7.4. Методи ущільнення ґрунтів.

Ущільнення полягає у збільшенні в’язей у матеріалі і зміцнення їх.

Для його проведення застосовується три методи:

- укочування,

- віброущільнення і вібротрамбування

- ударне ущільнення

- комбіноване ущільнення.

Ущільнення завершує цикл технологічних операцій, що викликає підвищені вимоги до нього;

Методи ущільнення ґрунтів поділяються на поверхневі, коли ущільнення виконують на поверхні і які викликають ущільнення порівняно невеликої товщини шарів, і глибинні при передачі ущільнюючих впливів на значні по глибині ділянки ґрунтового масиву.

Поверхневе ущільнення виконують укоченням, трамбуванням, вібрацією, поверхневими вибухами та ін засобами. До методів глибинного ущільнення відносяться влаштування ґрунтових паль, глибинне віброущільнення, ущільнення статичним привантаженням разом з влаштуванням вертикального дренажу, водопониження, глибинні вибухи та ін.

При будь-якому режимі ущільнення підвищення щільності ґрунту проходить тільки до певної межі, яка залежить від виду та фізичного стану ґрунту.

За ущільнену зону приймають таку товщину ґрунту, в межах якої щільність скелету ґрунту (коефіцієнт ущільнення) не нижча заданого в проекті або допустимого її мінімального значення.

Ущільнення укоченням

Внаслідок того, що укоченням вдається ущільнити ґрунти тільки не невелику товщину, цей метод в основному використовують при пошаровому зведенні ґрунтових подушок, насипів земляного полотна та при підсипці основ під підлоги.

Ущільнення укоченням виконують самохідними і причіпними котками на пневмоходу, завантаженими скреперами, автомашинами, тракторами та ін. Ущільнення досягається багаторазовим проходженням по одному сліду ущільнюючих механізмів (від 6 до 12 раз). Причому вологість ґрунтів при ущільненні повинна відповідати оптимальній. При вологості меншій за оптимальну, ґрунти необхідно зволожувати, а при більшій – просушити.

При укоченні ґрунт ущільнюють під дією тиску від вальців чи коліс. Цей тиск має порядок 0,5-1,0 МПа і викликає незворотні деформації в ґрунті, ущільнюючи його на глибину 15-30 см (пошарово).

Тиск під котком і ширина смуги контакту вальця з ґрунтом можуть бути оцінені за допомогою вирішення задачі Герца про контакт жорсткого циліндра і пружного напівпростору (він отримав вирішення даної задачі в 20 років на студентських канікулах).

Розглянемо застосування залежності Герца на такому прикладі:

• маса вальця – Q=40 кН;

• довжина вальця – L=1м;

• радіус вальця – R=0,5 м;

• ґрунт в кінці ущільнення має – Е= 20 МПа, φ=250 та ν=0,3.

Тиск на ґрунт можна визначити за такою залежністю

де ,

Тобто

Звідси можна визначити глибину активної зони ущільнення:

де =1 – при ущільненні масиву ґрунту з поверхні;

=1,2 – при пошаровому ущільненні;

b – напівширина смуги ущільнюючого органу з ґрунтом в кінці ущільнення і яку можна визначити за наступною залежністю

; 2b=7 см

Тоді для даного прикладу

Ударне ущільнення – обмежені та ускладнені умови ущільнення нижніх шарів насипів на болотах, в зимовий період, в гірських умовах, зворотна засипка пазух, котлованів, труб, підпірних стінок, траншей. глибина ущільнення піщаних ґрунтів – 0,8-1,0м; зв’язних ґрунтів – 0,6-0,8м; важких глинистих ґрунтів до 1,0-1,5м. Ударне ущільнення відбувається за рахунок кінетичної енергії вантажу, що падає. напруження і ґрунті з’являються в момент контакту з вантажем. Характерний нетривалий вплив і велика глибина розповсюдження напружень. Використовують трамбувальні машини змонтовані на екскаваторах і тракторах або ручні трамбівки.

При трамбуванні ґрунт ущільнюють ударом робочого органу, який був спущений з деякої висоти. В якості робочого органу використовують залізобетонні плити та чавунні виливки масою 1-4 т, які скидають з висоти 3-4 м за допомогою кранів.

Таким чином доцільно ущільнювати піщані рихлі ґрунти зі ступінню вологості менше 0,7 (Sr<0,7), а також просадочні ґрунти при оптимальній вологості (wopt≈ wp±2%). В таких умовах трамбуванням досягають ущільнення на глибину 1,5-2 м. Крім того трамбування проводять до тих пір коли вертикальне залишкове переміщення поверхні масиву від одного удару трамбовки (˝відказ˝) досягне заданої величини:

• для піску – 0,5-1,0 см;

• для глинистих ґрунтів – 1-2см.

В останні роки ущільнюють потужні товщини водонасичених ґрунтів на глибину до 40 м трамбовками масой 10-200 т, скидаючи їх з висоти 40 м. Глибину зони ущільнення визначають по емпіричній формулі

де М – маса трамбовки, т; Н – висота скидання, м;

α=0,1-1,0 м/т – коефіцієнт, що залежить від властивостей ґрунту.

Ще краще двохмасове трамбування. Наприклад, спочатку падає перша плита масою m1=5,5 т, а через 0,07 с падає друга плита масою m2=4,5 т і ударяє через плиту по ґрунтовому масиву. Саме таким методом ущільнювали пісок підводної зони С.Петербурзької дамби захищаючи місто від повені.

Перевага двухмасового трамбування полягає в утворенні меншого випору при ущільнені грунту.

Випор ґрунту

Віброущільнення - плита масою М коливається з певною частотою і надає частинкам грунту коливального руху. В залежності від маси часток, вони набувають різного прискорення і заповнюють пустоти між більш крупними частинками, при цьому відбувається ефективне ущільнення грунту. Ефективність ущільнення залежить від частоти, амплітуди, тривалості вібрування.

Комбіноване ущільнення. Звичайні умови влаштування насипів, обмежені умови та ускладнені умови ущільнення верхніх шарів насипів на болотах, насипів в зимовий період в гірських умовах. Ефективне при ущільненні зв’язних та незв’язних ґрунтів. Товщина шару ущільнення для зв’язного ґрунту – 0,40-0,5м; для незв’язного ґрунту – 0,6-0,8м. Комбіноване поєднує в собі укочування з вібруванням, вібрування з трамбуванням; укочування з трамбуванням. Використовується віброкоток, вібротрамбувальні машини, котки з трамбуючим ефектом.

Глибинне віброущільнення використовують в рихлих піщаних ґрунтах природного залягання, а також при влаштуванні незв’язних ґрунтів в насипах, влаштуванні зворотних засипок.

При вібрації дисперсні сипучі ґрунти, в яких відсутнє зчеплення між частинками, починають рухатися і під дією інерційних сил вібрації і сили тяжіння відбувається зміщення частинок. В результаті чого відбувається ущільнення грунту. Ефективність ущільнення підвищується при подачі в зону ущільнення води. Такий метод ще називають гідровіброущільненням.

Глибинне ущільнення вібрацією переважно виконують вібробулавою, що завантажується в грунт. Одночасно під тиском близько 0,5 МПа через трубу (діаметром 25 мм і довжиною 2-2,5 м) з отворами, яку попередньо забили в ґрунт, подають воду. При включенні вібробулави вона завантажується в ґрунт. Потім після досягнення необхідної глибини вібрацію продовжують 10-20 с, а потім піднімають вібробулаву автокраном.

Таким шляхом можна ущільнювати шар товщиною до 10 м. В результаті наступна осадка основи зменшується на порядок.

Вибухом ущільнюють піски та просадочні ґрунти. Просадочні ґрунти за методикою, розробленою в м. Києві проф. Литвиновим, попередньо зволожують через свердловини. Потім в свердловини в трубках опускають заряди і виконують ряд послідовних вибухів з інтервалом в декілька секунд. Ґрунт ущільнюється і втрачає просадочність завдяки розм’якшенню природних цементуючих зв’язків водою, дією вибуху та власної ваги ґрунту.