Уплотнение – неотъемлемая часть строительных работ
История, оборудование, технология
Если представить себе верхний слой грунта (почва), который подвергается последовательному уплотнению уплотняющей машиной, то можно заметить, как опускается поверхность почвы. Это хорошо видно на рисунках 1 и 2.
Уплотнение грунтов – процесс, который включает в себя уменьшение содержания в грунте полостей с воздухом. Предварительно выбранный грунт должен иметь достаточную прочность, быть относительно не сжимаемым, чтобы будущая осадка не была значительной, быть устойчивым к изменению объема при изменении содержания воды или других факторов, быть прочным и не склонным к разрушению, а также обладать надлежащей проницаемостью. Уплотнение грунтов производится для обеспечения их заданной плотности и уменьшения величины и неравномерности последующей осадки оснований и земляных сооружений. При уплотнении грунтов увеличивается их прочность, уменьшается сжимаемость и фильтрационная способность. Степень уплотнения грунтов оценивается по объемной массе его скелета: уплотненным называется (условно) грунт, объемная масса скелета которого 1,6 т/м3.
Объемная масса твердой фазы (скелета) грунта – отношение массы твердых частиц или массы абсолютно сухой породы к массе воды при 4 °С, взятой в объеме, равном объему всей породы (объем зерен к объему пор) при данной пористости.
Уплотнение грунтов получило распространение в гидротехническом, автодорожном, железнодорожном строительстве, при выполнении земляных работ, связанных с вертикальной планировкой застраиваемых территорий, при засыпке котлованов и траншей после устройства фундаментов, прокладке подземных коммуникаций и т.д. Весьма эффективно уплотнение грунтов при подготовке оснований на неоднородных (по сжимаемости) насыпных, просадочных и водонасыщенных глинистых грунтах.
К просадочным грунтам относятся лессы, лессовидные супеси, суглинки и глины, некоторые виды покровных суглинков и супесей, а также в отдельных случаях мелкие и пылеватые пески с повышенной структурной прочностью, насыпные глинистые грунты, отходы промышленных производств (колосниковая пыль, зола и т. п.), пепловые отложения и др.
На рис. 3 наглядно видны свойства щебня с равномерными и разномерными зернами. Равномерные зерна поддаются уплотнению очень тяжело или совсем не поддаются. Поэтому нужно тщательно подбирать материал – щебень, гравий, песок – при подготовке площадки перед уплотнением. Щебень, гравий и песок с круглыми зернами и зернами с более-менее равным размером очень плохо или вообще не поддаются уплотнению. Поэтому необходимо подбирать раздробленные материалы с неравными размерами зерен.
Исторические методы уплотнения показаны на рис. 4. Ручные трамбовки и тяжелые, иногда заполненные валунами, катки, запряженные волами или лошадьми, служили инструментами уплотнения тысячелетиями до появления современных машин с двигателями.
После изобретения и использования паровых двигателей на паровозах паровые двигатели стали ставить на катки. Эти паровые катки стали предшественниками всех катков, которые мы знаем и сегодня. Первые паровые катки появились в начале 1860-х годов. Принцип их действия – статическое воздействие на уплотняемый грунт с помощью тяжелого веса при низкой скорости. Вес паровых катков в зависимости от их задач колебался от 3 до 35 т.
Паровые катки работали очень медленно с целью долговременного воздействия статического веса на грунт. Поэтому инженеры в Германии искали метод ускорения при уплотнении.
В 1922 г. немецкая компания DELMAG изобрела первый в мире дизельный копер. Эта машина работала в общем на принципе двигателя внутреннего сгорания. В камеру сгорания впрыскивалась смесь дизельного топлива с воздухом, и оператор вручную подавал искру. Затем в результате сгорания топливо-воздушной смеси поршень, жестко соединенный с трамбующей плитой, под действием давления поднимает весь механизм, и таким образом осуществляется удар по грунту. Однако скоро стало ясно, что дизельная баба очень эффективно работает при уплотнении, но полезна она преимущественно на небольших стройках.
В 1934 г. компания LOSENHAUSEN из виброуплотнителя AT 5000 (см. рис. 1) разработала виброплиту на гусеничном ходу. Машина весила 25 т, на ней был установлен двигатель мощностью 100 л.с. При частоте ударов 25 Гц у плиты массой 25 т развивалась центробежная сила в 295 кН.
Так появился метод динамического уплотнения.
На рис. 11 представлена схема расположения двух дисбалансов. При вращении вала, на котором находятся оба дисбаланса, можно увеличивать центробежную силу. Жестко закрепленный дисбаланс при этом имеет больший вес, чем подвижный. При вращении вала влево (голубая стрелка) подвижный дисбаланс останется на своем месте, а при обратном вращении (желтая стрела) оба дисбаланса объединяются и центробежная сила увеличивается. Такую систему выгодно применять, когда каток эксплуатируется при уплотнении грунта (щебня, гравия, песка и т.д).
Момент дисбаланса рассчитывается по следующей формуле.
число оборотов, 1/мин.
Статическое давление при уплотнении грунта или асфальта создается за счет собственного веса катка и сжимает уплотняемый материал (см. рис. 2, 3).
Статическое давление создают катки с железными гладкими барабанами без вибрации. Катки с пневмоколесами также работают по принципу статического давления, но дополнительно оказывают разминающий эффект, что способствует закрытию трещин и пор на поверхности асфальта.
Динамическое уплотнение действует как звуковая волна (см. рис. 13). Удары от вибрации создают силовую волну, распространяющуюся по уплотняемому материалу до такой глубины, на которой энергия этой волны уменьшается до нуля. Именно по этой причине при динамическом уплотнении самый верхний слой материала может остаться неуплотненным. Поэтому очень важно, чтобы катки после совершения своей работы еще раз проехали по площадке без вибрации.
Вибротрамбовки также работают по принципу динамического уплотнения, подобным же образом воздействуя силовой волной на грунт. В отличие от виброкатков у них частота динамических ударов гораздо меньше (см. рис. 8).
Назначение и виды вальцовых катков
Иcходя из области применения среди дорожных катков можно выделить много разновидностей, отличающихся по разным признакам.
Первый признак разделения катков – технология передвижения: различают катки самоходные и прицепные. Полуприцепные и прицепные вальцовые катки крепятся к трактору.
Катки также различаются по типу воздействия. Как уже выше написано, есть статические катки, которые воздействуют на грунт или асфальтобетонную смесь собственным весом. Вибрационные катки уплотняют грунт одновременным воздействием веса вальца и его вибрации.
Рабочее оборудование катка – вальцы. Вальцы могут иметь гладкую поверхность. Такие катки используют для прикатывания асфальта с целью получения гладкой ровной поверхности.
На рис. 16 показан вибрационный (тандемный) каток с гладкими вальцами и сочлененной рамой.
В конструкции комбинированного катка удачно сочетаются преимущества вибрационных и пневмоколесных катков. Данный вид катков используется для уплотнения не только на горизонтальных трассах и площадках, но и на подъемах до 15°. Каток имеет шарнирно-сочлененную раму и колеса с гладкими шинами (без рисунка протектора), как у пневмоколесных катков. В отличие от грунтового катка у комбинированных моделей имеется 4 колеса, чтобы выполнять функцию пневмоколесного катка.
При строительстве асфальтовых дорог пневмоколесные катки очень эффективны. Они совмещают возможности статическогo уплотнения за счет большого веса (до 25 т) с возможностью изменения веса в большом диапазоне путем замены балласта, а также дополнительно оказывают на асфальт разминающее воздействие, что способствует закрытию трещины и пор на поверхности асфальта и предотвращает проникновение воды в толщу асфальта. Скорость этих машин при работе достигает 25 км/ч.
У пневмоколесных катков для ровного уплотнения поверхности передние и задние колеса расположены так, чтобы их колеи перекрывали друг друга.
Тротуарный каток (или, как его еще называют, дуплексный каток) – это компактный виброуплотнитель весом до 600 кг, состоящий из двух жестко соединенных вальцов и управляемый вручную. В каждом вальце находится вал с дисбалансом. Направление вращения валов можно изменять, вследствие чего каток передвигается вперед или назад.
Самые тяжелые катки – грунтовые. Они предназначены для уплотнения грунтов различной степени связности, щебня, глины, песка и гравия. Грунтовые катки состоят из расположенного впереди вальца, сочлененной рамы и задней части с приводом тракторного типа. Привод грунтовых катков исключительно гидростатический.
Прицепные катки преимущественно эксплуатируются при уплотнении грунта, щебня, песка и других видов несвязанных строительных материалов подстилающего слоя дорог и плотин. Прицепные катки можно найти на стройках с тяжелыми грунтовыми условиями, где нельзя применять грунтовые катки (см. рис. 24). В качестве тяговых средств обычно применяются бульдозеры. Помимо большого веса прицепные катки воздействуют на грунт вибрацией, причем многие из таких катков работают с противоположно вращающимися дисбалансами.
Траншейные катки (альтернативное название – многоцелевой уплотнитель) оказывают высокое уплотняющее воздействие, особенно на связные, трудноуплотняемые грунты. Их высокая энергия уплотнения и разминающий эффект кулачковых барабанов позволяют обрабатывать тяжелые грунты с высоким содержанием воды.
Tрамбовки (иногда их называют вибротрамбовками) – малогабаритные строительные машины, предназначенные для уплотнения грунтов в труднодоступных или очень тесных местах, таких как дно траншеи, угол строения или грунт при обратной засыпке траншеи. Их преимущество выявляется при уплотнении крупнозернистых, разнозернистых или связных грунтов, таких как материковый грунт, глина или суглинки. Работа трамбовки основана на действии многопружинной трамбующей системы, за счет которой уплотнительная плита снизу машины воздействует ударами на грунт с частотой 700 мин-1. Эта схема работы отличает трамбовки от вибрирующих машин. Глубина уплотнения у трамбовок, представленных на рынке, около 50 см.
Вибрационные плиты могут быть однонаправленными (двигаются только вперед). Такие виброплиты обычно простой конструкции, их масса от 40 до 150 кг. Они оснащены одним эксцентриковым вибратором, который производит ненаправленную круговую вибрацию. Вибратор всегда закреплен в передней части машины и вращается в том же направлении, в котором осуществляется движение машины. Оператор идет за вибрационной плитой и направляет ее движение. Машина запускается и останавливается простым добавлением газа – когда добавляется газ, центробежная муфта запускается и вибратор вращается.
Реверсивные виброплиты (см. рис. 30) обычно попадают в более высокую весовую категорию (100–500 кг, редко до 1 т). Они оснащены вибратором с направленной вибрацией, благодаря чему вектор результирующей силы может отклоняться в пределах определенного диапазона. Изменяя направление вектора вибрации, можно затем контролировать направление движения.
В виброплиту в зависимости от конструкции встроены или один вал с дисбалансом, или два-три вала с дисбалансами. Они приводятся от двигателя внутреннего сгорания через центробежную муфту, которая начинает работать при определенных оборотах. Центробежные силы значительно превышают вес плиты. У малогабаритных виброплит центробежные силы достигают примерно 10 кН, а у крупногабаритных эта величина может достигать 130 кН.
Литература
Lars Forssblad, Vibratory soil and rockfill compaction, Dynapac; Stockholm, 1970.
Yoo, Tai-Sung, A theory for vibratory compaction of soil; State University of New York, 1975.
Kröber, Wolfgang, Untersuchung der dynamischen Vorgänge bei der Vibrationsverdichtung von Böden; Technische Universität München, München, 1988.
Стороженко М.С., Совершенствование технологии уплотнения асфальтобетонных покрытий с целью повышения прочности и долговечности, ХНАДУ, Харьков.
Dr.-Ing. Zinke, Hans-Peter, Einsatzspiegel von Vibrationstandemwalzen als Grudnlage für das beanspruchungsgerechte Konstruieren; Dissertation, Technische Universität Magdeburg, Magdeburg, 1986.
Patentschrift DD 229 449, Selbstlaufende Straßenwalze mit hintereinander angeordneten Bandagen; Dr. Hans-Peter Zinke, 1985.
