Технологии и машины для уплотнения грунтов насыпей и оснований дорог в США

Рис. 1. Комбинированный каток с вибровальцем модели VDSD84A фирмы "Dresser" (США).

Рис. 2. Тяжелый самоходный каток с вибровальцем модели SP56 фирмы "Ingersoll-Rand" (США).

Рис. 3. Самоходный каток с кулачковым вибровальцем фирмы "Dresser".

Рис. 4. Каток с кулачковым вибровальцем фирмы "Ingersoll-Rand" (США).

Методы использования строительной техники

Выбранные типы строительных машин должны быть не только способны работать с выбранным дорожно-строительным материалом, но они должны кроме того соответствовать способу выполнения работ, выбранному подрядчиком, иными словами, эта техника должна обеспечить уплотнение слоев грунта необходимой толщины за минимальное число рабочих проходов и при максимально возможной скорости. Руководитель стройки или строительного участка должен оределить объем работ, площадь засыпаемой поверхности, скорость укладки строительного материала и поставленные технические условия и выбрать конкретный тип уплотняющих механизмов.

Существуют два метода организации работы при укладке строительного материала: метод строительства по участкам и поточный метод.

Строительство дорог по участкам

При этом методе строительный материал отсыпают слоем толщиной 20-25 см и более в зависимости от возможностей трамбовочной машины. После этого производят уплотнение грунта до получения заданной плотности. Затем насыпают новый слой грунта и уплотняют его. Такой метод используют, как правило, на небольших объектах с малой рабочей площадью, где нет возможности производить маневрирование и можно использовать быстроходные трамбовочные машины, так как при таком методе остальные машины и механизмы простаивают, пока идет уплотнение грунта. Довольно часто такой метод используют при работе по уплотнению грунта на прилегающих участках дороги с тем, чтобы направлять самосвалы попеременно на каждый участок для наиболее полного использования их производительности.

Поточный метод

Непрерывная работа трамбовочного оборудования на рабочей площадке в процессе постоянной подвозки и отсыпки дорожно-строительного материала называется поточным методом строительства.

Технологический поток используют обычно на строительстве автомобильных магистралей в США. При этом методе происходит последовательная отсыпка слоя, его выравнивание и немедленное уплотнение на определенной длине по трассе дороги, после чего строители начинают отсыпать второй слой. Таким образом строительная техника группируется в непрерывно работающие технологические потоки. При этом совершенно необходимо, чтобы трамбовочная машина обладала большими скоростями, чем остальные технологические машины. Как правило, маневренность трамбовочных машин в этом случае является не решающим фактором, поскольку их лучше использовать в режиме возвратно-поступательного движения для исключения затрат времени на разворот.

Если же в процессе производства уплотнительных работ требуется производить развороты, то маневренность трамбовочной машины становится более критическим фактором, влияющим на время выполнения работы. При правильно подобранном комплекте строительной техники, составляющей технологический поток, этот метод позволяет сократить время перевозок материала, так как в этом случае транспортные средства передвигаются по уже уплотненному слою земляного полотна, что позволяет развивать более высокие скорости.

Другим очень важным моментом, на который следует обратить внимание в отношении всех используемых строительных машин и механизмов, особенно при работе поточным методом, является удобство управления такой техникой, поскольку при этом методе машинисты будут более длительное время работать с полной нагрузкой. Надежность механизмов и малое время простоя, требуемое на ремонт, также очень важны, ибо поломка одного механизма может привести к остановке всего технологического потока.

Подготовка насыпи или земляного полотна производится одним из этих двух способов в зависимости от объемов работы. В тех случаях, когда требуется отсыпать толстые слои строительного материала в тело насыпи или земляного полотна, а также при глубоких проходах под мостами или пересечении других сооружений, стоящих на пути трассы дороги, возможно одновременное использование как метода строительства по участкам, так и поточного метода. Это требует большой гибкости в выборе уплотняющих машин, а также разработки детального проекта производства работ для того, чтобы в максимальной степени использовать производительность строительной техники. Следует всегда помнить, что независимо от того, используется ли метод строительства по участкам или поточный метод, на стройке всегда имеется определенный парк самосвалов, поэтому выбор трамбовочных машин должен производиться очень тщательно с тем, чтобы их производительность соответствовала мощности этого парка.

Разновидности усилий, используемых для уплотнения грунта

Существует много факторов, влияющих на выбор уплотнительных машин для выполнения определенных работ. Первое, что надо иметь в виду, - это вид материала, подлежащего уплотнению, технические требования, которые должны быть согласованы с проектом работ, а также метод использования строительной техники. Следует помнить, что принцип действия уплотни тельных машин может быть основан на четырех различных разновидностях усилий, определяющих процесс уплотнения материала, причем каждый отдельный строительный материал реагирует по-разному на каждое из этих усилий.

Такими разновидностями усилий являются: давление, ударная сила, вибрация, перемешивание.

Давление

Давление является результатом усилия, передаваемого вертикально вниз на грунт за счет массы уплотняющего механизма. Такое усилие должно быть достаточно большим для того, чтобы преодолеть внутреннее сопротивление грунта, возникающее из-за сцепления между частицами грунта, и таким образом снизить содержание воздушных пустот, более плотно сдвинув частицы материала между собой, то есть увеличив плотность грунта. Следует помнить, что массу катка необходимо точно контролировать, чтобы не превысить несущую способность уплотняемого материала, так как слишком большое давление на грунт может привести к разрушению материала.

Ударное воздействие

Такое усилие, как ударное воздействие, может быть описано как результат направленного воздействия такой силы, которая вызывает в материале возникновение ударной волны, идущей от одной частицы грунта к другой, уменьшая на мгновение величину внутреннего трения между ними и перестраивая их в более плотную массу. Управление ударным воздействием предпочтительно производить с высокими скоростями, ибо чем чаще повторяются импульсы, тем лучше будет конечный результат.

Вибрация

По сути дела вибрация является результатом ударов, повторяющихся с высокой частотой, и это лучше всего можно показать на результатах, получаемых при легких постукиваниях по стенке сахарницы. При этом видно, что частицы сахара начинают перемещаться, образуя плотную массу.

Вибрация высокой частоты нарушает трение между частицами грунта, позволяя им скомпоноваться в более плотную массу под действием силы тяжести и давления трамбовочного катка.

Перемешивание грунта

Пояснить механизм перемешивания можно проще всего на примере воздействия, необходимого при перемешивании теста. В этом случае уменьшается внутреннее трение между частицами грунта, что заставляет массу перемещаться, поэтому частицы будут при этом перемещаться друг относительно друга. Одновременно мы прикладываем на грунт давление, необходимое для выдавливания воздуха и влаги.

Для примера можно пояснить, что хорошо гранулированный гравий особенно легко уплотнять всеми описанными способами, за исключением перемешивания. С другой стороны, перемешивание гораздо более эффективно для уплотнения илистых грунтов и глины, по сравнению с вибрацией, которая в этом случае не дает никакого результата. Однако пески и гравий гораздо лучше других материалов поддаются вибрации.

Очевидно, что наиболее эффективным уплотняющим механизмом для широкого диапазона материалов будет тот, который наилучшим образом сочетает в себе все виды воздействий. Для уплотнения насыпей и земляного полотна дорог и магистралей наиболее универсальным типом уплотнительной машины является трамбовочный каток.

Типы уплотнительных машин и механизмов

Рассмотрим различные виды уплотнительных машин. Помимо различного взаимодействия с различными материалами разные типы машин имеют разную производительность. Для выбора необходимого типа строительной техники следует учитывать также и вопросы экономии времени, характер строительства и организацию работы.

Каток с сетчатыми вальцами

Такой дорожный каток с сетчатыми вальцами является прицепным механизмом, содержащим открытый барабан с плетеной стальной сеткой, причем сетка используется в первую очередь для уплотнения гранулированных материалов или в тех случаях, когда желательно производить измельчение материала. Попеременное воздействие точек высокого и низкого давления на сетке приводит к ударному и вибрационному воздействию в процессе движения катка по поверхности грунта, содействуя процессу перемешивания, в результате которого происходит взаимное перемещение частиц грунта, что приводит к его дальнейшему уплотнению. Навешивание балласта на раму катка может обеспечить достаточно большое давление для того, чтобы раздробить почти любой тип скального грунта и обеспечить таким образом дешевый материал покрытия дороги - достаточно только произвести разработку строительного материала на местном карьере и отсыпать его грейдером или бульдозером, после чего можно с помощью катка с сетчатыми вальцами производить одновременно его измельчение и уплотнение. Практический опыт показывает, что достаточное уплотнение грунта достигается за четыре-шесть проходов сетчатого катка, прицепленного или к гусеничному трактору, или к трактору на пневмоколесном ходу. Сетчатые катки не эффективны при работе на прилипающих материалах, ибо такой материал часто забивает сетку.

На основании дорожной одежды, то есть на том слое, по которому движутся самосвалы в период строительства дороги, могут встречаться отдельные камни как в заполняющем материале, так и на поверхности основания. В этом случае катки с сетчатыми вальцами являются наиболее пригодными для того, чтобы вдавливать такие камни. Это обеспечивает более высокие скорости подвозки грунта и меньший износ шин.

Ввиду того, что в настоящее время постоянно увеличивается потребность в более производительных уплотнительных машинах, прицепные механизмы становятся приемлемыми для их использования на отсыпке слоев насыпей и оснований земляного полотна дорог (см. рис. 1 и 2).

Трамбовщики

Прицепной трамбовщик представляет собой дальнейшее конструктивное развитие прицепного катка с коническими выступами на барабанах, которые оказались недостаточно эффективными в эксплуатации из-за своей удлиненной тонкой формы, вследствие чего грунт в верхней части слоя выбрасывается и поверхность основания остается неуплотненной.

Самой важной особенностью трамбующего выступа является то, что во время его движения внутрь слоя грунта и из этого слоя, поверхность соприкосновения выступа с грунтом и давление на грунт постоянно меняются. Во время первых проходов выступ через уплотняемый слой проникает в грунт и создает небольшое давление, поскольку с грунтом соприкасается большая поверхность выступа. По мере увеличения плотности грунта с увеличением количества проходов по одному следу, давление на грунт возрастает. Проникновение выступа барабана трамбовочной машины в слой грунта ведет к уплотнению сначала нижележащих частиц грунта, а с возрастанием числа проходов машины возрастает и степень равномерного уплотнения слоев грунта. Причина этого заключается в уменьшении общей поверхности выступа барабана трамбовщика, которая находится в соприкосновении с грунтом. Благодаря наличию такого постоянно меняющегося соотношения между поверхностью контакта с грунтом и давлением, оказываемым выступом барабана на грунт, трамбующий выступ автоматически приспосабливается к различным видам грунтов без изменения нагрузки на колесо катка.

В трамбовщике используются все четыре вида уплотняющих сил, однако для увеличения частоты уплотняющих ударов, когда выступ входит в соприкосновение с грунтом, каток необходимо эксплуатировать на высоких скоростях. Процесс перемешивания происходит при попадании грунта в промежутки между трамбующими выступами. Самая распространенная толщина слоя грунта составляет 205-255 мм в рыхлом состоянии, которая при уплотнении уменьшается до толщины слоя в 150-205 мм.

Как правило, для достижения желаемой степени плотности грунта достаточно от 4 до 6 проходов машины, однако для грунтов из слабо сортированного пластичного ила или мелкой глины может потребоваться 8 проходов трамбовщика.

По мере того, как с появлением более совершенных скреперов и самосвалов возрастали скорости землеройных работ, пришлось увеличить и скорости трамбовочных работ. По этой причине во многих случаях прицепные трамбовщики заменяются на более крупные самоходные трамбовочные машины. В большинстве случаев самоходный трамбовщик представляет собой четырех- или двухбарабанную машину, обладающую всеми качествами прицепного трамбовщика и в то же время значительной скоростью и маневренностью.

Четырехбарабанная машина представляет собой лишь модификацию на основе колесного бульдозера, которая по сути не была создана для эксплуатации в качестве трамбовщика. В двухбарабанной машине масса равномерно распределяется между двумя барабанами, что обеспечивает при каждом проходе двойное уплотнение на каждую ширину барабанов.

С другой стороны, при применении четырехбарабанных машин не обеспечивается равномерное уплотнение из-за неравномерной нагрузки на барабаны, хотя такие машины и дают вдвое большую укатку грунта. Кроме того, такие машины требуют два прохода для обеспечения укатки грунта на полную ширину барабана, поскольку им приходится впоследствии уплотнять участки между колесами. Таким образом, двухбарабанная машина обеспечивает большую производительность, чем четырехбарабанная.

При максимальной рабочей скорости 16 км/ч 25-тонный каток фирмы "Hyster Europe Limited" (США) обеспечивает производительность работ свыше 1500 м 3/ч при уплотнении слоя грунта толщиной в 30 см, причем в этом случае для обеспечения плотности грунта необходимо 6 проходов машины. Благодаря своим высоким эксплуатационным скоростям эта новая грунтоуплотнительная машина представляет собой очень важное средство для уплотнения подстилающего слоя и дорожного основания магистрали, и она особенно эффективна при эксплуатации в сочетании со скреперами. В зависимости от работы скреперов и условий эксплуатационной площадки строительства, машина модели С450 фирмы "Hyster Europe Limited" может работать одна или с 5 или 6 крупными самоходными скреперами. При этом гарантируется не только выполнение производственного задания, но и то, что подъездные дороги свободны для проезда, а сопротивление качению на поверхности основания таких дорог для скреперов является минимальным, что помогает сохранять производительность работ на должном уровне. Подобные машины применяются во всем мире при строительстве крупных шоссейных дорог и магистралей, а также плотин и ирригационных сооружений (см. рис. 3 и 4).

Евгений МАРГАЙЛИК, инженер и патентовед ВОИР