CC BY
74
УДК 625.7/8
ОСОБЛИВОСТІ УЩІЛЬНЕННЯ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА ПРИ ВІД’ЄМНИХ ТЕМПЕРАТУРАХ ПОВІТРЯ
О.О. Фоменко, асистент, А.В. Сєдов, доцент, к.т.н., ХНАДУ
Анотація. Розглядаються особливості ущільнення земляного полотна в умовах від ’ємних температур. При пониженні температури ґрунту зростає структурний опір ґрунтової системи ущільнюючим діям. Досягнення необхідної щільності ґрунтів при цьому залежить від температури навколишнього середовища, величини і характеру ущільнюючих навантажень.
Ключові слова: від ’ємна температура повітря, статичний, ударний, вібраційний способи ущільнення ґрунту, поліпшення ущільнення ґрунтів.
Вступ
Можливості дорожньо-будівельних організацій з нарощування річних обсягів і темпів будівництва, як правило, обмежені. Це змушує шукати додаткові резерви шляхом вдосконалення технології і організації робіт, а також застосування сучасної техніки при дорожньо-будівельних роботах. У зв'язку з цим заслуговує особливої уваги збільшення тривалості будівельного періоду з переходом в певних умовах на цілорічне будівництво автомобільних доріг.
Аналіз публікацій
Актуальність таких робіт останніми роками зросла у зв’язку з поширенням реконструкцій автомобільних доріг в Україні. Цілорічне будівництво автомобільних доріг дозволяє:
- збільшити річне виробництво дорожньо-будівельних машин;
- зменшити плинність робочих кадрів і тим самим закріпити їх в даній організації;
- забезпечити дострокове введення дороги в експлуатацію;
- підвищити ритмічність дорожньо-будівельного виробництва;
- забезпечити роботою дорожньо-будівельні організації в умовах ринкової економіки [1 ,2, 3].
Мета і постановка задачі
Незважаючи на накопичений досвід виконання дорожньо-будівельних робіт у зимовий період, перехід на цілорічне будівництво автомобільних доріг в даний час стримується з ряду причин. Так, традиційно вважалося, що дорожньо-будівельні роботи відносяться до сезонних, тому їх виконання планувалося в основному в теплий період ро-
ку, а в решту часу проводилася заготівля дорожньо-будівельних матеріалів і ремонт машин. Подолати цей стереотип особливо важко, оскільки виконання робіт в зимовий період ускладнюється і ефективність їх у ряді випадків надзвичайно низька. Перешкодою до широкого ведення зимових робіт є також недотримання технології, що приводить до руйнування земляного полотна і дорожнього одягу. Основною ж причиною є відсутність надійних методів виконання окремих видів дорожньо-будівельних робіт в зимовий період, розроблених на науковій основі. Ведення земляних робіт в зимовий час здійснюється з урахуванням складу і стану ґрунту, температури повітря, наявності засобів механізації. При зведенні земляного полотна автомобільних доріг в умовах від’ємних температур найвідповідальнішою операцією, що визначає формування, а згодом і поведінку всієї дорожньої конструкції в період експлуатації, є ущільнення [1, 2, 3]. При пониженні температури ґрунту з переходом її в негативні значення зростає структурний опір ґрунтової системи ущільнюючим діям. Досягнення необхідної щільності ґрунтів при цьому залежить від температури навколишнього середовища, величини і характеру ущільнюючих навантажень.
Вирішення проблеми
При пониженні температури повітря до від’ ємних значень вода у складі ґрунту замерзає і поступово перетворюється на лід. Проте практично при будь-якій від’ ємній температурі в ґрунті залишається деяка кількість незамерзлої вологи, яка впливає на основні фізико-механічні властивості ґрунтів. Модуль пружності, швидкість пластичних деформацій, коефіцієнт в’ язкості змінюються залежно від вмісту в них незамерзлої води. При проведенні випробувань використовувалися три
способи ущільнення ґрунту: статичний, ударний, вібраційний [1].
Таблиця 1 Величини граничної температури перехідного стану ґрунтів України
Методика дослідження ущільнення ґрунтів статичним і ударним навантаженням полягає в наступному. Відбираються проби ґрунту масою до 50 кг. Визначаються такі характеристики: гранулометричний склад ґрунту, агрегатний склад (кількість агрегатів в % розміром 10; 5; 2,5; 1,25; 0,65), характерні вологості, оптимальна вологість і стандартна щільність. За добу до випробувань проводиться заготівка наважки ґрунту при вологостях 0,4; 0,5; 0,6; 0,7 Wт. Наважку поміщаються в холодну камеру для витримування при температурі
0, -10 і -20°С протягом 0,5; 1; 1,5 і 2 години. Ущільнення ґрунту статичним навантаженням на гідравлічному пресі проводиться ступенями в 0,1 мПа від 0,1 до 1 мПа. Кількість ударів гирі при ущільненні ґрунтів ударним навантаженням на приладі стандартного ущільнення проводиться за існуючою методикою у відповідності з ГОСТ. Модуль пружності зразків визначається на пресі важеля при навантаженнях 0,05 і 0,12 мПа із записом осідань в часі за допомогою індикаторів годинникового типу. Результати дослідження ущільнення ґрунтів на гідравлічному пресі наведено на рис. 1.
0,5 0,6 0,7
Відносна вологість грунту
Рис. 1. Залежність щільності ґрунтів від вологості, температури та питомого тиску
Аналіз наведених даних показує, що зі збільшенням вологості ґрунту щільність його при негативних температурах знижується. При цьому відхилення від закономірності спостерігається при температурі 0 і +0,5 °С. Очевидно, це було пов'язано з переходами ґрунтів від талого до пластичномерзлого стану. На основі літературних даних і проведених експериментів можна установити граничні температури перехідного стану ґрунтів України (табл. 1) [1, 2]. Ефективність ущільнення ґрунтів під час переходу їх з талого в пластично-мерзлий стан знижується і різко падає при переході з пластично-мерзлого в твердомерзлий стан (табл. 2).
Тип ґрунту Температура переходу °С
з талого в пластично -мерзлий стан з пластичномерзлого до твердоподібно-го стану
Супісок від - 0,3 до - 1,0 нижче - 1,0
Суглинок від - 0,5 до - 1,5 нижче - 1,5
Глина від - 1,0 до - 2,0 нижче - 3,0
Таблиця 2 Зміна опору стисненню мерзлих ґрунтів залежно від температури і вологості
Найменування ґрунту Вологість % Опір стисненню, мПа, при температурі
- 4 - 8 - 12
Супісок 12 4,5 6,8 8,3
Супісок 21 3,8 5,3 6,6
Глина 43 3,0 4,5 5,5
Глина 52 2,4 3,6 3,8
З аналізу табл. 2 слідує, що опір стисненню мерзлих супіщаних ґрунтів вище за аналогічний показник глин. При цьому міцність мерзлих ґрунтів падає зі збільшенням вологості. Проте вона залишається достатньо високою для того, щоб чинити опір руйнуванню під дією навантаження від пневматичних катків, втрата складає не більше
0,5-1 мПа. З метою зниження тимчасового опору ґрунту стисненню і поліпшення його ущільнення в умовах від’ємних температур можна скористатися засолом ґрунту технічними солями, наявність яких в ґрунті знижує точку замерзання води. Пониження температури замерзання розчину відбувається до певної межі, яка називається точкою евтектики (табл. 3).
Таблиця 3 Температура замерзання розчинів солей
Найменування солі Ваговий вміст солі у водному розчині % Температура замерзання суміші °С
Хлористий натрій 5,5 -3,5
11,0 -7,5
20,0 -16,6
23,3 -21,2*
Хлористий кальцій 5,9 -3,0
11,5 -7,1
20,9 -19,2
29,9 -55,0*
Хлористий магній 21,6 -33,6*
Хлористий калій 19,7 -11,1*
Примітка. * - точка евтектики.
На рис. 2 представлені дані щодо зміни тимчасового опору стисненню зразків, сформованих з
супіску при різній концентрації хлористих солей і різній вологості, поміщених в холодну камеру з температурою - 5, - 10, - 15 °С і потім випробуваних на гідравлічному пресі.
Рис. 2. Зміна опору ґрунтів стиску від вологості, температури та концентрації солі
З рисунка слідує, що при зростанні концентрації солей опір стисненню зразків падає і наближається практично до міцності талих ґрунтів при К=15. Дослідження ущільнення ґрунтів в умовах від’ємних температур при застосуванні вібраційного навантаження проводили на вібраційній установці. Конструкція установки була виконана по аналогії з вібраційною установкою, вживаною в Швеції як стандарт і розробленою фірмою «Ді-напак». За тривалість ефективного віброущіль-нення теф приймаємо час, після якого щільність зразка ґрунту збільшується не більш, ніж на 10 кг/см3 при даній температурі і вологості. З табл. 4 видно, що при пониженні температури величина оптимальної вологості ущільнення суглинку зменшується.
Таблиця 4 Результати вібраційного ущільнення суглинків при різних температурах на лабораторній установці
Темпера-тура грунту, °С № ви- про- бу- ван- ня Тривалість вібрування, т, хв £ ^ P, г/см3 Ра, г/см3
1 2 3 4 5 6
+ 20 1 1 + 1 26,3 1,84 1,53
2 23,7 1,98 1,6
3 25,2 1,97 1,57
4 26,7 1,89 1,49
+ 5 1 1 + 1 20,5 1,85 1,54
2 23,4 1,98 1,6
3 25,0 1,97 1,58
4 27,0 1,86 1,46
1 21,1 1,86 1,54
0 2 1 + 1 23,0 1,94 1,58
3 24,6 1,96 1,57
4 26,5 1,85 1,46
Закінчення табл. 4
1 2 3 4 5 6
- 5 1 1 + 1 20,7 1,83 1,52
2 23,0 1,92 1,56
3 25,0 1,92 1,54
4 26,0 1,84 1,46
- 10 1 1 + 1 20,6 1,82 1,51
2 23,3 1,9 1,54
3 24,5 1,9 1,53
4 26,3 1,78 1,41
- 15 1 1 + 1 20,9 1,82 1,51
2 23,1 1,89 1,54
3 25,0 1,85 1,48
4 26,7 1,71 1,35
Висновки
У результаті проведених досліджень технології ущільнення земляного полотна в умовах від’ємних температур і наявного виробничого досвіду можна зробити такі висновки:
1. При ущільненні ґрунту в діапазоні температур нижче за граничну температуру перехідного стану потрібно значне збільшення ущільнюючих навантажень.
2. Поліпшити ущільнення ґрунтів в умовах від’ємних температур можна двома шляхами: штучним засолом ґрунту або використанням вібраційного методу ущільнення.
3. Товщина шару ущільнення при віброущільнен-ні залежить від маси катка, амплітуди і частоти вібрації, виду ґрунту, температури повітря: для незв’язних ґрунтів при вживанні легких катків масою 4 т - 0,5 м, середніх катків масою 8 т - 0,80,9 м, важких катків масою 12 т - 1,2-1,4 м; для зв’язних ґрунтів відповідно 0,3; 0,5 і 0,6 м при 3-4 проходах катка по одному сліду.
4. Температура повітря впливає на вибір засобів ущільнення ґрунтів в зимовий час. При температурі повітря - 5 °С допускається вживання легких, до -10°С - середніх і до -15°С - важких віброкатків.
Література
1. Батраков О.Т., Стороженко М.С. Уплотнение
грунтов земляного полотна автомобильных дорог при пониженных температурах // Изв. вузов: Строительство и архитектура. - 1977.
- №5. - С. 128-131.
2. Батраков О.Т., Стороженко М.С. Особенности
уплотнения грунтов при пониженных температурах // Автомобільні дороги і дорожнє будівництво. - К.: Будівельник. - 1977. -Вип. 20. - С. 42-44.
3. Броницкий Е. И. Возведение земляного полотна
зимой // Автомобильные дороги. - №1. -1979. - С. 8-9.
Рецензент: В.В. Філіппов, професор, д.т.н., ХНАДУ.
Стаття надійшла до редакції 14 вересня 2005 р.
