Несущие конструкции

Металлические конструкции

Прочность дорог

Дорожные материалы

Стальные конструкции

Грунтовые основания

Опорные сооружения

30. 07.2014

Оптимальная толщина уплотняемых слоев грунта зависит от предельной глубины, на которую еще распространяются силовые воздействия машин. Предельная глубина действия нагрузки практически находится в пределах (3—3,5) dш. Очевидно, что оптимальная толщина уплотняемых слоев грунта должна быть меньше предельной глубины, на которую еще распространяется действие нагрузки, так как в противном случае, ввиду малых значений напряжений, требуемые плотности грунтов в нижней части уплотняемых слоев не могут быть достигнуты.
Грунты всегда уплотняют послойно. Поэтому в основании каждого уплотняемого 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. Жесткое основание приводит к концентрации сжимающих напряжений по оси сосредоточенной нагрузки, а также к меньшему перепаду напряжений по глубине, т. е. к их выравниванию. 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 вместе с тем 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 (рис. 61).
При близком расположении грунтового основания (рис. 61, кривая 3) напряжения настолько выравниваются, что у основания они практически близки к давлениям, действующим на поверхности грунта. В данном случае минимальные значения напряжений соответствуют средним частям слоя, причем разрыв между этими напряжениями и давлениями на поверхности грунта незначителен.
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.
Наличие более жесткого основания повышает жесткость системы слой — основание. Поэтому в основу расчета получаемой в итоге деформации, во всяком случае при первых проходах машин, когда различие в жесткостях слоя и основания еще велико, может быть положен эквивалентный модуль деформации E0, имеющий промежуточное значение, т. е. Еос>Еэ>Егр, где Eос — модуль деформации основания; Егр — 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 (рис. 62). График получен опытным путем, он может быть использован при практических расчетах.

Таким образом, 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. Чтобы компенсировать это уменьшение, необходимо увеличивать контактные давления. Это вполне возможно, так как более жесткое основание повышает не только жесткость системы, но и предел ее прочности. Закономерность повышения предела прочности аналогична зависимости, изображенной на рис. 62. В этой связи следует отметить, что приведенные в табл. 43 значения пределов прочности уже учитывают влияние более жесткого основания и относятся к грунтам оптимальной влажности, отсыпаемым слоями оптимальной толщины.
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 повторностей 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 повторностей приложения нагрузки прекращается этот процесс повышения. Поэтому и в случае полупространства 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.
Опыты показали, что напряжение, которое необходимо для доведения какого-то объема грунта до определенной плотности, уменьшается с увеличением глубины расположения этого объема. Поэтому одинаковая плотность грунта вблизи поверхности достигается при больших напряжениях, чем на какой-то глубине. Это делает возможным и при снижении напряженного состояния грунта с глубиной иметь зону однородного уплотнения.
Таким образом, кроме предельной зоны, на которую распространяется действие нагрузки, можно выделить еще такую зону, в которой деформация при уплотнении грунтов распределяется более или менее равномерно. Эта зона называется активной, а ее глубина — глубиной активной зоны. В этой зоне реализуется 80, а иногда и 90% всей необратимой деформации.
Глубина активной зоны при данном грунте зависит от диаметра штампа, т. е. поперечных размеров поверхности контакта рабочих органов машин с грунтом, от скорости изменения напряженного состояния и величины контактного давления (рис. 63). Главным фактором является диаметр штампа, который и определяет максимальную глубину, в пределах которой, при благоприятных обстоятельствах, т. е. при контактных давлениях, близких к пределу прочности, и относительно небольших скоростях изменения напряженного состояния, может быть получено однородное уплотнение грунта. При благоприятных условиях скорость нагружения должна быть такой, чтобы за время действия нагрузки волна напряжений не только успела достигнуть этой глубины, но и создать на ней высокий уровень напряженного состояния, поддерживаемый в течение времени, достаточного для развития соответствующей этому напряжению деформации. При самых благоприятных условиях глубина активной зоны близка к 2 dш.
После превышения предела прочности грунта активная зона по своим размерам не увеличивается, а лишь смещается вниз. При снижении контактного давления зона, как это видно из рис. 63, а, уменьшается. Это уменьшение становится заметным после того, как контактное давление уменьшается более чем на 50% от предела прочности грунта. Вместе с тем любое снижение контактного давления из-за уменьшения деформации грунта влечет за собой необходимость в увеличении числа повторностей 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 давления 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 (рис. 63, б), что является следствием увеличения предела прочности из-за того, что выбранное контактное давление оказывается недостаточным. При повышенной влажности выбранное давление, ввиду резкого уменьшения предела прочности, оказывается чрезмерно большим, что 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 грунта характеризуется кривой, имеющей максимум.
Максимум в зависимости от выбранного контактного давления может соответствовать различным влажностям и в частном случае (см. рис. 63, б) он может соответствовать оптимальной влажности грунта.
Расчет глубины активной зоны h0 можно вести по следующей формуле:

где Bmin — минимальный поперечный размер поверхности контакта рабочего органа машин с уплотняемым грунтом; σ0 и σp — соответственно контактное давление и соответствующий оптимальной влажности предел прочности; е — основание натуральных логарифмов; α и β — безразмерные постоянные.
Коэффициент α зависит от скорости изменения напряженного состояния; при укатке α≈1,7—2,0, при трамбовании α≈1,1. Показатель степени β зависит от вида грунта и для связных грунтов принимается равным 3,7.
Формула (49) может служить для практических расчетов при σ≤σр и W≤W0. Когда влажность грунта менее оптимального значения и предел прочности σр соответствует этой пониженной влажности, следует полагать, что W/Wo = 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 0,95δmах, оптимальная толщина может быть принята равной глубине активной зоны. Такая плотность достигается относительно легко и не требует излишне большого числа проходов машин. В этом случае снижение толщины уплотняемого слоя уменьшает производительность и влечет за собой затрату излишней работы, чему способствует влияние, особенно при первых проходах, более жесткого основания. Чем тоньше слой, тем больше эквивалентный модуль приближается к модулю основания и тем, следовательно, меньше деформация, которая развивается в результате приложения нагрузки. Как правило, потери, связанные с наличием жесткого основания, не компенсируются уменьшением числа приложений нагрузки.
В табл. 44 приведены расчетные параметры связных 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, равная δmaх, обычными машинами при толщине слоя, равной глубине активной зоны, может быть достигнута только при оптимальной влажности грунтов. Под обычными понимаются машины, у которых максимальные контактные давления в конце процесса уплотнения не превышают предела прочности 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 δmaх, требуется сделать в 3 раза больше проходов, чем для получения плотности 0,95 δmaх. Таким образом, производительность машин снижается в 3 раза.
Высокая плотность грунта может быть достигнута уменьшением толщины уплотняемого слоя. 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 все 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) δmaх толщину уплотняемого слоя грунта целесообразно выбирать в 1,5—2 раза меньше глубины активной зоны. 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 0,95 δmaх. Уменьшение толщины уплотняемого слоя грунта выгоднее увеличения числа проходов, так как производительность машин, по сравнению с тем случаем, когда требуемая плотность равна 0,95 δmaх, снижается не в 3, а в 1,5 раза. Однако этот метод неприменим, 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 (49), приходится и в случаях, когда грунты имеют влажность менее оптимальной. Однако уменьшения можно избежать, если для уплотнения применять машины с повышенными контактными давлениями. К таким машинам относятся тяжелые модели кулачковых и решетчатых катков. Максимальные значения плотностей, достигаемые этими машинами, составляют (1,1—1,12) δmaх при тяжелых суглинках, в том числе и пылеватых, и (1,03—1,06) δmaх при несвязных и малосвязных грунтах. Такие и близкие к ним высокие плотности грунта получаются при W=(0,8—0,85) W0 и контактных давлениях, близких к пределам прочностей грунтов, которые при этих влажностях превосходят пределы прочностей тех же грунтов оптимальных влажностей в 5—7 раз.
Чтобы создать условия, благоприятные для получения высокой плотности грунта, первые проходы следует производить легкими кулачковыми катками, а затем чередовать их с проходами тяжелых катков. Окончательное уплотнение грунта до высокой плотности выполняется тяжелыми катками.
Вообще соотношение между ростом предела прочности и модуля деформации при изменении состояния грунта может служить критерием для определения возможности уплотнения этого грунта. Изменение в состоянии грунта связано с увеличением или уменьшением его влажности или толщины слоя, внесением в него вяжущих материалов — цемента, битума и т. п. Если при таком изменении предел прочности грунта повышается быстрее модуля деформации, то грунт может быть уплотнен увеличением действующей нагрузки. В противном случае нагрузку увеличивать нельзя, так как это затруднит процесс уплотнения, и в ряде случаев достижение требуемой плотности окажется невозможным. Таким образом, возможность уплотнения определяется неравенством:

где σp и E0 — предел прочности и модуль деформации первоначального состояния грунта; σp’ и E0′ — предел прочности и модуль деформации измененного состояния грунта.
Неравенством (50) 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 (50), т. е. с уменьшением влажности предел прочности растет быстрее, чем модуль деформации (рис. 64). Более быстрый рост предела прочности позволяет увеличивать контактные давления 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 давления создают условия для реализации этих потенциальных возможностей. В табл. 45 приведены полученные опытным путем предельные значения плотностей грунтов, которые могут быть достигнуты при уменьшении влажности, а также необходимые для этого контактные давления. Здесь предполагается, что уплотняемый слой грунта расположен на основании, которое состоит из такого же ранее уплотненного грунта. За единицу контактных давлений принят соответствующий оптимальной влажности предел прочности σр. В таблице приведены максимальные относительные влажности, выше которых указанные в таблице плотности уже не могут быть достигнуты.

Таблица показывает, что уменьшением влажности грунтов можно достигать весьма высоких плотностей, однако для этого необходимы тяжелые машины. Такие высокие плотности пока не требуются, поэтому практическое значение имеют данные, приведенные в последней графе табл. 45, которыми определяются те контактные давления, которые необходимо иметь при разных влажностях связного грунта для получения плотности δmax. Следует иметь в виду, что в средней полосе России естественная влажность грунтов, как правило, не меньше (0,85—0,95) W0.