Теоретические основы обоснования плотности

Плотность грунта - один из важнейших факторов, определяющих его прочность и устойчивость. Сущность уплотнения трехфазных грун­тов состоит в увеличении содержания минеральных частиц и агрегатов в единице объема грунта. При напряженно-деформированном состоя­нии, создаваемом уплотнителем, в грунте протекают несколько вза­имосвязанных процессов - упругое сжатие частиц и агрегатов, пре­одоление сил трения и сцепления в зонах контактов, необратимые смещения и сдвиги частиц относительно друг друга, отжатие из пор воды и воздуха, деформирование и выжимание водных пленок в зонах контактов. Это приводит к изменению первоначальной структуры грун­та, которое проявляется в сближении минеральных частиц, их пере­ориентации, уменьшении толщины водных пленок в зонах контактов и, как следствие, в увеличении числа связей в грунте и повышении их прочности. Данные структурные изменения приводят к уменьшению от­носительных уровней загрузки структурных связей при действии эк­сплуатационных нагрузок, в результате чего прочность, деформативные свойства и устойчивость грунта повышаются.

Внешне протекание указанных процессов проявляется в повыше­нии плотности сухого грунта. Поэтому очевидно, что чем выше плот­ность сухого грунта, тем в общем случае должны быть выше его проч­ность и устойчивость.

Однако такой вывод справедлив лишь для условий, когда уп­лотненный грунт не подвергается переменному воздействию влаги. Влажность же грунта земляного полотна под воздействием природных изменений не остается постоянной. Поэтому одна из задач проектиро­вания уплотнения состоит в установлении такой плотности сухого гру­нта, которая обеспечивает не только высокую прочность, но и стабиль­ность структуры грунта при переменном увлажнении, промерзании и оттаивании.

С другой стороны, весьма важным является определение условий, при которых формирование водоустойчивой структуры грунта достига­ется при наименьших затратах на уплотнение.

Многочисленные исследования в СССР и за рубежом показывают, что для наиболее плотной и водоустойчивой структуры грунта влажность его должна быть такой, при которой объем защемленного воздуха, на­ходится в пределах 4...6 %. При этом образуется наиболее прочные гидратные оболочки, обеспечивающие минимальную фильтрацию влаги и наименьшее разбухание грунта. Если влажность грунта ниже, то есть объем пор, занятых воздухом, выше, то водоустойчивой структуры не создается: при увлажнении грунт легко разбухает - и тем больше, чем ниже влажность, а при недостаточной плотности доуплотняется и дает осадку. Если влага вытесняет указанный процент воздуха, то струк­тура становится также неустойчивой и модуль упругости уменьшается.

Иными словами, существует некоторая оптимальная влажность, обеспечивающая формирование устойчивой структуры при данной степе­ни уплотнения грунта. Чем плотнее грунт, т.е. чем большая работа затрачена на его уплотнение, тем прочнее его структура при условии, что влажность сохраняется в оптимальных пределах. Однако есть определенный минимум работы по уплотнению, ниже которого структу­ра делается неустойчивой. Он близок к оптимальной влажности

W_o = 0,6 W_т , (2.1)

(где W_т - влажность на границе текучести грунта, %) и плотности сухого грунта, которая достигается при уплотнении катками средней массы или лабораторным путем в приборе стандартного уплотнения СоюздорНИИ (стандартная плотность сухого грунта). Эти же условия, по данным многолетних наблюдений за службой дорог, обеспечивают отсутствие осадок насыпи и необходимую стабильность структуры гру­нта в условиях переменного увлажнения.

Методика определения стандартной плотности сухого грунта и оптимальной влажности в лабораторных условиях оговорена ГОСТ 22733-77 /2/ и предусматривает использование прибора стандартного уплот­нения СоюздорНИИ. На практике стандартную плотность сухого грунта с достаточной точностью можно получить также по формуле

, (2.2)

где - плотность минеральной части грунта, г/см³, V_в - относи­тельный объем воздуха, содержащегося в грунте при стандартней плотности сухого грунта.

Значения к V_в для различных грунтов при расчетах по формуле (2.2) могут приниматься по данным табл. 2.1.

Оптимальная влажность грунта W_o c достаточной точностью может быть найдена из выражения (2.1) по влажности границы текучести, установленной для части грунта, прошедшей через сито с отверстиями 5мм.

Таблица 2.1

Параметры для вычисления стандартной плотности сухого грунта

Вид грунта	Плотность минераль­ной части , г/см3	Относительный объем воздуха Vв
Супесь
пылеватая	2,66	0,06
легкая Суглинок	2,68	0,09
легкий пылеватый легкий	2,69 2.70	0,05 0,05
тяжелый Глина	2.71	0,04
пылеватая	2,72	0,05
жирная	2,74	0,04

Если уплотняемый грунт содержит частицы крупнее 5 мм, то полученные значения стандартной плотности сухого грунта и оптималь­ной влажности необходимо корректировать умножением на поправочные коэффициенты, рекомендуемые / 3 /. При содержании этих частиц до 30 % значения поправочных коэффициентов вычисляет по выраженьям

, (2.3)

где - поправочные коэффициенты соответственно к стандарт­ной плотности и оптимальной влажности грунта; р - процент (по массе) частиц крупнее 5 мм.

Однако уплотнение грунта до стандартной плотности сухого грунта сопряжено со значительными затратами работы уплотняющих ма­шин. В то же время данные, характеризующие распределение фактичес­кой плотности, грунта по высоте насыпи, чувствительность различных типов покрытий к неравномерным поднятиям грунта сохраняется только при определённых условиях его увлажнения и промерзания, указывают на возможность некоторого снижения требований к плотности грунта без заметного ущерба для работы конструкции. Поэтому насыпи уплотняют не до стандартного, а до так называемой требуемой плотности су­хого грунта, которую определяют по выражению

, (2.4)

где k_у - требуемый коэффициент уплотнения. Рекомендуемые СНиП / 4 / минимальные значения этого коэффициента для типовых условий приведены в / 5, 6 / .

Следует учитывать, что приведенные значения коэффициента уплотнения является минимальными из условия отсутствия недопусти­мых осадок насыпи. В последнее время многие исследователи отмеча­ют важность учета однородности грунта по плотности и ее повышения / 7/. Предложено назначать требуемый коэффициент уплотнения грун­та по формуле:

(2.5)

где - соответственно средние значения и коэффи­циенты вариации объемной массы грунта, уплотняемого в земляном полотне, полученные в приборе ПСУ; t - нормируемое отклонение (критерий Стьюдента); [К_у] - требуемое значение коэффициента уплот­нения грунта по СНиП 2.05.02-85.

Условия уплотнения, обеспечивающие максимальные значения коэффициента уплотнения грунта и его однородности приведены в табл. 2.2. Следует отметить, что максимальная однородность по плотности не совпадает с наибольшим возможным уплотнением.

Таблица 2.2

Максимальное значения коэффициента грунта и его однородности

Переуплотнение грунта и повышение его однородности целесооб­разно, так как это приводит к увеличению расчетных значений плотности, прочностных характеристик и модуля упругости грунта, что в свою очередь увеличивает надежность, качество и эффективность земляного полотна автомобильной дороги.