Уплотнение насыпей и оснований автомобильных дорог в США

Рис. 1. Послойное уплотнение тяжелым самоходным виброкатком модели СА51 фирмы "Dynapac" (Швеция) основания автомобильной дороги.


Рис. 2. Уплотнение слоев основания из скальных грунтов тяжелым виброкатком модели СА51.


Рис. 3. Общий вид тяжелого комбинированного виброкатка модели СА51.


Рис. 4. Виброкаток модели СА51Р с кулачковым барабаном.

Характеристики дорожно-строительных материалов

Основная цель, которая преследуется при строительстве дорог, состоит в том, чтобы обеспечить безаварийную перевозку грузов, предназначенных для транспортировки по автомобильным дорогам и магистралям. Это справедливо как для автомобильных дорог, так и для скоростных автомагистралей и даже для дорог, соединяющих фермы с рынком. В Соединенных Штатах Америки и во многих странах Западной Европы в настоящее время применяется довольно сложная методика для измерения как текущих значений осевых нагрузок, так и интенсивности движения, ожидаемого на основных магистралях. На основании этих данных можно довольно точно предсказать, какие требования будут предъявляться к дорогам, скажем, через 10-15 лет. На основе этих данных, а также исходя из конкретных характеристик доступных дорожно-строительных материалов, ведется проектирование конструкции магистрали с таким расчетом, чтобы обеспечить распределение предполагаемых нагрузок, воспринимаемых покрытием, по различным слоям дорожной одежды. Одновременно определяется толщина слоя для каждого отдельного материала. Следует все время иметь в виду, что независимо от того, насколько хороша будет поверхность покрытия дороги, но если конструкция и уплотнение нижних слоев будут недостаточно надежно выполнены, это наверняка окажется самым слабым местом в общей конструкции и явится причиной преждевременного разрушения дороги.

Верхние слои конструкции, находящееся над основанием, называются дорожной одеждой. Слои грунта, находящиеся ниже дорожной одежды, обозначают термином насыпь или земляное полотно. Выбор дорожно-строительного материала, используемого при отсыпке каждого из этих слоев, является очень важным вопросом, ибо несущая способность или прочность выбранного материала в уплотненном состоянии самым тесным образом связана со сроком службы дорожной одежды. В свою очередь, прочность строительного материала зависит от некоторых физико-механических характеристик, а также от состояния почвы, то есть от содержания в ней воздуха и влаги. Такие характеристики не только оказывают влияние на прочность материала, но они изменяются при различных условиях, поэтому их очень важно учитывать при выборе дорожно-строительной техники.

Такой материал, как гравий, является подходящим и даже незаменимым дорожно-строительным материалом для районов, подверженных морозам. По этой причине в некоторых европейских странах довольно часто между основанием дорожной одежды и земляным полотном отсыпают слой гравия толщиной 15-25 см в качестве дополнительного морозозащитного слоя основания.

Размер и форма частиц дорожно-строительного материала

Важным фактором с точки зрения получения конечного строительного материала, в котором имеется достаточное сцепление между частицами, необходимое для обеспечения высокой прочности или несущей способности, является распределение гранулометрического состава материала.

Это означает, что наиболее предпочтительным дорожно-строительным материалом является смесь, состоящая из частиц любых размеров, то есть смесь с широким диапазоном значений гранулометрического состава - в этом случае все пустоты между более крупными частицами будут заполнены более мелкими. При использовании искусственных дорожно-строительных материалов, таких, как асфальтобетонная смесь, сравнительно легко регулировать подбор гранулометрического состава для выполнения конкретных требований. Однако это не так просто при использовании грунта, поскольку трудно регулировать размер частиц в определенном почвенном образце.

Следует помнить, что грунты с хорошим фракционированием дают довольно равномерное распределение частиц по их крупности, поэтому они будут легче уплотняться, чем грунты, состоящие в основном из крупных зерен.

В процессе уплотнения играет роль также и форма частиц - округленная или угловатая. Угловатые или полуугловатые зерна при уплотнении образуют гораздо более стабильную конфигурацию, чем округленные такого же размера, что объясняется хорошим механическим сцеплением между ними.

Испытания плотности дорожно-строительных материалов

Влагосодержание имеет большое значение для проектных технических характеристик дорожно-строительного материала с точки зрения обеспечения максимального уплотнения. Перед началом дорожно-строительных работ необходимо провести ряд лабораторных испытаний на представленных образцах местного строительного материала для определения соотношений "влажность-плотность". Результаты этих испытаний помогут инженерам определить основные показатели для расчета желаемой плотности уплотнения. Определение соотношения "влажность-плотность" выполняется обычно одним из двух известных лабораторных методов, известных как стандартный метод ААСХО (AASHO) и модифицированный метод ААСХО, где название "ААСХО" (AASHO) является сокращением от названия "Американского Общества Дорожных Администраторов", которое разработало эту методику. Эти испытания известны еще и как испытания по методу Проктора.

Имеется значительная разница в величинах суммарных усилий, используемых для уплотнения в каждом из этих двух методов. В стандартном методе ААСХО используется 57 кг•м, а в модифицированном методе ААСХО используется 155,25 кг•м. Из-за постоянно увеличивающейся интенсивности дорожного движения и реальных нагрузок, испытываемых современными дорогами, в настоящее время используется в основном второй метод, особенно когда требуется высокая прочность или несущая способность слоев насыпи или основания дороги.

При проведении стандартных испытаний ААСХО производят 25 ударов молотом массой 2,5 кг, падающем с высоты 30,5 см на каждый из трех одинаковых слоев, уложенных в форму объемом 944 см 3.

При испытаниях по модифицированному методу ААСХО производят 25 ударов молотом массою 4,55 кг, падающим с высоты 45,7 см на каждый из пяти одинаковых слоев, уложенных в форму объемом 944 см 3. Оптимальная влажность и максимальная плотность для данного материала, а также необходимые уплотняющие усилия определяются путем проведения уплотнения нескольких, обычно пяти, различных образцов материала, который предполагается использовать на строительстве дороги. Каждый образец испытывают по одной и той же методике, но при этом меняют влагосодержание образцов и строят график, показывающий плотность образца после его высушки в печи в зависимости от начального влагосодержания.

Требуемые конечные значения плотности материала, уложенного в дорожное полотно, задаются в виде определенного процента от максимального значения плотности, полученного в процессе испытаний. Как правило, этот процент лежит в диапазоне 90-95%. В ходе строительства на трассе проводят периодические испытания плотности для проверки того, что необходимая степень уплотнения достигается на протяжении всей конкретной трассы дороги. Кроме того, результаты этих испытаний могут также дать информацию об эффективности работы грунтоуплотняющих машин и примененных методов строительства.

Одним из наиболее часто применяемых видов испытаний являются испытания "по методу замещения песком", при котором в уплотненном слое грунта бурят шурф диаметром примерно 10 см и глубиной 15 см. Образец грунта извлекают из шурфа и взвешивают. Затем, заполняя шурф песком, определяют его точный объем. Зная плотность засыпанного песка и точно измеряя его засыпаемое количество, рассчитывают объем шурфа. Исходя из массы извлеченного материала и объема шурфа, определяют плотность уплотненного материала.

Если параметры грунта это позволяют, то используют более простой метод, вырезая специальными механизмами образец грунта в виде керна. Объем керна определяют, исходя из того, что цилиндр механизма, высверливающего керн, имеет калиброванный диаметр, поэтому плотность образца определяют прямым сравнением его массы с объемом.

Успехи современной науки и техники позволили в последние годы внедрить устройства ядерного излучения для измерения влажности и плотности, Такие устройства позволяют осуществлять быстрое и довольно точное измерение влагосодержания и плотности грунта в земляном полотне. Принцип действия этих устройств сводится к тому, что испытуемый материал подвергается облучению, а счетчик сразу дает показания и влажности, и плотности.

Существуют два основных метода измерения плотности материала - метод обратного рассеивания и метод просвечивания. Метод прямого просвечивания дает наибольшую точность измерения. Этот метод может быть использован при измерении на глубинах от 5 до 30 см. Тот факт, что оператор может непосредственно контролировать глубину, на которой производится измерение, является наиболее важным аспектом метода прямого просвечивания.

Метод обратного рассеивания исключает необходимость создания замерного шурфа, поскольку весь прибор может быть установлен на контролируемой поверхности. Однако при этом методе точность измерений будет меньше из-за недостаточного рассеивания и большого угла рассеивания гамма-фотонов (излучения). Легкость проведения таких измерений часто становится превалирующим фактором по сравнению с точностью измерений, поэтому этот метод желательно применять в тех случаях, когда структура и плотность материала равномерны, как, например, в случае асфальтобетонного или цементобетонного слоев дорожных покрытий.

Испытания материалов на прочность или несущую способность

Требуемая толщина слоя строительного материала, подлежащего отсыпке, в значительной мере зависит от несущей способности данного материала. Чем более эффективные методы уплотнения будут использованы, тем выше будет несущая способность основного материала и тем тоньше может быть конструкция дорожной одежды. Это является также и важным экономическим фактором, поскольку материалы слоев покрытия всегда более дорогие, чем материалы, идущие на отсыпку нижних слоев полотна дороги.

В западных странах для определения несущей способности строительных материалов наиболее широко применяют на испытание по фактору С.B.R. (калифорнийское соотношение прочности). В основе этого метода лежит измерение сопротивления грунта пенетрации (продавливанию) в сравнении с этим же показателем для стандартного дробленого калифорнийского известняка. Испытание сводится к измерению нагрузки, которую надо приложить к пуансону стандартного размера для того, чтобы пуансон стал вдавливаться в испытуемый образец грунта с определенной скоростью.

Фактор C.B.R. представляет собой усилие в килограммах на кв. сантиметр, необходимое для того, чтобы вдавить поршень на определенную глубину, выраженный в виде процента от тех значений, которые получаются при стандартном известняковом образце. Глубину погружения поршня берут обычно от 2 до 5 мм, а значения этого фактора дают, как правило, для образцов, уплотнение которых произведено в лаборатории. Образцы уплотняют в лаборатории таким образом, чтобы степень уплотнения была как можно ближе к тем значениям, которые получаются при уплотнении на трассе. На основании получаемого значения фактора С.В.R. можно по стандартным графикам определить толщину слоя материала, необходимую для того, чтобы выдержать определенную нагрузку.

Стабилизация строительного материала

Одним из первых факторов, который следует учесть при расчете конструкции дорожной одежды, является то, какой тип грунта имеется по трассе строительства и отвечает ли этот грунт техническим требованиям проекта сооружения данной дороги. Те показатели и испытания материалов, о которых мы говорили выше, помогают решить эти вопросы, однако часто оказывается, что материалы на трассе строительства являются слишком слабыми или они подвержены воздействию экстремальных климатических условий, например, мороза, что неизбежно повлияет на то, как дорожная одежда будет вести себя в дальнейшем. В этих случаях часто оказывается необходимым производить замену трассового грунта на грунт с более подходящими техническими характеристиками. Однако это не всегда возможно или практически трудновыполнимо из-за высокой стоимости разработки грунта. В этих случаях иногда удается улучшить характер залегаемого на трассе материала путем стабилизации его известняком, цементом или битумом, которые играют роль связующего материала.

Существует два наиболее часто применяемых метода стабилизации. При использовании метода непосредственного смешения в грунте, грунт разрыхляют с помощью машины с вращающимся рыхлителем, добавляя одновременно связующий агент. При другом методе грунт с земляного полотна поднимают и смешивают со связующим агентом в специальной машине, а затем смесь возвращают на место и укладывают обратно на земляное полотно дороги. Независимо от того, какой из этих методов используется, объем строительного материала значительно увеличивается за счет увеличения воздушных пустот в материале в процессе перемешивания, поэтому очень важно удалить эти пустоты для получения конечного значения несущей способности. Поэтому, для достижения проектных значений показателей дорожного полотна, проведение уплотнения также важно и для стабилизированных грунтов.

Технические условия на метод уплотнения грунтов

После того, как определены основные проектные показатели (вид используемого материала, толщина слоя), специалисты подготавливают технические условия на проведение работ на трассе дороги. В западных странах обычно используют две категории технических условий. Первая категория - это технические условия на метод проведения работ, вторая категория - технические условия на конечные результаты работы.

В технических условиях на метод выполнения работ подробно описывается методика производства уплотнения грунта и указывается число проходов, которое необходимо сделать катком определенного типа, определенной массы и с определенной скоростью. Указывается также толщина отсыпаемого слоя грунта и в каком диапазоне значений необходимо выдержать величину влагосодержания.

В технических условиях на конечные результаты работы просто указывается, до какого значения плотности в процентном выражении должен быть уплотнен грунт, например, до 96% ААСХО (AASHO).При этом подрядчик совершенно свободен в выборе конкретного типа строительных машин и механизмов, необходимых для выполнения работы по отсыпке и уплотнению слоев грунта. Такой метод требует строгого соблюдения процедуры всех испытаний, зато гарантирует, что требования технических условий в отношении уплотнения грунтов на трассе дороги будут соблюдены (см. рис. 1, 2, 3 и 4).

Евгений МАРГАЙЛИК, инженер и патентовед ВОИР