на глубину до 10 см в течение 15…20 с (от этого зависит величина усилий).
29
Рис. 16. Плотномеры-пенетрометры статического типа
Проще, надежнее и легче работать с динамическими плотномерами (рис. 17). Объединение «Дорстройпроект», в состав которого входят семь дорожно-строительных и ремонтных фирм, при оценке качества устройства земляного полотна из песчаных грунтов, в том числе одноразмерных, на протяжении ряда лет применяет для экспресс-оценки качества их уплотнения динамический плотномер типа Д-51.
При анализе мы постарались по возможности шире охватить номенклатуру как отечественных, так и зарубежных приборов для контроля качества уплотнения грунтов. При этом рассматривались следующие варианты:
30