Лекция 4.6. Машины для уплотнения грунтов

1. Назначение, классификация и основные параметры грунтоуплотняющих машин.

Литература: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7.

4.6.1. Назначение, классификация и основные параметры грунтоуплотняющих машин.

Разработанные землеройными машинами и отсыпанные в насыпи земляных сооружений грунты подвергаются частичному уплотнению ходовым оборудованием машин. Однако сооружение в целом не обладает достаточной прочностью, характеризуется большой объемной сжимаемостью, повышенной фильтрационной способностью и неустойчивым статическим равновесием.

Различают следующие способы искусственного улучшения свойств грунтов:

Ø отсыпка грунта естественной влажности в воду;

Ø замочка насыпей и грунта естественного залегания;

Ø уплотнение укатыванием, трамбованием, вибрированием или комбинированным воздействием;

Ø уплотнение массивом свай и взрывом;

Ø обезвоживание (осушение грунтов);

Ø укрепление грунтов физико-механическими способами, цементацией, обжигом, кольматацией, смолизацией, обработкой химическими реактивами, замораживанием и др.

Каждый из них имеет свою эффективную область применения и зависит от характера сооружения, объема работ, времени года и сроков строительства, физико-механических свойств исходного грунта и требований к качеству уплотнения, наличия и технических возможностей машин. В конечном итоге вопрос о выборе способа решается технико-экономическим обоснованием.

По принципу действия различают грунтоуплотняющие машины статического и динамического действия, а по исполнению рабочих органов они подразделяются на катки, трамбующие и вибрационные машины с многократным приложением нагрузки.

Катки относятся к наиболее распространенным, производительным и сравнительно дешевым средствам для послойного уплотнения грунта, различных оснований, гравийно-песчаных подготовок, дорожных покрытий статическими (гладкие, кулачковые, сегментные, решетчатые и др.) и динамическими (вибрационные, с падающим грузом и др.) нагрузками. Их выполняют прицепными, полуприцепными и самоходными.

Катками с гладкими металлическими вальцами можно уплотнять грунты на глубину 10…15 см. Рабочий орган – металлический валец вращается на оси, установленной на обхватывающей раме. Рама снабжена дышлом и прицепной серьгой для присоединения к трактору. На раме имеется скребок для очистки рабочей поверхности вальца от налипшего грунта. Внутреннюю полость вальца для увеличения массы катка можно заполнять балластом, загружаемым через люки в торцовых днищах. Основными показателями гладких катков служат их масса и удельное давление на грунт. Один гусеничный трактор может работать в сцепе с тремя и даже пятью катками. Вследствие ограниченной толщины слоя уплотнения грунта катки с гладкими вальцами практически вытеснены более совершенными конструкциями.

Кулачковые катки отличаются от гладких тем, что на поверхности вальца укреплены сменные бандажи с кулачками. Бандажи размещают таким образом, чтобы кулачки были расположены в шахматном порядке. Имеются конструкции с приваренными кулачками. К каждой поперечной балке с внутренней стороны рамы приварены скребки для очистки междурядья кулачков от налипшего грунта.

Установкой кулачков на катке достигается передача на грунт, высоких давлений, так как суммарная опорная поверхность кулачков не превышает 4…5 % поверхности цилиндра, описанного по вершинам кулачков. По ГОСТ 11557-75 в зависимости от массы прицепных катков с балластом различают легкие (8 т), средние (16 т) и тяжелые (28 т) катки с глубиной уплотнения 0, 2; 0, 3 и 0, 4 м, агрегатируемые соответственно с гусеничными тракторами класса 3…5, 10 и 15. Известны катки массой более 100 т (сверхтяжелые) с контактным давлением 10 МПа, агрегатируемые с одно или двухосными пневмоколесными тягачами.

Кулачковые катки целесообразны при уплотнении тяжелых связных и комковатых грунтов, но не дают никакого эффекта при уплотнении несвязных и сравнительно плотных грунтов. В отличие от гладких, кулачковые катки уплотняют грунт снизу вверх, а большая глубина уплотнения достигается тем, что при первых проходах кулачки полностью погружаются в грунт и под своей опорной поверхностью образуют уплотненные ядра. При последующих проходах глубина погружения уменьшается, но вследствие кинематики движения кулачка верхняя часть грунта слоем 5…8 см остается разрыхленной, что необходимо учитывать при назначении толщины вновь отсыпаемого грунта для уплотнения.

По конструкции кулачков катки бывают реверсивными и нереверсивными, чаще всего кулачки выполняют в виде усеченного прямого конуса или с криволинейной боковой поверхностью, реже в виде усеченной пирамиды; в плане опорная поверхность кулачка бывает круглой, эллиптической, квадратной или прямоугольной и составляет 20…40 см² (легкие), 60…70 см² (средние) и 100…140 см² (тяжелые катки). Оптимальное число кулачков на 1 м² поверхности для легких и средних катков – 20…25, для тяжелых – 15…20.

В некоторых конструкциях балласт в виде отдельных железобетонных блоков массой до 1, 5 т устанавливают с двух сторон на раме катка по три в ряд.

Потребное число проходов кулачковых катков определяется отношением поверхности цилиндра по вершинам кулачков к суммарной опорной поверхности кулачков с учетом неравномерности перекрытия. Для достижения высокого коэффициента уплотнения число проходов увеличивают в 2…3 раза.

Сегментные катки являются разновидностью кулачковых. Опорная поверхность их выполнена в виде отдельных, с увеличенной площадью контакта сегментов, шарнирно установленных на вальце, что обеспечивает нормальную передачу нагрузки на грунт всеми сегментами, уплотняющими грунт сверху вниз. При налипании грунта очистка сегментов затруднительна и каток начинает работать как гладкий, но за счет увеличения диаметра с меньшей эффективностью. Поэтому они находят ограниченное применение.

Решетчатые катки применяют для уплотнения связных и малосвязных грунтов с большим содержанием крупнообломочных включений. Дробление комьев и их погружение в массив позволяют использовать эти катки для уплотнения грунтов в зимний период. Выполняются в виде плетеной сварной решетки, установленной на двух бортовых и среднем кольцах, внутри которых вмонтированы два конуса с меньшими основаниями наружу для отбрасывания в стороны провалившихся через ячейки решетки комьев грунта.

Пневмоколесные катки получили наибольшее распространение, так как благодаря возможности изменения давления воздуха в шинах и пригруза их можно применять для уплотнения связных и несвязных грунтов на сравнительно большую глубину (0, 4…0, 8 м).

В соответствии с ГОСТ 8544–74 их выпускают прицепными (ДУ-39А, ДУ-37А, ДУ-16В, ДУ-21) легкого (до 15 т), среднего (25 т), тяжелого (50 т) и особо тяжелого (100т) типов. Известны катки массой до 200 т. Прицепные катки состоят из 3…5 пневмоколес с независимой или жесткой подвеской. Для возможности транспортирования автомобильными тягачами крайние колеса оборудуют пневмотормозами.

Самоходные пневмоколесные катки (ДУ-31А, ДУ-29), снабженные собственным двигателем и ходовой трансмиссией, по массе подразделяются на легкие (10..15 т), средние (20…30 т) и тяжелые (40…50 т); они обладают большей маневренностью и производительностью, могут работать челночным способом без разворота в конце участка, их, чаще всего применяют для окончательного уплотнения асфальтобетонных, стабилизированных гравийно-щебеночных и грунтовых смесей в стесненных условиях.

Вибрационные гладкие, кулачковые, решетчатые и пневмоколесные катки с падающими грузами уплотняют грунт комбинированным воздействием статических и динамических нагрузок. В качестве вибровозбудителей применяют дебалансные и бегунковые вибраторы направленного и ненаправленного действия с приводом от вала отбора мощности базового тягача или отдельно расположенного на раме катка двигателя.

Самоходные вибрационные катки предназначены для уплотнения асфальтобетонных и мелкогравийных покрытий, гравийно-щебеночных и грунтовых смесей и по ГОСТ 5576–74 делятся на легкие вибрационные (тип I) и средние вибрационные (тип II), отличающиеся массой, числом осей и вальцов.

Катки с падающим грузом, совмещающие уплотнение грунта с укатыванием и трамбованием, применяют для уплотнения связных и малосвязных грунтов на глубину до 0, 8…1, 0 м при широком фронте работ. Их выполняют в виде катка с грузами, поочередно поднимаемыми вращающимся вальцом и свободно сбрасываемыми на уплотняемую поверхность ложа водохранилища, дна канала и других сооружений, где требуются мощные грунтовые противофильтрационные экраны.

Трамбующие машины в качестве рабочих органов имеют трамбующие плиты различных размеров, массы и формы, вальцовые трамбовки, сбрасываемые на поверхность уплотняемого грунта свободно (под действием сил тяжести) или с применением дополнительных внешних сил (сжатый воздух – пневмотрамбовки, сгоревшие газы – дизельтрамбовки, энергия взрывчатых веществ – взрывотрамбовки и др.). Их применяют для уплотнения различных грунтов, в том числе и с каменистыми включениями, в труднодоступных местах Сопряжения бетонных и земляных сооружений, для создания мощных противофильтрационных завес, для уплотнения грунта на значительную глубину (до 1, 5…2 м) при большом объеме работ, сосредоточенных на ограниченном участке. Они менее чувствительны к влажности грунта (кроме сильно водонасыщенных), но имеют малую производительность, высокую стоимость работ, затруднен контроль за качеством уплотнения.

По энергии единичного удара трамбующие машины разделяют на:

Ø легкие (до 1 кДж),

Ø средние (1…10 кДж) и

Ø тяжелые (10…50 кДж).

Тяжелые трамбующие машины имеют свободно сбрасываемый с высоты 1, 5…5 м рабочий орган массой 1…3 т (в виде плоской, рифленой, кулачковой или профильной плиты или вальцовой трамбовки), изготовленный из чугуна, армированного бетона и подвешиваемый к подъемному канату одноковшового экскаватора. Чтобы рабочий орган не раскачивался и не раскручивался, предусматриваются удерживающий канат или жесткие направляющие. Уплотнение участка всегда ведут от краев к середине с небольшим перекрытием.

При уплотнении малых сечений оросительных каналов применяют способ штампования, заключающийся в том, что на поверхность грунта или частично вырытого сечения сбрасываются с высоты 1…2 м массивные (массой до 5 т и более) профильные продольные трамбовки, г), подвешиваемые на подъемном канате к базовому экскаватору или трактору.

Откосы каналов глубиной более 3 м уплотняют для создания дешевых противофильтрационных грунтовых экранов вальцовыми или плоскими трамбовками, устанавливаемыми на одноковшовых экскаваторах, имеющих решетчатую стрелу, с помощью подъемного и тягового канатов. Плоские трамбовки крепятся к тяговому канату стропами и, размеры которых подобраны так, чтобы плита своей опорной поверхностью всегда падала параллельно откосу.

Дно, каналов уплотняют общестроительными трамбующими машинами, перемещая трамбовки от краев к середине,

Общий недостаток тяжелых трамбующих машин интенсивный износ узлов базовых машин.

Средние трамбующие машины изготавливают как прицепное, прицепное и навесное оборудование к пневмоколесным и гусеничным тракторам или сменное рабочее оборудование к экскаваторам.

Легкие трамбующие машины – ручные трамбовки (механические,) электрические, пневматические, дизельные и др.) используют при небольших объемах работ в стесненных условиях (засыпка приямков, уплотнение грунта вокруг колонн, столбов, ремонтные работы, уплотнение грунта у стен сооружений, при засыпке траншей и т. д.).

Вибрационные машины эффективны при уплотнении неоднородных малосвязных водонасыщенных грунтов с большим количеством различных включений. По способу передачи вибрационных воздействии внешней среде они бывают глубинные и поверхностные.

Глубинные вибрационные уплотнители подразделяют:

Ø гидровиброуплотнители;

Ø пульсационные;

Ø вибрационные установки.

Их преимущественно применяют для подводного уплотнения малосвязных песчаных грунтов с глубиной проработки до 10 м.

Поверхностные вибраторы выполняют в виде виброплит и применяют для послойного поверхностного уплотнения грунтов, щебня и гравия, насыпных каменных материалов, балластных отсыпок. Изготавливают их самопередвигающимися, прицепными и навесными, переставляемыми с одной позиции на другую с помощью кранов.

Современная тенденция развития грунтоуплотняющих машин: широкое внедрение многорежимных рабочих органов, работающих в вибрационном или виброударном режиме с автоматической настройкой в зависимости от изменяющихся грунтовых условий; использование в качестве баз серийных тракторов, тягачей, одноковшовых экскаваторов; применение для управления рабочим органом и скоростным режимом гидропривода и гидромеханических передач.