Необхідні щільності грунтів насипів. допустимі вологості
Щільність впливає на міцність і стійкість ґрунтів при одночасних впливах на них навантажень і погодно-кліматичних факторів. Існують якісь мінімальні значення щільності, які стосовно до даного типу зведеного на грунтах інженерної споруди і, зокрема, до типу дорожнього покриття забезпечують задовільну стійкість грунтів. Ці мінімальні значення залежать від кліматичних умов, типу місцевості, розташування шару грунту в насипу, пори року, протягом якого зводять насипу, і вологості грунту.
Оскільки очевидно вплив погодно-кліматичних факторів, отже, і мінімальні щільності, що забезпечують достатню стійкість грунтів, повинні відрізнятися за дорожньо-кліматичних зонах. Для конкретних кліматичних умов характерною є якась певна щільність грунту, яка встановлюється в дорожніх насипах з плином часу під впливом навантажень і погодно-кліматичних факторів. Такі щільності набувають ґрунти насипів, недостатньо ущільнені в процесі зведення, а в умовах вологого клімату і грунти, які хоча і були добре ущільнені, але мали знижені вологості.
Ці положення випливають з наведених вище закономірностей деформацій ґрунтів при впливах вологи і негативної температури. Для того щоб з'ясувати такі характерні щільності, ще в тридцятих роках були зроблені дослідження, які проводилися Н. Н. Івановим, М. Я. Телєгіним і Н. В. Хлебниковим на автомобільних дорогах і Б. Д. Хействером на залізницях. Надалі, вже в повоєнний час такі дослідження були значно розширені і виконувалися в різних дорожньо-кліматичних зонах. Їм сприяли масові обстеження дорожньої мережі Росії, що проводяться СоюздорНИИ, його Ленінградським філією та ХАДІ. Частина цих робіт здійснювалася в зв'язку з дослідженнями по ущільненню грунтів. В результаті був отриманий великий матеріал, що дозволив встановити характерні щільності грунтів земляного полотна, які досягаються в результаті експлуатації автомобільних доріг через 10-20 років і більше після будівництва. Ці характерні щільності грунтів прийнято називати «побутовими» (табл. 15). Кожне з наведених в табл. 15 значень, як правило, є середнім 20-70 визначень.
Величина відносного морозного обдимання повинна служити підставою для поділу грунтів на пучіністие і виникненню здимань. Грунти, які можуть бути ущільнені до стану, при якому відносний морозне здимання при даному типі покриття менш допустимого, можна віднести до непучиністим грунтам. В іншому випадку грунти є здимистими. Ущільнення не надає їм достатньої стійкості, і тому вони підлягають часткової плі повній заміні. Для непучинистих грунтів гранично допустима величина морозного обдимання повинна служити критерієм при виборі нижньої межі необхідних щільності. Очевидно, що ці щільності повинні бути такими, щоб виключити можливість перевищення допустимих морозних підняттів дорожніх покриттів.
З урахуванням наведених міркувань і розроблені ввійшли в СНиП норми щільності грунтів насипів автомобільних доріг (табл. 17). У цій таблиці наведено мінімальні необхідні значення коефіцієнтів ущільнення, т. Е. Відносних густин, для яких за одиницю прийняті значення максимальної стандартної щільності.
Приданная грунтам щільність, навіть якщо вона висока, зберігається і тому за рахунок підвищення міцності земляного полотна може бути знижена товщина дорожнього одягу і тим самим досягнута економія в засобах. Разом з тим не можна вимагати і неодмінного перевищення цих норм, так як при недостатній вологості ґрунтів це пов'язано з великими труднощами, а іноді і зі значними витратами. Досвід показує, що досягнення в IV-V дорожньо-кліматичних зонах тих же щільності, які є обов'язковими для II зони, можливо лише після штучного зволоження ґрунтів, що підвищує витрати на ущільнення в 3-4 рази. Тому в кожному конкретному випадку необхідно вирішувати, що вигідніше: зволоження грунту і подальше ущільнення його до високої щільності або ж ущільнення до мінімально допустимої щільності, приведеної в табл. 17, і влаштування дорожнього одягу з більшою в порівнянні з попереднім випадком товщиною.
Вище була показана принципова можливість підвищення міцності і стійкості ґрунтів, вологості яких менш оптимальних, шляхом ущільнення грунтів до щільності, при яких обсяг пір, зайнятий повітрям, має те ж значення, що і в грунтах оптимальних влажностей. Такі щільності можна знайти, використовуючи наступну залежність:
де # 948; і # 948; 0 - необхідні щільності ґрунту зниженою і оптимальної влажностей; # 916; - питома щільність грунту, г / см3; W і Wo - вологість і оптимальна вологість грунту,%.
Щільність води, що дорівнює одиниці, в формулу не введена, в зв'язку з чим є позірна невідповідність розмірності. Необхідні щільності ґрунту # 948; і # 948; 0 можуть бути виражені як в абсолютних (г / см3), так і у відносних одиницях.
У США норми щільності диференціюються тільки за видами грунтів. Грунти поділяються за максимальним значенням щільності, отриманим в результаті ущільнення грунтів в приладі Проктора. Чим менше максимальна щільність грунту, тим більше необхідний коефіцієнт ущільнення. При зміні максимальної щільності від 1,91 до 1,65 г / см3 коефіцієнт ущільнення підвищують від 0,98 до 1.02. При зведенні насипів автомобільних доріг і інших земляних інженерних споруд, наприклад дамб, витрати на ущільнення грунтів практично не обмежуються і тому їх укочення проводиться до повного «відмови». За ущільнюється шару пропускають надважкий каток на пневматичних шинах масою 200 т. За відсутності деформацій грунту судять достатність його ущільнення. Передбачається, що витрати на ущільнення ґрунтів завжди окупаються в подальшому їх високою стійкістю.
У ФРН, де метод Проктора введений порівняно недавно, норми щільності грунтів насипів диференційовані за типами влаштовуються покриттів і видів грунтів. Враховується також і глибина розташування шару. Норми виведені з метою надання грунту достатньої міцності і стійкості під транспортними навантаженнями. Морозні впливу з огляду на порівняно м'якого клімату не враховуються. Верхніх шарів насипу (до 0,2 м), що влаштовуються з зв'язкових і незв'язних грунтів під цементобетонні покриття, рекомендується коефіцієнт ущільнення, рівний 1,03.
В Англії необхідна щільність грунтів встановлюється за обсягом пір. зайнятих повітрям. Ці обсяги не повинні перевищувати 5% для верхніх шарів насипів і 10% для нижніх. В останньому випадку коефіцієнт ущільнення невеликий - він близький до 0,90. Така низька щільність може забезпечити задовільну стійкість грунтів тільки в специфічних, характерних для цієї країни кліматичних умовах, що обумовлюють постійну вологість грунтів і відсутність промерзання. Щільність, який визначається коефіцієнтом ущільнення 0,90, для грунтів, що володіють високою вологістю, встановлена і в Японії. У цій країні перезволожені грунти мають широке поширення. Висока вологість робить труднодостижимой навіть таку низьку щільність.
У Франції необхідна щільність грунтів в насипах для верхнього шару товщиною 0,5 м визначається коефіцієнтом ущільнення, рівним одиниці, а для інших верств насипу - 0,90. При цьому грунти зазнають в нормальному приладі Проктора. Така щільність вважається достатньою з огляду на досить невеликих глибин промерзання.
В Італії прийнято випробовувати грунти в модернізованому приладі Проктора. Необхідна щільність тут визначається коефіцієнтом ущільнення, рівним 0,95, що відповідає максимальній щільності, отриманої при ущільненні грунтів в звичайному приладі Проктора. Великого поширення зв'язкових грунтів, мабуть, і стало причиною більш високих вимог до плотностям грунтів.
З наведеного зіставлення прийнятих в різних країнах норм щільності грунтів видно, що всі вони відображають місцеві кліматичні умови, і чим останні однорідніше, тим менша диференціація допускається в нормах. Верхні значення прийнятих коефіцієнтів ущільнення хоча іноді (наприклад, в США і ФРН) і близькі до їх критичним величинам, але не перевершують їх. У більшості країн більш високі вимоги відповідають верхніх частин насипів, що знаходяться під дією навантаження від рухомих автомобілів.
Кожному типу машин, що застосовуються для ущільнення грунтів, відповідає своя вологість, при якій досягається кращий ефект ущільнення. Разом з тим максимальний ефект досягається, коли країни, що розвиваються в грунтах напруги близькі до їх меж міцності. З цих міркувань і вибираються параметри сучасних машин для ущільнення ґрунтів. Відповідна цим напруженням вологість, яка при інших рівних умовах забезпечує отримання максимальної щільності, трохи нижче оптимальної вологості і в середньому дорівнює (0,85-0,9) W0. Тому і слід прагнути вести ущільнення при вогкості грунтів, що знаходяться в межах (0,85-1) W0. Насипу доводиться зводити з грунтів, що мають дуже різні вологості. У II, частково і в III дорожньо-кліматичних зонах, а навесні і на початку літа також і в IV і V зонах природні вологості близькі до оптимальної, що значно полегшує будівельний процес.
Проблема ущільнення ґрунтів, що мають вологість менше оптимальної, може бути вирішена їх зволоженням або застосуванням більш важких машин. Великі труднощі викликає ущільнення грунтів надмірної вологості, з чим особливо часто доводиться мати справу в північно-західних і північних районах, а в осінній і в зимовий періоди на більшій частині території нашої країни.
Під перезволоженими розуміються грунти, вологість яких перевищує гранично допустиму величину. Максимально допустимою слід вважати вологість, при якій ще може бути досягнута необхідна щільність.
При ущільненні машинами зближення частинок грунтів і агрегатів цих частинок відбувається в результаті видалення повітря. Віджимання води можливе лише при ущільненні пісків вібрацією, т. Е. У відносно рідкісних випадках. В ущільненому грунті якийсь обсяг завжди залишається зайнятим затисненим повітрям, видалити який вже неможливо. Тому максимально допустима вологість грунту в процентах Wmax може бути визначена за формулою
де # 916; 1 - щільність води (# 916; 1 = 1 г / см3); # 916; - щільність мінеральних часток грунту; Va - відносний обсяг защемленного повітря; # 948; 0 - необхідна нормами щільність грунту, що визначається як # 948; 0 = K # 948; max; K - коефіцієнт ущільнення; # 948; max - максимальна стандартна щільність.
Визначати обсяг защемленного повітря слід у грунтів підвищеної вологості, що піддаються навантаженню, що відповідає процесу формування земляного полотна. Численні виміри в натурних умовах показали, що в переважній більшості випадків в пилуватих і суглинних грунтах обсяг защемленного повітря дорівнює 2-3%. На цей обсяг впливає щільність грунту, що видно з рис. 43, отриманого в результаті досліджень, проведених па дев'яти видах зв'язкових грунтів, що містять глинисті частки в межах від 16 до 42%. При побудові графіка узагальнені результати 270 вимірювань. З графіка видно, що зі збільшенням щільності ґрунту кількість защемленного повітря зменшується і для щільності, які повинні мати грунти насипів автомобільних доріг (понад 0,95 # 948; mах), обсяг цього повітря становить близько 3%. В ущільнених незв'язних грунтах обсяг защемленного повітря досягає 6-9,5%. Ці значення і можуть бути прийняті при визначенні за формулою (37) максимально допустимих влажностей грунту.
У грунтовій лабораторії Ленінградського філії СоюздорНИИ протягом ряду років за запитами виробничих організацій досліджували ґрунти. За результатами досліджень можна було, користуючись формулою (37), визначити для кожного виду ґрунту максимально допустиму вологість. Результати цієї роботи узагальнені у вигляді табл. 18, складеної на основі даних по 270 різним грунтам. Відхилення окремих значень вологості від середнього значення за окремими видами грунтів знаходиться в межах 3-10%.
Будь-яке перевищення вологості ґрунтів в порівнянні з максимально допустимими значеннями спричинить за собою недоуплотненія і, отже, є неприпустимим. Тому щоб виключити можливі помилки, в таблиці наведені не середні величини, а значення, відповідні нижній межі випадкових відхилень. Для важких суглинків і глин допустиме перевищення вологості дорівнювала (0,05-0,07) Wо, що близько до точності її визначення, тому для цих грунтів при необхідних щільності (1-0,98) # 948; mах ніякого перевищення вологості по порівняно з її оптимальним значенням допускати не слід.
