От того, насколько хорошо уплотнен грунт, зависит не только его несущая способность, но и упругость, устойчивость к влиянию температурных деформаций. Сама по себе земля под будущие постройки неоднородна. В ней могут образовываться пустоты, зоны повышенной и пониженной плотности. Если не выполнить уплотнение и сразу приступить к постройке, то под влиянием механических нагрузок начнутся деформации, а они повлекут за собой проседания. В итоге на дорогах появятся ямы, а постройки также начнут быстрее разрушаться. Если уплотнить грунт даже на 1%, то его прочностные характеристики и устойчивость к механическим нагрузкам возрастет до 10-15%. Поэтому важно выполнить эту процедуру любым из доступных методов.
Методы уплотнения грунта
Исходя из разновидности грунта применяется несколько способов уплотнения.
Трамбование
Это механический метод воздействия, в ходе которого из почвы удаляются пустоты, а также воздушные полости. Главным преимуществом данного способа является возможность работы с большой толщиной пласта. Но трамбование не рекомендуется использовать, если почва слишком влажная. В противном случае может получить обратный эффект и только разрыхлить грунт.
Полезно! Трамбование наиболее эффективно при уплотнении крупнообломочного грунта, насыпи.
Трамбовку можно выполнить самостоятельно, используя стальную трубу или увесистое бревно. На нем необходимо закрепить квадратное основание. Принцип такой утрамбовки прост – под прямым углом совершает удары по почве. Однако эффективность такого уплотнения низкая, а для того, чтобы обработать большой участок потребуется много сил и времени.
Также используются плиты, вес которых доходит до 15 тонн. Глубина уплотнения грунта в этом случае будет зависеть не только от веса, но и от площади плиты (чем она больше, тем глубже будет эффект), контактирующей с грунтом. Но для применения такого оборудования потребуется тяжелая техника, поэтому в строительстве данный метод используется не так часто.
Укатка
Для укатки грунта применяются катки большого веса. На них достаточно многократно проехать по участку и он быстро утрамбуется за счет веса оборудования. Но есть один минус – регулировать нагрузку можно только за счет выбора катков разной массы, или при увеличении контактной площади.
Укатка выполняется в несколько этапов. Сначала нужно выполнить подкатку. Для этого в ходе опытных работ необходимо определить необходимый уровень уплотнения почвы. Только после получения результатов можно определить какой именно вид техники лучше применить.
Полезно! Так как машины такого типа обычно берут в аренду, важно правильно определить вид требуемого катка.
Разновидности катков для уплотнения
Катки отличаются в зависимости от типа рабочего органа – перекатывающегося вальца:
- Прицепной вибрационный. Вес катка может составлять 3-15 тонн. Такие модели применимы для большинства почв.
- Статический трехвальцевой. Весит 8-15 тонн. Один валец ведомый, а два остальных работают на приводе. Есть более новые модели, в которых все три вальца являются ведущими. Дополнительно в катках предусмотрена корректирующая водная пригрузка.
- Самоходный вибрационный (3-17 тонн). У таких моделей есть только один каток, а колеса приводные пневматического типа. На некоторых катках установлены кулачки, которые повышают эффективность при уплотнении глинистых грунтов или при необходимости глубинной трамбовки.
- Ручной двухвальцовый. Довольно легкий и относительно недорогой механизм. Используется для небольших участков. Вес катка составляет 4-10 тонн.
- С пневматическими шинами (10-35 тонн). Шин может быть от 7 до 11 штук. Они перекатываются друг за другом. Дополнительно может быть установлен водный или песочный пригруз.
- Статический трамбующего воздействия (15-30 тонн). На катке установлено 4 кулачковых вальца. При большой массе такие машины довольно быстро передвигаются.
Если у катка гладкая поверхность, то его можно использовать для любого типа грунта. Кулачковые модели больше эффективны при работе с глинистыми почвами. При весе машины от 10 до 25 тонн глубина уплотнения грунта доходит до 30 см. Если нужно уплотнить до 50 см, то лучше отдавать предпочтение более тяжелому оборудованию, до 50 тонн. При уплотнении до 50 см потребуется самой дорогой и тяжелый тип машин, весом до 100 тонн.
Вибрирование
Для уплотнения используют специальные вибрирующие механизмы (как правило, представляют собой вращающийся эксцентриковый груз). В ходе работ на грунт оказывается не просто механическое воздействие, а комбинируется статическая и динамическая нагрузка. Благодаря быстрым ударам по поверхности почвы, по ней передается вибрация, которая заставляет сдвигаться частицы нижележащего грунта.
За счет вибрирования можно достигнуть более высокой плотности и большей глубины уплотнения. При этом требуется меньше подходов, а значит можно добиться и значительной экономии времени. Вибрация подходит для любого типа почвы. Более 70% работ выполняется именно с таким оборудованием. Соответственно, это универсальный метод, хотя первоначально вибрирование использовали исключительно при работе с песчаными или крупноблочными грунтами. Но техника приобрела популярность, поэтому были созданы более современные устройства для работы также и с суглинками, глинами и прочими «сложными» почвами.
- Виброплиты. Также их называют виброплощадками. Оборудование оснащено массивной подошвой, которая способна передавать вибрацию за счет ударов. Плиты бывают разного веса. Чем он выше, тем глубже будет осуществляться трамбовка. При работе на частных объектах обычно достаточно плит весом 75-90 кг. В этом случае можно добиться уплотнения слоя глубиной до 25 см. Площадь подошвы может быть 1600-6000 см2. Также бывают и более массивные до 15 центнеров (1,5 тонн).
- Виброноги. Это более простое оборудование, обладающее меньшей прочностью и работающее по чуть другому принципу. Вибронога не ударяет по почве, а подпрыгивает, за счет чего и выполняется уплотнение. Площадь воздействия оборудования составляет не более 1000 см2. Вес виброноги составляет 60-70 кг. При всем этом более компактное устройство способно оказывать воздействие на глубину до 40 см. Но в ходе работ нужно прикладывать большее усилие, участок обрабатывается значительно медленнее.
При правильном выборе оборудования или спецмашины, нужно также учитывать особенности выполнения работ.
Основы уплотнения грунта
В области строительства несущая способность и устойчивость каменных материалов, грунтов, асфальтобетона и цементобетона, их непроницаемость и способность противостоять нагрузкам всегда связана со степенью уплотнения материалов; так, например, увеличение степени уплотнения на 1 % обычно соответствует увеличению прочности, по крайней мере, на 10-15 %.
Хотя стоимость уплотнения может составлять только 3-5 % от общей стоимости строительства, роль уплотнения в качестве и долговечности законченного объекта гораздо значительнее. Если оно выполнено недостаточно или неправильно, то появятся осадки или другие разрушения, результатом которых будет высокая стоимость содержания.
В приведенных выше областях применения долговечность конструкции также зависит от качества покрытия, особенно на дорогах, аэродромах, стоянках машин и складских площадках. Ровность поверхности, однородная толщина слоя, правильные продольные и поперечные уклоны также необходимы для длительной эксплуатации без больших затрат на содержание. Работа оборудования для укладки является решающей в этом отношении.
Основные факторы, которые определяют результаты уплотнения, следующие:
- тип грунта(классификация);
- содержание влаги;
- метод уплотнения и прикладываемая энергия.
Типы грунтов:
Плывуны
| содержат мелкие глинистые или песчаные частицы, разбавленные водой. Степень плывучести определяется по количеству воды в грунте | |
| Сыпучие грунты | состоят из слабосцепленных между собой частиц разного размера (песок, гравий, щебень, галька) |
| Мягкие грунты | содержат слабосвязанные между собой частицы землистых пород (глинистых или песчано-глинистых) |
| Слабые грунты | состоят из слабосвязанных между собой частиц пористых пород (гипс, глинистые сланцы и др.) |
| Средние грунты | состоят из связанных между собой частиц пород средней твердости (плотные известняки, плотные сланцы, песчаники, известковый шпат) |
| Крепкие грунты | содержат связанные между собой частицы пород большой твердости (плотные известняки, кварцевые породы, полевые шпаты и др.) |
Классификация грунтов:
| песок, супесь, суглинок лёгкий (влажный), грунт растительного слоя, торф |
| суглинок, гравий мелкий и средний, глина лёгкая (влажная) |
| глина средняя или тяжёлая, разрыхлённая, суглинок плотный |
| глина тяжёлая, вечномёрзлые или сезонно промерзающие грунты: растительный слой, торф, пески, супеси, суглинки и глины |
| крепкий глинистый сланец, некрепкий песчаник и известняк, мягкий конгломерат, вечномёрзлые или сезонно промерзающие грунты: супеси, суглинки и глины с примесью гравия,гальки,щебня и валунов до 10% по объёму, моренные грунты и речные отложения с содержанием крупной гальки и валунов до 30% по объёму. |
| песчаник глинистый и слабый мергелистый известняк, мягкий доломит и средний змеевик, вечномёрзлые или сезонно промерзающие грунты: супеси, суглинки и глины с примесью гравия, гальки, щебня и валунов до 10% по объёму, а также моренные грунты и речные отложения с содержанием крупной гальки и валунов до 50% по объёму. |
| сланцы окварцованные и слюдяные, песчаник плотный и твёрдый мергелистый известняк, плотный доломит и крепкий змеевик, мрамор, вечномёрзлые сезонно промерзающие грунты: моренные грунты и речные отложения с содержанием крупной гальки и валунов до 70% по объёму. |
Влияние влажности.
Большинство грунтов достигает своей наибольшей плотности при определенном оптимальном содержании влаги для данного уплотняющего усилия. Другими словами, сухой грунт является достаточно крепким и сопротивляется уплотнению, в то время как влажный грунт мягок и его легче уплотнить. Однако, чем выше содержание влаги, тем ниже плотность материала. Уплотнение грунта следует производить при оптимальной влажности. Допускаемые отклонения для связных грунтов – ± 10 %; для несвязных грунтов – ± 20 % . При недостаточной влажности связных грунтов их следует увлажнять, как правило, в местах разработки (в резерве, карьерах). При недостаточной влажности несвязных и малосвязных грунтов допускается увлажнять их в отсыпаемом слое. При избыточной влажности грунта следует производить его подсушивание.
Количество воды – g [т], необходимой для замачивания 1 м3 грунта по объему в выемке с целью повышения его влажности, следует определять по формуле:
g=Yc*(Wo+Wп-Wк)
Yc – объемный вес грунта в карьере [т/м3];
Wo – оптимальная влажность;
Wк – влажность грунта в карьере;
Wп – потери влаги при разработке, транспортировке и укладке грунта.
Чистый песок и гравий, так же как другие дренирующие зернистые материалы, менее чувствительны к вариациям содержания влаги и могут достигать максимальной плотности в абсолютно сухом или водонасыщенном состоянии. Низкая плотность при влажности между сухим и водонасыщенным состоянием является результатом кажущейся связности, возникающей как результат капиллярных сил, которые порождены водой в частично заполненных пустотах, удерживающих частицы посредством упругих связей. Чем меньше размер частиц, тем выше кажущаяся связность.
Методы уплотнения.
Уплотняющее оборудование для грунтовых и асфальтобетонных материалов базируется на двух важнейших принципах:
Статическое уплотняющее оборудование использует собственную массу машины, чтобы обеспечить усилие на определенную поверхность и уплотнить нижележащий материал слоя. Единственный способ регулировать статическую нагрузку, передаваемую на поверхность, состоит в изменении массы или контактной площади оборудования. Статические машины в нормальных условиях обеспечивают необходимое уплотнение в основном в верхних слоях материала, так как вследствие эффекта «распора» в частицах грунта глубинное воздействие незначительно. К распространенным типам статических уплотняющих машин, которые использовались многие годы, относятся статические трехвальцовые катки, статические тандемные катки, катки на пневматических шинах и прицепные кулачковые катки.
Вибрационное уплотняющее оборудование использует вибрирующий механизм, который обычно состоит из вращающегося эксцентрикового груза. Вибрационные уплотнители используют комбинацию динамической и статической нагрузки. Они передают быстро следующие друг за другом удары на контактную поверхность, откуда вибрация или волны сжатия передаются нижележащему материалу, чтобы привести его частицы в движение. Это эффективно снижает внутреннее трение и облегчает переупаковку частиц в состояние, в котором образуется так мало пустот и такая высокая плотность, которые только возможны. Увеличение числа точек соприкосновения между частицами ведет к высокой устойчивости и прочности. Глина и другие связные материалы требуют более высоких нагрузок и, следовательно, должно быть использовано сравнительно тяжелое уплотняющее оборудование. Однако эти материалы могут быть уплотнены только в достаточно тонких слоях. Первоначально вибрационное уплотнение рассматривалось подходящим для крупнообломочного грунта, песка и гравия, но с развитием вибрационной техники этот метод стал пригоден и для глинистых грунтов, а впоследствии и для уплотнения асфальтобетона.
При вибрационном уплотнении достигается более высокая плотность и больший глубинный эффект, чем при статическом уплотнении, и полное уплотнение достигается при меньшем числе проходов. Все это объясняет, почему вибрационное оборудование является более эффективным и экономичным почти во всех случаях. Вибрация может быть использована при трамбовании всех типов материалов, и вибрационное оборудование занимает сейчас около 70 % рынка.
ВАЖНО: на уплотняющий эффект оказывает влияние прочностное состояние нижележащего слоя грунта. Уплотнение не достижимо, если поверхность подстилающего слоя податлива. Часто невозможно достичь высокой плотности в насыпи, покоящейся на нижележащем слое с низкой несущей способностью, например, из мелкозернистого грунта с высоким содержанием влаги.
Грунтоуплотняющее оборудование.
Имеется несколько типов катков, используемых для линейного уплотнения скальной отсыпки и обычных грунтов. Наиболее распространенные типы машин и их общепринятое назначение представлены ниже. Статические катки, т.е. трехколесные, тандемные (двухколесные), на пневматических шинах и кулачковые катки доминировали на рынке до начала пятидесятых, когда были достигнуты значительные успехи в развитии уплотняющей техники с использованием вибрационных прицепных катков. К началу семидесятых тракторы и катки были объединены в одно самодвижущееся устройство. Лучшая маневренность этого типа катка обеспечила ему быстрое признание и он заменил собой прицепной каток. Самодвижущийся вибрационный каток с кулачковым вальцом типа «пэдфут» используется для уплотнения связных материалов. Наибольшие вибрационные двухосные катки с одним вибрирующим барабаном также совершенствовались в начале пятидесятых годов. Размер этих машин постепенно увеличивался и сегодня они достигают нагрузки до 15 тонн с вибрацией и приводом на оба барабана.
| Название | Применение | Внешний вид |
| Прицепной вибрационный каток | Пригоден для широкого круга грунтов. Тяжелые модели с толстой обечайкой вальца используются на скальнокрупноблочных отсыпках. Диапазон массы: 3-15 тонн. | |
| Статический трехвальцовый каток | Два приводных стальных вальца и один ведомый. Жесткая рама. Уплотняющее усилие может изменяться путем пригрузки водой. Масса 8-15 тонн. | |
| Самоходный вибрационный каток с одним вальцом | С одним вибрационным вальцом и приводными пневматическими колесами. Используется на каменной насыпи и грунте. Специальные модели с кулачками «пэдфут» наиболее эффективны на глинистых грунтах. Масса 3-17 тонн. | |
| Двухвальцовый ручной каток | Два вальца на жесткой раме. Обычный, распространенный вариант облегченного оборудования. Масса 400-1000 кг. | |
| Каток на пневматических шинах. | Обычно – 7-11 пневматических шин. Передние и задние шины перекрывают следы друг друга. Уплотняющее давление может изменяться за счет пригруза водой или песком. Масса 10-35 тонн. | |
| Вибрационный тандемный каток | Обычно вибрация и привод хода — на обоих вальцах. Используется на грунте, большей частью на подстилающих слоях, а также на асфальтобетонных покрытиях. Масса 2-15 тонн. | |
| Статический каток с трамбующим воздействием | Четыре кулачковых вальца. Подвижной пульт управления. Перемещается с более высокой скоростью, чем вибрационные катки. Эффективен на связных грунтах. Масса 15-30 тонн. | |
| Легкий тандемный виброкаток | Обычно — с вибрирующим задним вальцом. Жесткая или шарнирно-сочлененная рама. Масса 1-2 тонны. |
Механизмы статического и вибрационного действия для уплотнения асфальтобетона.
Имеется большое количество типов катков для уплотнения асфальтобетона. Выбор машины зависит от вида и объема работы и связан с конкретными условиями. Имеется также ряд легкого оборудования для уплотнения асфальтобетона, включающий виброплощадки, двухвальцовые ручные катки и легкие вибрационные катки — тандемы. Уплотняющее воздействие статического катка со стальными вальцами в первую очередь зависит от его статического веса, а также от диаметра вальца. Уплотняющее воздействие пневмоколесных катков определяется их статическим весом и давлением в шинах. Они часто используются в комбинации со статическими гладковальцовыми или вибрационными катками при завершении укатки, чтобы удалить следы от вальцов и для выглаживания поверхности. Использование гладковальцовых и вибрационных катков в данном случае связано именно с завершением укатки, а не уплотнением.
В вибрационных катках сочетается статическая нагрузка от вальцов с динамическими нагрузками. Вибрация значительно устраняет внутреннее трение в смеси и улучшает уплотняющее воздействие, даже если используются катки с относительно низкими статическими линейными нагрузками. Вибрационный каток всегда имеет более высокую производительность (выраженную в тоннах асфальтобетона, уложенного в час), чем статический каток того же веса. На жестких смесях эти различия выражены еще сильнее.
| Название | Катки(модели) | Внешний вид |
| Статические трехвальцовые катки | Современные типы трехвальцовых катков имеют три больших ведущих вальца и совмещенное рулевое управление, в противоположность обычным моделям, которые имеют два ведущих стальных вальца и рулевой валец меньшего размера. Уплотняющее воздействие этих катков может изменяться в зависимости от балластировки водой. Масса катков 8-15 тонн. | |
| Вибрационные катки-тандемы | Обычно имеют два ведущих и управляемых вальца. Совмещенное рулевое управление. Масса катков 2-15 тонн. | |
| Двухвальцовые ручные катки | Два вибрационных вальца на жесткой раме. Виброизолированная рукоять для удобства оператора. Масса катков 400-1000 кг. | |
| Статические катки-тандемы | Статические катки-тандемы имеют один ведущий валец. Уплотняющее воздействие может изменяться в зависимости от балластировки водой. Жесткая рама. Масса катков 6-12 тонн. | |
| Комбинированные катки | Один вибрационный валец и задняя ось с тремя или четырьмя пневматическими шинами. Жесткая рама или совмещенное управление. Масса катков 4-15 тонн. | |
| Пневмоколесные катки | Обычно 7-11 пневматических шин. Уплотняющее воздействие может изменяться в зависимости от балластировки обычно водой или песком и изменения давления в шинах. Масса катков 10-35 тонн. | |
| Легкие вибрационные катки-тандемы | Обычно только задний валец вибрационный. Жесткая или шарнирная рама. Масса катков 1-2 тонны. |
Области применения катков.
| Каменные материалы | При уплотнении каменные материалы оказывают большое давление на уплотняющее оборудование, и катки, спроектированные для грунтов, не обладают прочностью, требуемой для уплотнения каменных материалов. Поэтому требуется особо толстая оболочка вальца из высококачественной стали. Сверхтяжелые гладковальцовые катки могут уплотнять все разновидности каменного материала. Международные контракты теперь часто предусматривают уплотнение каменного материала слоем 1,0 м и вибрационным катком, вальцовый модуль которого весит 10 т. Более тяжелые катки могут быть использованы при уплотнении слоев толщиной 2,0 м. |
| Песок и гравий | Песок и гравий идеально подходят для вибрационного уплотнения. Средние гладковальцовые катки эффективно уплотняют чистый песок и гравий слоями толщиной до 0,5 м и более. Песок и гравий с определенным содержанием мелких фракций также легко уплотняется этими катками. |
| Супесь | Средние и тяжелые гладковальцовые виброкатки пригодны для уплотнения супесей и супесчаных грунтов. На моренных грунтах, содержащих большие камни, тяжелые типы катков всегда дают возможность уплотнения толстых слоев. |
| Глина | Высокая прочность при сжатии глинистых грунтов требует большого уплотняющего воздействия. Вибрационные кулачковые катки «padfoot» (с кулачками в виде усеченной призмы) постепенно заменяют модели типа «sheepfoot» (с кулачками в виде усеченного конуса). Одной из причин этого является то, что они уплотняют поверхностный слой до более высокой и однородной плотности, чем катки типа «sheepfoot». Самоходные вибрационные катки типа «padfoot» являются наиболее экономичными в большинстве случаев. Их высокая маневренность является большим преимуществом при уплотнении в стесненных условиях, например, вблизи береговых опор мостов. Глины могут быть также уплотнены статическими катками слоями около 20 см. С помощью их массы (15-30 тонн) и рабочей скорости создается определенное импульсное усилие, передаваемое через кулачковый валец типа «padfoot». Благодаря высокой скорости они имеют очень высокую производительность. Именно поэтому они являются экономичными при больших объемах работ по уплотнению глинистых грунтов. |
| Дополнительные слои и основания дорожной одежды | Дополнительные слои состоят главным образом из несвязных грунтов. Однако во многих странах допускается относительно высокое процентное содержание мелких частиц, в связи с чем материал дополнительного слоя становится связным. Поэтому для этих слоев подходит большое число типов вибрационных катков. Так как слои основания в наибольшей степени обеспечивают прочность дорожной одежды, поэтому часто требуется высокая степень их уплотнения — 98-100 % модифицированного Проктора. Средние самоходные катки и катки — тандемы пригодны для уплотнения слоя основания. Обычно используются виброкатки со статической линейной нагрузкой 18-45 кг/см. Двойная амплитуда является большим преимуществом. Вибрационные катки в той же мере эффективны на слоях основания из укрепленного гравия. |
| Асфальтобетон | Статические гладковальцовые катки, пневмоколесные катки и вибрационные катки — все они применяются при у кладке асфальтобетона. Вибрационные катки для асфальтобетона сочетают в себе высокий уплотняющий эффект и большую производительность. Один вибрационный каток может обычно заменить два или три статических катка. Хороший уплотняющий эффект особенно проявляется на жестких смесях и в тех случаях, когда требуется высокая степень уплотнения. Так как на различных асфальтобетонных работах требуется различный уплотняющий эффект, возникает необходимость установки двух амплитуд. Легкие вибрационные катки являются преобладающим типом при малых объемах работ по укладке. Пневмоколесные катки дополняют вибрационные катки на трудных и неустойчивых смесях, и во многих случаях требуются для завершения укатки поверхности. |
Частые ошибки при уплотнении и выбора метода трамбовки
Перед выполнением уплотнения нужно учесть несколько нюансов, а точнее ошибок:
- Если выполняется однослойное уплотнение, то не стоит сразу засыпать подложку для фундамента, так как в этом случае будет уплотняться именно она, а сам грунт останется пористым. Особенно это касается ручной трамбовки, при помощи которой глубина уплотнения будет не более 15-20 см, даже при использовании тяжелого оборудования.
- Некоторые считают, что щебень и крошку ненужно уплотнять. На в насыпных грунтах пустоты образуются точно так же, как и в других типах почвы. Единственным исключением является керамзит, который за счет круглой формы очень сложно уплотнить. Однако его крайне редко применяют в качестве подложки для массивных конструкций.
- Зоны выхода коммуникаций нужно уплотнять, хотя многие этого не делают. Но для работ не стоит использовать виброплиты, так как можно повредить трубы (когда выполняется поверхностная трамбовка). В таких зонах лучше пользоваться ручной трамбовкой. Но также нужно уплотнить грунт и под коммуникациями.
- Важно следить за качеством трамбовки, так как данная процедура называется скрытой. То есть проверить в дальнейшем качество работ невозможно.
Полезно! Чтобы проверить, достаточно ли грунт уплотнен, необходимо проткнуть землю небольшим прутом арматуры. Если он свободно проходит в грунт, то уплотнения недостаточно. Особенно внимательно нужно проверять труднодоступные места (например, углы).
Соответственно, уплотнение грунта является обязательным этапом строительства. Подробнее о нем можно прочитать в СНиП 3.02.01-87, а также ГОСТ 22733-2002.
