авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 5 |

«Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирская государственная ...»

-- [ Страница 2 ] --

Таблица 2.9 – Значения вязкости в зависимости от влажности среднесуглинистого грунта Объмный вес скелета грунта, Н/м Влажность 12100 13000 грунта Вязкость, Н·с/м н р н р н р 19200·105 46200·105 – – – – 0,4Wт 2100·105 9640·105 4400·105 15750·105 11000·105 21000· 0,5Wт 330·105 4890·105 780·105 5300·105 1100·105 5360· 0,6Wт н, Н с/м х10 1 2 1 при г = 12100 Н/м 2 при г = 13000 Н/м 3 при г = 14000 Н/м Относительная влажность W/WT 0,3WT 0,4WT 0,5WT 1 х10 р, Н с/м Рисунок 2.7 – График зависимости вязкости грунта от его влажности С увеличением содержания глинистых частиц прочность грунта возрастает до 1,5–2 раз по сравнению с песчаными грунтами. Реальная влажность связных грунтов является очень важным показателем, влияющим не только на их прочность, но и на уплотняемость. Наилучшим образом такие грунты уплотняются при оптимальной влажности. С превышением реальной влажности этого оптимума снижается прочность грунта в связи со снижением конечной плотности грунта. Наоборот, с уменьшением влажности ниже оптимального уровня предел прочности резко возрастает (при 85% от оптимальной – в 1,5 раза, а при 75% – до 2 раз), но при этом резко увеличивается энергомкость процесса уплотнения.

По мере уплотнения грунта растет и его прочность. В частности, по достижении в насыпи коэффициента уплотнения 0,95 прочность связного грунта повышается в 1,5–1,6 раза, а при ку=1,0 – в 2,2–2,3 раза по сравнению с прочностью в начальный момент уплотнения (коэффициент уплотнения 0,80– 0,85) [63, 131, 135].

Из графической зависимости (рисунок 2.7) видно, что вязкость связанного грунта на ветвях нагрузки и разгрузки значительно отличается. Глинистые грунты обладают выраженными реологическими свойствами вследствие их пластичности;

динамическая прочность на сжатие может возрасти в 1,5–2 раза при времени их нагружения 20 мс (0,020 сек), что соответствует частоте приложения виброударной нагрузки 25–30 Гц, а на сдвиг – даже до 2,5 раз по сравнению со статической прочностью. При этом динамический модуль деформации таких грунтов повышается до 3–5 раз и более.

Это свидетельствует о необходимости прикладывать к связным грунтам более высокие уплотняющие напряжения динамического характера, чем статического, чтобы получить одну и ту же деформацию и результат уплотнения.

Поэтому некоторые связанные грунты можно было эффективно уплотнять статическими напряжениями 0,6–0,7 МПа (пневмокатки), а при трамбовании потребовались динамические напряжения порядка 1,5–2,0 МПа.

Такое различие в необходимых для уплотнения напряжений обусловлено значительно возрастающей при ударном нагружении величиной вязкой составляющей силы сопротивления, которая пропорциональна скорости деформирования материала. Со скоростью изменения напряженного состояния связного грунта в 10 раз его прочность повышается в 1,5–1,6 раза, а в 100 раз – до 2,5 раз. У пневмоколесного катка скорость изменения контактных напряжений во времени составляет 3–5 МПа/с, у трамбовок и виброкатков – около 300– МПа/с, т.е. повышение составляет 70–100 раз.

Очевидно, что для интенсификации процесса уплотнения грунтов, особенно связанных, необходимо снижать вязкую составляющую силы сопротивления деформированию. Как показал вышеприведенный анализ, этого можно достичь, уменьшая скорость деформирования грунта (и) или увеличивая время действия на него, что также позволяет преодолеть вязкие сопротивления.

Пневмошинные катки способны увеличивать время действия на грунт увеличивая пятно контакта, уменьшая внутреннее давление в шинах, не снижая скоростного режима обработки. Для вибрационных катков с металлическими вальцами единственный путь увеличения времени уплотнения – это снижение скорости катка, что по понятным причинам (снижается производительность) нежелательно. Тем не менее, именно увеличение времени действия контактных напряжений, при динамическом нагружении уплотняемого грунта, позволит добиться решения поставленных задач по интенсификации процесса уплотнения.

Ориентировочные данные по пределам прочности грунтов с коэффициентом плотности 0,95 при статическом и динамическом их нагружении установлены профессором Н.Я. Хархутой (таблица 2.10) [135].

Следует отметить, что с повышением плотности до 1,0 (100 %) динамическая прочность на сжатие некоторых высокосвязных глин оптимальной влажности возрастет до 3,5–3,8 МПа [72, 79]. При снижении влажности до 80% от оптимальной, что может быть в теплых, жарких или засушливых местах ряда стран, их прочность может достигать еще больших значений: 3,5–4,5 МПа (плотность 95%) и даже 6,0–7,0 МПа (100%).

Таблица 2.10 – Значения пределов прочности грунтов Тип грунта несвязный и связный высоко Cпособ малосвязный среднесвязный (суглинок связный уплотнения (песчаный, (суглинок тяжелый), (глина), супесчаный, в т.ч. легкий), МПа МПа МПа пылеватые), МПа Пневмокаток 0,3–0,4 0,5–0,6 0,7–0,8 0,9–1, Виброкаток, трамбовка 0,5–0,7 0,9–1,2 1,4–1,8 2,0–2, При динамическом (вибрационном) воздействии на грунт его поведение несколько отличается от поведения при статическом уплотнении (укатке). Рядом отечественных и зарубежных авторов было доказано [11, 14, 65, 122, 128, 151], что сопротивление сдвигу некоторых материалов в момент их вибрирования может снижаться на 80–98%, это объясняется тем, что частицы среды приводятся в колебательные движения, силы внутреннего трения между ними снижаются, а значит, существенно снижается сопротивление деформированию. Это говорит о том, что при вибрационной обработке значительно повышается интенсивность процесса уплотнения.

Для решения практических задач по уплотнению грунтов необходимо также знать значения показателей жсткости и вязкости грунтов. Эти показатели исследовались рядом авторов: Н. А. Азюковым Д. Д. Барканом, С. В. Вяловым, П. Ф. Овчинниковым, В. Н. Сорокиным, Б. И. Филипповым и др. [3, 11, 19, 42, 118, 142, 149, 156], наиболее существенные из них жсткость и коэффициент вязкого трения, которые зависят не только от физико-механических свойств, но и от состояния грунта, который деформируется в процессе уплотнения.

ES c, (2.1) h где с - жсткость деформируемой среды, Н/м;

Е – динамический модуль деформации, Па;

S – площадь контакта, м2;

h0 – толщина деформируемого слоя, м.

S b, (2.2) h где b - коэффициент вязкого трения деформируемой среды, Нс/м;

– вязкость деформируемой среды, Нс/м2.

Одним из критериев энергоэффективности протекания процесса вибрационного уплотнения грунтов, могут служить значения амплитуд виброускорений частиц обрабатываемого грунта. Профессор Д.Д. Баркан [12, 13] доказал, что эффективность виброуплотнения в наибольшей степени зависит от величины ускорения частиц грунта. Увеличение значений виброускорений приводит к снижению диссипации энергии и интенсификации процесса уплотнения.

Экспериментальные исследования тенденций изменения виброускорений в грунтах при вибрационном силовом воздействии проводились С. А. Варгановым, С. В. Жирковичем, Л. Форссбладом, М. П. Костельовым [40, 54, 65, 129] и др. На рисунке 2.8 показаны две кривые затухания нормальных ускорений колебаний частиц грунта, при его уплотнении прицепным виброкатком ДУ-14 на двух рабочих скоростях. Критическое ускорение внутри грунтового массива составляло (0,4–0,5)g, (около 4–5 м/с2). Из полученных графиков вытекает, что толщина прорабатываемого слоя легким виброкатком согласно исследованиям М.П. Костельова [65 – 67], составляет 35–45 см (рисунок 2.8).

На основании исследований [122] были построены две кривые – изменения критических ускорений и их затухания, действующих от виброплиты или вибровальца, ускорений грунтовых частиц с удалением от поверхности, где располагается источник колебаний. Точка пересечения этих кривых дат интересующую глубину эффективного уплотнения для песка или гравия.

Относительное ускорение (в долях земного) 30 j/g 0 10 5,0 км/ч 20 2,5 км/ч 30 Прицепной виброкаток ДУ- Глубина, см Вес - 3000 кг;

40 Валец 1400х1200 мм;

Амплитуда:

50 номинальная - 0,6 мм реальная - от 1,50 до1,56 мм;

Частота - 27 Гц;

Вынуждающая сила - 80 кН.

70 ку= для суглинка ку= для песка h0, см Рисунок 2. 8 – Кривые затухания ускорения колебаний частиц грунта при уплотнении катком ДУ- Анализ виброускорений от касательных динамических нагрузок при вибрационном уплотнении исследовались С. А. Пульниковым [95], который показал, что виброускорения от касательных сил значительно ниже, чем от нормальных. Графики развития виброускорений от продольных перемещений в грунте, при различных интенсивностях динамического воздействия, приведены в таблица 2.11.

Таблица 2.11 – Виброускорения от касательных нагрузок в суглинистом грунте Параметры 1 2 3 Виброускорение A, м/с2 0 (СН) 0,03 0,07 0, Частота f, Гц 0 40 30 Физико-механические свойства грунтов оказывают значительное влияние на уплотнение, поскольку обуславливают их сопротивляемость деформированию.

Для интенсификации процесса уплотнения грунтов необходимо стремиться к снижению всех составляющих сопротивления деформированию. Этого можно достичь, применяя вибрацию (снижаются силы трения и сцепления), увеличивая время воздействия на грунт за один цикл приложения нагрузки (снижается вязкая сила сопротивления). Одним из показателей, характеризующих интенсивность протекания процесса уплотнения, являются значения виброускорений в уплотняемом грунте от нормальных сил, как показал проведнный анализ, виброускорения от касательных сил имеют не столь решающее значение.

Состояние и свойства грунтов необходимо учитывать на каждой стадии процесса уплотнения и, исходя из этого, выбирать режим обработки, позволяющий добиться минимального сопротивления грунтов деформированию, интенсифицируя тем самым процесс уплотнения.

2.1.3. Анализ влияния минералогического состава грунтов на интенсивность процесса уплотнения Минеральный состав оказывает значительное влияние на уплотняемость и степень устойчивости грунта в инженерных сооружениях. Он резко изменяется в зависимости от исходного состава горной породы, степени ее дробления, условий формирования и залегания.

В природных условиях грунты, как правило, являются полиминеральными, и применительно к каждому их виду можно говорить лишь о преимущественном преобладании в них того или иного минерала.

В грунтах различают глинистую, песчаную и пылеватую фракции. К первой фракции относят частицы, размером не превышающие 0,001 мм, ко второй – от 0,05 до 2 мм, к третьей — частицы, находящиеся в пределах от 0,002 до 0,05 мм.

Форма наиболее крупных песчаных частиц может быть округлой (речные пески) и угловатой (горные пески). Пылеватые частицы, состоящие из очень мелких обломков отдельных минералов, в большинстве случаев кварца и аморфной кремнекислоты, приближаются к сферической форме [12, 13].

Твердые минеральные частицы взаимодействуют с имеющейся в грунтах жидкой фазой — водой. Характер этого взаимодействия является основным фактором, определяющим физические и механические свойства грунтов, влияющие на их уплотняемость. На природу удержания воды в грунтах существует несколько воззрений. По одному из них, вода в грунтах удерживается капиллярными силами. Этим же объясняется и связность грунтов. Впервые это предположение высказал К. Терцаги, он считал, что действие капиллярных сил усиливается тем обстоятельством, что вода в узких капиллярах обладает иными свойствами: она как бы отвердевает, теряя способность к испарению [155].

Лебедевым А. Ф. [71] было высказано предположение, что вода в грунтах удерживается молекулярными силами, возникающими между минеральными частицами и молекулами воды. Действие капиллярных сил А. Ф. Лебедевым не исключается, но им он отводит второстепенную роль.

Глинистые (коллоидно-дисперсные) минералы разделяют на три основные группы: 1) каолиниты, 2) гидрослюды и 3) монтмориллониты. Гидрослюды по своим свойствам занимают промежуточное положение между каолинитом и монтмориллонитом.

Монтмориллонитовые глины и рыхлые образования, имеющие многочисленные полости, которые могут быть как открытыми, так и закрытыми, уплотняются меньшими нагрузками, но требуют длительного времени их приложения.

Карбонаты в грунтах представлены преимущественно кальцитом и доломитом. Наличие их в глинистых грунтах обусловливает меньшую смачиваемость водой и способствует улучшению свойств, характеризующих способности к уплотнению. В таких грунтах меньше выражено вязкое сопротивление деформированию.

К водорастворимым минералам относятся гипс, галит, сильвин. Гипс характеризуется сравнительно небольшой растворимостью, галит и сильвин — эти минералы, с точки зрения их уплотнения в инженерных насыпях, нежелательны, поскольку при наличии осадков сооружения из таких минералов будут разрушаться.

В зависимости от минералогического состава и влажности могут быть получены как рыхлые, сильно обводненные агрегаты, так и более или менее плотные образования. В случае каолина агрегаты получаются довольно плотными, требуют приложения значительных уплотняющих нагрузок, хорошо поддаются вибрационному уплотнению.

Грунты, как правило, уплотняются в рыхлом состоянии, когда их сплошность нарушена механизмами во время возведения насыпей. Под действием рабочих органов машин распад сплошной массы грунта на отдельные зерна и комья из-за расклинивающего действия тонких пленок воды происходит по наиболее гидрофильным плоскостям, структура же и сцепление внутри комьев сохраняются в прежнем виде [31, 36, 131, 135,].

Возникающие в момент соприкосновения друг с другом силы связи глинистых минеральных частиц с течением времени усиливаются, ввиду процессов старения и перекристаллизации, происходящих в водно-коллоидных пленках. Относительное движение соседних частиц такого «старого» образования может начаться лишь после того, как эти связи будут разрушены, из-за чего деформация начнет развиваться лишь при определенной нагрузке. Этот вид связей называется вторичной связью [135], или сцеплением упрочнения [26, 155], в отличие от связей, образующихся в первые моменты после соприкасания частиц, которые называются первичными. Таким образом, при наличии коллоидов первичные связи при определенных условиях, в течение длительного времени, могут переходить во вторичные [26, 155].

Влияние минералогического состава грунтов на их физико-механические свойства признается многими исследователями [26, 129, 131, 135]. Так, по отношению к глинам это было отмечено еще П. А. Земятченским. В. В. Охотиным был сделан вывод, что свойства глинистых грунтов целиком обусловливаются их активной поверхностью. Глины разного минералогического состава, но одинаковой активной поверхности имеют одинаковые свойства. Многие исследователи [26, 84, 120, 131, 135, 136] предполагают наличие связи между гранулометрическим и минералогическим составами природных грунтов. Для песка такая связь обнаружена А. В. Сидоренко [26]. В природных условиях мономинеральные грунты встречаются довольно редко, и в практике строительства почти всегда приходится иметь дело с полиминеральными грунтами, где можно говорить лишь о преобладании того или иного минерала.

Минералогический состав влияние которого на свойства грунтов, должно обязательно учитываться при рассмотрении вопросов уплотнения. Обширные исследования были проведены Н. Я. Хархутой [131 – 135]. Исследовалось поведение грунтов, имеющих один и тот же гранулометрический состав или одну и ту же удельную поверхность, но глинистая фракция которых состояла из различных минералов. Проведнные проф. Хархутой исследования позволили сделать вывод, что при прочих равных условиях минералогический состав в значительной степени влияет на устойчивость грунтов к воздействию погодно климатических факторов, связанных с возможностью увлажнения и промерзания.

При уплотнении минералогический состав почти не влияет на характер поведения грунтов.

2.1.4. Анализ влияния гранулометрического состава грунтов на интенсивность процесса уплотнения Количественное содержание в грунтах твердых частиц того или иного размера называется гранулометрическим или механическим составом.

Гранулометрические составы природных грунтов крайне разнообразны.

В таблице 2.12, согласно дорожной классификации, приведн фракционный состав основных типов грунтов. Если в каком-либо грунте содержание пылеватых частиц превышает содержание песчаных, то к наименованию грунта прибавляется слово «пылеватый».

В результате взаимодействия частиц друг с другом и с водой грунты обладают связностью, что увеличивает необходимые для их деформирования или разрушения силы. Ввиду этого мелкие частицы грунта образуют достаточно прочные грунтовые агрегаты. Связанность грунта зависит главным образом от гранулометрического состава и влажности. В песках, даже влажных, связанность проявляется в незначительной степени, и потому эти грунты относят к несвязанным. Супеси можно отнести к малосвязанным грунтам. Связанность особенно становится заметной в случаях суглинков и глин, поэтому последние относят к грунтам связанным. Такое разделение грунтов удобно при изучении многих процессов, связанных с их обработкой силовыми методами. Связанные грунты требуют большого времени приложения силы и высоких контактных напряжений. Несвязанные грунты не требуют длительного приложения нагрузки и хорошо уплотняются вибрацией.

Таблица 2.12 – Фракционный состав грунтов Содержание фракций по весу, % Название песчаных с частицами пылеватых с глинистых с грунта диаметром от 2,0 до 0,05 частицами частицами мм диаметром от 0,05 до диаметром менее 0,005 мм 0,005 мм 15 Песчаный – Песчаный – 15 - пылеватый Супесчаный Больше 50% (частицы 3 - диаметром 2,0 – 0,25 мм) Супесчаный Меньше 50% (частицы 3 - мелкий диаметром 2,0 – 0,25 мм) Пылеватый – Больше песчаных Суглинистый Больше – 12 – пылеватых Тяжлый Больше – 18 – суглинистый пылеватых Суглинистый – Больше песчаных 12 – пылеватый Глинистый – – Песчаные грунты с преобладанием частиц размером от 0,1 до 0, 5 мм являются существенно несвязанными грунтами. Они обладают высоким внутренним трением и водопроницаемостью, эффективно уплотняются вибрацией и невысокими контактными напряжениями. При вынужденных колебаниях силы трения между частицами снижаются, процесс протекает интенсивно. После прекращения процесса вибрирования внутренние связи восстанавливаются [6, 7].

Супеси с содержанием больше 50% (частицы диаметром 2,0 – 0,25 мм) и содержанием 3 – 12% (частицы диаметром менее 0,005 мм) относятся к несвязанным грунтам, малопластичны и даже не пластичны. Хорошо поддаются уплотнению вибрированием. При контактных напряжениях, равных 0,5 – 0,7МПа, вязкое сопротивление деформированию выражено незначительно, поэтому скорость процесса уплотнения достаточно высока. В плотном состоянии обладают высокой устойчивостью, влагоустойчивы [131, 135].

Суглинки с содержанием 12–18 % (частицы диаметром менее 0,005 мм) и наличием песчаных и пылеватых частиц, относятся к связанным грунтам, обладают значительными силами внутреннего сцепления, которые зависят от влажности. При уплотнении в силу высокого вязкого сопротивления деформированию требуют значительного времени приложения контактных напряжений, величиной не менее 0,7 МПа [131, 135].

Глинистые грунты с содержанием больше 25 % (частицы диаметром менее 0,005 мм) очень чувствительны к влаге, в сухом состоянии трудно уплотняемы, при оптимальной влажности требуют длительного времени уплотнения, в переувлажннном состоянии практически не уплотняются [131, 135].

Гранулометрический состав грунтов в значительной степени влияет на интенсивность уплотнения грунтов, в большей степени хорошо уплотняются несвязанные и малосвязанные грунты с относительно большими размерами частиц. Высокое содержание глинистых частиц размером менее 0,005 мм.

увеличивает значения необходимых для уплотнения контактных напряжений и время их приложения. Высокое содержание крупных частиц более 0,5 мм хорошо уплотняются (вибрацией), но обладают невысокой связанностью в плотном состоянии. Наиболее интенсивно уплотняются грунты с рационально подобранным грансоставом (близкие к легким супесям). В реальных условиях для строительства используются грунты естественного залегания. Поэтому грансостав, как правило, далк от оптимального. Для интенсификации процесса уплотнения грунтов того или иного фракционного состава необходимо правильно выбирать способ уплотнения, значение контактных напряжений и время их приложения [131, 135].

2.2. Факторы, влияющие на интенсивность процесса уплотнения грунтов Согласно исследованиям таких учных, как Н. Я. Хархута, О. Т. Батраков, В. Ф. Бабков, Н. Н. Иванов, В. Б. Пермяков, А. В. Захаренко [8, 15, 16, 57, 84, 87, 120, 131, 132, 135] и др., наиболее значимыми факторами, влияющими на интенсивность процесса уплотнения являются: влажность величина W, контактных напряжений, скорость деформирования среды dх/dt, толщина уплотняемого слоя h0.

2.2.1. Величина контактных напряжений Учет физико-механических свойств грунтов при выборе средств уплотнения касается прежде всего тех напряжений, которые развиваются на поверхности контакта рабочих органов машин с уплотняемым грунтом. При больших напряжениях происходят разрушения сплошности грунта, а вследствие этого чрезмерное погружение в грунт рабочих органов машин. В итоге грунт не столько уплотняется, сколько выдавливается в стороны. При небольших контактных напряжениях почти вся деформация развивается как деформация уплотнения, однако она мала, и потому интенсивность процесса недостаточна.

Следовательно, имеются какие-то определенные значения контактных напряжений, при которых обеспечивается нормальное течение процесса, когда вся или почти вся деформация развивается в результате сближения отдельных частиц и их агрегатов, т.е. в результате уплотнения грунта, и при этих условиях деформация максимальна.

Согласно Н. Я. Хархуте [131, 135], значения контактных напряжений должны соответствовать пределу прочности грунта. Проф. Пермяков [84] уточнил данное положение, связав с характеристиками грунта предел прочности и предел текучести, ограничив не только верхний, но и нижний пределы контактных напряжений выражением т (t i )(t i )пр (t i ), (2.3) где т(ti) - предел текучести уплотняемого материала, соответствующий времени ti, МПа;

(ti) – контактные напряжения, соответствующие времени ti, МПа;

пр(ti) – предел прочности уплотняемого материала, соответствующий времени ti, МПа.

На рисунке 2.9 представлена графическая зависимость изменения контактных напряжений с точки зрения эффективного протекания процесса уплотнения.

пр т Напряжения, Па Зона активного накопления вязкопластичных (остаточных) деформаций т пр Относительная деформация Рисунок 2.9 – Диаграмма испытания грунтовых образцов « - »

Если грунт деформировать посредством плоского жесткого штампа и силу постепенно повышать, то вначале (при малых контактных напряжениях, ниже т), деформация сосредотачивается в небольшом объеме грунта, расположенном вблизи контактной поверхности. С ростом контактного напряжения деформации постепенно распространяются на все большую часть объема грунта, наиболее ярко эта тенденция начинает проявляться при превышении контактных напряжений выше т. На рисунке 2.9 эта зона обозначена штриховкой – зона активного накопления остаточных деформаций. Наконец, наступает момент, когда, при продолжающемся увеличении напряжения, рост деформируемой зоны практически прекращается (точка соответствует пр), а затем начинается разрушение материала, т.е. потенциальные возможности такого роста, определяемые поперечными размерами контактной поверхности, оказываются исчерпанными. При этом грунт, расположенный в определенной зоне, имеет одинаковую плотность. Эта зона с верхней стороны ограничена поверхностью, которая может быть принята полусферической. Расположенный в этой зоне грунт называют уплотненным ядром [135].

При уплотнении грунтов гладковальцовыми и пневмошинными катками контактные напряжения не должны превосходить пределов прочностей грунта, так как в противном случае он будет выжиматься из-под рабочих органов машин.

В результате верхняя часть уплотняемого грунта окажется разрыхленной [131, 135].

Исключением из этого правила являются кулачковые и решетчатые катки, контактные напряжения у которых в 1,5-2 раза превышают пределы прочностей грунтов. Это объясняется тем, что у данных катков «ядра» уплотннного грунта начинают образовываться на определнной глубине, когда рабочие органы погружаются в рыхлый грунт всей поверхностью. На этом этапе в большей степени формируется нижний, более прочный, слой, на следующем этапе происходит уплотнения верхнего слоя, также приобретающего необходимую плотность и прочность, соответствующие контактным напряжениям таких катков.

Во избежание снижения эффекта уплотнения контактные напряжения не должны быть и слишком низкими. Лучший эффект получается в тех случаях, когда контактные напряжения под рабочими органами катков с гладкими вальцами, на пневматических шинах и трамбующих машин будут по возможности близкими к нему, т.е. составят 0,9 1 пр, где пр - предел прочности [135].

Большой практический интерес представляют значения контактных напряжений, ниже которых требуемая плотность грунта, даже при неограниченно большом числе проходов машин, уже не может быть достигнута. Эта зависимость для каждой нагрузки отображается экспоненциальными кривыми (рисунок 2.10) [135].

, 1 2 АВ С t Рисунок 2.10 – Зависимость относительной деформации (плотности грунта ) от времени t или числа приложений внешней силы n при разных контактных напряжениях Какая-либо плотность может быть достигнута при различных напряжениях, но действующих в течение разного времени. Необходимая продолжительность действия напряжений, и число их приложений возрастают с уменьшением напряжения. Таким образом, недостаток в напряжении может быть до некоторой степени компенсирован увеличением времени действия силы или числа ее приложений. Вместе с тем, давление и продолжительность его действия влияют на деформацию неодинаково, и потому возможности такой компенсации ограничены. Каждому значению контактного напряжения соответствует своя предельная деформация, выше которой она практически развиваться не будет, даже и при очень большой продолжительности его действия. Поэтому каждой плотности соответствует какое-то минимальное значение контактного напряжения, ниже которого эта плотность достигнута быть не может. Опытным путем применительно к разным значениям плотностей установлены следующие минимальные значения контактных напряжений в таблице 2.13 [135].

Таблица 2.13 – Значения максимальных контактных напряжений Требуемая плотность 0,90 0,95 0,98 грунта в долях от max.

Максимальное давление в 0,2–0,3 0,3–0,4 0,6–0,7 0,8–0, долях от пр Указанная плотность достигается в пределах активной зоны. Таким образом, средство уплотнения необходимо выбирать по развиваемому им контактному напряжению в зависимости от требуемой плотности. При таком выборе следует прежде всего убедиться, что требуемая плотность при данных конкретных условиях работы может быть достигнута.

Следует иметь в виду, что приведенные здесь минимальные напряжения вовсе не являются наиболее эффективными, так как чем меньше контактное напряжение, тем большее время понадобится для достижения требуемой плотности грунта и, следовательно, тем меньше будет производительность машины. Наиболее выгоден случай, когда контактное напряжение имеет оптимальную величину, равную 0,9 1,0 пр [131, 135].

Контактные напряжения должны быть близкими к пределу прочности в течение всего процесса уплотнения грунта. Пределы прочности зависят от плотности, повышаясь с ее увеличением (рисунок 2.11.). При укатке, когда контактные напряжения превышают предел прочности грунта, происходит сильное волнообразование поверхности, сопровождающееся появлением трещин.

1,.

0, пр /po..

..

0, r/rmax 0, 0,80 0,90 0, Рисунок. 2.11 – Зависимость предела прочности связного грунта от его плотности при оптимальной влажности [135] В процессе уплотнения контактные напряжения должны повышаться постепенно. Напряжения первых проходов необходимо выбирать по пределу прочности, соответствующему начальному состоянию грунта. Постепенное увеличение контактных напряжений – основное правило уплотнения, обеспечивающее получение плотной и прочной структуры [135].

При работе машин контактные напряжения в известных пределах повышаются автоматически, главным образом, благодаря увеличению плотности грунта и уменьшению площади контакта. Обычно они возрастают в 1,5-2 раза [135]. Однако для достижения нормативной плотности (ку=0,98 – 1,0) необходимо, чтобы они возрастали в 3-4 раза. Поэтому грунты следует уплотнять двумя машинами: легкой и тяжелой. Легкая машина служит для предварительного уплотнения грунта, тяжелая – для окончательного доведения его до требуемой плотности. Исследования показали, что при такой технологии на 20-25% снижается общее число проходов машин и экономия достигает 30% от общей стоимости работ по уплотнению [131, 135]. Экономия образуется не только в результате уменьшения общего числа проходов, но еще и потому, что значительная часть их совершается более легкой, поэтому более дешевой машиной. Контактные напряжения последнего прохода легкой машины и первого прохода тяжелой машины должны быть равны. Из этих соображений и следует подбирать параметры машин [131, 135].

Предварительное уплотнение грунта более легкими средствами можно не применять лишь в том случае, если грунты до начала работы уплотняющих машин имели плотность не ниже 0,9rmax, т.е. при возведении насыпей скреперами [131, 135].

Вибрационные катки как прицепные, так и самоходные, динамически воздействуют на среду в вибрационном или виброударном режимах. Напряженно деформируемое состояние среды при этом несколько отличается от состояния при статической укатке, сказываются цикличность приложения нагрузки за очень малый отрезок времени и импульсная природа приложения нагрузки. Поэтому в зависимости от величины относительной возмущающей силы удар вальца о грунт происходит за два, три и более оборотов эксцентрикового вала. Опытами Г.Н.Попова [91, 92] установлено, что переход к ударному режиму (рисунок 1.19, точка В) происходит при F0 2 Fст. Можно полагать, что размах колебаний вальца катка увеличивается прямо пропорционально относительной величине возмущающей силы. Такая закономерность имеет место до F0 8 Fст, после чего она приобретает экспоненциальный характер. С повышением возмущающей силы возрастают контактные напряжения и напряженное состояние грунта. При прочих равных условиях увеличение диаметра вальца приводит к уменьшению контактных напряжений. Максимальное контактное напряжение, как показывают исследования [131, 135], с погрешностью до 7-10% может быть определено как qв Е max 0,5, (2.4) R где q в - линейное давление, которое должно быть найдено с учетом действия возмущающей силы, Н/м.

Контактные напряжения, один из основных факторов, влияющих на интенсивность процесса уплотнения, должны увеличиваться по мере увеличения плотности и прочности грунтов.

2.2.2. Скорость деформирования уплотняемой среды Под скоростью изменения напряженного состояния из понимается первая производная от напряжения по времени из d / dt, (2.5) которая, при линейном изменении напряжения во времени принимает вид из / t. (2.6) Деформация у неупрочненных связных грунтов, нагружаемых с небольшой скоростью изменения напряженного состояния – менее 0,01 МПа/с, начинает развиваться одновременно с возрастанием напряжения (рисунок 2.12, б) [135].

Для связных грунтов между напряжением и деформацией с возрастанием нагрузки существует линейная зависимость, в случае несвязных грунтов эта зависимость становится нелинейной.

Для упрочненных и неупрочненных грунтов, нагружаемых со скоростями изменения напряженного состояния более 0,01 МПа/с, наблюдается запаздывание в развитии деформации, которое на диаграммах (рисунок 2.12) определяется отрезками ОА, соответствующими напряжению 1.

Это запаздывание – следствие инерционных и вязких свойств грунта.

Опытным путем установлено, что оно прямо пропорционально логарифму скорости изменения напряженного состояния. При деформации упрочненных грунтов запаздывание происходит и при малых скоростях изменения напряженного состояния. Здесь оно является следствием сцепления между грунтовыми частицами и агрегатами, которое развивается в результате упрочнения грунта многократным приложением циклических нагрузок. Если к такому упрочненному грунту приложить нагрузку, при которой напряжение будет равно или меньше 1, то как бы долго такая нагрузка ни действовала, деформация развиваться не будет. Таким образом, в результате упрочнения грунт в определенных пределах приобретает свойства абсолютно твердого тела [135].

б) 0 t г) в) B 2‘ B I A I A C 3‘ C D C‘ ‘ C‘ 0 E D 0 t E Рисунок 2.12 – Зависимости между напряжением и относительной деформацией при циклическом нагружении (по Н. Я. Хархуте) На участке АВ деформация развивается со все возрастающей скоростью, несмотря на это при больших скоростях изменения напряженного состояния развитие деформации все же отстает от соответствующего изменения напряжения и потому деформация продолжает развиваться и после того, как напряжение по достижении максимума начинает уже снижаться. Этот процесс дальнейшего развития деформации, который на циклических диаграммах отображается кривыми ВС, можно назвать последействием нагружения [135].

Последействие нагружения наблюдается при деформировании как упрочненных, так и неупрочненных грунтов, если скорость изменения напряженного состояния превосходит характерные для данного вида грунта значения. Для связных грунтов последействие нагружения наблюдается при скоростях изменения напряженного состояния, превышающих 0,01 МПа/с, поэтому даже при таких небольших скоростях движения, какие характерны, например, для катков при уплотнении грунтов (2-3 км/ч), уже около 50% деформации развивается как деформация последействия нагружения [135].

При больших скоростях изменения напряженного состояния, как например, при соударении штампа и грунта, диаграмма напряжение – деформация принимает вид, изображаемый на рисунок 2.12, г. В этом случае деформация достигает максимума в момент времени, когда нагрузка грунта оказывается почти полностью снятой [135].

Восстановление обратимой части деформации всегда начинается с большим запаздыванием – когда напряжение уже снизилось на какую-то определенную величину, зависящую от скорости изменения напряженного состояния и степени упрочнения грунта. Это запаздывание больше у связных, чем у несвязных грунтов, оно уменьшается с ростом влажности грунта и с повышением его напряженного состояния, запаздывание увеличивается в результате инерционных явлений [135].

После того как восстановление обратимой части деформации началось, оно идет с возрастающими скоростями (кривые CD на рисунке 2.12.) и продолжается уже и после того, как грунт оказывается полностью разгруженным (отрезки прямых DE). Эту последнюю часть обратимой деформации можно полностью полагать деформацией обратного упругого последействия. Чем выше была скорость изменения напряженного состояния, тем большая часть обратимой деформации восстанавливается в процессе обратного упругого последействия [135].

Отрезки осей абсцисс ОС / отображают полную деформацию, а отрезки ОЕ и ЕС / соответственно необратимую и обратимую ее части. Площади диаграмм ОАВСDО соответствуют затраченной на деформирование грунта работе.

Деформирование даже упрочненных грунтов связано с затратой значительной работы, которая при этом рассеивается [135].

Если рассматривать не течение деформации, а ее результаты, т.е. итоговые значения как полной деформации, так и обратимой и необратимой ее частей, то применение данной зависимости между давлением на поверхности контакта штампа с грунтом и деформацией грунтового полупространства оказывается возможным в случае связных неупрочненных и малоупрочненных грунтов, влажность которых находится в пределах (0,6-1,2) W0, но при условии, что эти напряжения не превосходят предела прочности грунта. Ввиду влияния на деформацию скорости изменения напряженного состояния, и особенно когда она более 2,5-3,5 МПа/с, применение линейной зависимости возможно, если сравниваются результаты циклических нагрузок, совершаемых при одних и тех же значениях скоростей, или когда скорости изменения напряженного состояния выше указанного здесь предела [131, 135].

а) 0, II I Относительная 0, деформация 0, 0, 0, 0 -3 - -2 10 10 1 10 10 Скорость изменения напряжённого состояния, ( МПа/с 0,1) б) 1, I II 1, Относительная деформация 1, 1, 0, 0,6 0, -3 -1 -2 10 10 1 10 10 Скорость изменения напряжённого состояния, ( МПа/с 0,1) I – зона работы катков;

II – зона работы трамбующих машин;

1, 4–6 – полная деформация;

2 – необратимая часть деформации;

3 – обратимая часть деформации;

сплошные линии – суглинистый грунт;

пунктирные – песчаный грунт Рисунок 2.13 – Зависимость относительной деформации грунта / dш от скорости изменения напряженного состояния при циклических нагрузках (по Н. Я. Хархуте) Повышение скорости изменения напряженного состояния приводит к снижению как полной деформации, так и ее необратимой части (рисунок 2.12), при этом особенно интенсивно деформация снижается в зоне небольших абсолютных значений скоростей – до 0,1 МПа/с. Обратимая деформация практически не изменяется и при очень большом повышении скорости, что указывает на большую скорость ее течения в неупрочненных грунтах [135].

Чувствительность грунтов к влиянию скорости зависит от их гранулометрического состава. Наиболее чувствительными оказались так называемые оптимальные смеси, т.е. грунты, где соотношение между отдельными фракциями обеспечивает получение максимальной плотности. Эти грунты обычно содержат 10-12% глинистых частиц. Увеличение скорости изменения напряженного состояния в 104 раз уменьшает деформацию этих грунтов в 3 раза.

Наименее чувствительными являются песчаные грунты, где такое же увеличение скорости уменьшает деформацию в 1,2-1,4 раза. Связные грунты занимают промежуточное положение (рисунок 2.12.) [135].

Уменьшение скорости изменения напряженного состояния при циклических нагрузках эквивалентно соответствующему увеличению напряжения. Поэтому грунты, будучи вполне уплотненными и упрочненными повторными нагрузками, при снижении скорости деформирования вновь обнаруживают необратимую деформацию [131, 135].

А это значит, что помимо контактных напряжений, для получения более прочной структуры материала, необходимо уменьшить скорость деформирования, увеличивать время приложения нагрузки (именно этим и объясняется возникновение эффекта необратимых деформаций при снижении скорости деформирования).

Работа деформации может быть принята прямо пропорционально величине деформации. С ростом скорости изменения напряженного состояния работа несколько возрастает, однако этот рост существен только при малых значениях скоростей.

Полная деформация, которая образуется в результате циклической нагрузки, состоит из трех составляющих: обратимой части, величина которой определяется модулем упругости Еу;

необратимой части, которая развивается с высокими скоростями и может быть найдена при помощи модуля необратимой деформации Еп, и необратимой части статической деформации, развивающейся с малыми скоростями хп. Эту часть можно назвать вязкой пластической деформацией и определять при помощи параметров 0 и. В случае упрочненных грунтов некоторая часть обратимой деформации также протекает со сравнительно небольшими скоростями и поэтому является четвертой составляющей деформации [135].

D A C E t t 0 t3 B Рисунок 2.14 – Схема для определения эквивалентного времени При однократном нагружении неупрочненного грунта можно пренебречь вязкой частью необратимой деформации, если скорости изменения напряженного состояния при циклических нагрузках превышают 1,0 МПа/с. В этом случае полную деформацию можно найти из формулы [135] 1 х. (2.7) E Еп у Эта формула может быть использована во многих случаях, когда рассматривается взаимодействие грунтовой поверхности с колесами как транспортных средств, так и машин для уплотнения грунтов.

При небольшой скорости изменения напряженного состояния необходимо учитывать еще вязкую часть необратимой деформации. В этом случае расчет полной деформации можно произвести хотя и недостаточно строгим, но зато простым методом. Изменение напряжения во времени, существующее в действительности при циклической нагрузке, может быть заменено таким нагружением грунта, при котором напряжение мгновенно возрастает, поддерживается некоторое время постоянным, а затем также мгновенно падает до нуля. Время, в течение которого это напряжение поддерживается постоянным, т.е.

время текучести, должно быть эквивалентно времени повышения напряженного состояния в рассматриваемом процессе [135].

Эквивалентное время t Э может быть найдено из условия равенства площадей. При этом предполагается, что площадь, заключенная между кривой нагрузки, осью абсцисс и ординатой, соответствующей времени нагружения t (площадь ОАВО), должна быть равна площади, отображающей мгновенную нагрузку (OCDE). Максимальные значения напряжений в обоих случаях одинаковы. При таком условии эквивалентное время может быть определено как t t dt, t tЭ (2.8) где t1 - напряжение, соответствующее времени t 1.

Значение величины полной деформации применительно к деформированию неупрочненного связного грунта находится по формуле [135]:

1 1 t1 t t dt.

х t1 ln 1 (2.9) E 0 t1 у Еп d При линейном возрастании напряжения во времени, т.е., когда постоянно, dt выражение примет вид:

1,25 1 ln 1 0,5 t1.

х 0,8 (2.10) E у Е пл 0 В результате опытов Н. Я. Хархуты, Иванова и др. [6, 7, 16, 38, 39] установлено, что при деформировании грунтов циклической нагрузкой с мгновенным нагружением и разгрузкой необратимая деформация в среднем на 20% выше, чем в случае, когда напряжение возрастает и снижается во времени по линейному закону. Это расхождение учтено введением в формулу (2.11) численных коэффициентов. Проф. Н. Я. Хархутой было экспериментально доказано изложенное выше утверждение, что помимо контактных напряжений на процесс деформации грунтов значительное влияние оказывает время приложения уплотняющей силы.

Формулами (2.9) и (2.10) учитывается лишь деформация, которая развивается в процессе нагружения грунта. Для определения полной деформации, которая развивалась за весь цикл нагружения, состоящий из процессов нагрузки и разгрузки, можно пользоваться формулой ln 1 0,5 t1.

х E у (2.11) Скорость деформирования материала существенным образом влияет на процесс уплотнения и если этот процесс осуществлять без учета времени приложения нагрузки, изменяя только контактные напряжения, то материал не «успевает» набрать необходимую прочность. Это в свою очередь может привести к деформации грунтовых насыпей под действием эксплуатационных нагрузок [131, 135].

2.2.3. Влажность грунтов Влажность также является одним из основных факторов, влияющих на интенсивность уплотнения грунтов. Пространственно вода и другие жидкости находятся в грунтах благодаря наличию в них всевозможных пустот (трещин, пор, каналов и др.). Абсолютно сплошных грунтов, не содержащих сколько-нибудь малое количество пор, в природе не существует. Эти пустоты, как правило, занимают вода или другие жидкости из-за своей высокой подвижности.

Установлено, что ниже уровня грунтовых вод до глубин около 4-5 км и более, практически все пустоты горных пород (за исключением углеводородных залежей) заполнены водными растворами, образующими в пределах литосферы региональные неразрывные макроскопические системы гидросферы [135].

Количественное содержание жидкого компонента в грунте может оцениваться различными показателями: объемной и весовой влажностью.

Объемная влажность ( Wп ), или объемное содержание жидкости, численно равна отношению объема воды (жидкости) в грунте ( Vw ) к объему всего грунта ( Vtot ):

V Wп w 100%. (2.12) Vtot Эта величина измеряется в % или в долях единицы и может меняться от нуля (для абсолютно сухого грунта) до 100% или 1 (для полностью насыщенного грунта).

Весовая влажность (W), или весовое (массовое) содержание жидкости, численно равна отношению массы воды (жидкости) в грунте ( mw ) к массе твердой фазы грунта ( msk ):

m W w 100%. (2.13) msk Эта величина также измеряется в % или долях единицы. Однако в отличие от объемной влажности имеет лишь нижнее ограничение – 0% для абсолютно сухого грунта. Объемная и весовая влажности связаны между собой соотношением:

Wn rw W r, (2.14) где r - плотность скелета грунта, г / см3.

Степень (коэффициент) влажности ( Sг ) характеризует относительную долю заполнения пор водой (жидкостью) в данному грунте. Ее величина численно равна отношению объема воды или жидкости ( Vw ) к объему пор грунта ( Vп ):

Vw Sг. (2.15) Vп Величина Sг измеряется в долях единицы или в % и может меняться от 0 (в случае абсолютно сухого грунта) до 1 или 100% (при полном насыщении пор).

Грунты, уплотненные до стабильной плотности, при воздействии влаги не меняют этой плотности, т.е. в данном случае осадка и набухание отсутствуют. Из рисунка 2.15 следует, что во избежание осадок грунтов при водонасыщении их плотности должны быть тем выше, чем больше действующая сила. Различия в стабильных плотностях связных и несвязных грунтов объясняются более жестким скелетом несвязных грунтов [135].

Опытами установлено, что максимальная влажность водонасыщения зависит от внешних сил, уменьшаясь с их ростом, притом особенно интенсивно в области сравнительно небольших значений сил. Эта влажность зависит от вида грунта, снижаясь с увеличением его связности. За единицу приняты оптимальные влажности грунтов [135].

Относительная влажность, как правило, близка к пределу пластичности, отличаясь от него для разных видов грунтов на 2-3%.

W W0/, (2.16) W где W, W0 - влажность и оптимальная влажность грунта, %.

r/rmax 0, 0, 0, 0 0,1 0,2, МПа 1 – связный грунт;

2 – несвязный грунт Рисунок 2.15 – Зависимость постоянной плотности от контактного напряжения (по Н. Я. Хархуте) При рассмотрении трхфазной среды, уплотнение грунтов, т.е. сближение его частиц и агрегатов, происходит за счет удаления только воздуха. Отжатие воды практически отсутствует, оно становится возможным лишь при уплотнении песков вибрированием, т.е. в относительно редких случаях. В уплотненном грунте какой-то объем всегда остается занятым защемленным воздухом, удалить который уже оказывается невозможно. Поэтому максимально допустимая влажность грунта в процентах ( Wmax ) может быть определена по формуле [135] 1 V r r1 r 100, (2.17) Wmax r где r1 - удельная плотность воды, г / см3 ( 1 1г / см3 );

- удельная плотность частиц грунта, г / см3 ;

Vа - относительный объем защемленного воздуха;

r0 требуемая нормами плотность грунта, определяемая как r0 к у rmax, где ку– коэффициент уплотнения;

rmax - максимальная плотность.

Удельный вес минеральной части грунта находится в сравнительно узких пределах, и определение его не вызывает затруднений. Поэтому задачу можно считать решенной, если найти объем, занятый защемленным воздухом.

Определять этот объем необходимо в грунтах, уплотненных при повышенной влажности или подвергнутых водонасыщению с одновременным действием нагрузки. Именно при этих условиях формируется земляное полотно автомобильных дорог и в тех случаях, когда возможно его подтопление [135].

На основании исследований проф. Н. Я. Хархуты установленно, что для уплотненных связных грунтов объем пор, занятый защемленным воздухом, составляет около 3%. В уплотненных несвязных грунтах воздухом занят больший объем, достигающий 6 - 6,5%. Эти значения и могут быть приняты при определении по формуле (2.17) максимально допустимой влажности грунта [89, 122, 131, 135].

Таблица 2.14 составлена проф. Н. Я. Хархутой [135] на основе данных по грунтам. Отклонение отдельных значений влажности от среднего значения по отдельным видам грунтов находится в пределах 3–10 %, т.е. является допустимым.

Всякое превышение влажности грунтов по сравнению с максимально допустимыми значениями повлечет за собой недоуплотнение, а следовательно, понижение устойчивости, и потому является недопустимым. Поэтому для того, чтобы исключить возможные ошибки, в таблице приведены не средние величины, а значения, соответствующие нижней границе случайных отклонений.

Вначале вычисляли средние величины и общепринятым методом находили среднее отклонение отдельных частных значений от этих величин. Табличные значения представляют собой разность между вычисленными средними величинами и средними отклонениями (таблица 2.14).

Таблица 2.14 – Значения допустимой влажности для различных грунтов Коэффициент уплотнения (укатка) 1,0-0,98 0, Грунты Максимально допустимая влажность в долях от оптимальных значений, определенных методом стандартного уплотнения Пески (крупнозернистые и 2,0 2, среднезернистые) Мелкие и пылеватые пески 1,35 1, Легкие супеси 1,25 1, (в том числе пылеватые) Тяжелые супеси, легкие 1,15 1, суглинки Тяжелые суглинки, Превышение оптимальной 1, пылеватые суглинки и глины влажности не допускается При изучении влияния влажностей грунтов на их устойчивость, с учетом воздействия погодно-климатических факторов, были найдены оптимальные значения влажностей, соответствующие наибольшей устойчивости. Под оптимальной влажностью понимается такая влажность грунта, при которой требуемая плотность достигается при минимальных затратах механической работы. Эта влажность зависит от той нагрузки, при которой производится уплотнение (рисунок 2.16).

Показатели влияния количества глинистых частиц определялись Н. Я. Хархутой и М. П. Костельовым [65, 135] для уплотнения грунтов одиночным ударом и при вибрировании.

Для одиночного удара 1 К 'u, (2.18) где 1 и 2 – скорости прохождения ультразвуковой волны, измеренные соответственно до и после удара.


Для вибрации Е 01 Е Кu, (2.19) Е где Е01 и Е02 – модули деформации грунта, измеренные до вибрации и во время вибрации.

1,0 0, W=1,3W 0, 0, Показатель КU ‘ 0, Показатель КU 1W 0, 1,2W 0, 0 10 20 30 Количество глинистых частиц, % 1, 2 – при вибрации с частотой 50Гц;

3 – при одиночном ударе Рисунок 2.16 – Влияние содержания в грунтах глинистых частиц на их тиксотропное разупрочнение (по Н. Я. Хархуте) Каждой степени уплотнения соответствует своя оптимальная влажность грунта, которая может быть определена по общему объему пор с учетом некоторого количества защемленного в грунте воздуха. Содержание последнего зависит, в частности, от гранулометрического состава грунта и от содержания глинистых частиц (рисунок 2.16.). График относится к грунтам, уплотненным при оптимальной влажности до максимальной стандартной плотности.

Из рисунка 2.16 видно, что наибольшим тиксотропным превращениям подвержены супеси (содержание глинистых частиц 3–7% и влажность W =1,2 1,3 W0), при вибрировании сопротивляемость таких грунтов деформированию может быть снижена на 60 % или даже на 90 %. [135]. Дальнейшее увеличение содержания глинистых частиц уменьшает склонность к тиксотропным превращениям, однако при их содержании около 26 % эта склонность снова возрастает [131, 135].

Оптимальная влажность зависит от объема пор и от предельно возможной пептизации, т.е. от вида грунта. Очевидно, что на величину оптимальной влажности будеут влиять гранулометрический и минералогический составы грунтов, состав обменных катионов, а также наличие в грунтовой влаге и грунте солей и других примесей.

Очевидно, что не всякое повышение влажности облегчает процесс уплотнения. Повышение влагосодержания обычно эффективно лишь при увлажнениях грунтов до такой степени, при которой вся вода еще находится в связанном состоянии.

Оптимальная влажность зависит от величины действующей нагрузки лишь постольку, поскольку последнюю определяет требуемая плотность. В практике уплотнения грунтов оптимальную влажность приходится отыскивать именно по отношению к параметрам нагрузки. Для определения оптимальной влажности при уплотнении грунтов катками с гладкими вальцами удобно пользоваться опытной зависимостью (рисунок 2.16.), построенной по данным В. Льюиса [145]. Этот график, будучи построен по результатам работ различных исследователей, показывает, что с известным приближением эта зависимость может быть принята линейной.

Исследователями [31, 43, 62, 120, 133, 135, 149] было установлено, что размеры контактов рабочих органов машин с уплотняемым грунтом, а также скорость изменения напряженного состояния практически не оказывают влияния на оптимальную влажность. Так, при повышении диаметра штампа (dш), которым деформируют грунт при уплотнении, в 2 раза и снижении скорости изменения напряженного состояния в 22 раза весовая влажность соответственно увеличилась всего на 0,2 и 0,4%. Повторность приложения нагрузки, также оказывает влияние на оптимальную влажность лишь постольку, поскольку от нее зависит получаемая в итоге плотность грунта. Это является существенным фактором, позволяющим интенсифицировать процесс уплотнения.

Рассматривая влияние влажности грунтов на протекание процесса уплотнения можно сделать вывод, что при повышении влажности грунтов уменьшается их внутреннее сопротивление деформированию. Это происходит за счт того, что влага облегчает относительное «проскальзывание» частиц грунта относительно друг друга и снижает коэффициент внутреннего трения при его уплотнении. Однако такая тенденция наблюдается до определнного момента влагонасыщения, т. е. до состояния оптимальной влажности, при котором грунт меньше всего сопротивляется деформации. Дальнейшее повышение влажности снижает эффективность процесса уплотнения, жидкая фаза начинает в большей степени проявлять свои «несжимаемые» свойства, увеличивается вязкая составляющая сопротивления деформированию. Дальнейшее увеличение влажности может привести к снижению пределов прочности и пластичности, что особенно характерно для связанных глинистых грунтов.

Таким образом, влажность грунтов оказывает существенное влияние на снижение их сопротивления деформированию. Уплотнение грунтов необходимо проводить не только при значении оптимальной влажности, но и определнной частоте приложения внешней силы, при которой колебательное движение частиц виброуплотняемого грунта вызывает тиксотропные эффекты, резко снижающие сопротивляемость грунта уплотнению даже при невысоких контактных напряжениях.

2.2.4. Количество проходов по одному следу Необходимое число проходов катка является важнейшим параметром, характеризующим интенсивность уплотнения. Достаточно отметить, что отклонение от него в ту или иную сторону способно вызвать недоуплотнение грунта или обеспечить напрасные затраты энергии на непродуктивных проходы катка.

Деформирование грунта вальцами катка описывается диаграммой напряжение - деформация, представленной на рисунке 2.17 в обобщенном виде.

С ПР B Т Напряжение T ПР Деформация Рисунок 2.17 – Диаграмма напряжение – относительная деформация На диаграмме (площадка В–С) прослеживается близкое к разрушению состояние уплотняемого материала, которое энергетически выгодно использовать для повышения эффективности уплотнения. Материал при этом достаточно легко накапливает необратимые деформации и по состоянию приближается к пределу возможной плотности [135].

По современным представлениям контактные напряжения катка должны быть больше предела текучести т уплотняемого материала, не превосходя одновременно значения его предела прочности пр. Для обеспечения процесса уплотнения в рассматриваемом прочностном диапазоне одних контактных напряжений недостаточно, вальцы должны обеспечивать соответствующую деформацию:

т пр, (2.20) где т – деформация, соответствующая пределу текучести грунта;

пр – деформация, соответствующая пределу прочности грунта.

Процесс уплотнения сопровождается ростом прочности и модуля деформации Е уплотняемого материала. При этом слой свежеотсыпанного рыхлого материала толщиной h 0 деформируется после каждого прохода катка на определнную величину, достигает соответствующего ей значения плотности и толщины слоя в плотном теле h пл.

Если общую деформацию принять в соответствии с условием (2.20), то исходя из формулы для определения модуля деформации, можем записать с учетом свойств уплотняемого материала:

пр h i х i (2.21).

Еi Толщина слоя уложенного материала h0 уменьшится на величину х:

h h0 х. (2.22) Вследствие накапливаемых деформаций изменяется объмный вес грунта, накопление остаточных деформаций может быть оценено коэффициентом уплотнения ку:

r ку. (2.23) rст Из графика на рисунке 2.18, видно, как должны изменяться модуль деформации и предел прочности грунта от коэффициента уплотнения к у при действии на него рабочего органа катка.

Модуль деформации, предел прочности, МПа E ПР Коэффициент уплотнения КУ Рисунок 2.18 – Зависимость предела прочности и модуля деформации от коэффициента уплотнения материала [135] Следует отметить, что рассмотренный случай полного соответствия параметров катка прочностным и деформативным свойствам уплотняемого материала в течение всего процесса уплотнения на практике невозможен.

Поскольку рыхлый материал в свежеотсыпанным слое h0 обладает низким пределом прочности, а затем набирает плотность, контактные напряжения создаваемые уплотнителем, не должны его превышать. При последующих проходах, как уже было отмечено выше, плотность и прочность грунта возрастают. Для осуществления дальнейшей деформации i контактные напряжения должны увеличиваться, т.е. возникает необходимость изменять контактно-массовые параметры катков, причем в течение всего процесса уплотнения такая необходимость может возникать несколько раз [135].

В реальных условиях к этому ближе всего катки, регулирующие контактные напряжения вслед за ростом предела прочности материала. Как правило, это катки на пневмошинах, у которых такое регулирование происходит за счет сокращения площади пятна контакта.

Классическая же технология укатки предусматривает применение нескольких типов катков, обеспечивающих постепенный рост контактных напряжений.

Если их параметры не полностью соответствуют изменению свойств уплотняемого материала, то снижается производительность работ, требуется корректировка расчета числа проходов.

Деформацию, создаваемую вальцом за одно воздействие, можно определить, воспользовавшись зависимостью А. Ю. Ишлинского [61]:

Fст х, (2.24) 2 L2 пр R где Fст – сила тяжести вальца;

L – ширина вальца;

R – радиус вальца.

Учитывая толщину уплотняемого слоя h0 и достигнутый коэффициент уплотнения ку из графика на рисунке 2.23, можно найти соответствующее этому коэффициенту значение предела прочности материала. Производя расчет числа проходов катка, необходимо учитывать число и расположение вальцов, их размеры, схему движения (кольцевая или челночная) и развесовку по осям.

Вычисления показывают, что каток ДУ-47А с развесовкой по осям 3070% более эффективен при кольцевой схеме укатки, чем при челночной. Выигрыш составляет 2-3 прохода [66, 67]. Очевидно, что для самоходных катков, работающих преимущественно по челночной схеме, следует рекомендовать равномерную развесовку, обеспечивающую равенство контактных напряжений между вальцами. И наоборот, для прицепных катков, работающих в сцепке, более выгодно постепенное нарастание веса. Как видим, для катков с вальцами, идущими след в след, расчет довольно прост.

Несколько сложнее расчет числа проходов для двухосного трехвальцового катка. Общая полоса уплотнения таких катков складывается из перекрывающихся на 200-300 мм полос уплотнения трех их вальцов, имеющих к тому же разные размеры и контактные напряжения. При одинаковой прочности материала это может привести к неравномерному деформированию. В этом случае деформирование от переднего и задних вальцов приходится считать отдельно и для определения коэффициента уплотнения брать ее среднее значение. Число воздействий вальцов у такого катка равно числу его проходов.


Для вибрационных катков расчеты производятся по тем же зависимостям с подстановкой соответствующих этому способу уплотнения значений предела прочности и модуля деформации грунта. Подобный подход так же, как и вышеперечисленные факторы, определяет интенсивность процесса уплотнения.

2.2.5. Толщина уплотняемого слоя Оптимальная толщина уплотняемых слоев грунта определяется предельной глубиной распространения напряжений от силового воздействия рабочих органов катков. Известно, что предельная глубина действия нагрузки находится в пределах (3-3,5) d ш – диаметра штампа, которым деформируют грунт.

Грунты всегда уплотняют послойно. С повышением толщины уплотняемого слоя деформации и напряжения начинают затухать [135], а это значит, что чрезмерно большие слои будут недоуплотняться в нижней части, что в свою очередь не позволит обеспечить равномерную плотность и прочность таких насыпей. Поэтому в основании каждого слоя находится ранее уплотняемый более жесткий грунт. Различие в жесткости грунтов слоя и основания особенно велико в начале уплотнения, когда грунт находится в рыхлом состоянии. Более жесткое основание расположено на меньшей глубине, чем предельная глубина, на которую распространяется еще действие нагрузок, и потому оно существенно влияет на распределение напряжений в грунте и на деформацию слоя грунта с учтом содержания глинистых частиц (рисунок 2.19). Жесткое основание приводит к концентрации сжимающих напряжений, а также к меньшему перепаду напряжений по глубине, т.е. к их выравниванию [131, 135].

2, 1, Оптимальная толщина слоя 1, 0,.

0, 0 2 4 6 8 Содержание глинистых частиц, % 1 2000Н/ м2 ;

2 1400Н/ м2 ;

740Н/ м Рисунок 2.19 – Зависимость оптимальной толщины слоя от содержания в грунте глинистых частиц (по Н. Я. Хархуте) [135] Выравнивание напряжений является также и следствием пластических сдвигов, которые развиваются в отдельных точках объема грунта. Выравнивание, т.е. уменьшение перепада напряжений с глубиной, особенно проявляется при какой-то средней плотности грунта, когда абсолютная величина и количество сдвигов еще значительны, но они более или менее равномерно распределены по объему грунтов, а не сосредоточены в верхней части слоя, как это бывает в рыхлом грунте. Ввиду выравнивания кривая распределения напряжений по толщине слоя значительно отличается от классической кривой Буссинеска (рисунок 2.20) [135].

При близком расположении основания (рисунок 2.20, кривая 3) напряжения настолько выравниваются, что у основания они практически близки к напряжениям, действующим на поверхности грунта. В данном случае минимальные значения напряжений соответствуют средним частям слоя, причем разрыв между этими напряжениями и напряжениями на поверхности грунта незначителен.

h 1 – при отсутствии жесткого основания;

2 – при расположении жесткого основания на относительно большой глубине;

3 – при близком к поверхности расположении грунтового основания Рисунок 2.20 – Распределение напряжений по глубине h (по Н. Я. Хархуте) Такое распределение напряжений наблюдается при значительных различиях в жесткостях слоя грунта и основания и при условии, что грунт слоя уже несколько уплотнен. В конце уплотнения при одинаковой влажности грунта слоя и основания их жесткости выравниваются.

В основу расчета получаемой в итоге деформации, во всяком случае при первых проходах машин, когда различие в жесткостях слоя и основания еще не велико, проф. Н. Я. Хархутой [135] предложен эквивалентный модуль деформации Е э, имеющий промежуточное значение, т.е. Еос Еэ Е, где Еос модуль деформации основания;

Е - модуль деформации грунта уплотняемого слоя.

Значение эквивалентного модуля находится в зависимости от толщины уплотняемого слоя. Чем меньше толщина, тем ближе его значение к модулю деформации основания (рисунок 2.21). График получен опытным путем проф.

Н. Я. Хархутой [131, 135], он может быть использован при практических расчетах.

1, 0, 0, ОС E /E 0, 0, 0 1 2 3 h/dш 1 – совершенно рыхлый грунт;

2 – рыхлый грунт;

3 – почти плотный грунт Рисунок 2.21 – Зависимость эквивалентного модуля Е э от относительной толщины уплотняемого слоя связного грунта оптимальной влажности (по Н. Я. Хархуте [135]) Проф. Н. Я. Хархутой установлено, что жесткое основание, с одной стороны, выравнивает распределение напряжений по глубине, в чем сказывается его положительная сторона, а с другой стороны, ввиду повышения жесткости всей системы, оно способствует уменьшению деформации, что относится к отрицательным сторонам воздействия этого основания. Для компенсации этого уменьшения, необходимо увеличивать контактные напряжения. Это вполне возможно, так как более жесткое основание повышает не только жесткость системы, но и предел прочности. Закономерность повышения предела прочности аналогична зависимости, изображенной на рисунке 2.21 [135].

При отсутствии жесткого основания, т.е. когда деформируется полупространство грунта, тоже имеется зона равномерного уплотнения. Однако в этом случае ее глубина на 10-20% меньше. Наличие зоны равномерного уплотнения при грунтовом полупространстве объясняется повышением напряженного состояния грунта с ростом числа поверхностей приложения нагрузки. Этот процесс повышения прекращается по достижении грунтом какого то определенного состояния, которое соответствует величине нагрузки. Чем глубже расположен рассматриваемый объем грунта, тем при большем числе повторений приложения нагрузки прекращается этот процесс повышения, поскольку с каждым повторным приложением нагрузки напряжения передаются через уже уплотннную верхнюю часть полупространства ещ недоуплотннной нижней. В этом случае в полупространстве происходит своеобразное выравнивание напряжений, которое, однако, отличается от рассмотренного ранее случая формирования слоя грунта на жестком основании тем, что одинаковые напряжения возникают не одновременно, а при разных циклах нагружения [134, 135].

Напряжения, необходимые для доведения какого-то объема грунта до определенной плотности, уменьшаются с увеличением глубины расположения этого объема. Поэтому одинаковая плотность грунта вблизи поверхности достигается при больших напряжениях, чем на какой-то глубине. Кроме предельной зоны, на которую распространяется действие нагрузки, можно выделить еще такую зону, в которой деформация при уплотнении грунтов распределяется более или менее равномерно (рисунок 2.22). Эта зона называется активной, а ее глубина – глубиной активной зоны. В этой зоне реализуется 80, а иногда и 90% всей необратимой деформации [135].

Глубина активной зоны зависит от размеров параметров контакта рабочих органов машин с грунтом, от скорости изменения напряженного состояния и величины контактного напряжения (рисунок 2.22). Главным фактором является диаметр отпечатка контакта (штампа), который и определяет максимальную глубину, в пределах которой при благоприятных обстоятельствах, т.е. при контактных напряжениях, близких к пределу прочности, и относительно небольших скоростях изменения напряженного состояния, может быть получено однородное уплотнение грунта. Для интенсивного протекания процесса уплотнения необходимо, чтобы скорость деформирования должна быть такой, что за время действия нагрузки волна напряжений не только успела достигнуть этой глубины, но и создать на ней высокий уровень НДС, поддерживаемый в течение времени, достаточного для развития соответствующей этому напряжению деформации. При самых благоприятных условиях глубина активной зоны близка к 2dш [135].

а 1, h0 /hmax б 0, h0 /hmax 1, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0,9 1,2 1, 0,8 1,0 1,1 W/W / пр 0 0, 0,2 0,6 0, Рисунок 2.22 – Зависимость глубины активной зоны h 0 от: а – величины контактного напряжения;

б – относительной влажности грунта;

h мах - глубина активной зоны, соответствующая пределу прочности грунта пр и его оптимальной влажности W0 (по Н. Я. Хархуте) После превышения предела прочности грунта активная зона по своим размерам не увеличивается, а лишь смещается вниз. При снижении контактного напряжения зона уменьшается (рисунок 2.22, а). Это становится заметным после того, как контактное давление уменьшается более чем на 50% от предела прочности грунта. Вместе с тем, любое снижение контактного напряжения из-за уменьшения деформации грунта влечет за собой необходимость в увеличении числа повторений приложения нагрузки, т.е. приводит к уменьшению производительности.

При прочих равных условиях глубина активной зоны в связных грунтах на 20-25% ниже, чем в несвязных. В тех случаях, когда контактные напряжения строго соответствуют пределу прочности грунта, его влажность не оказывает влияния на глубину активной зоны. Однако, если контактное давление постоянно и выбрано по оптимальной влажности грунта, то с понижением этой влажности активная зона уменьшается (рисунок 2.22, б), что является следствием увеличения предела прочности из-за того, что выбранное давление, ввиду резкого уменьшения предела прочности, оказывается чрезмерно большим. Это способствует интенсивному пластическому течению грунта, которое нарушает механизм распространения деформаций и в конечном итоге уменьшает глубину активной зоны. Поэтому зависимость глубины активной зоны от влажности характеризуется кривой, имеющей максимум [135].

Максимум в зависимости от выбранного контактного напряжения может соответствовать различным влажностям и, в частном случае (рисунок 2.22, б), он может соответствовать оптимальной влажности грунта.

Расчет глубины активной зоны h 0 можно вести по следующей формуле (по Н. Я. Хархуте [131, 135]):

W пр 1 e, h 0 Lmin (2.25) W0 где Lmin – минимальный поперечный размер (ширина) поверхности контакта рабочего органа машин с уплотняемым грунтом;

0 и пр – соответственно контактное напряжение и соответствующий оптимальной влажности предел прочности;

е – основание натуральных логарифмов;

и – безразмерные постоянные.

Коэффициент зависит от скорости изменения напряженного состояния;

при укатке 1,7 2,0, при трамбовании 1,1. Показатель степени зависит от вида грунта и для связных грунтов принимается =3, 7 [135].

Формула (2.25) может служить для практических расчетов при пр и W W0. Когда влажность грунта менее оптимального значения и предел прочности пр соответствует этой пониженной влажности, следует полагать, что W/ W0 1.

Толщину уплотняемых слоев измеряют в плотном теле, т.е. при таком состоянии грунта, когда его плотность соответствует требуемому значению.

Оптимальная толщина уплотняемых слоев грунта, т.е. толщина, при которой требуемая плотность грунта достигается при наименьшей затрате механической работы, а производительность машины максимальна и определяется глубиной активной зоны.

Исследования, а также практика эксплуатации катков с гладкими вальцами, на пневматических шинах и трамбующих машин показали, что, если требуемая плотность не превышает 0,95max, оптимальная толщина может быть принята равной глубине активной зоны. Такая плотность достигается относительно легко и не требует излишне большого числа проходов машин. Для вибрационного уплотнения особенно несвязанных материалов картина несколько отличается, здесь необходимо учитывать вертикальную глубину распространения виброволн.

Проф. Д. Д. Баркан [118] предлагает оценивать оптимальную толщину виброуплотняемого слоя грунта по критическим значениям виброускорений, при которых ещ происходит накопление необратимых деформаций. Значения оптимальной толщины виброуплотняемого слоя, как правило, превышают значения при статической укатке, исключение составляет уплотнение связанных грунтов, обладающих высоким вязким сопротивлением деформированию.

В таблице 2.15 приведены расчетные параметры связанных грунтов оптимальной влажности, которые могут быть использованы для практических расчетов. Эти параметры соответствуют уплотнению грунтов в слоях оптимальной толщины при скоростях изменения напряженного состояния, близких к тем, которые наблюдаются при укатке и трамбовании грунта.

Плотность связных грунтов rmах, обычными машинами при толщине слоя, равной глубине активной зоны, может быть достигнута только при оптимальной влажности грунтов. При этом подразумевается предел, соответствующий оптимальной влажности и толщине слоя, равной глубине активной зоны или превышающей эту глубину. При этих условиях высокая плотность грунта может быть достигнута только увеличением числа проходов. Многочисленные опыты показали, что для достижения относительной плотности, равной rmах, требуется сделать в 3 раза больше проходов, чем для получения плотности 0,95rmах. Таким образом, производительность машин снижается в 3 раза.

Таблица 2.15 – Значения расчтных параметров связанных грунтов Характеристика состояния Расчетные параметры грунтов оптимальной влажности грунта Эквивалентный модуль Эквивалентный модуль Модуль r / rmах деформации пластичности деформации Е, Кн.д.

Е Э, МПа EПЭ, МПа МПа 0,60-0,70 5-10 30 35 0, 0,71-0,75 10-20 50 65 0, 0,76-0,85 20-40 65 85 0, 0,86-0,90 40-80 85 140 0, 0,91-0,94 80-100 120 240 0, Высокая плотность грунта может быть достигнута изменением толщины уплотняемого слоя меньше глубины активной зоны. При этом уменьшаются боковые перемещения части грунта и их агрегатов, т.е. начинают преобладать вертикальные смещения, что способствует получению высокой плотности грунта.

Однако более близкое расположение жесткого основания повышает эквивалентный модуль системы, вследствие чего относительная деформация грунта, выраженная в долях от толщины слоя, увеличивается не пропорционально уменьшению, а несколько отстает от него. Вместе с тем, при уменьшении толщины слоя вс усиливающееся влияние жесткого основания является основной причиной непрерывного повышения предела прочности грунта, что и позволяет применять более тяжелые машины.

Теоретическим и опытным путем установлено, что для достижения плотности грунта (0,98-1) rmах толщину уплотняемого слоя грунта целесообразно выбирать в 1,5-2 раза меньше глубины активной зоны [135]. Именно такая толщина в данном случае и будет оптимальной. Необходимое число проходов при этом может быть уменьшено на 20-30% по сравнению с тем количеством, которое требуется для доведения грунта в слое толщиной, равной глубине активной зоны, до плотности 0,95rmах.

Уменьшение толщины уплотняемого слоя грунта выгоднее увеличения числа проходов, так как производительность катков по сравнению с тем случаем, когда требуемая плотность равна 0,95rmах, снижается не в 3, а в 1,5 раза. Однако этот метод не применим, когда толщина слоя мала, например, при укатке грунтов катками с гладкими жесткими вальцами. В этих случаях единственным способом достижения высокой степени уплотнения является увеличение числа проходов.

Уменьшать толщину уплотняемых слоев, как это следует из формулы (2.25), приходится и в случаях, когда грунты имеют влажность менее оптимальной.

Однако уменьшения можно избежать, если для уплотнения применять машины с повышенными контактными напряжениями. К таким машинам относятся тяжелые модели кулачковых и решетчатых катков. Максимальные значения плотностей, достигаемые этими машинами, составляют (1,1-1,12) rmах при тяжелых – суглинках, в том числе и пылеватых, и (1,03-1,06) rmах – при несвязанных и малосвязанных грунтах. Такие и близкие к ним высокие плотности грунта получаются при W 0,8 0,85 W0 и контактных напряжениях, близких к пределам прочностей грунтов, которые при этих влажностях превосходят пределы прочностей тех же грунтов оптимальных влажностей в 5-7 раз [131, 135].

Соотношение между ростом предела прочности и модуля деформации при изменении состояния грунта может служить критерием для определения возможности уплотнения этого грунта [131, 135]. Возможность уплотнения определяется неравенством пр / Е /, (2.26) пр Е где пр и Е0 - предел прочности и модуль деформации первоначального состояния грунта;

пр и Е 0 - предел прочности и модуль деформации / / измененного состояния грунта.

Неравенством (2.26) определяется возможность уплотнения грунтов и в тех случаях, когда в результате изменения их состояния пределы прочности и модули деформации не повышаются, а снижаются.

Возможность получения высоких плотностей грунтов при уменьшении их влажности обусловлена соблюдением неравенства (2.26), т.е. с уменьшением влажности предел прочности растет быстрее, чем модуль деформации (рисунок 2.23).

пр пр,E E 0 0,7 0,8 0,9 1,0 W/W Рисунок 2.23 – Изменение предела прочности пр и модуля деформации Е 0 связных грунтов в зависимости от их влажности (по Н. Я. Хархуте) Более быстрый рост предела прочности позволяет увеличивать контактные напряжения без разрушения грунта в несколько большей мере, чем это требуется по увеличению сопротивляемости грунтов деформированию, что и дает возможность получить высокие плотности. Таким образом, уменьшение влажности грунта создает потенциальные возможности для получения высокой степени уплотнения, а развивающиеся на поверхности грунтов напряжения создают условия для реализации этих потенциальных возможностей. В таблице 2.16 приведены полученные опытным путем [26, 135] предельные значения плотностей грунтов, которые могут быть достигнуты при уменьшении влажности, а также необходимые для этого контактные напряжения. Здесь предполагается, что уплотняемый слой грунта расположен на основании, которое состоит из такого же ранее уплотненного грунта. За единицу контактных напряжений принят соответствующий оптимальной влажности предел прочности пр. В таблице приведены максимальные значения относительной влажности, выше которых плотность, указанная в таблице 2.16 уже не может быть достигнута.

Таблица 2.16 – Значения максимальной относительной влажности грунтов Контактные Контактные напряжения напряжения 0 / пр 0 / пр Предельно Влаж- Влаж Предель- Для достижи ность ность Для Для ная достиже мая грунта грунта достиже- Для достиже плотность ния плотность ния достиж-я W / W0 W / W ния r / rmах предель r / rmах плотнос- плотности предель ной rmах ти ной плотности rmах плотности 1 1,00 1,0 1,0 0,83 1,10 5,5 1, 0,95 1,04 2,0 1,2 0,80 1,12 7,0 1, 0,85 1,09 5,0 1,5 0,77 1,13 7,5 1, Толщина уплотняемого слоя оказывает существенное влияние на интенсивность процесса уплотнения грунтов. Для эффективного осуществления этого процесса необходимо учитывать глубину активной зоны проработки материала. Причм при необходимости достижения высоких значениях требуемой плотности толщина слоя должна снижаться, при этом необходимо учитывать не только возрастающее влияние жсткого основания, но и возможное снижение производительности машины за счт уменьшения прорабатываемого объма грунта. Применение вибрации позволяет значительно увеличить толщину уплотняемых слов грунта, для связанных грунтов при этом необходимо увеличивать ещ и контактные напряжения. Равномерное распределение плотности при максимальной толщине уплотняемого слоя возможно при виброуплотнении грунтов с оптимальной влажностью и с учтом ранее изложенных факторов (величины контактных напряжений, скорости деформирования), влияющих на интенсивность уплотнения.

Представленные результаты исследований по свойствам грунтов позволяют провести аппроксимацию экспериментальных данных (таблицы 2.17 – 2.20), полученных такими учными, как Д. Д. Баркан, С. С. Вялов, Н. Я. Хархута и др.

[11, 13, 42, 43, 63, 131, 135], получения функциональных зависимостей основных физико-механических свойств грунтов от влажности и плотности (коэффициента уплотнения ку).



Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 5 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.