Машины и оборудование для уплотнения грунтов – СРС

Для обеспечения устойчивости зданий и сооружений в течение всего срока их эксплуатации грунты, на которых их возводят, должны обладать достаточной плотнос­тью, регламентированной СНиП и другими нормативными документами. Просадочные и насыпные грунты перед возведением на них зданий и сооружений подлежат искусст­венному уплотнению.

Уплотнение грунта есть процесс его необратимого деформирования путем внешнего силового воздействия или за счет гравитационных сил, в результате которого определенная масса грунта уменьшается в объеме за счет удаления из его пор свобод­ной воды и воздуха, а его плотность повышается. При нагружении грунта вода и воздух частично выходят на поверхность, а частично перемещаются в грунте из более напря­женных зон в менее напряженные, вследствие чего требуемая плотность достигается многократным повторным нагружением. При этом наибольшая степень уплотнения до­стигается на первых циклах нагружения, уменьшаясь к концу этого процесса. Разрых­ление грунта перед его уплотнением способствует выходу воздуха и свободной воды на поверхность без миграции этих компонентов в грунтовом массиве, благодаря чему тре­буемая плотность грунта может быть достигнута меньшим числом повторных нагруже­нии. По этой причине большинство способов уплотнения грунта являются двухэтапными, включающими разрыхление уплотняемого слоя и собственно его уплотнение.

Степень уплотнения грунтов оценивают коэффициентом уплотнения, равным отношению фактической (или требуемой) плотности к ее максимальному стандартному значению, определяемому на специальном приборе. В зависимости от ответственности земляного сооружения коэффициент уплотнения назначают из пределов от 0,9 до 1.

Все процессы уплотнения грунтов в строительстве полностью механизированы. Их выполняют с помощью машин и оборудования, классифицируемых по характеру си­лового воздействия на грунт и по способу перемещения рабочего органа относительно уплотняемой зоны грунта. По первому признаку различают машины статического (укат­кой), динамического (трамбованием и вибротрамбованием) и комбинированного дейст­вия. При трамбовании грунт уплотняется падаюшей массой. Виброуплотнение заключа­ется в сообщении грунту колебательного движения, которое приводит к относительному смещению его частиц и более полной их упаковке. При виброуплотнении рабочий орган вибратора, находящийся на поверхности грунта, колеблется вместе с грунтом. Ес­ли возмущения превзойдут определенный предел, то виброуплотнение преобразуется в вибротрамбование с отрывом рабочего органа вибратора от грунта и частыми ударами по нему. Разновидностью виброуплотнения является его комбинация с укаткой, для че­го перекатываемому по грунту катку сообщают направленные вертикальные колебания.

По способу перемещения рабочего органа относительно уплотняемой зоны грун­та различают самоходные машины, прицепные и полуприцепные орудия, перемещае­мые за тягачом (все виды катков, кроме самоходных), машины с навесными рабочими органами (трамбовочные и вибротрамбовочные) и оборудование, перемещаемое за счет импульсных реактивных сил в результате наклонного силового воздействия на грунт (виброплиты).

Поскольку после каждой очередной проходки грунтоуплотняющей машины пре­дел прочности грунта на его поверхности возрастает, то для повышения эффективности процесса целесообразно контактные давления увеличивать от прохода к проходу (для катков) или от удара к удару (для трамбующих машин). Для этого рекомендуется двухстадийное уплотнение: предварительное - легкой машиной, окончательное - тяжелой. При этом общее число проходов или ударов по одному месту может быть уменьшено в среднем на 25% с сокращением стоимости работ до 30%, в том числе и за счет частич­ной замены тяжелых машин легкими.

Для уплотнения грунтов укаткой применяют прицепные, полуприцепные и само­ходные катки с гладкими, кулачковыми и решетчатыми вальцами, а также пневмокатки. Их используют также в дорожном, аэродромном и подобных отраслях строительства для уплотнения подстилающего слоя и укатки дорожного покрытия из асфальтобетона и других материалов.

Прицепной каток с металлическими вальцами (рис. 7.57, а и б) состоит из пу­стотелого вальца 5 цилиндрической формы и охватывающей его рамы 3 с дышлом 2 и сцепным устройством / на его конце. Валец соединен с рамой через подшипники 4 на торцовых шипах. Для увеличения массы катка и, следовательно, повышения давления на укатываемую поверхность валец загружают (балластируют) песком через люк 7. Вальцы бывают гладкими (рис. 7.57, а) или с установленными на их рабочей поверхно­сти в шахматном порядке кулачками 9 (рис. 7.57, б) (кулачковые катки), которые прива­ривают непосредственно к обечайке вальца или к полубандажам 8. От налипшего на ра­бочую поверхность грунта гладкие вальцы очищают скребком 6 (см. рис. 7.57, а), за­крепленным на раме, а междурядья кулачков - штырями, собранными на общей балке, прикрепленной к раме вместо скребка.

Прицепные катки с металлическими вальцами перемещают по уплотняемой по­верхности за тягачом, обычно трактором, с разворотами на концах захваток для возврат­ного движения или челночным способом, для чего тягач перецепляют на противополож­ную сторону катка. Для укатки грунтов на обширных площадях используют сцепы из двух-пяти катков и более, объединенных траверсами (рис. 7.57, в).

Гладкие катки уплотняют грунт слоями 0,15... 0,2 мбез разрыхления его по­верхности или с незначительным разрыхлением на глубину 1... 3 см (в несвязных грун­тах). Их применяют преимущественно для прикатки в один -два прохода поверхностей, уплотненных другими катками. Скорости передвижения катков не влияют на изменение плотности грунтов, но при повышенных скоростях из-за больших сдвигающих усилий на контактной поверхности формируется менее прочная структура грунта. Рациональ­ные скорости перемещения гладких катков составляют 1,5... 2,5 км/ч на первом и двух последних проходах и 8... 10 км/ч на промежуточных проходах. По сравнению с рабо­той в односкоростном режиме производительность катков при этом увеличивается при­мерно в 2 раза.

При работе кулачковых катков грунт уплотняется внедряемыми в него кулачка­ми, а на первых проходах также поверхностью вальца. По мере уплотнения грунта ку­лачками на глубине при каждом новом проходе они все меньше погружаются в грунт, вследствие чего валец теряет контакт с уплотняемой поверхностью. Из-за высоких кон­тактных давлений в конце уплотнения кулачки будут несколько погружены в грунт, вследствие чего на его поверхности останется разрыхленный слой, который при необ­ходимости прикатывают гладкими вальцами.

В отличие от работы гладких катков, когда от прохода к проходу уплотненный слой наращивается от поверхности вглубь, кулачки начинают уплотнение на глубине, наращивая его в направлении к поверхности. Кулачковые катки эффективно применять только для уплотнения рыхлых связных грунтов. При уплотнении же ими несвязных и малосвязных грунтов происходит выброс грунта кулачками вверх и в стороны, вследст­вие чего практически невозможно достигнуть требуемой плотности.

Подобно кулачковым каткам работают решетчатые катки (рис. 7.58) с обечайками, изготовленными из прутков в виде решетки с квад­ратными ячейками. Внедряясь в грунт прутками, решетчатые катки уплотняют его, начиная с глубин­ных слоев. Их применяют для уп­лотнения комковатых и переувлаж­ненных связных грунтов, включая разрыхленные мерзлые и скальные крупнообломоч­ные грунты.

Прицепной пневмоколесный каток (рис. 7.59, а) состоит из рамы 3 с дышлом 2 и сцепным устройством 1 для соединения с тягачом (трактором или автомобилем), че-тырех-пяти пневматических колес 5, соединенных с рамой одной осью или через балан­сиры (рис. 7.59, б) и одного 4 (рис. 7.59, а) или нескольких 7 (рис. 7.59, б) (по числу ко­лес) балластных ящиков. В последнем случае балластные ящики соединены между со­бой передней 6 и задней 8 поперечными балками, а ось каждого колеса крепится к дни­щу соответствующего балластного ящика так, что, в зависимости от неровностей ука­тываемой поверхности, с грунтом контактируют все колеса катка (рис. 7.59, в).

Пневмоколесные катки применяют для уплотнения как грунтов, так и гравийных и щебеночных оснований, а также черных смесей асфальтобетона. Преимуществом этих катков перед катками с металлическими вальцами является то, что при укатке ка­менных материалов они не измельчают их. Требуемая степень уплотнения достигается за 5 - 10 проходов при рабочих скоростях передвижения 11... 15 км/ч. Для уплотнения грунтов более эффективны шины большого диаметра с большей допускаемой нагрузкой на каждую шину. Катки с автомобильными шинами используют, в основном, для уплот­нения малосвязных и среднесвязных грунтов, а с авиационными шинами повышенного давления - для уплотнения тяжелых суглинков и глин высокой связности.

Полуприцепные (седель­ные) катки (рис. 7.60) агрегатируют с колесными тракторами и одноосными тягачами. Рабочее оборудование этих катков полно­стью унифицировано с прицепными катками соответствующего типоразмера и отличается от по­следнего опирающейся на се­дельное устройство тягача хреб­товой балкой 1 вместо дышла. Отечественная промышленность производит полуприцепные катки трех типоразмеров: легкие, средние и тяжелые мас­сой соответственно 15 ± 3, 30±6 и 45±9 т. Они отличаются хорошей маневренностью и транспортабельностью, высоким качеством уплотнения и высокой производительно­стью.

Самоходные пневмоколесные катки применяют для уплотнения грунтов и по­крытий дорог. Их разделяют по массе на легкие (10... 15 т), средние (20... 30 т) и тяжелые (40... 50 т). На этих катках устанавливают четыре задних и три передних колеса, располагая их в плане в шахматном порядке для перекрытия смежных уплотняемых по­лос. На катках, работающих на укатке черных асфальтобетонных покрытий, устанавли­вают шины с гладким протектором и пневматические распылители воды для смачива­ния и охлаждения шин. Самоходные катки с гладкими вальцами применяют преимуще­ственно для укатки покрытий дорог.

Основным направлением в развитии прогрессивных универсальных самоходных катков явилось создание гаммы комбиниро­ванных катков на базе унифицированных модулей: силовой установки с дизелем и на-1 сосной станцией, кабины с органами управ­ления и двух шарнирно-сочлененных рам. Ходовые устройства состоят из ведущего моста с пневмоколесами и уплотняющего катка - с гладкими вальцами, кулачкового или решетчатого. На рис. 7.61 показан ком­бинированный каток с кулачковым вальцом. Группу грунтоуплотняющих машин и оборудования динамического действия представляют трамбовочные и вибротрамбовочные машины, виброплиты и виброкатки. Трамбующие рабочие органы в виде чугунных или железобетонных плит круг­лой или квадратной формы навешивают на экскаваторы или специально приспособлен­ные для этого машины. В первом случае в качестве базовой машины используют одно­ковшовый экскаватор со стрелой драглайна, к подъемному канату которого подвешива­ют плиту массой 0,8... 1,5 т с площадью опорной поверхности около 1 м². Вспомога­тельным канатом с легким оттяжным грузом предупреждают закручивание основного каната. Плиту поднимают на высоту 1,2... 2 м, с которой ее сбрасывают отключением от трансмиссии барабана подъемной лебедки. Тремя - шестью ударами плиты о грунт достигают его уплотнения на глубину 0,8... 1,5 м. Продолжительность рабочего цикла с учетом поворотных движений экскаватора в плане составляет примерно 12... 20 с, что определяет невысокую производительность этого способа.

Описанный способ уплотнения грунтов отличается своей простотой. Однако, ис­пользование экскаваторов для уплотнения грунтов экономически невыгодно вследствие высокой стоимости этих машин, а также из-за повышенного износа подъемного и пере­дающих механизмов в описанном режиме нагружения. По этой причине описанный способ уплотнения грунтов имеет ограниченное применение - в местах, труднодоступ­ных для других грунтоуплотняю­щих машин.

Для уплотнения грунтов на объектах с широким фронтом ра­бот используют самоходные трамбовочные машины на базе гусеничного трактора (рис. 7.62). На машине установлены две пере­мещающиеся по направляющим чугунные плиты массой 1,3 т каж­дая, поочередно поднимающиеся и падающие на уплотняемую поверхность при непрерывном передвижении базового трактора. В зависимости от содержания в грунте глинистых частиц уплотнение на глу­бину до 1,2 м достигается за три - шесть ударов плиты по одному месту при скорости передвижения трактора 160... 320 м/ч.

Для уплотнения несвязных и слабосвязных грунтов на ограниченных поверхностях применяют виброплиты. Грунт уплотняют плитой-поддоном 1 5 (рис. 7.63, а и б), которому сообщаются колебания от двухдебалансного вибратора 2, принцип действия ко­торого показан на рис. 7.64.

Ударно-вибрационный способ уплотнения грунтов реализуется, например, в са­моходной машине на базе гусеничного трактора с навесным вибро-трамбовочным обо­рудованием (рис. 7.65). Рабочее оборудование состоит из двух виброударных рабочих органов, смонтированных на раме 11, способной смещаться в поперечном направлении на 0,5... 0,7 м от следа базового трактора для уплотнения грунтов вне полосы его дви­жения, например, в бровочной части дорожной насыпи.

Вертикальные перемещения трамбующей плиты 10 генерируются вибромолотом 5, приводимым гидромотором - редуктором 3 через двухступенчатую клиноременную пе­редачу 4. Вибромолот устроен подобно вибратору направленных колебаний и отличает­ся от него тем, что его корпус перемещается по вертикальным направляющим 6 с пру­жинами 7. В процессе этих перемещений, вызванных вынуждающе силой вращающих­ся дебалансов, вибромолот ударяет бойком 9 в нижней части своего корпуса по нако­вальне 8, жестко соединенной с трамбующей плитой 10. Таким образом, трамбующая плита воспринимает ударные нагрузки через наковальню, а вибрационные - через пру­жины 7 и направляющие 6, сочетая в воздействии на грунт эффект трамбования и виб­роуплотнения.

Рабочее оборудование устанавливают на раме 1, которую через амортизаторы 12 шарнирно крепят на лонжеронах гусеничных тележек базового трактора. Посредством гидроцилиндра 2 рабочее оборудование может быть установлено в рабочее положение или поднято для передвижения машины в транспортном режиме. Ударно-вибрацион­ную машину комплектуют бульдозерным отвалом 14 и планирующей плитой 13 для раз­равнивания грунта в полосе перемещаемого следом рабочего органа.

Для уплотнения малосвязных грунтов весьма эффективно применять вибраци­онные катки с гладкими, кулачковыми или решетчатыми вальцами, внутри которых вмонтирован вибратор направленных колебаний, приводимый от автономного двигате­ля, установленного на раме катка. Эффективность уплотнения достигается совместным действием на грунт гравитационных и вынуждающих сил, генерируемых вибратором, что позволяет получить требуемую плотность грунта при сравнительно меньшей массе катка. Так, при уплотнении песков путем вибрационного воздействия масса катка может быть снижена примерно в 5 раз, при супесях - в 2 раза, а при уплотнении средних и тя­желых суглинков лишь на 10... 30%. Эффективность вибрационнного воздействия сни­жается с увеличением содержания в грунте глинистых частиц. Поэтому для уплотнения связных и высоко связных грунтов требуется применять весьма тяжелые катки.