Теоретические предпосылки основ уплотнения земляного полотна

Уплотнение грунта - одно из важнейших условий, обеспечивающих требуемую прочность и допустимое морозное пучение. С увеличением плотности грунта возрастают его прочность, устойчивость, модуль деформации и сопротивление сдвигу, а пористость, деформируемость, водонепроницаемость, набухание и морозное пучение снижаются [9, 22, 34].

Грунт представляет собой сложное тело, в состав которого входят твердые частицы, вода и воздух. Жидкая и газообразная фазы подвижны в порах грунта, и в зависимости от действия физико-механических взаимодействий на грунт их количество может резко изменяться. Прочность грунта зависит от относительного содержания скелета и воды, т.е. от плотности и влажности грунта. Соотношение по массе и объёму трёх компонентов выражается уравнением

(1.7.1)

где d - плотность скелета грунта, г/см³;

W - массовая доля влажности грунта, %;

V - объем воздуха, %;

g - плотность твердой фазы грунта (истинная плотность скелета, г/см³);

1- единичный объем грунта (1 см³).

Отсюда, плотность скелета грунта, характеризующая степень уплотнения земляного полотна

(1.7.2)

Из условия (1.7.2) следует, что степень плотности грунта d при одинаковой истинной плотности скелета частиц g будет тем выше, чем меньше объём воздуха и влажность грунта. Однако прочность грунта зависит не только от плотности скелета грунта, но и от его структуры, поэтому для решения основной теоретической задачи уплотнения необходимо определить, как сохраняется достигнутая плотность грунта при переменном увлажнении, промерзании и оттаивании и как влияет она на сцепление С, угол внутреннего трения j и модуль упругости Е.

На практике доказано, что для получения наиболее плотной структуры необходимо, чтобы влажность грунта была такой, при которой объем защемленного воздуха находился в пределах 4...6 %, что соответствует полному заполнению грунтовых пор водных гидратных оболочек. Как показывают многочисленные эксперименты, именно при таком объёме воздуха грунт характеризуется минимальными водопроницаемостью, морозным пучением, набуханием, а также максимальным модулем упругости и сопротивлением сдвигу. Если влажность ниже, т.е. объём пор, занятых воздухом, выше, не создается устойчивой структуры, и при увлажнении грунт легко разбухает и тем больше, чем выше влажность, а при недостаточной плотности, наоборот, доуплотняется и дает осадку, а модуль упругости в обоих случаях падает. Если влажность вытесняет указанный процент воздуха, то структура также становится неустойчивой.

Исходя из вышесказанного, можно сделать вывод, что для любого вида грунта существует определенная влажность, называемая оптимальной влажностью, при которой достигается наибольшая (оптимальная) плотность грунта с минимальной затратой энергии на его уплотнение. Для соблюдения оптимального режима уплотнения до начала возведения земляного полотна проводят лабораторные испытания: определяют оптимальную плотность и влажность грунта, а также потребную для уплотнения механическую работу.