Методы определения плотности грунтов оснований зданий и сооружений
Контроль за качеством строительства заключается в проверке соответствия строительных работ, а также строительных материалов и изделий, от которых зависит качество строительной продукции, требованиям проектов, СНиП технических регламентов, стандартов.
Результаты некачественной работы могут привести не только к значительным экономическим потерям, но и привести к аварийной ситуации, которая в свою очередь может угрожать жизни и здоровью. Поэтому контроль качества строительства, а именно качество произведенной работы, на сегодняшний день является основным в сфере строительного контроля.
Работы с основаниями и фундаментами зданий и сооружения являются основополагающими при строительстве объектов. Сооружение будет считаться надежным и безопасным только в том случае, если правильно и четко выполнены все рабочие процессы. Одним из важнейших этапов является нулевой цикл, который включает в себя работы по подготовке грунта, установке инженерных сетей, строительстве самого фундамента. Контроль качества строительства на данном этапе чрезвычайно важен, так как результаты некачественно-произведенных работ могут проявиться не сразу, а спустя несколько лет после ввода в эксплуатацию.
В данной статье будут описаны основные методы определения плотности грунтов оснований зданий и различных сооружений при строительном контроле.
Существуют две основных группы методов определения степени уплотнения грунтов оснований:
Косвенный метод – основанный на экспресс методах определения физико-механических параметров;
Прямой метод – основан на лабораторных испытаниях.
1. Косвенные методы определения плотности грунтов оснований зданий и сооружений.
1.1. Определение плотности грунта электромагнитным методом (на примере прибора SDG-200).
Принцип работы прибора – электромагнитный, что выгодно отличает прибор SDG 200 от радиоизотопных приборов предыдущего поколения (методы радиоизотопных определений плотности и влажности ГОСТ 23061-2012). Электрическое поле передается через материал от контактной пластины прибора SDG 200, при этом измеряется полное сопротивление, которое используется при вычислении величины плотности для данного типа грунта.
Рис 1. Измерение плотности грунта прибором SGD-200.
Одно измерение включает в себя 5 последовательных измерений, выполненных по схеме «клеверный лист»
- Широкий диапазон измеряемых параметров (основное преимущество);
- Относительная простота схемы измерений.
Для правильной работы прибор SDG-200 необходимо настроить на тот тип грунта, который будет оцениваться с его помощью. С этой целью образцы грунта, отобранные на участках проведения работ однократно испытывают в лаборатории, определяя следующие параметры:
- Гранулометрический состав
- Максимальную плотность
- Оптимальную влажность
- Предел пластичности
- Предел текучести
- Поправку по плотности (поправка вносится в прибор после того, как внесены все предыдущие параметра, и сделан контрольный замер на испытываемом грунте, поправка рассчитывается как разница между показаниями прибора и плотностью образцов, отобранных с данного покрытия, определенной в лаборатории)
· Погрешности измерений при неверных настройках параметров свойств оследуемого грунта (основной недостаток);
· Достаточно-длительное время проведения измерения при малом участке обследования.
Точность показаний прибора SDG-200 напрямую зависит от точности вводимых в прибор данных. После того как данные грунту внесены в прибор, пользователь сохраняет их и прибор готов к работе на данном типе грунта.
1.2. Определение плотности грунта методом штампа (на примере прибора ПДУ-МГ4 УДАР).
Плотномер грунта динамический электронный ПДУ-МГ4 «Удар» и ПДУ-МГ4.01 «Удар» — прибор для измерения и определения плотности грунта предназначены для определения динамического модуля упругости грунтов и оснований дорог по методу штампа, имитирующему проезд автомобиля по дорожному покрытию.
Плотномер состоит из нагрузочной плиты, с закрепленными на ней тензодатчиком силы, акселерометром и упругим элементом, штанги с грузом и электронного блока.
Плотномер ПДУ-МГ4 «Удар» имеет нагрузочную плиту увеличенного диаметра (300 мм) при массе падающего груза 10 кг, что позволяет применять плотномер на крупноблочных и щебеночных основаниях.
Плотномер ПДУ-МГ4.01 «Удар» имеет массу падающего груза 5 кг и диаметр нагрузочной плиты 200 мм.
Параметры силового взаимодействия нагрузочной плиты с контролируемым основанием поступают в электронный блок и обрабатываются микроконтроллером.
Результаты испытания (модуль упругости, нагрузка и деформация) отображаются на графическом дисплее и автоматически архивируются.
Плотномеры снабжены функцией связи с ПК с возможностью последующей обработки данных и распечатки протокола испытаний.
1.3. Определение плотности грунта с помощью пенетрометров.
Самые распространенные на сегодняшний день экспресс-методы определения плотности грунтов оснований на строительных объектах – пенетрационные методы, основанный на силе реакционного сопротивления грунта при погружении рабочего наконечника плотномера под статической/динамической нагрузкой.
1.3.1. Пенетрометр типа В-1.
Принцип действия: степень уплотнения грунта оценивают показателем удельного сопротивления пенетрации, определяемым расчетом по величине прилагаемого усилия при заглублении рабочего наконечника. Плотность грунта определяется отклонением стрелки индикатора, возникающим при деформации динамометрического кольца.
Фактическое значение степени уплотнения определяется исходя из полученных результатов замеров по таблице 1 с учетом типа грунта (для примера показаны значения для наконечника D=11,3 мм).
Показания индикатора для наконечника D=11,3 мм
Источник
МЕТОДЫ И СРЕДСТВА КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА УПЛОТНЕНИЯ ДОРОЖНОГО ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА‚ ЩЕБЕНОЧНОГО ОСНОВАНИЯ И АСФАЛЬТОБЕТОННОГО ПОКРЫТИЯ
Качественный уровень строящихся и ремонтируемых дорожных объектов в России за последние годы заметно подрос. И во многом благодаря лучшему и более грамотному выполнению работ по уплотнению земляного полотна‚ щебеночного основания и асфальтобетонного покрытия.
Успеху способствовали внедрение новой уплотняющей техники и более эффективной технологии‚ рост знаний и практического умения ИТР и рабочих многих подрядчиков и исполнителей‚ в числе которых можно упомянуть и объединение «Дорстройпроект»‚ признанное победителем конкурса Росавтодора в 1999 году и лучшим дорожным подрядчиком России по итогам конкурса Госстроя РФ в 2000 году.
Позитивные подвижки по качеству уплотнения используемых материалов обнажили в то же время накопленные за предыдущие годы и еще нерешенные проблемы‚ задачи и вопросы‚ в том числе достаточно острые‚ по совершенствованию норм и обновлению методов и технических средств контроля качества уплотнения. И это относится как к земляному полотну и асфальтобетонному покрытию‚ так и‚ особенно‚ к щебеночному основанию.
Критический обзор и анализ‚ в сравнении с передовыми зарубежными нормами‚ методами и средствами такого контроля‚ демонстрирует явный консерватизм развития и показывает российское отставание лет на 15. Причем оно касается‚ главным образом‚ методов и средств прежде всего оперативного полевого контроля. По нормам тоже есть серьезные проблемы и недоработки‚ но они‚ в основном‚ по щебеночным основаниям‚ хотя и по земляному полотну и асфальтобетонным покрытиям следовало бы также кое-что уточнить и подправить.
В основу оценки качества уплотнения грунта земляного полотна и подстилающего слоя в России‚ как известно‚ положен принцип сравнения плотности‚ полученной в насыпи или выемке‚ с плотностью того же грунта в лабораторном приборе стандартного уплотнения СоюздорНИИ (в зарубежных странах – в приборе Проктора). Результат сравнения в виде коэффициента уплотнения (Ку) «примеряют» к нормируемым ГОСТ и СНиП его значениям‚ чаще всего равным 0‚95 (низ земляного полотна) или 0‚98–1‚0 (верх земляного полотна и подстилающий слой).
Сравнение действующих в дорожной отрасли российских норм уплотнения грунтов с зарубежными подтверждает достаточный их уровень для обеспечения прочности и устойчивости земляного полотна. На всех объектах‚ где они соблюдаются‚ проблем из-за деформаций и просадок земляного полотна практически не бывает.
Изредка возникающие критические «наскоки» на них с предложениями подправить или даже с требованиями пересмотреть в сторону ужесточения неправомерны‚ необоснованны и даже вредны. Конечно‚ что-то можно и нужно уточнить и изменить с учетом климатического фактора‚ опыта работы в земляном полотне различных типов и состояний грунтов и новых возможностей уже более мощных и совершенных грунтоуплотняющих средств. Однако «резкие движения» в направлении кардинального пересмотра норм делать опасно и не нужно.
Стандартный метод оценки качества уплотнения предусматривает обязательный отбор порции или образца грунта с помощью кольца или лунки‚ точное его взвешивание‚ определение влажности путем высушивания при 105–110°С в термостате в течение 6–8 часов. Затем нужно в лаборатории выполнить процедуру стандартного уплотнения предварительно высушенного и измельченного грунта со столь же продолжительным определением оптимальной влажности.
В итоге интересующий коэффициент уплотнения грунта и его влажность могут быть выданы производителю земляных работ минимум через сутки-двое‚ когда поправить качество уплотнения бывает сложно‚ а порой уже и невозможно.
Правда‚ облегчают или спасают эту ситуацию две альтернативные возможности. Во-первых‚ россияне часто используют распространенный во многих странах метод контроля не самой плотности грунта‚ а технологии его уплотнения выбранным средством‚ установленной‚ например‚ при пробном уплотнении. Строгое соблюдение технологических режимов выполнения этой операции‚ как правило‚ гарантирует высокую вероятность получения требуемого результата по качеству. Поэтому обязательный отбор проб грунта из насыпи или выемки вместе с лабораторными процедурами можно рассматривать не как оперативный контроль‚ а как проверочный и не имеющий столь острой необходимости сиюминутной выдачи результата. Однако при возможном изменении типа и разновидности грунта или его состояния‚ чего исключать нельзя‚ такой метод контроля может давать сбои.
В подобном и других случаях дорожники широко используют вторую возможность‚ дающую им узаконенное СНиП право проводить контроль плотности с обязательным отбором проб грунта в объеме‚ составляющем не менее 10% от всех положенных измерений. В остальных 90% допускается применять косвенные методы и средства‚ в том числе и упрощенные‚ но обеспечивающие соответствующую достоверность результатов.
Подобные приборы и устройства‚ порой достаточно простые и легкие‚ удобные и дающие быстрый результат (экспресс-приборы)‚ очень полезны и нужны дорожной отрасли.
Из имеющегося многообразия этих приборов и методов наиболее распространенными и применяемыми во многих странах оказались так называемые плотномеры-пенетрометры статического и динамического типа. Только в России в разных отраслях строительства можно насчитать не менее десятка действующих их образцов. Кстати‚ уместно напомнить‚ что с помощью одного из таких плотномеров-пенетрометров в сочетании с крыльчаткой автоматические спускаемые аппараты СССР изучали на Луне свойства ее грунта‚ а американские войска прямо с воздуха оценивали несущую способность грунта Земли для посадки самолетов и вертолетов.
Одним из первых подобных плотномеров-пенетрометров‚ использовавшихся проф. Зелениным А. Н. еще в середине истекшего столетия для выявления корреляционной связи между сопротивлением грунта резанию и его плотностью‚ был плотномер ДорНИИ (рис. 1)‚ более известный под названием «ударник ДорНИИ» (от прибора стандартного уплотнения). Правда‚ в те уже далекие времена он еще не назывался пенетрометром.
Рис. 1.
Плотномер (ударник) ДорНИИ
Привлекательность его состояла в простоте конструкции‚ удобстве применения и быстроте получения результата. Да и сам критерий оценки плотности был прост и понятен всякому: количество ударов груза 2‚5 кгс‚ падающего с высоты 40 см‚ необходимое для погружения в грунт на глубину 10 см цилиндрического стержня с площадью основания плоского наконечника 1 см 2 (для слабых и рыхлых грунтов был второй наконечник с площадью 2 см 2 ).
По количеству таких ударов и заранее построенному тарировочному графику с учетом типа грунта и его влажности можно было быстро найти К у и решать вопрос о качестве уплотнения земляного полотна. Причем делать это можно в процессе выполнения самой операции‚ корректируя технологические режимы работы грунтоуплотняющих машин и соответственно результат по качеству.
Современные плотномеры-пенетрометры‚ несмотря на солидность подведенной научной базы‚ усложнение методологии измерений отдельными их образцами (двойная пенетрация‚ совмещение тарировки по К у и влажности и др.) и накопленный практический опыт использования‚ мало отличаются по своей сути от «ударника ДорНИИ» и друг от друга. Это отличие состоит в основном в форме и размерах наконечника (чаще всего конус с углом при вершине 30‚ 45 или 60°)‚ способе погружения наконечника (статическое задавливание или серия ударов) и измеряемой величине‚ служащей критерием оценки качества уплотнения.
За критерий принимают либо удельное сопротивление погружению конуса (cone index)‚ определяемое как отношение общего статического или динамического усилия вдавливания к площади основания конуса‚ либо глубину погружения наконечника‚ либо количество ударов для погружения его на заданную глубину. При этом все другие параметры прибора‚ кроме одной из названных и фиксируемых величин‚ остаются постоянными.
Опыт применения таких приборов выработал ряд особых условий и требований‚ только соблюдение которых может дать устойчивый и приемлемый по точности результат. В частности‚ плотномеры-пенетрометры статического типа (рис. 2) порой требуют солидного усилия задавливания зонда-наконечника (на плотных связных грунтах до 50–60 кгс)‚ а также равномерного и плавного его погружения на глубину до 10 см в течение 15–20 сек. (от этого зависит величина усилий).
Рис. 2.
Плотномер пенетрационный
статического действия СП
Это не всегда и не всякий мужчина способен обеспечить‚ не говоря уже о девушках и женщинах-лаборантах. Это же‚ видимо‚ является причиной разброса результатов измерений и негативного отношения к статическим пенетрометрам некоторых специалистов дорожной отрасли.
Проще‚ надежнее и легче работать с динамическими плотномерами. Объединение «Дорстройпроект»‚ в состав которого входят 7 дорожно-строительных и ремонтных фирм‚ при оценке качества устройства земляного полотна из песчаных грунтов‚ в том числе одноразмерных‚ на протяжении ряда лет применяет для экспресс-оценки качества их уплотнения динамический плотномер типа Д-51‚ который ни разу нас не подводил.
Лет 20 назад бывший тогда Минавтодор РСФСР организовал во Владимире сопоставительные испытания 9 различных приборов для контроля качества уплотнения связных и несвязных грунтов. В их числе были 6 статических и динамических плотномеров-пенетрометров.
По результатам этих одновременных испытаний для дорожных грунтовых объектов были рекомендованы в основном динамические плотномеры Д-51 и РБ-102А (песчаные грунты) и плотномер-влагомер Н. П. Ковалева (грунты связные). Последний‚ правда‚ трудно отнести к простым в практическом плане и экспрессным приборам.
Статические пенетрометры‚ хотя и не выдержали испытаний‚ иногда могут с пользой применяться для относительных оценок состояния отдельных мест и участков земляного полотна по принципу хуже/лучше.
Что касается влажности уплотняемых мелкозернистых грунтов‚ то ее контроль всегда осуществляется наиболее надежным и точным термовесовым способом в лабораторных условиях. Ничего лучшего пока не придумано и не предложено взамен этой простой‚ но длительной процедуры. Правда‚ в свое время в лаборатории технологии и механизации Ленфилиала СоюздорНИИ было создано устройство‚ названное «вертушкой»‚ для более быстрой сушки навески грунта в бюксе (1–1‚5 часа вместо 6–8 часов).
Основным узлом этого простого прибора был обычный проигрыватель пластинок с 33‚ 45 или 78 оборотами в минуту. На его диск с боковыми буртиками устанавливалось 12–15 бюксов с влажным грунтом. Сверху на оптимальном расстоянии‚ найденном опытным путем из условия температуры у грунта 105–110°С‚ помещался обычный с вогнутой отражательной тарелкой рефлекторный электронагреватель‚ который за счет вращения бюксов выполнял весь цикл сушки всего за 1–1‚5 часа.
Это легкая‚ компактная‚ недорогая и удобно транспортируемая «вертушка» вместе с сотрудниками лаборатории побывала на дорожных стройках Западной Сибири‚ БАМа‚ Латвии‚ Молдавии и других мест.
Достаточно оперативные результаты по влажности и плотности грунтов дают радиометрические методы и приборы. Их с успехом и давно применяют в США‚ Франции‚ Англии‚ Германии и других странах. Особенность современных образцов плотномеров такого типа состоит в том‚ что значительно повысилась безопасность работы с ними (используются излучающие элементы низкой радиоактивности) и что они оснащены микрокомпьютерами для вычисления и выдачи сразу значений влажности‚ плотности и К у грунта. Правда‚ они нуждаются в тарировке по каждому виду грунта и очень чувствительны на включения в грунте камней. В России и других странах‚ входивших в состав СССР‚ где еще жив «чернобыльский синдром»‚ трудно пока надеяться на преодоление психологического страха и внедрение радиоизотопных методов и приборов у дорожников.
Особой заботы и беспокойства у дорожников качество уплотнения насыпей из прочных и добротных скально-крупноблочных грунтов почти никогда не вызывало. Хотя целый ряд практических примеров (пилообразный профиль БАМа‚ осадки покрытия до 20–30 см на одном из карельских участков автодороги Санкт-Петербург – Мурманск‚ неровности покрытия на первой очереди обхода г. Выборга и др.) свидетельствуют о возможных серьезных неприятностях‚ если самой операции и особенно контролю качества уплотнения таких грунтов не уделяется необходимого внимания.
Сегодня уплотнение скально-крупнообломочных грунтов не может быть проблемой с последствиями‚ так как имеются эффективные уплотняющие средства в виде тяжелых прицепных или шарнирно-сочлененных виброкатков и технологические приемы ведения работ. Проблемой‚ да и то относительной‚ можно считать контроль качества их уплотнения‚ ибо на таких грунтах плотномер-пенетрометр не применить‚ пробу грунта режущим концом или методом лунки не возьмешь. Правда‚ метод единичных лунок (объем до 6–8 см 3 ) иногда использовался на ответственных отечественных и зарубежных гидротехнических стройках‚ но получаемую таким путем плотность не с чем было сравнивать‚ ибо трудно себе представить возможность выполнения общепринятого стандартного уплотнения грунта с твердыми включениями 100–300 мм. В некоторых случаях последнее заменяли уплотнением таких грунтов в формах увеличенных размеров (20–25 л) на вибростолах или поверхностными вибротрамбовками. Иногда в эти формы вместо реального грунта помещали модельный с последующим пересчетом результатов на реальный.
В дорожной отрасли использование таких методов возможно‚ но не всегда целесообразно. Тем более что есть более простые и оперативные‚ правда‚ косвенные способы оценки достаточности или недостаточности уплотнения крупнозернистых грунтов с помощью пробного загружения земляного полотна‚ например‚ очень тяжелым пневмокатком весом 40–50 тс (в США в свое время были даже весом 100–200 тс) или виброкатком с весом вибровальцового модуля 13–15 тс (в России есть такой‚ пожалуй‚ один из самых крупных в мире шарнирно-сочлененный К-701 М-ВК весом 26 тс‚ вибровальцовый модуль 14 тс). Если после 2–3 проходов одной из таких машин след от шин или вальца будет незначительным или еле заметным‚ с качеством уплотнения все в порядке.
Возможен также другой косвенный способ контроля качества уплотнения скально-крупнообломочных насыпей – геодезический. Их качество будет приемлемым‚ если общая осадка поверхности уплотнения‚ полученная по результатам работы уплотняющей машины‚ составит 8–10% (К у @ 0‚95) и 11–12% (К у @ 0‚98) от начальной толщины отсыпанного слоя или всей насыпи.
Не исключается также оценка качества уплотнения таких грунтов с помощью динамически нагружаемого штампа при условии‚ что его диаметр (400–600 мм) будет в 4–5 раз больше наиболее крупной фракции грунта и что динамическое давление на его подошве будет в пределах 0‚5–1‚0 кгс/см 2 .
Сегодня есть несколько действующих динамических установок прицепного или самоходного типа‚ предназначенных для определения несущей способности дорожной конструкции или отдельных ее элементов‚ с давлением штампа до 6 кгс/см 2 . Они могут быть использованы для такого контроля‚ если скорректировать их давление на 0‚5–1‚0 кгс/см 2 .
Критерием достаточности уплотнения может служить допускаемая величина осадки штампа при 10–20-кратном его ударном нагружении‚ которая для верхней части земляного полотна не должна превышать 0‚4–0‚5%‚ а для нижней части – 0‚6–0‚7% от диаметра штампа.
Кстати‚ сущность метода и параметры указанных установок динамического нагружения (УДН) были стандартизированы Советом Экономической Взаимопомощи (СТ СЭВ 5497-86‚ группа Ж81) и приняты в качестве Государственного Стандарта СССР в 1987 году. Этим стандартом нижние несущие слои‚ в том числе щебеночные и грунты земляного полотна и подстилающих слоев предписано испытывать штампом 500 мм с динамическим давлением основания 2 кгс/см 2 (щебень) и 1 кгс/см 2 (грунт) при времени его действия 0‚090–0‚110 с.
Следует заметить‚ что сама по себе контролируемая плотность грунта не столь и важна для оценки устойчивости и долговечности земляного полотна при его работе в дороге. Куда важнее прочностные и деформативные свойства грунта‚ правда‚ хорошо коррелируемые с той же плотностью и влажностью. Поэтому иногда более логично‚ привлекательно и просто измерять как раз показатели прочности и деформативности‚ которые к тому же необходимы для расчетов дорожной конструкции‚ чем плотность грунта.
Например‚ в Германии и других странах используют метод двойной оценки качества уплотнения земляного полотна – по К у и по модулю деформации или упругости. Если достигнут требуемый К у‚ но не обеспечен модуль‚ грунт подлежит замене или укреплению вяжущими.
Измерение модуля в ряде стран осуществляют с помощью УДН‚ но не крупных (прицепных‚ самоходных)‚ а более компактных‚ легких и переносных. Одна из таких переносных (из составных элементов) УДН (рис. 4)‚ которая была разработана в ГДР в соответствии с указанным стандартом СЭВ и теперь взята на вооружение дорожниками ФРГ‚ с успехом применяется для оценки качества уплотнения и деформативно-прочностного состояния (несущей способности) грунтов земляного полотна‚ щебеночного основания‚ укрепленных грунтов‚ укрепленных по методу холодного ресайклинга материалов дорожной одежды.
Рис. 4.
Переносная ударная
установка ZFG 04
общим весом 30 кгс
(минипринтер ZSG 02 не показан)
фирмы Zorn (Германия)
Такие установки в Германии производят две фирмы – Hinkel и Gerhard Zorn‚ в Финляндии два типоразмера подобных приборов выпускает фирма Lodman.
Для российской дорожной отрасли особый интерес представляют возможность и опыт выполнения с помощью УДН практического контроля качества уплотнения как раз щебеночных оснований‚ для которых в России пока нет ни узаконенных норм‚ ни приемлемых методов и средств этого контроля. Каждый из подрядчиков сам и чаще всего субъективно‚ «дедовскими»‚ методами и мерками решает‚ что хорошо‚ а что плохо. А ведь щебеночное основание является одним из важнейших несущих элементов дорожной одежды‚ его недостаточная прочность и повышенная деформативность (низкая жесткость) сразу отражаются на состоянии асфальтобетонного покрытия (осадки‚ волны‚ трещины‚ неровности).
Объединение «Дорстройпроект» на протяжении ряда лет использует прибор ZFG 04 для контроля качества устройства щебеночных оснований (рис. 5).
Рис. 5.
Контроль качества уплотнения
дорожного основания
переносной динамической
установкой ZFG 04 (Германия)
в объединении «Дорстройпроект»
И ни на одном из многочисленных построенных и отремонтированных объектов‚ в том числе на участках федеральных дорог «Россия» (Санкт-Петербург – Москва)‚ «Кола» (Санкт-Петербург – Мурманск)‚ Новая Ладога – Вологда и других‚ не было дефектов дорожной одежды из-за слабого основания.
Критерием оценки качества уплотнения щебня служит его динамический модуль деформации (или упругости‚ если осадка штампа полностью упруга)‚ фактически являющийся обобщенным или эквивалентным модулем щебеночного основания‚ подстилающего слоя и частично земляного полотна.
Чтобы снять возможные сомнения в правомерности использования такого метода и прибора ZFG 04 и для уточнения достаточных значений фиксируемых модулей‚ «Дорстройпроект» с участием независимых экспертов из филиала СоюздорНИИ (Санкт-Петербург) провел несколько серий параллельных измерений динамического модуля деформации и статического модуля упругости (рычажный прогибомер‚ груженый автосамосвал) по стандартной методике‚ рекомендованной ВСН 46-83.
Результаты этих измерений представлены на графике‚ на котором показаны также построенные экспертами (сплошная линия) и «Дорстройпроектом» (пунктирная кривая‚ статистическая обработка) зависимости динамического модуля деформации от статического модуля упругости.
Этим графиком и эмпирическими формулами можно пользоваться в практическом плане. Если на поверхности щебеночного основания эквивалентный модуль упругости (проект‚ расчет) должен составлять‚ к примеру‚ 180 МПа‚ то качество его уплотнения вместе с подстилающим слоем должно быть таким‚ чтобы динамический модуль деформации по прибору ZFG 04 был не ниже 63–65 МПа. По заключению экспертов‚ применение этого прибора не противоречит основным положениям ВСН 46-83 и является правомерным.
Поиск и разработка новых методов и средств контроля качества уплотнения грунта и щебня велись всегда и во многих странах. Особенно заманчивыми и многообещающими были идеи и предложения по установке контролирующих устройств непосредственно на катках с перспективой осуществлять непрерывный‚ а может быть‚ и автоматический контроль.
В России еще в 1937 году делались первые практические попытки в этом направлении‚ которые затем продолжались и продолжаются до сих пор.
В основе всех таких устройств и разработок‚ в том числе и за рубежом‚ лежал один принцип – зависимость либо сопротивления качению вальца или шины (по изменению крутящего момента)‚ либо осадки поверхности качения (по копирному устройству)‚ либо ее модуля деформации или упругости‚ либо амплитуды колебаний рамы или вальца виброкатка от плотности грунта или другого уплотняемого материала.
Некоторые из разработанных по такому принципу устройств были достаточно сложны и не оправдывали себя‚ другие грешили неточностью и малой чувствительностью‚ особенно в конце уплотнения. Последнее обусловлено тем‚ что с увеличением количества проходов‚ ударов‚ циклов колебаний или времени вибрирования рост плотности грунта‚ щебня и асфальтобетона замедляется по известному экспоненциальному (затухающему) закону. Поэтому к концу процесса уплотнения изменение плотности и фиксируемых величин крутящего момента‚ осадки‚ модуля‚ амплитуды и т. п. незначительно и еле заметно‚ т. е. соизмеримо с точностью отсчета этих величин.
И‚ тем не менее‚ сегодня есть реально и успешно работающие на катках такие устройства с достаточно приемлемой оценкой качества уплотнения грунта и щебня в относительных единицах. К ним можно отнести первую разработку шведских фирм Geodynamic и Dynapac.
Последняя‚ по желанию заказчика‚ комплектует все свои грунтовые виброкатки указателем (счетчиком) качества уплотнения. Этот счетчик с относительной шкалой в 150 единиц получает сигнал от акселерометра (датчика ускорений)‚ закрепленного на колеблющемся вальце (рис. 7).
Рис. 7.
Система контроля качества
уплотнения на катке
Dynopac Svedala
1 – акселерометр;
2 – компьютер CCS-RA;
3 – процессор;
4 – дистанционный датчик
По мере роста плотности‚ прочности и жесткости уплотняемого грунта или щебня колебания вальца увеличиваются (растет амплитуда‚ ускорение и сила воздействия). Эти изменения фиксируют акселерометр и табло счетчика относительного уплотнения в кабине.
По сути дела‚ счетчик регистрирует упругую реакцию и отдачу материала‚ т. е. его модуль упругости. В этом есть определенное сходство и различие этого способа с методами оценки качества уплотнения с помощью УДН и рычажного прогибомера.
Сходство с УДН состоит в том‚ что в зону динамического воздействия вальца виброкатка (или штампа УДН) могут попадать помимо уплотняемого и контролируемого слоя и нижележащие слои‚ причем разные по составу‚ состоянию и свойствам материала. В итоге‚ с помощью счетчика или указателя уплотнения фактически фиксируется эквивалентный динамический модуль упругости общей толщи материала‚ размер которой зависит от параметров катка и может составлять до 1 м и более.
Очевидно‚ по этой причине подобную систему контроля Dynapac и другие фирмы не устанавливают на асфальтобетонные виброкатки‚ уплотняющие значительно более тонкие слои (как правило‚ не более 12–15 см)‚ хотя надобность в ней именно на таких катках может быть даже больше‚ чем на грунтовых.
Вообще‚ арсенал выбора средств и методов контроля уплотнения асфальтобетонных смесей значительно беднее‚ и перспектив на благоприятное его расширение не очень много. Связано это с тем‚ что изменение прочности‚ деформативности и жесткости асфальтобетона в процессе его уплотнения обусловлено не только ростом плотности‚ но и одновременным понижением его температуры. А это существенно осложняет поиск новых критериев оценки и методов контроля качества‚ альтернативных К у и самой плотности‚ длительно измеряемой в лаборатории после отбуривания керна из покрытия.
Пожалуй‚ единственным действительно оперативным способом‚ обеспечивающим ускоренное получение информации о ходе изменения плотности асфальтобетонной смеси в процессе ее уплотнения‚ остается радиометрический. Он получил широкую практику использования на таких работах в США‚ Франции‚ Англии‚ Норвегии‚ Германии‚ Швеции и других странах в основном благодаря разработкам американских фирм (Troxler‚ Seaman‚ CPN и др.).
Лет 20 назад вдобавок к обычным поверхностным радиационным плотномерам‚ техника измерения которыми требует плотного (безвоздушного) прилегания подошвы прибора к подготовленной ровной поверхности грунта или асфальтобетона‚ появилось поколение новых устройств‚ контролирующих плотность при наличии воздушного зазора 5–6 мм.
Этот «революционный скачок» не только ускорил и упростил технологию измерения‚ но и дал возможность устанавливать прибор на движущийся каток (рис. 8).
Рис. 8.
Радиометрический
плотномер Troxler
на дорожном катке
Фирма Seaman разработала специальный самодвижущийся и дистанционно управляемый небольшой прибор-валец С-200‚ который ведет непрерывный контроль плотности по всей длине заданного участка. Одну из модификаций подобного прибора DOR-1000 используют дорожники Финляндии‚ Швеции и Норвегии (рис. 9).
Рис. 9.
Передвижная установка
DOR-1000 на одном
из дорожных объектов
фирмы Lemminkainen (Финляндия)
С помощью DOR-1000 выявлена существенная неравномерность распределения плотности асфальтобетона как по ширине‚ так и по длине укладываемого покрытия.
Особенно большое различие в плотности обнаружено между серединой и краями полосы укладки‚ которое обусловлено не только сегрегацией частиц смеси и ее температуры при укладке‚ на что иногда ссылаются‚ но и неравномерной работой (технология) уплотняющих средств‚ а может быть‚ и несовершенством последних.
Новые методы и приборы контроля высветили серьезную проблему в асфальтобетонной технологии‚ над которой теперь ломают голову специалисты многих фирм и стран и предлагают разработать эффективные меры и даже Стандарты‚ исключающие подобные результаты.
Нужно признать‚ что «законодателями мод» в решении многих технических и технологических проблем и вопросов дорожной отрасли‚ в том числе по методам и средствам контроля качества уплотнения‚ часто были и пока остаются дорожные фирмы и службы США. Весь остальной дорожный мир всегда внимательно следил и подхватывал новые разумные идеи и разработки. Достаточно вспомнить приборы Проктора‚ Маршалла‚ фирм Soiltest‚ Troxler и др.‚ которые брали и берут на вооружение дорожники большинства стран мира.
Последние серьезные исследования США по дорожной программе Superpave‚ удивившей многих своей стоимостью (50 млн USD)‚ коснулись также и проблем лабораторных и полевых методов и средств контроля качества асфальтобетонных покрытий. В частности‚ американцы теперь отказались от стандартного прибора Маршалла‚ используемого для подбора состава и оценки качества уплотнения в покрытии асфальтобетонных смесей‚ полностью перейдя на известный гирационный способ.
Отличительная особенность этого способа состоит в том‚ что формуемая в жестком стакане смесь подвергается не только вертикальному статическому (в России на гидравлическом прессе) или динамическому сжатию (в приборе Маршалла ударами груза)‚ но и одновременному боковому сдвигу‚ т. е. формование и уплотнение образца происходит по принципу «сжатие+сдвиг».
Достигается это очень простым способом: продольная ось формы со смесью отклоняется от вертикали на небольшой угол (около 1–3°‚ у первых установок был около 10–12°) за счет смещения нижней ее части. Эта ось с помощью специального привода совершает определенное количество вращательных движений‚ схожих с конусообразными движениями обычного волчка или гироскопа. В итоге смесь в форме получает возможность и свободу большего перемещения как в вертикальной‚ так и в горизонтальной плоскости. За счет этого она эффективнее переупаковывается (уплотняется) с соответствующим улучшением ряда физико-механических свойств и показателей и со снижением дробления ее каменной составляющей.
Такая механика уплотнения ближе к реальным процессам уплотнения смеси в покрытии гладковальцовыми и пневмоколесными катками. Многие дорожники знают о так называемом месящем воздействии пневмоколеса‚ схожем с принципом «сжатие+сдвиг»‚ и часто используют его для ликвидации мелких поверхностных трещин на укатываемом покрытии.
Таблица
В таблице приведены сравнительные результаты (в относительных единицах) исследований проф. Горелышева Н. В. по лабораторному уплотнению смеси типа Б (фракция – 5–20 мм‚ Щ – 50%‚ П – 38%‚ МП – 12%‚ Б – 6‚7%) разными способами‚ в том числе новым гирационным.
Эти результаты свидетельствуют о преимуществах и достоинствах нового лабораторного метода‚ показывающего не до конца еще использованные резервы самой асфальтобетонной смеси и необходимость в этой связи серьезного дальнейшего совершенствования технологии и средств ее уплотнения в покрытии.
А пока дорожники России используют традиционный метод оценки и контроля качества уплотнения посредством отбора из покрытия кернов с последующей переформовкой смеси по старинке и практически двухсуточной задержкой выдачи результатов контроля‚ когда фактически уже невозможно повлиять на возможные их отклонения от требований норм.
«Дорстройпроект» решает эту задачу комбинированным путем.
Сначала квалифицированно к каждому асфальтоукладчику подбирается набор наиболее эффективных средств уплотнения из имеющихся катков с учетом типа смеси‚ толщины слоя‚ погодных условий и накопленного опыта.
Затем разработанная технология работ по уплотнению строго соблюдается на дороге. Проверочный отбор кернов (фактически послеоперационный) выполняют после устройства покрытия с обработкой их в лаборатории.
В объединении есть также конусный пенетрометр‚ который был разработан специально для оценки пластических свойств и сдвигоустойчивости асфальтобетона (рис. 11).
Рис. 11.
Динамический пенетрометр
для асфальтобетона
(вес груза – 5 кгс‚
высота падения – 50 см‚
угол конуса – 45°‚
глубина его внедрения – 32 мм)
Опробование его в полевых условиях для оперативной‚ правда‚ косвенной оценки по принципу хуже/лучше и контроля относительного качества уплотнения асфальтобетона показало вполне устойчивые и надежные результаты как на эксплуатируемом‚ так и на уплотняемом покрытии.
Автор: Костельов М. П. Никольский Ю. Е. Райский Ю. Э.
Источник: Дорожная техника
Источник
