Эффективное уплотнение дорожно-строительных материалов с использованием вибрационных катков

Е. К. Чабуткин, Ю. Г. Попов, Н. Е. Тарасова






ЭФФЕКТИВНОЕ УПЛОТНЕНИЕ ДОРОЖНО-СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВИБРАЦИОННЫХ КАТКОВ

Учебное пособие





















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 624.138
ББК 38.58
     4-12




Рецензенты:
директор ООО «Меркутий», кандидат технических наук (г. Ярославль) Фурманов Денис Владимирович;
директор ООО «Подъемно-транспортные механизмы», кандидат технических наук (г. Ярославль) Прусов Андрей Юрьевич




     Чабуткин, Е. К.
4-12       Эффективное уплотнение дорожно-строительных материалов с ис-
      пользованием вибрационных катков : учебное пособие / Е. К. 4абуткин, Ю. Г. Попов, Н. Е. Тарасова. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 212 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-1409-8

           Изложены краткие сведения о физико-механических свойствах дисперсных материалов, используемых в дорожном строительстве. Показаны закономерности измерения структуры материала при воздействии на него динамическими нагрузками и характер нарастания зерна в процессе уплотнения. Приведены факторы, влияющие на формирование плотной и прочной структуры дорожно-строительных материалов. Рассмотрены тенденции развития уплотняющей техники и влияние конструктивных особенностей современных вибрационных катков на процесс уплотнения широкого спектра дорожно-строительных материалов. Приведена математическая модель взаимодействия рабочего органа вибрационного катка с материалом и особенности методики определения режимов работы при уплотнении различных дисперсных материалов. Приведены методики выбора рациональных режимов работы вибрационных катков при уплотнении большого спектра дорожно-строительных материалов.
           Для студентов направлений: 08.03.01 «Строительство», 23.05.01 «Наземные транспортно-технологические средства», 23.03.03 «Наземные транспортно-технологические комплексы». Может быть полезно инженерным работникам, занимающимся проектированием и строительством автомобильных дорог.

                                                                 УДК 624.138
ББК 38.58






ISBN 978-5-9729-1409-8

     © 4абуткин Е. К., Попов Ю. Г., Тарасова Н. Е., 2023
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение.........................................................5
1. Физико-механические свойства дисперсных дорожно-строительных материалов.......................................................7
  1.1. Материалы, применяемые в дорожном строительстве...........7
  1.2. Общие закономерности нарастания зерна в процессе уплотнения..17
  1.3. Факторы, влияющие на формирование плотной структуры дисперсных материалов....................................................24
  Выводы........................................................28
2. Тенденции развития уплотняющей техники.......................29
  2.1. Использование катков в дорожном строительстве............29
  2.2. Конструктивные особенности вибрационных катков...........33
  2.3. Конструктивные особенности современных вибровозбудителей.....38
  2.4. Анализ параметров вибрационных катков ведущих производителей.42
  2.5. Анализ исследований по уплотнению насыпных грунтов машинами вибрационного действия........................................47
  2.6. Анализ исследований по уплотнению асфальтобетонных смесей....55
  2.7. Уплотнение крупнообломочных материалов...................72
Выводы........................................................79
3. Построение принципиальной модели выбора параметров и режимов работы вибрационных катков............................80
  3.1. Формирование общих подходов..............................80
  3.2. Методика определения режима работы при уплотнении насыпных грунтов.......................................................86
  3.3. Методика определения режима работы при уплотнении асфальтобетона................................................94
  3.4. Методика определения режима работы при уплотнении крупнообломочных грунтов.....................................102
  Выводы.......................................................106
4. Описание программного комплекса.............................107
  4.1. Методика расчета режимов работы.........................107
  4.2. Модуль базы данных......................................112
  4.3. Модуль расчета режимов работы вибрационных катков.......114
  4.4. Модуль определения параметров катка.................... 121
  4.5. Модули сохранения и загрузки проектов...................124
  4.6. Проверка работоспособности программного комплекса «Vibkat»...125
  Выводы.......................................................140
5. Влияние различных факторов на процесс уплотнения дорожно-строительных материалов.....................................................141
  5.1. Особенности эффективного уплотнение насыпных грунтов.........141
  5.2. Эффективное уплотнение асфальтобетонных смесей..........153
  5.3. Уплотнение крупнообломочных грунтов.....................157

3

  Выводы........................................................164
6. Рекомендации по рациональному выбору катков и назначению режимов работы..................................................166
  6.1. Общие рекомендации по назначение уплотняющих машин под конкретные условия строительства..........................166
  6.2. Выбор катков по массе и назначению рациональных режимов их работы при уплотнении насыпных грунтов.....................172
  6.3. Выбор катков при уплотнении крупнообломочных материалов...178
  6.4. Выбор катков при уплотнении асфальтобетонных покрытий.....178
  6.5. Формирование комплектов машин для устройства асфальтобетонных покрытий в неблагоприятных погодных условиях..................182
  6.6. Пути совершенствования устройств контроля качества при уплотнении асфальтобетонных покрытий......................188
  6.7. Рекомендации по контролю процесса уплотнения различных дорожно-строительных материалов...............................196
  Выводы........................................................198

Заключение......................................................199

Список использованных источников................................200


4

ВВЕДЕНИЕ

    При возведении автомобильной дороги, как инженерного сооружения, для получения надежной конструкции в отдельных ее элементах используются различные дорожно-строительные материалы. Получение прочной и плотной структуры каждого из конструктивных слоев автомобильной дороги является одной из основных задач в технологическом процессе строительства.
    При этом существенное место занимает процесс укладки и одновременного уплотнения отдельных конструктивных слоев. Для увеличения несущей способности и срока службы автомобильной дороги используется широкий спектр дорожно-строительных материалов с различными физико-механическими характеристиками. Использование различной уплотняющей техники - от малогабаритной до тяжелых катков и трамбующих плит - позволяет ускорить процесс формирования отдельных элементов дороги с высоким качеством строительства.
    Наиболее универсальным и производительным способом уплотнения дорожно-строительных материалов при выполнении линейных работ является укатка вибрационными катками. Применение вибрации позволяет снизить массу машины и увеличить глубину уплотнения. Современные регулируемые вибровозбудители позволяют на одном катке реализовать различные режимы уплотнения, наиболее эффективные для уплотнения различных материалов в каждом конкретном случае.
    Производительность машин при уплотнении и качество работ зависят от выполнения комплекса мероприятий, предусматривающих всесторонний учет строительных свойств грунтов, обоснованный выбор различных методов механического воздействия на уплотняемый грунт и средств механизации, а также технологии уплотнения грунта и контроля качества.
    В последнее время на рынке появилось большое количество катков отечественного и иностранного производства, имеющих широкий диапазон цен и технических характеристик. Однако, на данный момент не существует методики, которая позволяла бы подобрать наиболее эффективную технику для конкретных условий производства работ, что затрудняет обоснованное формирование парка машин организаций. Не решена также проблема определения технологических режимов работы виброкатков при работе с грунтами различных типов и влажностей, толщины слоя уплотнения, что не позволяет обеспечить максимальную производительность машин. Это вызывает трудности и при составлении смет на выполнение работ, поскольку затруднено определение производительности грунтоуплотняющих машин при производстве конкретных работ.
    Современная уплотняющая техника характеризуется непрерывным повышением энерго-насыщенности при существенном разбросе технологических параметров. Поэтому для эксплуатирующих организаций существует проблема определения моментов перехода от одного режима работы к другому, характеризующегося изменением рабочей скорости, вынуждающей силы и частоты вибрации рабочего органа, а также сменой вибрационных катков, действующих в составе до

5

рожного отряда. При этом характер процесса уплотнения определяется рядом взаимосвязанных факторов, в числе которых и параметры вибрационного катка, и характеристики уплотняемого материала, как исходные, так и требуемые. Причем количество различных сочетаний этих факторов даже в самых простых моделях уплотняющих машин может достигать нескольких десятков тысяч. Для техники, в конструкции которой предусмотрена возможность регулирования в широких пределах параметров уплотнения, таких как рабочая скорость и параметры вибрации, число сочетаний факторов увеличивается многократно, что делает невозможным решение задачи определения рациональных параметров и режимов работы машины методом прямого перебора или эмпирическим путем.
    Повышению эффективности применения вибрационных катков путем определения оптимальных технологических режимов уплотнения с учетом моментов переключений как между режимами работы одного катка, так и между катками, действующими в составе отряда машин, и посвящена данная работа.
    Упрощенная методика формирования комплекта машин для качественного формирования отдельных конструктивных слоев автомобильной дороги может быть интересна как студентам, так и производственникам, а так же специалистам, занимающимся проектированием автомобильных дорог. Упрощенная методика выбора рациональных режимов работы катков при формировании конструктивных слоев дороги из различных дисперсных материалов может быть использована мастерами непосредственно в процессе строительства.
    При написании данного пособия использованы результаты научных исследований, выполненных в Ярославском государственном техническом университете на кафедре «Строительные и дорожные машины» доцентами Прусовым А. Ю., Поповым Ю. Г., Чабуткиным Е. К., Тарасовой Н. Е и магистрантами кафедры Шумаковым Д. О., Гвоздиком Р. В., Соболевым А. В., Чухаревым Р. А., Беловым В. Р. и Варламовым И. В.

6

1. ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДИСПЕРСНЫХ ДОРОЖНО-СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

1.1. Материалы, применяемые в дорожном строительстве

    Уплотнение дорожно-строительных материалов относится к числу наиболее важных элементов технологического процесса возведения автомобильных дорог. От качества выполнения этого процесса во многом зависит дальнейшая их служба. В дорожном строительстве используется большое количество материалов, различающихся по своим физико-механическим свойствам. Рассмотрим только основные, применяемые в тех или иных конструктивных элементах автомобильной дороги.
    Грунты естественного сложения. Грунты выемок и естественных оснований, плотность которых ниже требуемых подлежат уплотнению. Необходимая глубина уплотнения зависит от толщины будущей дорожной одежды и глубины промерзания [87]. Обычно, такая глубина составляет 0,3-0,4 м, а при неблагоприятных условиях может достигать 0,6-0,8 м. Так как грунты естественного сложения, как правило, оказывают большее сопротивление внешним нагрузкам [117], чем только что уложенные насыпные грунты, даже если их плотности и влажности одинаковы, это создает при их уплотнении некоторые трудности. Поэтому, естественные грунтовые основания наиболее целесообразно уплотнять трамбующими машинами, в частности плитами, монтируемыми на экскаваторах. Они позволяют довести плотности грунта до коэффициента уплотнения Ку = 0,98-1,1 от максимальной, на глубину до одного метра. Однако использование таких машин обходится дорого [117, 118].
    Значительно дешевле обходится использование самоходных трамбующих машин или взрывных трамбовок массой до 500 кг. Однако, при использовании подобных машин, необходимо помнить, что невозможно проработать грунт на глубину, превышающую минимальный размер трамбующей плиты в плане.
    Наиболее часто используется технологический прием разрыхления слоя грунта и дальнейшего его уплотнения кулачковыми катками до полного «всплытия» рабочего органа машины.
    Грунты с включениями строительного или бытового мусора. При строительстве автомобильных дорог в городской черте в качестве естественных оснований могут встретиться грунты с включениями строительного или бытового мусора, плотности которых значительно ниже требуемых. Эти грунты по своей структуре очень неоднородны, имеют пониженное сцепление между отдельными агрегатами. Разброс плотностей в различных частях грунтового массива имеет также очень большой разброс, что может отрицательно сказаться на устойчивости основания.
    Повышения плотности таких грунтов можно добиться использованием тяжелых кулачковых катков. При этом, уплотнение производится до отказа.
    Насыпные грунты. По своей природе грунты очень разнообразны, соответственно существует и масса различий в их физико-механических свойствах.


7

В процессе строительства их уплотняют в разных условиях - на больших площадях, в насыпях, на откосах, в траншеях, котлованах и т. п. Часто возникает необходимость в уплотнении естественных оснований, свойства которых существенно отличаются от свойств насыпных грунтов. Насыпные грунты всегда уплотняют послойно, причем толщина слоев зависит не только от типа применяемого средства уплотнения, но и от тех машин, которыми отсыпают грунт, а также от организации работ.
    Классифицируются грунты по степени связности в зависимости от содержания в них глинистых частиц или по условному показателю, принятому в строительстве - числу пластичности (ЧП) (табл. 1.1) [96, 98].


Таблица 1.1 - Классификация грунтов по числу пластичности

         Грунты                      Показатели            
  Типы        Подтипы          Содержание     Число       
                           песчаных частиц, % пластичности
         Легкая крупная           > 50            1-7     
 Супесь  Легкая                   > 50            1-7     
         Пылеватая               50-20            1-7     
         Тяжелая пылеватая        < 20            1-7     
         Легкий                   > 40            7-12    
Суглинок Легкий пылеватый         < 40            7-12    
         Тяжелый                  > 40           12-17    
         Тяжелый пылеватый        < 40           12-17    
         Песчаная                 > 40           17-27    
 Глина   Пылеватая                < 40           17-27    
         Жирная              Не нормируется     Свыше 27  

    Нижние конструктивные слои насыпей автомобильных дорог обычно выполняют из насыпных грунтов. В технологическом процессе возведение земляных инженерных сооружений осуществляют послойной отсыпкой при помощи землеройно-транспортных машин с последующим уплотнением каждого слоя. Однако, под действием землеройно-транспортных машин грунты уплотняются. Такое уплотнение, как правило, является неравномерным и недостаточным. Поэтому, применение специальных машин для уплотнения грунтов является обязательным. Вместе с тем, плотности, которые приобретают грунты по окончании работы землеройно-транспортных и транспортных машин, представляют большой интерес. Они являются исходными, с которых начинается процесс уплотнения уже специальными средствами [103].
    Кроме того, начальные плотности насыпных грунтов влияют на производительность уплотняющих машин, определяют их проходимость, а зачастую и возможность их работы. Так, например, взрывтрамбовки не могут работать на рыхлых грунтах и, наоборот, применение кулачковых катков эффективно лишь в тех случаях, когда уплотнение начинается с рыхлого состояния.


8

    Укрепленные грунты. В ряде случаев нижние слои насыпей формируют из укрепленного грунта, а, зачастую, их используют для дорог низких категорий для создания верхних слоев.
    Наиболее распространено укрепление грунтов цементами. В грунтах схватывание цемента начинается практически сразу же, с момента введения его в грунт. Поэтому, пределы прочности такого грунта непрерывно возрастают и по времени, соответствующему паспортному значению «начала схватывания» цемента, уже в несколько раз превышают значения, соответствующие неукрепленным грунтам. Через три часа после внесения цемента пределы прочности для этих грунтов увеличиваются в 2...3 раза. Поэтому необходимо стремиться к тому, чтобы длительность процесса перемешивания грунта с цементом и уплотнение смеси не превышали трех часов.
    Второе направление укрепления грунтов - внесение в грунт добавки вяжущего в виде жидкого битума. Грунты, укрепленные жидкими битумами, имеют меньшие значения предела прочности и модуля деформации, чем неукрепленные грунты.
    При больших нагрузках укрепленный битумами грунт приобретает подвижность. Это обстоятельство вызывает большие затруднения при уплотнении таких грунтов. В качестве уплотняющих машин для этих грунтов можно использовать самоходные катки на пневматических шинах, с обязательным регулированием давления воздуха в шинах в процессе укатки.
    Крупнообломочные материалы. К числу материалов, которые подлежат уплотнению при устройстве дорожных оснований и конструктивных слоев дорожной одежды относятся песчано-гравийные смеси и щебень. При уплотнении этих материалов происходит сближение частиц и их взаимное заклинивание. Уплотнению препятствуют развивающиеся в местах контактов частиц силы трения и силы сцепления. Благодаря тому, что таких контактов множество и силы сопротивления взаимному смещению частиц различны, при действующих нагрузках такие смещения не происходят во всех местах одновременно. В первую очередь, смещения происходят там, где сопротивления минимальны. После возрастания нагрузки, смещения происходят в новых местах. Поэтому уплотнение слоев этих материалов не происходит за однократное приложение циклической нагрузки. Для завершения процесса нагрузка должна прикладываться многократно.
    Крупнообломочные грунты относятся к несцементированным обломочным грунтам и представляют собой продукты естественного либо искусственного разрушения и смешения исходных сцементированных горных пород различного происхождения.
    Большое значение имеет также прочность той горной породы, из которой состоят крупные куски материала. В зависимости от этого грунты могут быть разделены на прочные и слабые. К прочным относятся такие грунты, крупные куски которых не разрушаются при уплотнении, к слабым - грунты, разрушающиеся под действием рабочих органов машин.

9

    Таким образом, разделение по прочности в значительной мере условно, так как зависит от вида и параметров уплотняющих машин, а также от содержания в грунтах мелких фракций. В зависимости от последнего фактора одни и те же грунты могут быть отнесены как к слабым, так и к прочным. Однако, такое разделение правомерно лишь при незначительном содержании собственно грунтовой фракции и уплотнении такими машинами, которые обеспечивают значительное дробление крупных кусков, например решетчатыми катками. Крупнообломочные грунты могут значительно отличаться от обычных насыпных значениями пределов прочностей и модулей деформации.
    Под пределами прочности понимают такие предельные давления на поверхностях контактов рабочих органов машин с уплотняемым грунтом, до которых деформация уплотняемого слоя ведет к изменению объема грунта. За пределами прочностей деформация идет без изменения объема, т. е. происходит выдавливание грунта из-под рабочих органов машины, которое сопровождается разрушением структуры грунта.
    Крупнообломочные грунты по гранулометрическому составу следует подразделять (рис. 1.1) на три класса пород, различающихся по своим структурным и прочностным свойствам:
    I класс - грунт бескаркасный, если крупных обломков (более 2 мм) содержится менее 10 % по весу (глина, суглинок, песок с включениями камней. валунов, гальки и т. п.);
    II класс - грунт с несовершенным каркасом, если крупные обломки (более 2 мм) составляют 10-65 % по весу (каменистая глина, щебенисто-песчаная порода и т. п.);
    III класс - грунт каркасный, если крупнообломочной фракции (более 2 мм) содержится более 65 % по весу (валуны с глиной, щебень с суглинками, дресва, галька и т. п.).
    Крупнообломочные грунты II класса следует подразделять на две категории:
    -  связные, если заполнитель глинистая или суглинистая порода;
    -  сыпучие, если заполнитель - песчаный грунт.
    В зависимости от преобладания той или иной крупнообломочной фракции в составе скелетного материала крупнообломочные грунты можно разделить на разновидности:
    а)     грунт дресвяный (при окатанных частицах - гравийный), если вес частиц фракции 2-10 мм составляет более 50 %;
    б)     грунт щебенистый (при окатанных частицах - галечниковый), если вес частиц фракции 10-200 мм составляет более 50 %;
    в)     грунт каменистый (при окатанных обломках - валунный), если вес обломков крупнее 200 мм составляет более 50 %.
    Свойства грунтов I класса в основном определяются свойствами мелкоземной части, в связи с чем к ним применимы обычные методы контроля плотности и методика установления ее требуемой величины.

10

Рис. 1.1 - График-треугольник для определения класса крупнообломочного грунта по их гранулометрическому составу: дресва (гравий), если фракции 2-10 мм > 50 %; щебень (галька), если фракции 10-200 мм > 50 %; глыбы (валуны), если фракции > 200 мм > 50 %

    Грунты III класса представляют собой крупнообломочный грунт, в котором крупные обломки (размером более 2 мм) в большинстве своем находятся во взаимном контакте и зацеплении. При этом песчано-глинистый заполнитель (мелкозем) не влияет на их физико-механические свойства. Основной особенностью грунтов этого класса следует считает их высокую деформируемость при воздействии динамических нагрузок.
    Грунты II класса представляют переходную разность между грунтами I и III классов. Основной их особенностью следует считать зависимость поведения под нагрузкой как от крупнообломочной фракции, так и от свойств мелкоземного заполнителя.
    Выполнение основных требований, предъявляемых к крупнообломочным грунтам как материалам для сооружения насыпей автомобильных дорог, должно обеспечить создание в них однородной плотной (монолитной) структуры, устойчивой к воздействию атмосферных агентов в условиях эксплуатации.
    Условиями формирования оптимальной структуры крупнообломочных грунтов, способствующими повышению устойчивости возводимых насыпей в изменяющемся влажностном режиме, являются: гранулометрический состав, обеспечивающий получение плотной грунтовой смеси; возможно большее количество контактов между скелетными частицами; оптимальная (или близкая к ней) влажность мелкозема в процессе уплотнения; надлежащая степень уплотнения грунта при возведении насыпей.

11

    Плотность и устойчивость исследуемого грунта повышаются при содержании мелкозема в количестве, достаточном для заполнения пространств между более крупными обломками. Оптимальным является состав крупнообломочного грунта с содержанием 65-70 % обломочной составляющей.
    Условием создания плотной и однородной структуры крупнообломочного грунта является равномерное распределение обломочной составляющей во всем объеме материала. Максимальный размер фракции не должен превышать 2/3 толщины уплотняемого слоя. Это предотвращает образование крупных пустот в теле насыпи и создает условия для образования необходимых контактов между скелетными частицами.
    Устойчивость насыпей, сооружаемых из крупнообломочных грунтов с каркасной структурой, содержащих менее 30 % суглинка, достигается путем эффективного уплотнения грунтов при влажности глинистого мелкозема, равной 1,3 оптимальной. Грунты, уплотненные при влажности мелкозема ниже этих значений (твердая консистенция), склонны к проявлению просадочных деформаций. В тоже время, для этих грунтов не следует применять влажности выше оптимальной. В этом случае они не поддаются эффективному уплотнению.
    Наиболее неблагоприятными, с точки зрения обеспечения длительной устойчивости насыпей автомобильных дорог (в условиях возможного увлажнения атмосферными водами), являются крупнообломочные грунты, содержащие обломки легко выветривающихся размягчаемых скальных пород (например, аргиллитов).
    При устройстве насыпей из аргиллитовых крупнообломочных грунтов предпочтение следует отдавать грунтам, содержащим 30-40 % (по массе) мелких фракций (размером менее 2 мм).
    Образование достаточного количества мелкозема достигается уплотнением предварительно увлажненного и размягченного аргиллитового грунта.
    Степень увлажнения следует считать достаточной, если мелкозернистая фракция аргиллитового крупнообломочного грунта находится в тугопластичной консистенции. Ориентировочно влажность мелкозема в аргиллитовых грунтах до уплотнения должна составлять от 18 до 20 %. Укладка в насыпь переувлажненного аргиллитового грунта не допускается.
    Известно, что параметры машин выбирают с учетом пределов прочностей уплотняемых материалов и значений модулей деформации. При выборе машин для уплотнения крупнообломочных грунтов необходимо учитывать еще и размеры содержащихся в уплотняемом материале кусков.
    Таким образом, исходя из структуры крупнообломочных грунтов, можно применить методику расчета нарастания относительной деформации для грунтов с корректировкой характеристик материала и, в частности, модуля деформации.
    Для уплотнения слоев насыпей, отсыпаемых из горной массы, чаще всего используются катки комбинированного типа. Обычно они имеют в своей конструкции один гладковальцовый вибрационный агрегат и один пневмошинный. Таким образом, регулирование величины контактных давлений может осуществляться за счет включения вибрационного механизма и за счет регулирования давления воздуха в шинах.

12