Какие способы уплотнения грунта есть

Уплотнение грунта, песка и щебня

Уплотнение строительных материалов (грунтов) производится для увеличения их прочностных характеристик и избежания осадок в процессе эксплуатации. Уплотнение происходит за счет приложения статической или вибрационной силы на уплотняемый материал. Наибольшее распространение уплотнение получило в дорожном строительстве, возведении насыпей и дамб, фундаментных и ландшафтных работах.

Качество уплотнения каменной отсыпки, грунтов и асфальтобетона напрямую связано с несущей способностью материала и его водонепроницаемостью. Причем увеличение степени уплотнения на 1% ведет к увеличению прочности материала на 10-20%.

Некачественное уплотнение ведет к последующим усадкам грунтов, что значительно увеличивает стоимость содержания или приводит к дорогостоящему ремонту.

Области применения уплотнения

Вот список областей, где уплотнение используется наиболее часто:

• Автодорожное строительство
• Железные дороги
• Фундаменты зданий
• Аэропорты и порты

Автомобильные дороги

Разнообразие современных автомобильных дорог очень большое: начиная от грунтовых проселочных дорог, заканчивая многополосными магистралями с асфальтобетонным покрытием.

Вне зависимости от типа дороги, для увеличения несущей способности полотна и увеличения срока службы необходимо использовать уплотнение всех слоев дороги, включая насыпь.

Дорога возводится двумя способами – на насыпи или в выемке. Дорожная одежда состоит из подстилающего слоя, слоя основания и финальных слоев покрытия. Основная ее задача – равномерно распределять давление от поверхностных нагрузок по всему земляному полотну.

Максимальное давление возникает на поверхности, поэтому требование к качеству материала и его уплотнению максимальны для слоев покрытия – асфальту или асфальтобетону.

Слой основания обеспечивает жесткость слоям покрытия, поэтому требования к его уплотнению также велики. Обычно для этих слоев используется щебень или каменная отсыпка.

Железные дороги

Во всем мире железные дороги обеспечивают большую часть грузового трафика. Значительная часть таких перевозок занимает транспортировка крайне тяжелых материалов, таких как руда и уголь. Поэтому способность противостоять нагрузкам критически важна для железной дороги. А этого невозможно добиться без качественного уплотнения железнодорожной насыпи.

Фундаменты зданий

Устойчивость и срок службы любых типов построек напрямую зависят от качества фундамента. Особенно это важно в местах, где отсутствуют прочные грунты.

Возведение качественной дренажной подушки под основание зданий проблематично выполнить без использования уплотнительной техники.

Крупные инфраструктурные проекты: порты и аэропорты

В современном мире грузооборот аэропортов и морских портов вырос многократно. Чтобы справится с этим потоком грузов – значительно возросла интенсивность движения судов и самолетов, а следовательно выросли нагрузки на взлетные полосы и причалы. На данных объектах требования к качеству работ и используемых материалов максимальны. Стандарты по уплотнению всех подстилающих слоев и слоев покрытия значительно выше, чем на прочих объектах.

Способы уплотнения

Существуют два способа уплотнения грунтов и асфальтных покрытий: статическое и вибрационное воздействие.

Статическое уплотнение

Статическое уплотнительное оборудование для воздействия на уплотняемый материал использует только собственный вес. Чтобы изменить силу воздействия на поверхность необходимо либо изменить массу, либо площадь контакта.

Такой тип оборудования не обеспечивает уплотнение материала на достаточную глубину, т.к. при нем возникает эффект «распора» между частицами верхнего слоя материала, что препятствует уплотнению нижележащих частиц.

К такому типу оборудования относятся статические катки с гладкими вальцами и катки на пневматических шинах.

Вибрационное уплотнение

Вибрационное уплотнительное оборудование использует комбинацию статического и динамического воздействия. Вибрация создается за счет вращения эксцентрикового груза. Вибрационные удары передается частицами материала между собой, что приводит к уменьшению трения между ними и взаимному движению. Что в свою очередь позволяет частицам переупаковываться в максимально плотное состояние. По сравнению со статическим, вибрационное уплотнение воздействует на материал на гораздо большую глубину. Изначально данный способ уплотнения использовался только для несвязных грунтов (песок, щебень и т.п.), однако со временем появилась вибрационное оборудование и для уплотнения глинистых грунтов и асфальта.

Эффективность воздействия вибрационного оборудования признана во всем мире, и на текущий момент данный способ уплотнения является доминирующим на рынке.

Влияние влажности грунта на его уплотнение

Любые грунты состоят из трех элементов: твердые частицы, воздух и вода. Во время уплотнения почти все грунты достигают максимальной плотности при определенном оптимальном содержании в них воды.

Таким образом, сухой грунт плохо поддается уплотнению, а влажный грунт становится мягким и его легче утрамбовать.

Однако, чем выше содержание воды в грунте, тем ниже его плотность. Максимальная плотность достигается при оптимальном содержании влаги в грунте, что обычно является промежуточным состоянием между абсолютно сухим и полностью влажным.

Для определения оптимальной влажности для грунта используют лабораторный анализ по ГОСТ 22733-2002 (Грунты. Метод лабораторного определения максимальной плотности).

Степень уплотнения чистого песка и щебня (без содержания примесей) почти не зависит от содержания в них влаги, и могут быть максимально утрамбованы как в сухом, так и водонасыщенном состоянии.

Уплотнение различных типов грунтов

В зависимости от используемого уплотняемого материала выбираются соответствующие способы и оборудование для уплотнения.

Песок и щебень

Как уже упоминалось ранее, песок и щебень достигают своей максимальной плотности в абсолютно сухом или полностью водонасыщенном состоянии. Но так как данные материалы обладают отличными дренирующими свойствами, достаточная плотность достижима при любом содержании влаги в материале.

Но при использовании щебня и песка с содержанием примесей, дренирующие свойства заметно ухудшаются и материал становится пластичным, что затрудняет его уплотнение. В таких случаях необходимо производить уплотнение при оптимальном содержании влаги.

При уплотнении песка и щебня с низким содержанием примесей может возникнуть небольшая проблема – материал пытается выпучиться сзади вальца катка или виброплиты, тем самым плотность верхнего слоя снижается. Но при послойном уплотнении данный нюанс не играет большого значения, т.к. нижележащий слой уплотняется при обработке верхнего слоя.

Для уплотнения песка и щебня подойдет любое вибрационное оборудование: вибротрамбовки, виброплиты и виброкатки. Вес оборудования влияет на высоту трамбуемого слоя.

Скальная порода

Отсыпка из скальной породы применяется в качестве насыпей в дорожном строительстве, при сооружении платин и дамб, а также при возведении взлетных полос и морских портов. Валуны из скальной породы могут достигать размеров до 1,5 метров и обладают значительной прочностью.

Первичная укладка скальных пород производится бульдозерами, они образуют довольно ровную поверхность. Для дальнейшего уплотнения используют вибрационные катки тяжелого и среднего класса.

Пылеватые грунты

На качество уплотнения пылеватых грунтов сильно влияет степень содержания в них влаги. Для качественного уплотнения подобного грунта, уровень влажности не должен сильно отличаться от оптимального. При большом содержании влаги в пылеватом грунте и при воздействии вибрации такой грунт становится текучим, что сильно снижает возможность его качественного уплотнения.

Пылеватые грунты с оптимальной влажностью обладают низкой вязкостью, поэтому их можно уплотнять более толстыми слоями, чем песок. Для их уплотнения идеально подходят вибрационные катки среднего и тяжелого класса, либо тяжелые виброплиты.

Глина и суглинки

Глину и грунты, содержащие большое количество глины, часто используют в дорожном строительстве при возведении насыпей. Качество уплотнения глины меняется в зависимости от содержания в ней воды. При низком содержании влаги она становится твердой, а при высоком содержании очень пластичной. Поэтому при уплотнении подобных грунтов оптимальная влажность материала является существенным фактором.

Для уплотнения глины используют вибрационные катки с гладкими либо кулачковыми вальцами. Кулачковые – когда влажность ниже оптимальной, а гладкие вальцы – при повышенной влажности. Глубина слоя выбирается в пределах от 20 до 40 см. Толщина уплотняемого слоя влажной глины может быть больше, чем сухой.

При существенном отклонении уровня влажности от оптимального могут быть использованы бороны и фрезы для увлажнения или проветривания грунта.

Источник

Уплотнение грунта

Уплотнение грунта является одним из наиболее важных и ответственных технологических процессов, применяемых при строительстве земляного полотна, площадок различного назначения, грунтовых подушек, в том числе и под фундамент, различных земляных сооружений, подготовки основания под заливку полов, строительстве автомобильных и железных дорог, взлетно-посадочных полос, прокладке улиц и сооружении дамб.

От качества уплотнения грунта зависит:

• его устойчивость,
• несущая способность,
• упругость,
• подверженность температурным деформациям.

Грунты без уплотнения неоднородны. В них могут быть пустоты, участки большей и меньшей плотности, накапливающие под воздействием механических нагрузок остаточные деформации, что со временем приводит к проседанию земляного полотна, его деформации и образованию неровностей и ям на проезжей части дороги. При уплотнении грунта всего лишь на 1% его прочность и устойчивость к нагрузкам возрастает на 10%, а то и на 15%.

К тому же проведение работ по уплотнению грунта дает большой экономический эффект. Их стоимость составляет в среднем 3-5% от общих затрат на строительство, а полученный результат в несколько раз увеличивает срок службы сооружения, его надежность и прочность.

Понятие уплотнения грунта

Уплотнением грунта называется процесс искусственного преобразования его свойств без существенного изменения физических или химических характеристик, в ходе которого происходит перемещение частиц грунта, приводящее к увеличению количества контактов между ними в единице объема.

При уплотнении грунт становится более прочным и плотным, а его несущая способность возрастает в несколько раз. При этом уменьшается способность грунта к фильтрации и размыванию, а также подверженность просадке при сезонных колебаниях температур.

Механизм уплотнения грунта основан на вытеснении из него жидкой и газообразной фазы и стремлении привести грунтовые массы в твердое состояние с содержанием воздуха в занимаемом объеме не более 3-5%.

Провести уплотнение грунта можно только при его увлажнении. При этом уровень влажности для каждого вида грунта подбирается индивидуально, в зависимости от его физических и химических свойств.

Так, например, уплотнение песка возможно при уровне его влажности 14-23% (в зависимости от фракции песка). Поэтому песчаные почвы предварительно обильно смачивают.

Грунт с высоким содержанием глины и суглинка, напротив, уплотняют при уровне влажности ниже так называемой «границы раскатывания», для чего применяют рыхление и подсушивание, приводящее к удалению лишней влаги. В случае, когда подсушка не дает ощутимых результатов, грунт уплотняют, втрамбовывая в него щебень.

Выбор способа уплотнения грунта во многом зависит от его типа и физико-химических характеристик.

Классификация грунтов

При классификации грунтов учитывается однородность их состава, прочность и надежность связей между отдельными частицами грунта, их размер и форма, способность к поглощению влаги и подверженность размыванию потоками воды. Кроме того учитывается возраст горных пород, составляющих грунт и их геологическое происхождение.

При проведении земляных работ используют следующую классификацию грунтов:

Скальные грунты, представляющие собой плотные горные породы, покрытые тонким слоем почвы. Чаще всего скальные грунты сформированы из гранита, базальта, песчаника, доломита и известняка. Они отличаются высокой прочностью, устойчивостью к нагрузкам, перепадам температур и воздействию влаги.

Полускальные грунты состоят из тех же горных пород, что и скальные грунты, но характеризуются наличием большого количества трещин и разломов, снижающих их уровень прочности.

Крупнообломочные грунты, состоящие из обломков и кусков горных пород различной величины. Их характерной особенностью является низкий уровень сжимаемости и высокий риск размывания потоками воды

Песчаные грунты, состоящие из сыпучих песков. Их характерной особенностью является водопроницаемость и подверженность размыванию, а также способность к уплотнению во влажном состоянии.

Глинистые грунты, состоящие из глины без примеси песка. Их характерной особенностью является способность к набуханию при увлажнении, подверженность размыванию потоками воды и вспучивание при замерзании. Уплотняются глинистые грунты плохо.

Суглинки, состоящие из глины и песка, количество которого может достигать 90%. Суглинки подвержены размыванию и набухают при контакте с водой.

Торфяники, состоящие из растительных остатков. Этот вид грунта характеризуется высокой степенью сжимаемости, а также высоким содержанием влаги.

Пылеватые грунты или так называемые «плывуны»: наиболее сложный вид грунта, характеризующийся низкой способностью к уплотнению, подвижностью и подверженностью к размыванию

Все перечисленные виды грунтов имеют естественное, природное происхождение. Однако в строительстве часто приходится использовать так называемые искусственные грунты, среди которых различают насыпные и улучшенные основания.

Насыпные основания устраивают с использованием гравия, щебня, песка, строительного мусора, шлака, «пустых» горных пород и отходов промышленного производства.

Улучшенные основания формируют из рыхлых, малосвязанных грунтов, цементируя их или скрепляя различными другими способами с использованием жидкого стекла, битума и т.д.

Способы уплотнения грунта

В зависимости от вида грунта и его технических характеристик используют различные способы уплотнения грунта.Существует три способа уплотнения грунта:

При необходимости их комбинируют.

Трамбование грунта

Трамбованием называется один из способов механического воздействия на грунт, при котором происходит его уплотнение, сопровождающееся удалением пустот и воздушных полостей. Основное достоинство трамбования состоит в возможности уплотнения слоев грунта большой толщины при различных уровнях влажности. Однако применять трамбование при уплотнении слишком влажных грунтов опасно: можно получить обратный результат.

Трамбование применяют для уплотнения крупнообломочных, комковатых грунтов, различных насыпей, а также грунтов, доступ к которым ограничен или стеснен.

Для трамбования используется различная техника и приспособления, например, свободно падающие с высоты 2-6 метром трамбовочные плиты, весом от 2 до 15 тонн или грузы цилиндрической формы с плоским дном, вес которых также составляет несколько тонн. Получаемый при этом результат (степень уплотнения) зависит от произведенной работы, определяемой как произведение веса применяемой плиты, высоты сбрасывания и их количества

Глубина уплотнения грунта зависит также от размера контактной площади трамбовки: чем меньше контактная площадь и больше вес плиты, тем больше глубина уплотнения грунта.

Такая трамбовка производится с помощью специальной техники (тракторов, погрузчиков, подъемников и т.д.) и называется тяжелой.

При выполнении небольших объемов работ может применяться ручная трамбовка грунта, выполняемая при помощи специальных инструментов, называемых «толкушками», которые, в свою очередь, разделяются на «легкие», весом до 30 кг, и «тяжелые», вес которых составляет 80 кг и более. «Толкушки» могут быть механическими и ручными.

Выполнять трамбование грунта можно в любое время года, но зимой хорошие результаты можно получить только с использованием тяжелой трамбовки.

Укатка грунта

Укаткой называют способ механического воздействия, применяемый для уплотнения песчаных, крупнообломочных и глинистых грунтов на свободных участках большой площади, где есть все необходимые условия для маневрирования применяемых при этом машин и механизмов.

Укатка производится послойно: вначале уплотняется один слой, затем насыпается и уплотняется следующий слой грунта.

Степень уплотнения грунта при укатке зависит от уровня его влажности и применяемых для работы механизмов. При этом используются специальные катки, автомашины, груженые скреперы и тракторы. Выбирают оборудование для укатки грунта в зависимости от его вида, а также в зависимости от производительности и веса машин и механизмов.

Работы по укатке грунта проводят в несколько этапов. Вначале выполняют предварительную укатку, называемую также «подкаткой», используя при этом легкие катки или тракторы. Затем проводят опытные работы и определяют оптимальный уровень уплотнения грунта. На основании полученных результатов рассчитывают количество проходок используемой для работы техники.

Вибрирование

Вибрирование или вибрационное уплотнение является одним из наиболее эффективных способов механического воздействия на грунт, при котором достигается максимальный уровень контакта между его частицами и полностью удаляются пустоты.

Еще одно достоинство вибрирования состоит в возможности достижения высокого глубинного эффекта уплотнения грунта при сравнительно небольшом количестве проходок. Ни при каких других способах уплотнения этот эффект достичь невозможно.

Вибрационное уплотнение выполняется с помощью вибрирующего механизма, основанного на вращении эксцентрикового груза. При этом одновременно создается динамическая и статическая нагрузка на грунт.

Вибрирование можно назвать универсальным методом уплотнения грунтов. Первоначально оно рекомендовалось лишь для песчаных и крупнообломочных грунтов, но с развитием техники, применяемой для вибрации, этот способ стал широко использоваться для уплотнения глин и суглинков.

Виды работ по уплотнению грунтов

Виды работ по уплотнению грунтов зависят от требуемой степени его уплотнения, значение которой определяется на стадии проектирования в зависимости от качества грунта и его свойств, а также в зависимости от вида, возводимого на нем объекта.

Работы ведутся на участках, размер которых устанавливается так, чтобы обеспечить максимальные темпы работ по уплотнению. Обычно для катков длину участков делают не менее 250 м, а для трамбующих машин не более 50 м.

Ширина уплотняемого участка должна быть достаточной для безопасного движения техники и исключающей возможность ее сползания под откос.

Если протяженность участка увеличить, производительность катка возрастет, но при этом велика вероятность высушивания грунта, что негативно сказывается на качестве его уплотнения.

Укладка и уплотнение

Прежде чем начать уплотнение, грунт насыпают равными по толщине слоями и выравнивают. Если имеет место избыточная влажность, применяется рыхление грунта на глубину его уплотнения и подсушивание. Во время дождя работы по уплотнению грунта прекращают.

Уплотнение производят проходками техники от края насыпи к середине. При этом каждый проход катка или удар плиты производится так, чтобы перекрыть предыдущий участок. Делается это для исключения возможности пропуска неуплотненного участка.

В ходе работ осуществляется постоянный контроль качества и соответствие уровня уплотнения требуемым техническим условиям. Для этого используются полевые лаборатории, с помощью которых можно с высокой степенью точности определить качество грунта и уровень его плотности.

Уплотнение просадочных грунтов

Особого подхода требует уплотнение структурно неустойчивых грунтов, способных при определенных условиях (наводнениях, землетрясениях) изменить свою начальную структуру, что может привести к значительным усадкам. Такие грунты называются просадочными.

К просадочным относятся лессовые грунты, обладающие макропористой структурой и способностью к размываемости и размоканию. В большинстве случаев в состав лессовых грунтов входит гипс, известь, а также другие быстрорастворимые соли и соединения. В обычном состоянии лессовые грунты легко уплотняются и могут находиться в составе земляных насыпей. Однако при контакте с водой они теряют связность и образуют значительные просадки, величина которых может составлять 2 и более метра.

При строительстве к таким грунтам применяют следующие защитные меры, исключающие их контакт с влагой.

• Уплотнение грунтов с помощью тяжелых трамбовок и забивание его на глубину: возможно только в случае, если толщина слоя просадочных грунтов не менее 3,5-4 м.
• Устройство защитной подушки над уплотненными просадочными грунтами из непросадочных грунтов
• Уплотнение грунтов с помощью подводных взрывов: для этого на дне заранее подготовленного котлована бурят скважины и закладывают в них взрывчатку. Затем котлован заполняют водой, предварительно устроив по его периметру защитный земляной вал, и производят взрыв в скважинах.
• Грунты закрепляют с помощью битума, цемента или жидкого стекла, заливая его в предварительно подготовленные скважины.
• Грунты уплотняют с помощью свай.

Глубинное уплотнение грунтов

Уплотнение грунтов, производимое на глубине, с помощью свай и скважин, называется глубинным. Оно имеет свои характерные особенности.

Среди способов глубинного уплотнения лидирующие позиции занимает вибро уплотнение, основанное на способности грунтов переходить в плотное состояние под воздействием вибрации. Для этого вибратор медленно опускают в скважину, в которую через нижнее сопло подается вода. Затем его извлекают, одновременно заменив нижнюю подачу воды на верхнюю подачу. Под воздействием вибрации грунт уплотняется, а на месте нахождения вибратора образуется воронка, которую в дальнейшем засыпают песком.

Для грунтов с высоким уровнем влажности используют глубинное уплотнение, основанное на устройстве вертикальных дрен. Для этого в грунт погружают обсадную трубу, засыпают ее песком, который затем уплотняют вибрированием. По окончании этого процесса обсадную трубу извлекают, оставляя в грунте песчаный столбик (дрену). Количество таких дрен определяется на стадии проектирования.

• Уплотнение грунтов с помощью тяжелых трамбовок и забивание его на глубину: возможно только в случае, если толщина слоя просадочных грунтов не менее 3,5-4 м.
• Устройство защитной подушки над уплотненными просадочными грунтами из непросадочных грунтов
• Уплотнение грунтов с помощью подводных взрывов: для этого на дне заранее подготовленного котлована бурят скважины и закладывают в них взрывчатку. Затем котлован заполняют водой, предварительно устроив по его периметру защитный земляной вал, и производят взрыв в скважинах.
• Грунты закрепляют с помощью битума, цемента или жидкого стекла, заливая его в предварительно подготовленные скважины.
• Грунты уплотняют с помощью свай.

Источник