Машины и оборудование для уплотнения грунтов

Машины и оборудование для уплотнения грунтов используют в целях восстановления плотности и прочности грунтов в инже­нерных сооружениях, придания им необходимой устойчивости, несущей способности и водонепроницаемости. Качество уплотнения оценивается отношением фактической плотности грунта к его максимальной стандартной плотности, определяемой мето­дом стандартного уплотнения. Плотность верхних слоев насыпи автомобильной дороги должна быть не менее 98 % стандартной, нижних слоев — не менее 95 %.

Уплотнение грунта происходит в результате его деформации под действием внешних нагрузок или собственной силы тяжести. Если нагрузка на какой-то участок поверхности грунта выше его несущей способности, происходит выдавливание грунта, окружа­ющего этот участок, вверх. При этом структура грунта нарушает­ся, а его прочность снижается. Если скорость приложения уплот­няющей нагрузки выше скорости деформации грунта или уплот­няемый слой грунта слишком велик, уплотнение становится мало­эффективным или также сменяется разрушением.

Грунты могут уплотняться укаткой, трамбованием, вибраци­ей, виброукаткой и вибротрамбованием. При укатке сближение частиц происходит под действием циклически повторяющейся нагрузки с медленным темпом нарастания и убывания. При трам­бовании частицы грунта сближаются под действием кинетической энергии падающего на один и тот же участок поверхности трам­бующего инструмента, причем скорость деформации грунта в этом случае, как правило, отстает от скорости нарастания в нем на­пряжений. При виброуплотнении скорость сближения частиц увеличивается, так как под действием высокочастотных колеба­ний сцепление между ними ослабевает. При вибротрамбовании результат вибрации суммируется с положительным эффектом трам­бования, а при виброукатке суммируются эффекты укатки и виб­рации.

Катки. При больших объемах работ по уплотнению грунтов при­меняют прицепные и самоходные катки, рабочими органами ко­торых являются либо металлические барабаны (вальцы) с раз­личной структурой поверхности, либо резиновые пневматичес­кие колеса. Катки с вибровальцами реализуют статическое уплот­нение при пониженном сопротивлении частиц перемещению от­носительно друг друга.

Наиболее простыми и наименее эффективными считаются ста­тические катки с гладкими металлическими вальцами. При их применении эффект уплотнения распространяется относительно не­далеко от зоны приложения нагрузки, поэтому максимальная тол­щина уплотняемого такими катками за один проход слоя не пре­вышает 20 см, а необходимая степень уплотнения несвязных грун­тов достигается после 4 — 6 проходов по одному следу, а связных — после 10—12 проходов. Достоинствами катков с гладкими вальца­ми является их способность уплотнять как связные, так и несвяз­ные грунты, простота устройства и высокая надежность.

Металлические вальцы кулачковых катков (рис. 1.76) отличают­ся тем, что на их поверхности расположены выступы, называе­мые кулачками.

Кулачки 4, погружаясь в грунт, сминают его, повышая эффек­тивность уплотнения. На несвязном грунте этот эффект практи­чески не заметен, так как частицы грунта из-за отсутствия сцеп­ления между собой возвращаются после исчезновения уплотняю­щей силы почти в исходное положение.

Форма кулачков и расстояние между ними могут повлиять на качество уплотнения и способствовать нежелательному образова­нию между кулачками вальца грунтовых перемычек. Стремясь из­бежать этого, поперечному сечению кулачков придают круглую, овальную, прямоугольную, крестообразную или другие формы. Располагать их на вальце могут по образующей вальца, по винто­вой линии, в шахматном порядке, «шевроном» (когда ряд кулач­ков на развертке цилиндрической поверхности вальца напомина­ет латинскую букву V).

Для разрушения перемычек устанавливают специальные скреб­ки, расположенные между соседними кулачками одного ряда, которые разрушают перемычки при реверсивном движении катка и очищают поверхности вальца от налипающего грунта.

Рис. 1.76. Прицепной кулачковый каток: 1 — люк для загрузки балласта; 2 — торцевая стенка вальца; 3 — цилиндрическая поверхность вальца; 4 — кулачки; 5 — подшипник оси качения; 6 — сцепное устройство; 7 — рама катка

Прицепные пневмоколесные катки (рис. 1.77) применяют при уплотнении связных и несвязных грунтов. Они способны уплот­нять более толстые слои грунта за меньшее число проходов по одному следу, не разрушая при укатке щебень и гравий. Пневма­тические вальцы (пневмоколеса) 4 располагаются так близко друг к другу, насколько допускает конструкция катка. Это позволяет сузить полосы неуплотненного грунта, остающиеся между ними. Независимая подвеска каждого вальца обеспечивает равномерное уплотнение поверхности по всей ширине полосы уплотнения.

Рис. 1.77. Прицепной пневмоколесный каток:

1 — сцепное устройство; 2 — дышло; 3 — ось качания секций; 4 — пневмоколесо; 5 — ось пневматического вальца; б — корпус секции

Корпус секции 6, в которой устанавливается пневматический ва­лец, одновременно служит ящиком для балласта из чугунных от­ливок, бетонных блоков или песка, позволяющих при необходи­мости утяжелить каток.

Большое значение для эффективности пневмоколесного катка кроме массы имеет давление в шинах. При снижении давления в шинах в 3 раза напряжение на поверхности грунта понижается в 1,8 раза при одновременном возрастании площади контакта и глу­бины активной зоны уплотнения примерно в 1,7 раза.

Решетчатые катки наиболее эффективны при уплотнении круп­нощебеночных, гравелистых, мерзлых и глинистых комковатых грунтов. Конструктивно они сходны с гладковальцовыми катка­ми, но цилиндрическая поверхность вальца образована литой или сварной решеткой со стороной ячейки 15..20 см. Сварная решетка предпочтительней, так как она более проста в изготовлении и легче ремонтируется. Балласт в виде бетонных блоков или чугун­ных отливок при необходимости размещают, как и в других типах прицепных катков, на раме катка. Вальцы секторного катка обра­зованы тесно прижатыми друг к другу дисками. Края каждого из них формой напоминают звездочку цепной передачи, причем зу­бья соседних дисков смещены на полшага. Во избежание налипа­ния грунта в промежутках между дисками устанавливаются скреб­ки, концы которых немного не доходят до цилиндрической повер­хности ступиц дисков. Такой каток работает подобно кулачковому, но при одинаковой с ним массе уплотняет более толстые слои фунта.

Современные прицепные катки с жесткими вальцами, как правило, оборудуются вибраторами направленных колебаний, позволяющими интенсифицировать процесс уплотнения. Такие машины могут работать как обычные катки статического уплот­нения, а при включении вибраторов к эффекту принудительного сближения частиц грунта добавляется эффект снижения сил тре­ния и сцепления между ними, порождаемый высокочастотными Колебаниями.

Существенным недостатком вибраторов такого типа является большая нагрузка циклического характера на подшипники, приводящая к ускоренному выходу их из строя. Поэтому для получе­ния больших возмущающих сил применяют бегунковые вибраторы (рис. 1.78), лишенные этого недостатка. Источником возмущаю­щей силы в таком вибраторе является бегунок 1, свободно обка­тывающийся по беговой дорожке, представляющей собой часть внутренней цилиндрической поверхности корпуса 4 вибратора. Бегунок приводится в движение водилом 2, вал которого соеди­нен через зубчатое колесо 3 с валом такого же водила, располо­женного в другой, зеркально симметричной части корпуса. Ось бегунка свободно перемещается в радиальном направлении в па­зах водила, что обеспечивает бегунку постоянный контакт с по­верхностью беговой дорожки. В результате подшипники валов не нагружаются центробежной силой.

Рис. 1.78. Двухвальный бегунковый вибратор направленного действия: 1 — бегунок; 2 — водило; 3 — зубчатые колеса; 4 — корпус

Для уплотнения грунтов наряду с прицепными широко исполь­зуются самоходные катки, оборудованные гладкими и кулачко­выми металлическими вальцами, а также пневматическими валь­цами — колесами. Широкое распространение получили комбини­рованные катки (рис. 1.79) с шарнирно сочлененной рамой, од­ним жестким вальцом с вибровозбудителем и ведущей пневмоколесной осью. Подавляющее число моделей комбинированных кат­ков могут комплектоваться одним основным и сменными вальца­ми. В некоторых конструкциях меняют только валец, в других — заменяют модуль передней рамы. Также практикуют комплекта­цию гладких вальцов сборной оболочкой с кулачками на внешней поверхности, закрепляемой на вальце без его демонтажа. Это по­зволяет обойтись одной уплотняющей машиной, но требует до­полнительных затрат времени на ее переоборудование при смене вида работ.

Рис 1.79. Комбинированный каток с шарнирносочлененной рамой

Рис. 1.80. Схема механизма подвески вальцов пневмоколесного катка: 1 - пневматическое колесо (валец); 2 - ось колеса; 3 - стойка; 4 - вспомога­тельное коромысло; 5 — основное коромысло

Виброволновый каток (рис. 1.81) оснащен стальными вальцами с упругой 3 или гибкой 4 обечайкой. В этих конструкциях рама катка опирается на ось водила 2. Водило, вращаясь, заставляет вращаться валец и этим обеспечивает поступательное движение машины. Бегунки 1 с встроенным в них вибратором перекатыва­ются по упругой обечайке 3 и, касаясь ее нижней части, передают энергию вибрации на уплотняемый грунт. Гибкая обечайка 4 при-

обретает форму эллипса, что в сочетании с вибрацией повышает эффективность уплотнения материала. Валец с гибкой обечайкой оснащен натяжным устройством, сохраняющим ее форму. Форма упругой обечайки сохраняется благодаря ее собственным силам упругости. Теоретические и экспериментальные исследования по­казали, что вальцы с упругой обечайкой более эффективны.

Рис. 1.81. Схема работы вальца с гибкой обечайкой:

а - ось вращения обечайки не совпадает с осью, вокруг которой под действием внешнего крутящего момента вращаются водила, и жестко не связана с рамой катка; б - ось вращения обечайки совпадает с осью неподвижных водил, дефор­мирующих обечайку; 1 - бегунок с встроенным вибратором; 2 - водило; 3

упругая стальная обечайка; 4 — гибкая стальная обечайка