Машины и оборудование для уплотнения грунтов.

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 в 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 в 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 нагружений. По этой причине большинство способов уплотнения грунта являются двухэтапными, включающими разрыхление уплотняемого слоя в собственно его уплотнение. Степень уплотнения грунтов оценивают коэффициентом уплотнения, равным отношению фактической (или требуемой) плотности к ее максимальному стандартному значению, определяёмому 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 падающей 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 я 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 1 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, 6) (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 кати с металлическими пальцами перемещают по уплотняемой поверхности за тягачом, обычно трактором, с разворотами на концах захваток для возвратного движения или челночным способом, для чего тягач прецепляют на противоположную сторону катка. Для укатки грунтов на обширных площадях используют сцены из двух-пяти катков и более, объединенных траверсами (рис. 7.57, в). Гладкие катки уплотняют грунт слоями 0,15 ... 0,2 м без разрыхления его поверхности или с незначительным разрыхлением на глубину 1 ... З 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 па 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 применяются 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.

рис. 7.58. решетчатый каток

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), четырех-пяти пневматических колес 5, соединенных с рамой одной осью или через балансиры (рис. 7.59, 6) и одного 4 (рис. 7.59, а) или нескольких 7 (рис. 7.59, 6) (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

м атериалов 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. П олуприцепные 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 ...50т). На этих катках устанавливают четыре задних и три передних колеса, располагая их в плане 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 насосной станцией, кабины с органами управления и двух шарнирно-сочленных 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 м . 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.

О писанный 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 п ередающих 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 (рис. 7.63, а и б), которому сообщаются колебания от двухдебалансного вибратора 2, принцип действия которого показан на рис. 7.64. При вращении дебаланса массой m с угловой скоростью и смещении центра масс от оси вращения (эксцентриситете) r центробежная сила составит

Р авнодействующая центробежных сил двух противоположно вращающихся дебалансов с одинаковыми другими параметрами будет направлена перпендикулярно оси, соединяющей центры вращения дебалансов. Из этого следует, что вынуждающая сила изменяется во времени гармонически с наибольшими модульными значениями (амплитудой)

где j - целое число. Вибратор обычно устанавливают на поддоне, а приводящий его двигатель 3 (см. рис. 7.63, 6) или на том же поддоне, или на специальном подрамнике 4, опирающемся на поддон через пружины 5 или резиновые амортизаторы. Первую схему называют одномассной, а вторую - двухмассной. Благодаря мягкой подвеске верхняя часть двухмассной виброплиты не участвует в колебаниях, но воздействует на грунт своей силой тяжести. Этим создаются благоприятные условия для работы двигателя. При одномассной виброплите вибратор устанавливают на поддоне шарнирно (рис. 7.63, в) с возможностью его отклонения вручную. При наклоне вибратора на угол от вертикали (в случае работы на горизонтальной поверхности) возникает горизонтальная составляющая вынуждающей силы

Если эта составляющая превзойдет сопротивление сил передвижению, то плита начнет перемещаться в направлении отклонения вибратора от вертикали (когда вектор силы будет н аправлен вверх - при его нижнем направлении увеличиваются сопротивления передвижению). Управляет виброплитой оператор с помощью рычагов, установленных на дышле, которое соединено с виброплитой через амортизаторы. Направление самопередвижения виброплиты изменяют поворотом дышла. Современные виброплиты производительностью 300 ... 900 м /ч массой 150 ... 1400 кг уплотняют грунт на глубину 0,3 ... 1 м. 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 вынуждающей 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, и 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 вибрационного воздействия снижается с увеличением содержания в грунте глинистых частиц. Поэтому для уплотнения связных и высокосвязных грунтов требуется применять весьма тяжелые катки.