7.Учебное пособие_Александров_Семенова_Тех_я стр_ва ВТ_2015. Технология строительства водопропускных труб автомобильных дорог
 Скачать 5.74 Mb.
|
|
99 Рис. 120. Эпюры напряжений в грунте при укатке: а – гладковальцовым катком; б – катком на пневматических шинах; а − длина отпечатка; σ к − контактное давление; σ m ах − максимальное удельное напряжение; σ кz – вертикальное нормальное напряжение; Q − нагрузка на валец Катки на пневматическом ходу применяют для уплотнения отно- сительно мощных слоев связных грунтов, требующих большого вре- мени воздействия уплотнителя [35]. Это обстоятельство определяет область эффективного применения катков на пневматических шинах. Их используют для укатки относительно мощных технологических слоев грунта (связные грунты толщиной до 30 см, несвязные – 40 см) с резко выраженными вязкими свойствами, для которых время дейст- вия катка играет значительную роль, а предельные сопротивления грунта уплотнению сравнительно невелики. Эффект от уплотнения катками на пневматических шинах определяется особенностями взаимодействия пневматического колеса и уплотняемого грунта [35]. По мере укатки (увеличения числа проходов катка) увеличивают- ся плотность сухого грунта, модуль деформации (упругости) и пара- метры предельной прямой Кулона – Мора (сцепление и угол внутрен- него трения грунта) [36], сопротивление уплотнению (так называемая структурная прочность грунта) [37], а площадь отпечатка пневмати- 100 ческой шины уменьшается [35]. Вследствие этого возрастают макси- мальные средние удельные давления на грунт по площади отпечатка ( см. рис. 120). Это является важным обстоятельством потому, что увеличение сопротивления уплотнению компенсируется возрастаю- щими контактными давлениями. Мощность двигателя уплотнителя, необходимая для перекатыва- ния пневматического колеса, катка по грунту, расходуется на дефор- мирование грунта и сжатие шины. Поскольку по мере уплотнения де- формации грунта уменьшаются, потребная мощность двигателя катка с возрастанием проходов также уменьшается [35]. При уплотнении грунтов особое значение приобретают их влаж- ность и степень уплотнения. Рассуждая о требуемой степени уплот- нения грунта, необходимо отметить, что с увеличением плотности су- хого грунта количество структурных связей увеличивается, а показа- тели механических свойств грунтов улучшаются [36]. В количествен- ном отношении зависимость показателей механических свойств грун- тов от коэффициента уплотнения и влажности можно представить эмпирическими формулами В.М. Сиденко, О.Т. Батракова и Ю.А. По- кутнева [36]. Эти формулы связывают значения штампового модуля упругости и параметров линейной зависимости Кулона − Мора с от- носительной влажностью и коэффициентом уплотнения (табл. 11). Таблица 11 Формулы для расчета показателей механических свойств грунта Разновидность грунта Формула Для ориентировочного расчета штампового модуля упругости, МПа Суглинки и глины ⋅ − ⋅ ⋅ ⋅ = W W у e k E 78 , 15 2 36 , 8 5 , 1 35046 Супеси легкие непылеватые ⋅ − ⋅ ⋅ ⋅ = W W у e k E 56 , 3 2 627 , 1 5 , 1 209 Супеси крупные ⋅ − ⋅ ⋅ ⋅ = W W у e k E 72 , 0 2 4 , 0 5 , 1 82 Для ориентировочного расчета параметров линейной зависимости Кулона − Мора, называемых сцеплением С и углом внутреннего трения ϕ Суглинки, глины и супеси пылеватые ⋅ − ⋅ ⋅ ⋅ = 2 81 , 6 94 , 3 5 , 1 034 , 0 W W у e k C ( ) у k W ⋅ − ⋅ , = 1 6 58 ϕ Супеси легкие непылеватые ⋅ − ⋅ ⋅ ⋅ = W W у e k C 58 , 7 2 6 , 4 5 , 1 202 , 0 ( ) у k W ⋅ ⋅ − ⋅ = 3 1 43 ϕ Примечание. W – относительная влажность, определяемая отношением влажности грунта W е к влажности на границе текучести W т (W=W е / W т ). 101 Коэффициент уплотнения определяется по формуле ( ) max d d y k ρ ρ = , (4) где ρ d – плотность сухого грунта в теле земляного сооружения т/м 3 ; ρ d(m ах) – максимальная плотность сухого грунта, определяемая стан- дартными испытаниями, т/м 3 Используя зависимости табл. 11, можно показать, что увеличение коэффициента уплотнения приводит к росту других параметров проч- ности и деформируемости грунта. Например, в соответствии с меха- никой сплошной среды упругие постоянные, применяемые для опре- деления НДС, связаны формулами, представленными в табл. 12. Таблица 12 Зависимости между упругими постоянными Постоян- ные Основная пара λ , ν G, µ К, G Е, µ Е, G λ λ µ µ ⋅ − ⋅ ⋅ 2 1 2 G G K ⋅ − 3 2 ( ) ( ) μ μ μ E ⋅ − ⋅ + ⋅ 2 1 1 ( ) E G G E G − ⋅ ⋅ − ⋅ 3 2 ν ν G G ( ) μ E + ⋅ 1 2 G G ν G G ( ) μ E + ⋅ 1 2 G Е ( ) ν λ + ⋅ + ⋅ ⋅ ν λ ν 2 3 ( ) µ + 1 ⋅ ⋅ G 2 G K G K + ⋅ ⋅ ⋅ 3 9 Е Е К 3 ⋅ + ν λ 2 ( ) ( ) µ µ ⋅ 2 − 1 ⋅ + 1 ⋅ ⋅ 3 2 G К ( ) μ μ E ⋅ − ⋅ ⋅ 2 1 3 E G E G ⋅ − ⋅ ⋅ 3 9 µ ( ) ν λ λ + ⋅ 2 µ G K G K ⋅ + ⋅ ⋅ − ⋅ 2 6 2 3 µ 1 2 − ⋅ G E Примечание. λ и ν – постоянные Ляме, Па; G – модуль сдвига или попе- речной упругости; К – объемный модуль упругости, Па; µ – коэффициент Пуас- сона. Примем, что коэффициент Пуассона − величина постоянная, на- пример, для супесей µ =0,3; суглинков µ =0,35 и глин µ =0,42. Тогда для суглинков и глин модуль сдвига можно определить по формуле 102 ( ) 5 , 1 5 , 1 1 2 у W у W k G μ k E G ⋅ = + ⋅ ⋅ = ; ⋅ − ⋅ ⋅ ⋅ = W W W e a E 78 , 15 2 36 , 8 35046 , (5) где Е W и G W – модуль упругости и модуль сдвига при произвольной относительной влажности, Па; а – поправочный коэффициент для пе- рехода от штампового модуля к продольному модулю упругости при одноосном сжатии, который может быть рассчитан по формуле Н.Н. Иванова, а может быть установлен экспериментально по анало- гии с коэффициентами Агишева (эти коэффициенты используют для перехода от компрессионного модуля деформации к штамповому). Используя эту основную пару деформационных характеристик, получим формулы: ( ) 5 , 1 5 , 1 1 2 у W у W k G μ k E G ν ⋅ = + ⋅ ⋅ = = ; ( ) 5 , 1 5 , 1 5 , 1 5 , 1 5 , 1 5 , 1 3 2 у W у W у W у W у W у W k λ k E k G k G k E k G λ ⋅ = ⋅ − ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ − ⋅ ⋅ = ; 5 , 1 5 , 1 5 , 1 5 , 1 5 , 1 3 9 у W у W у W у W у W k К k E k G k E k G К ⋅ = ⋅ ⋅ − ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ = . (6) Таким образом, степень уплотнения грунта оказывает существен- ное влияние на любую деформационную характеристику. Чем выше плотность сухого грунта, тем больше величина деформационной ха- рактеристики и меньше деформации земляного полотна. Требуемые значения коэффициента уплотнения регламентируют- ся СП 34.13330.2012 [18]. Из анализа этих данных вытекает, что в за- висимости от природно-климатических условий (ДКЗ) и условий экс- плуатации дорожной конструкции (тип одежды и элемент земляного полотна) выдвигаются различные требования по степени уплотнения. Здесь возникает вполне резонный вопрос: «Почему не принять одина- ковые требования к степени уплотнения?» Казалось бы, раз уплотне- ние столь позитивно сказывается на деформационных и прочностных характеристиках, требования по коэффициентам уплотнения должны быть максимально возможные. 103 По мнению авторов, различие в требованиях к величине коэффи- циента уплотнения необходимо по двум основным причинам. Во- первых, уплотнение является достаточно энергоемким процессом. Поэтому в тех элементах земляного полотна, в которых возникают наибольшие напряжения и имеет место наибольшее увлажнение, сле- дует предусматривать наибольшие требуемые коэффициенты уплот- нения. В менее увлажненных элементах земляного полотна, а также в элементах с меньшими напряжениями такие высокие коэффициенты уплотнения не требуются, поэтому для уменьшения энергоемкости уплотнения требования могут быть ниже. Во-вторых, деформации морозного пучения и набухания приводят к уменьшению плотности сухого грунта. Поэтому если уплотнить грунт до коэффициентов 1>k у ≥1,1 и не предусмотреть в конструкции земляного полотна меро- приятий по недопущению увлажнения грунта, то со временем (2–3 года) коэффициенты уплотнения уменьшатся. В этом случае энергия, затраченная на переуплотнение грунта, будет израсходована зря. На рис. 121 представлены напряжения, возникающие в земляном полотне. Из анализа данных рис. 121 следует, что напряжения от транс- портной нагрузки уменьшаются по глубине, принимая максимальные значения на поверхности земляного полотна и минимальные на ниж- ней границе сжимаемой толщи. На поверхности напряжения от собст- венного веса имеют наименьшие значения, величины которых обу- словлены весом дорожной одежды. На нижней границе сжимаемой толщи напряжения от собственного веса принимают наибольшие зна- чения, учитываемые при расчетах. Суммирование напряжений приво- дит к тому, что с глубиной суммарное напряжение вначале уменьша- ется, что обусловлено интенсивным уменьшением составляющей от транспортной нагрузки и медленным ростом от собственного веса. По мере увеличения глубины интенсивность снижения суммарного напряжения уменьшается; достигнув определенной глубины, суммар- ное напряжение начинает возрастать. Отсюда следует, что в верхней части земляного полотна, а также нижней части высоких насыпей степень уплотнения грунта должна быть наибольшей. 104 Рис. 121. Эпюры изменения нормального вертикального напряжения по глубине земляного полотна: 1 – от транспортной нагрузки; 2 – собственного веса дорожной одежды и грунта земляного полотна; 3 – суммарная от транспортной нагрузки и собственного веса Влажность грунта по глубине земляного полотна изменяется ана- логичным образом, имея наибольшие значения в верхней и нижней частях насыпей. Поэтому эти зоны нуждаются в большей степени уп- лотнения. В связи с этим различия в требованиях, выдвигаемых в СП 34.13330.2012 [18] к коэффициентам уплотнения грунта в разных областях насыпей, являются вполне логичными. Зависимость энергоемкости от степени уплотнения грунта можно проследить на примере лабораторных работ по определению макси- мальной плотности грунта стандартным (оригинальным) и модифи- цированным методами Р. Проктора. Кривые уплотнения, отображаю- щие результаты испытаний по оригинальному и модифицированному методу Р. Проктора, приведены на рис. 122. 105 Рис. 122. Определение максимальной плотности по оригинальному и модифицированному Проктор-тесту Регламент таких испытаний приводится в нормативных докумен- тах различных стран. Например, в США тесты по оригинальному ме- тоду Р. Проктора регламентируются стандартами ASTM D698-12еl [50 ] и AASHTO T99-10 1 [46 ], а регламент испытаний модифициро- ванным методом Р. Проктора приводится в стандартах ASTM D1557-12 [48 ] и AASHTO T180-10 [45]. Испытания оригинальным и модифи- цированным методами состоят в том, что послойное уплотнение грунта выполняется в три и пять слоев соответственно при 25 ударах груза по каждому слою. Масса груза в оригинальном методе состав- ляет 5,5 фунтов, а в модифицированном − 10 фунтов. Из анализа дан- ных рис. 122 следует, что при одинаковой влажности модифициро- ванный метод приводит к более высокой плотности сухого грунта, но и энергетические затраты по этому методу выше. 1 В США действуют две группы стандартов. Одну группу стандартов составляют нормативные документы ASTMs (American Society for Testing and Materials), а дру- гую – AASHTO (American Association of State Highway and Transportation Officials). 106 Анализ данных рис. 122 позволяет сделать вывод, что при увели- чении максимальной плотности происходит уменьшение оптималь- ной влажности. Снижение влажности влечет увеличение сопротивле- ния деформированию. Поэтому назначение требуемой степени уплот- нения грунта должно преследовать цель обеспечения устойчивости земляного сооружения к внешним воздействиям при минимуме энер- гетических затрат на уплотнение. Для раскрытия влияния влажности грунта на степень уплотнения обозначим процессы, происходящие в грунте при его уплотнении. Для этого необходимо рассматривать структуру грунтов и ее измене- ние в процессе уплотнения. При уплотнении дисперсных грунтов вода не успевает отжаться из зон контактов между агрегатами и частицами. Это объясняется тем, что для фильтрации воды через тонкие поры требуется опреде- ленное время. Поэтому уплотнение грунтов при воздействии цикли- ческих кратковременных нагрузок в основном происходит из-за вы- теснения воздуха, вследствие чего минеральные частицы сближаются, а поры уменьшаются [38]. При уплотнении работа затрачивается на преодоление трения между частицами и агрегатами, а также на их перемещение. Если влажность грунта мала, то добавление в него воды уменьшает трение между частицами и агрегатами, а также способствует размягчению и растворению неводостойких кристаллизационных связей. Эти эффек- ты облегчают перемещение частиц и способствуют их более тесной укладке при той же затраченной работе. Поэтому с увеличением со- держания воды в грунте до определенного предела плотность скелета увеличивается. В любом грунте существует связанная система воз- душных пор, сообщающихся с атмосферой. В результате уплотнения нагрузкой воздух вытесняется в атмосферу, а объем такой системы пор постепенно уменьшается [38]. Вследствие этого грунт упрочняет- ся, а зависимость деформации уплотнения от количества воздействий нагрузок имеет затухающий характер. При чрезмерной влажности смазывающий эффект уже не увели- чивается, а вода препятствует сближению частиц и даже приводит к их раздвижке. Это объясняется тем, что при воздействии нагрузки в грунте возникает поровое давление, которое хотя и приводит к уменьшению эффективных напряжений, но снижает жесткость грунта за счет раздвижки минеральных частиц. Поэтому зависимость плот- ности скелета от влажности грунта имеет максимум (см. рис. 122). 107 Влажность грунта, при которой в лабораторном приборе стан- дартного уплотнения достигается максимальная плотность сухого грунта ρ d(m ах) , называют оптимальной влажностью W о Здесь отметим, что в соответствии с формулой (4) максимальной стандартной плотности соответствует значение коэффициента уплот- нения k у =1. Коэффициенты уплотнения меньше 1 можно получить при влажности, отличающейся от оптимального значения, причем чем меньше требуемое значение коэффициента уплотнения, тем больше интервал варьирования влажности, в котором можно выполнить такое уплотнение. При этом необходимо иметь в виду, что, оценивая при- годность грунта для уплотнения по влажности, принято оперировать понятием «коэффициент увлажнения». Коэффициент увлажнения представляет собой отношение влажности грунта W е к его оптималь- ной влажности и определяется по формуле о е ув W W k = . (7) Допускаемые значения коэффициентов увлажнения регламенти- руются в СП 78.13330.2012 [20] и приведены в табл. 13. Таблица 13 Допускаемые значения коэффициентов увлажнения Вид грунта Влажность при требуемом коэффициенте уплотнения 1-0,98 0,95 0,90 Пески пылеватые, супеси легкие и крупные Не более 1,35 Не более 1,6 Не норми- руется Супеси тяжелые пылеватые и суглинки легкие и легкие пылеватые 0,85 - 1,15 0,8 - 1,2 0,75 - 1,4 Суглинки тяжелые и тяжелые пылеватые, глины 0,95 - 1,05 0,9 - 1,1 0,85 - 1,2 Для того чтобы получить количественные зависимости плотности скелета грунта от влажности, а следовательно, и зависимости коэф- фициента уплотнения от коэффициента увлажнения, необходимо вы- полнить лабораторные испытания. Выполнив испытания в соответст- вии с требованиями ГОСТ 22733-2002 [19] и вычислив по получен- ным результатам коэффициенты уплотнения и увлажнения, можно построить график, показанный на рис. 123. |