Механические способы уплотнения грунтов

Методы механического уплотнения грунтов характеризуются принципом воздействия грунтоуплотняющих машин на уплотняемый грунт. Существует пять основных методов механического уплотнения грунтов: укатка, вибрирование, вибротрамбование, трамбование и комбинированное воздействие.

Уплотнение укаткой происходит в результате давления, создаваемого вальцами или колесами, перекатывающийся по поверхности грунта. Под действием силы тяжести вальца (колеса) слой материала приобретает остаточную деформация. Эта деформация по мере увеличения плотности уменьшается и к концу укатки будет приближаться к нулю. Дальнейшее увеличение плотности материала может быть достигнуто лишь увеличением нагрузки на валец. По этому принципу работают катки различных видов: гладкие, кулачковые, на пневматических шинах. Катки, составляющие эту группу, относятся к машинам статического действия.

Метод укатки не нашел применения для уплотнения грунтов обратных засыпок в стесненных условиях строительства по той причине, что катки, работающие по этому методу, обладают малой маневренностью и большими габаритами.

Метод уплотнения грунта вибрированием основан на передаче механических гармонических колебаний от рабочих органов (вальца, колеса, плиты) на уплотняемый грунт. При этом вибрирующий элемент находится либо на поверхности уплотняемого слоя (поверхностные вибраторы), либо внутри него (глубинные вибраторы). Специальным механизмом он приводится в состояние колебательного движения. Часть кинетической энергии расходуется на колебание грунта, которое вызывает относительное смещение его частиц, чем достигается более плотная их "упаковка". При вибрировании не происходит отрыва рабочего органа от уплотняемой поверхности или он незначителен.

Вибрационный метод применим для уплотнения малосзязных материалов. Он весьма эффективен при уплотнении цементобетонных смесей, в состав которых входят отличающиеся по крупности и массе частицы щебня и песка. Под воздействием высокочастотных колебаний в смеси возникает явление тиксотропии - разжижение смеси. Процесс тиксотропии является обратимым, поэтому после прекращения колебаний разжиженные массы (золи) переходят в более устойчивые образования - гели, свободной воды практически не остается и смесь приобретает свойства монолита.

Заметим, что при вибрировании на частицы уплотняемого материала действуют инерционные силы, пропорциональные их массам. Относительное перемещение частиц наступит тем скорее, чем больше разница в массах и слабее силы связи между ними. Поэтому вибрирование применимо к несвязным и малосвязным грунтам. Связные грунты, между частицами которых имеют место значительные силы связей, могут быть уплотнены вибрированием лишь после разрушения этих связей, что при обычном оборудовании практически невозможно.

Поверхностный вибрационный метод нашел применение при уплотнении несвязных и малосвязных грунтов обратных засыпок. Глубинный вибрационный метод

можно эффективно использовать при уплотнении песчаных грунтов, особенно находящихся в водонасыщенном состоянии.

Если возмущающая сила вибрирующих элементов превысит определенный предел, то произойдет их отрыв от поверхности грунта, что приведет к ударам рабочего органа о грунт. В этом случае вибрирование перейдет в вибротрамбование.

Метод вибротрамбования отличается от трамбования высокой частотой ударов. Несмотря на малую высоту падения вибрирующей массы, при высоких скоростях движения, энергия удара может быть значительной.

Метод уплотнения трамбованием основан на передаче грунту ударных нагрузок. В отличие от вибрационного и вибротрамбующего он характеризуется высокой энергией удара при достаточной скорости приложения нагрузки и большой массе рабочего органа, благодаря чему обеспечивается уплотнение связных и несвязных грунтов слоями значительной толщины.

Уплотнение трамбованием осуществляется в результате удара свободнопадающих с определенной высоты рабочих органов в виде плит или грузов. В момент соприкосновения с грунтом начинается удар, при котором за короткий промежуток времени скорость трамбовки изменяется до нуля, вследствие чего развиваются больше напряжения на поверхности контакта. В процессе удара большая часть кинетической энергии рабочего органа расходуется на повышение давления уплотняющей плиты на грунт с последующим быстрым его спадом. Эффект уплотнения определяется величиной необратимой деформации и распределением ее по толщине. Деформация в первую очередь зависит от развивающихся в грунтах напряжений. При этом особенно большое значение имеют вертикальные, т.е. сжимающие составляющие этих напряжений.

Влияние на деформацию оказывает также и время их действия. При трамбовании, также как и при других видах механического уплотнения, развивавшиеся напряжения не должны превышать пределы прочности грунта.

По этому принципу работают трамбовочные плиты, подвешиваемые на экскаваторах или тракторах, прицепные катки с падающими грузами, специальные прицепные и самоходные трамбующие машины и дизель трамбовки.

Метод уплотнения грунта трамбованием нашел наиболее широкое применение в промышленном строительстве при устройстве грунтовых подушек под основание фундаментов зданий и сооружений, технологического оборудования.

Следует отметить, что при укатке и трамбования максимальные контактные давления, создаваемые рабочими органами, примерно равны и находятся в пределах 0,5-1,2 МПа. В то же время скорость изменения напряженного состояния грунта в непосредственной близости от поверхности различна. Так, для укатки она составляет 0,5-6,0 МПа/с, а для трамбования - 10,0-800 МПа/с. Общее время действия нагрузки при укатке (0,04-0,4 с) на порядок больше, чем при трамбовании (0,005-0,030 с). Это обусловливает особенности уплотнения грунта трамбованием.

Комбинированный метод уплотнения основан на использовании различного сочетания воздействия на грунт статических, вибрационных, вибротрамбующих и трамбующих нагрузок. Этот метод позволяет уплотнять все виды грунтов и применяется, главным образом, при широком фронте работ.

Процесс работы рассматриваемых в данной монографии устройств (гидро и пневмомолотов) можно отнести к комбинированному методу уплотнения. В чистом виде здесь нет ни вибрационного, ни вибротрамбующего, ни трамбующего воздействия на грунт.

Передача энергии ударника молота грунту осуществляется через уплотняющую плату, которая постоянно прижимается к последнему с определенным усилием.