OffLine версия Рекламодателям О нас
товаров 4867    фирм 622   статей 943

блокнот 0
№41
 
Особенности устройства и уплотнения земляного полотна
Главная     Лента     Авторы     Источники     Архив   
Товары в каталоге



вибратор   виброкаток   виброплита   земля   каток  

Словарь


Также по теме:

Содержание автомобильных дорог
Перечень технологических процессов, входящих в понятие «круглогодичное содержание» проезжей части, земляного полотна и полосы отвода автомобильных дорог,...

Повышение качества щебеночных оснований
Практикуемое нормирование требований к исходным материалам, технологии строительства и контролю качества осуществляется без должного учета и понимания...

Современные методы прокладки инженерных сетей
Прокладка подземных инженерных сетей открытым способом вызывает масштабные разрушения дорожного полотна. Значит, необходимы новые технологии, позволяющие...


Виброкаток фирмы HAMM

Виброкаток фирмы HAMM



ОСОБЕННОСТИ УСТРОЙСТВА И УПЛОТНЕНИЯ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА В ЗИМНЕЕ ВРЕМЯ

То, что земляное полотно автомобильной дороги является несущей основой или фундаментом всей дорожной одежды, хорошо известно. И нет особой нужды показывать влияние его прочности и устойчивости на эксплуатационное состояние и долговечность дороги в целом. Многие дорожники могли убедиться в этом на собственном опыте, особенно те из них, кому довелось исправлять дефекты покрытия по «вине» земляного полотна.

До 30-х годов истекшего столетия земляное полотно автомобильных дорог возводили только в теплое время года и только стадийным способом, предусматривающим значительный разрыв во времени между устройством самого земляного полотна и дорожного основания с покрытием. Обусловлено это было отсутствием приемлемых и эффективных механизированных средств и технологических приемов разработки (в том числе зимой), транспортировки, укладки, профилировки и, главное, быстрого и эффективного уплотнения грунтов.

Прочность и устойчивость возведенных насыпей обеспечивалась в основном за счет естественной консолидации (осадки) грунта во времени. Поэтому укладку основания и покрытия разрешалось выполнять только спустя определенный промежуток времени, составляющий, в зависимости от типа и состояния грунта, иногда 2–3 года.

Такое положение вошло в противоречие с развернувшимся после 1930 г. массовым дорожным строительством в США, Германии и других странах. Необходимо было исключить сезонность и стадийность устройства земляного полотна, а для этого нужны были, прежде всего, соответствующие грунтоуплотняющие средства и технологические методы уплотнения различных грунтов, в том числе и в зимний период ведения работ. Особенно актуальной такая задача была (и остается сейчас) для многих мест и регионов России, где зимний период, в отличие от многих европейских стран, составляет не менее 5–7 месяцев в году и где около 6% территории страны вообще находится в зоне вечной мерзлоты.

С потребностями массового дорожного строительства связаны зарождение искусственного уплотнения насыпных грунтов, первое появление и практическое использование трамбующих плит на экскаваторах, специальной трамбующей машины «Элефант» («Слон») на гусеничном ходу немецкой фирмы «Менк-Гамброк», разных по весу (90, 200, 500 и 1000 кг) взрывтрамбовок – «лягушек», фирмы «Дельмаг» (Германия), крупной виброплиты «Вибромакс» на гусеничном ходу (вес 25 т) немецкой фирмы «Лозенгаузен», нескольких усовершенствований кулачкового катка (впервые изобретен в 1905 г. американским инженером Фицджеральдом) и ряда других грунтоуплотняющих средств.

В этот же период практические решения по проблеме уплотнения грунтов все чаще и больше стали опираться на научные достижения и разработки, в частности механики грунтов. Был внедрен метод стандартного уплотнения грунтов Проктора (США), введено понятие об оптимальной влажности грунта и выявлено ее влияние на результат уплотнения. Появились предложения по искусственному увлажнению уплотняемых грунтов. Началась разработка общих положений и элементов самой теории уплотнения. Впервые появилось понятие о предварительном и основном этапах уплотнения, связанных с необходимостью постепенного повышения уплотняющего давления (нагрузки) на грунт. Была показана и доказана малая эффективность и практическая несостоятельность обычного гладковальцового статического катка (самоходного или прицепного) на уплотнении грунтов, особенно мелкозернистых связных и несвязных.

Одновременно с решением проблемы стадийности возведения земляного полотна за счет искусственного уплотнения решалась также задача ликвидации сезонного характера выполнения земляных работ. Постепенно были разработаны научно-технические основы, практические правила и рекомендации устройства зимой бездефектного земляного полотна. Они включают в себя комплекс специальных мер по предварительной подготовке карьера к зимней разработке (главное – снижение возможной глубины промерзания грунта до приемлемой для экскаватора или тракторного рыхлителя величины, а в некоторых условиях и полная его защита от воздействия мороза), по выбору надлежащих и эффективных машин и механизмов разработки карьера, по подготовке автотранспортных средств доставки грунта к месту его укладки в насыпь (обогрев кузова выхлопными газами и укрытие грунта брезентовым пологом), по выбору средств и технологии отсыпки, разравнивания и уплотнения грунта в условиях возможного быстрого его смерзания в насыпи; по обязательному соблюдению ограничений на количество и размеры мерзлых комьев, допускаемых к попаданию в насыпь, и, наконец, по методам и средствам контроля качества уплотнения грунта.

Российские подрядчики с успехом освоили науку и практику зимних земляных работ не только в дорожной, но и в железнодорожной, гидротехнической, промышленной и гражданской отраслях строительства. По статистике российские дорожники выполняют зимой до 40–50% годового объема земляных работ, а в отдельных северных регионах даже до 65–70%. Сегодня в России единственным видом дорожных работ, разрешенных для выполнения зимой в полном объеме, являются работы по возведению земляного полотна, что позволяет хотя бы частично решать задачу по сохранению дорожных кадров и более полной загрузке техники.

Главный принцип качественного устройства дорожных насыпей зимой состоит в том, что грунт в карьере следует разрабатывать («брать»), транспортировать, укладывать в насыпь и уплотнять только в талом виде, не допуская его смерзания ни на одной из рабочих стадий (операций). В противном случае необходимого качества насыпей не обеспечить, о чем свидетельствует многолетний опыт вынужденного устройства на тюменском севере и в других местах автодорожных и железнодорожных насыпей из взрываемых в карьере кусков вечномерзлого грунта.

При отрицательных температурах воздуха такие насыпи ведут себя устойчиво подобно земляным сооружениям из прочного скально-крупнообломочного грунта. Однако с наступлением короткого северного лета с почти круглосуточным сиянием солнца начинается интенсивное оттаивание мерзлых комьев в верхней зоне грунтовой отсыпки, что, естественно, влечет за собой значительные и очень часто неравномерные общие и локальные просадки насыпей, а заодно и опасные деформации железнодорожных путей и автодорожных покрытий.

Выбор грунтоуплотняющего средства для зимних земляных работ должен производиться по несколько более скорректированным принципам и критериям, чем для летних условий производства работ. С целью некоторого снижения скорости смерзания грунта и обеспечения возможности быстрого его уплотнения возведение насыпки целесообразно вести более толстыми слоями (не менее 40–50 см) и более узкими по ширине захватками (не более 3–4 полос, каждая из которых равна ширине уплотнения катка). Длину захваток тоже следует сокращать до разумного минимума, составляющего (при морозе -20... -30 гр. С) примерно 20–30 м.

При работе в таких условиях помимо способности уплотнять слои толщиной не менее 40–50 см дорожный каток или иного типа грунтоуплотняющая машина обязаны иметь более высокую производительность (минимум на 25–30%), чем производительность самой укладки грунта в насыпь. Кроме того, такая машина или каток должны иметь возможность вести уплотнение челночным способом, т. е. без разворотов в конце захватки, на которые, как правило, затрачивается определенное время из незначительного его резерва на всю операцию зимнего уплотнения (табл. 1).


Таблица 1
Диапазон температуры воздуха -3° ... -5° C -10° ... -20° C -20° ... -30° C
Время от момента выемки грунта до окончания процесса его уплотнения в насыпи, час 3 – 2 2 – 1 1 – 0,5

Примечание.
При ветре более 5–6 м/с указанное время уменьшают до 2 раз.

Качественное уплотнение грунта и минимальные осадки зимнего земляного полотна при его последующей эксплуатации возможны только при попадании в насыпь ограниченного количества мерзлых комьев (табл. 2), так как при большом их объеме грунт насыпи быстрее смерзается и хуже уплотняется.

Таблица 2
Характеристика климатаСредняя температура воздуха зимой Допускаемое количество мерзлых комьев, %
Суровыйниже -15° C10
Холодный-10° ... -15° C15
Умеренный-5° ... -10° С20
Теплыйвыше -5° C25

Крупность мерзлых комьев также регламентируется способностью грунтоуплотняющего средства раздавливать большую часть из них на более мелкие куски (не более 80–100 мм). При использовании на уплотнении пневмоколесных катков (нагрузка на шину не ниже 4,5–5 т) размеры мерзлых комьев не должны превышать 150–200 мм, прицепных и самоходных шарнирно-сочлененных виброкатков с гладкими или лучше кулачковыми (пэд-фут) вальцами и весом вибровальцового модуля не менее 7–8 т – не более 200–250 мм и, наконец, при наличии трамбующих машин или плит на экскаваторах, а также решетчатых или ребристых тяжелых катков – не более 250–300 мм. Крупные нераздавленные мерзлые куски служат, как правило, концентраторами преждевременного смерзания грунта и появления в насыпи мест и зон с плохим уплотнением. По той же причине попадание снега и льда в тело насыпи категорически не допускается.

Соблюдение этих ограничений, правил и рекомендаций позволит возводить зимой добротное земляное полотно, отвечающее всем требованиям дорожных СНиПов.

Что же из имеющихся сегодня грунтоуплотняющих средств у дорожных подрядчиков и на рынке дорожной техники пригодно и может эффективно использоваться для устройства насыпей в специфических зимних условиях?

Наибольшее распространение и применение сейчас в мире получили самоходные шарнирно-сочлененные виброкатки с гладкими или кулачковыми вальцами. Как показал практический опыт, в том числе российский, наиболее подходящими для зимних земляных работ следует признать те из них, которые имеют вибровальцовый модуль весом не ниже 7–8 т (общий вес вместе с тракторным модулем около 12,5–13 т), так как только при таком или большем весе вибромодуля современного катка толщина уплотняемого слоя, его производительность и способность дробить мерзлые комья своими кулачками будут соответствовать зимним потребностям и ограничениям.

Примерно 30 моделей подобных виброкатков, часть из которых с успехом работает на объектах России, выпускают 8–10 известных европейских и американских фирм (Dynapac, Caterpillar, Hamm, Bomag, Ingersoll-Rand, Vibromax, Stavostroj, Protec и др.). Самые крупные из них общим весом около 20–26 т (соответственно вес вибровальцового модуля примерно 13–17 т) с шириной вальца до 2,2–2,5 м имеют достаточно мощные вибраторы, возбуждающие центробежные силы до 35–40 тс, а у одного из них, общим весом 25,5 т (SSVV 2500D фирмы Stavostroj) – даже до 47 тс, что обеспечивает ему чрезмерно высокий конструктивный показатель динамической уплотняющей способности (6,5 кгс/кв. см), пригодный для уплотнения в основном прочных скально-крупнообломочных и маловлажных связных грунтов.

Рис. 1. Виброкаток К-701-ВК с кулачковым вальцом, Кировский завод (Санкт-Петербург)

Рис. 1.
Виброкаток К-701-ВК
с кулачковым вальцом,
Кировский завод
(Санкт-Петербург)



Рис. 2. Виброкаток К-701-ВК с гладким вальцом, Кировский завод (Санкт-Петербург)

Рис. 2.
Виброкаток К-701-ВК
с гладким вальцом,
Кировский завод
(Санкт-Петербург)


Если у этого крупного и слишком динамичного виброкатка превышение реальной апмлитуды колебаний вальца над номинальной или расчетной, а последняя составляет 2,1 мм, достигнет 1,7–2,0 раза (измерения реальных амплитуд у известных в России прицепных виброкатков А-8 и А-12 показали, что такое превышение доходит до 2,0–2,5 раз), то это обеспечит динамическое кратковременное воздействие его вальца на грунт с силой около 50–60 тс.

У большинства же других тяжелых и крупных виброкатков, применяемых на обычных песчано-гравийных, щебенистых, малосвязных и даже связных грунтах, динамический показатель уплотняющей способности составляет в среднем 4,0–5,0 кгс/кв. см. Для сравнения уместно напомнить, что у sвибрационных гладковальцовых катков, хорошо укатывающих асфальтобетонные смеси в покрытии за укладчиками этот показатель находится в пределах 1,7–2,0 кгс/кв. см (статический режим работы) и примерно 2,0–2,6 кгс/кв. см (вибрационный режим). Для уплотнения этими же виброкатками щебеночных оснований (слои 15–30 см) указанный показатель, или критерий, целесообразно повышать до 3,0–3,6 кгс/кв. см, что и предусмотрено конструкцией таких катков путем смены слабого режима вибрации (для асфальтобетона) на сильный (щебень).

В России подобный крупный виброкаток К-701М-ВК общим весом 25 т (вес вибровальцового модуля около 14 т) был разработан по заказу гидротехников и выпускается Кировским заводом в Санкт-Петербурге. Базой машины послужил колесный трактор К-701М, на место задней колесной пары которого установлен кулачковый (рис. 1) или гладкий (рис. 2) вибровалец шириной 2850 мм и диаметром соответственно 1950 и 1728 мм. Вибровозбудитель вальца развивает центробежную силу 36 тс при частоте колебаний 27–29 Гц, что с учетом размеров вальца обеспечивает показатель динамической уплотняющей способности до 4,5 кгс/кв. см (такой же показатель в статике – 2,4 кгс/кв. см).

При испытаниях К-701М-ВК на возведении грунтовой плотины Ирганайской ГЭС в Дагестане плотность гравийно-галечникового грунта в слое 100 см оказалась 0,99–1,01 (6 проходов) и 1,03–1,04 (10–12 проходов). Укатка кулачковым вальцом супесчано-суглинистого грунта с включениями щебенистых частиц слоем 60 см обеспечила коэффициент уплотнения 0,99–1,0 за 8–10 проходов на скорости 2,5–3 км/час.

Конечно, такой большой каток будет полезен и рентабелен при быстром или скоростном возведении крупных дорожных объектов со значительными объемами земляных работ. Это было подтверждено на скоростном возведении насыпи железнодорожной ветки из Дагестана в обход территории Чечни. Для других условий подобных работ, в том числе в не очень морозное зимнее время, можно использовать меньшие виброкатки, в частности, выпускаемый Рыбинским заводом «Раскат» ДУ-85 (вес 13 т, вибровальцовый модуль около 6,5 т). Другие модели грунтовых катков (шарнирно-сочлененный ДУ-74, прицепной ДУ-94) этого же завода или меньше по размерам и весу, или хуже подходят для возведения насыпей зимой, особенно когда последняя сурова.

Рис. 3. Прицепной решетчатый каток весом 25 т

Рис. 3.
Прицепной решетчатый каток
весом 25 т





Рис. 4. Комбинированный пневморешетчатый статический каток с блоком пневмошин и решетчатым вальцом

Рис. 4.
Комбинированный
пневморешетчатый
статический каток
с блоком пневмошин
и решетчатым вальцом





Рис. 5. Ребристый каток фирмы 'Constraction-Machinery', США

Рис. 5.
Ребристый каток фирмы
«Constraction-Machinery»,
США





Рис. 6. Каток кулачковый с трамбующим эффектом CT 260 Dynapac

Рис. 6.
Каток кулачковый
с трамбующим эффектом
CT 260 Dynapac

Виброкаток ДУ-85 фирмы Раскат

Виброкаток ДУ-85
фирмы Раскат

Каток кулачковый фирмы BOMAG

Каток кулачковый
фирмы BOMAG


Прежний российский опыт показал, что достаточно хорошо и эффективно можно вести уплотнение грунта с включениями мерзлых комьев простым и дешевым прицепным решетчатым катком весом 25 т (рис. 3), выпускавшимся в свое время дорожниками Латвии и двумя заводами бывшего Минтрансстроя в городах Ростове-на-Дону и Угличе.

Каток прекрасно себя зарекомендовал на многих автодорожных, портовых, железнодорожных и аэродромных стройках Прибалтики, Дальнего Востока, Сибири (БАМ), Средней Азии, Кавказа, Армении, Крыма, Заполярья и Северо-Западного региона. При этом он с успехом укатывал также трудноуплотняемые одноразмерные пески (толщина укатываемого слоя зимой доходила до 45–55 см), скально-крупнообломочные грунты и щебеночные основания.

Помимо прицепного варианта этого катка дорожники Латвии по разработке Ленфилиала СоюздорНИИ выпускали и использовали также небольшие партии прицепных и полуприцепных комбинированных пневморешетчатых статических катков общим весом 15–25 т с блоком пневмошин и решетчатым вальцом (рис. 4), которые поочередно могли опускаться на поверхность укатки и создавать необходимое силовое воздействие, в том числе и за счет переставляемого на катке балласта.

Приходится только сожалеть, что такие неприхотливые в эксплуатации, очень нужные и полезные, как для обычных, так и специфических (одноразмерные пески, комковатые грунты, зима и т. п.) российских условий, теперь уже не выпускаются не только в России, но и за рубежом.

Правда, в США для подобных работ фирма «Constraction-Machinery» предлагает дорожным подрядчикам так называемый ребристый каток (рис. 5). Его валец, как и кулачкового катка, по эффективности уплотнения с одновременным дроблением прочных комковатых грунтов сродни решетчатому. В отличие от последнего на ребристом и кулачковом катках возникает потребность в очистке специальными скребками поверхности их вальцов от застревающих между ребрами или кулачками кусков. Решетчатый же валец работает по принципу самоочистки путем продавливания застрявших кусков сквозь решетку при последующем наезде вальца на поверхность укатки.

Заметно повышаются результаты уплотнения, дробления и даже очистки вальцов при увеличении до 10–15 км/час и более рабочей скорости решетчатых, ребристых и кулачковых катков. Фирма Caterpillar (США) разработала даже специальную технологию скоростной укатки связных грунтов, правда, не очень толстыми слоями, самоходным статическим катком с особой (эвольвентной) формой башмака-кулачка, который на скорости от 10–11 до 30–35 км/час создает определенный динамический или трамбующий эффект.

Для такой технологии Caterpillar уже длительное время производит две модели достаточно энергоемких катков. Аналогичный тип катка выпускает также шведская фирма Dynapac (рис. 6). Основные их технические параметры приведены в таблице 3.

Таблица 3
Фирма, страна Caterpillar, США Caterpillar, США Dynapac, Швеция
Модель катка815F825GCT262
Рабочий вес, тс20,933,321,4
Ширина одного вальца, мм98011201000
Количество вальцов444
Мощность двигателя, л. с.223320212
Скорость передвижения, км/час6,7–37,66,3–11,24,8–22,4

Единственным препятствием успешного использования скоростной технологии динамического уплотнения на устройстве насыпей зимой является большая длина рабочей захватки, необходимая для работы указанных катков на высоких скоростях, что в российских зимних условиях невозможно обеспечить из-за быстрой смерзаемости тонких слоев грунта.

Вообще высокая эффективность и широкие технологические возможности универсального ударного уплотнения грунтов всегда привлекали и дорожников, и разработчиков машин. Правда, до сих пор в дорожной отрасли нет пока ни одной модели высокопроизводительной, технологичной и надежной трамбующей машины. Хотя можно назвать не менее полутора десятков различных зарубежных и отечественных реально существовавших образцов таких машин – российский каток с падающими грузами Д-390А, дизельтрамбующая машина ЦНИИС-РРМЗ, трамбующая машина Д-471Б (ДУ-12) с двумя поочередно и свободно падающими плитами сзади гусеничного трактора, южноафриканский трамбующий каток с квадратным вальцом и др.

В этом отношении дорожных подрядчиков может обрадовать и даже породить у них некоторые надежды обнародованная в рекламных проспектах рыбинского завода «Раскат» подготовка к выпуску новой самоходной грунтотрамбующей машины МГТ (выставка в Санкт-Петербурге «Дороги XXI века», октябрь 2001 г.). Она представляет собой шарнирно-сочлененный аналог виброкатка ДУ-85, на котором вместо жесткого гладкого вальца установлены 4 крупные протекторные пневматические шины, т. е. декларируется создание грунтоуплотняющего пневмовиброкатка, который, по мысли разработчиков, должен будет работать в частоударном или трамбующем режиме.

Вообще пневмовиброкатки уже пытались создать в свое время в СССР (Саратов), США и Чехословакии. Но изначально эта идея была обречена на неудачу, о чем неоднократно и публично высказывался Ленфилиал СоюздорНИИ, что и подтвердили опытно-экспериментальные данные в этих странах и последующий отказ от дальнейших таких работ.

Дело в том, что на поверхности контакта ударяющей или вибрирующей автодорожной пневматической шины с грунтом давление никак не может быть больше допускаемых 7–8 кгс/кв. см (у авиационных шин оно выше, но не более 10–12 кгс/кв. см), иначе возникнут перегрузки шины и она быстро разрушится. Но даже таких предельных для шин давлений явно мало для эффективного динамического уплотнения грунтов, особенно мелкозернистых пылеватых и связных (на несвязных, для которых важно само вибрирование или шевеление частиц, успешно работают обычные гладковальцовые катки). Это первое.

Второе состоит в том, что вследствие «мягкости» или эластичности шины, даже при высокой ее прочности, не получить значительных контактных давлений, близких к давлениям трамбующих плит и виброударных гладковальцовых катков и достигающих 15–20 кгс/кв. см, а порой и больше. Податливость шины будет работать как обычный амортизатор или гаситель удара и вибрации, то есть не будет необходимой остроты удара и высоких давлений.

И, в-третьих, шина на статическом пневмокатке даже при указанных не очень высоких контактных давлениях хороша и полезна тем, что время действия ее давления на грунт относительно велико (0,30–0,40 сек. на рабочей скорости 3–4 км/час). При вибрировании же пневмоколесного «вальца» с частотой 30 Гц оно снижается до 0,015–0,20 сек, т. е. уменьшается в 20 раз, что существенным и, главное, негативным образом отразится на уплотняющей способности анализируемой грунтотрамбующей машины МГТ. Поэтому ожидать значительного эффекта от нее нет оснований.

Иногда при устройстве насыпей зимой возникают ситуации, при которых сложно, а порой и невозможно выполнить качественное уплотнение грунта. Так, например, случилось в свое время на зимней отсыпке земляного полотна через болото на участке Медвежьегорск – Сегежа автомобильной дороги «Кола» (Санкт-Петербург – Мурманск).

Фронт работ был настолько узким, что в зоне их выполнения мог разместиться только экскаватор, выполнявший выторфовку, бульдозер и один самосвал, доставлявший песок и увозивший торф. Дорожному катку в зоне работ места попросту не оказалось. Поэтому была предложена и реализована технология весеннего (после оттаивания грунта) доуплотнения сразу всей толщи насыпи высотой до 2,5–3,0 метров (вместе с ее подводной частью).

Использовались для этого тяжелые прицепные виброкатки весом 8 и 12 т, а также специально изготовленная трамбующая плита (вес 7 т, диаметр основания – 2 метра), подвешиваемая на экскаватор-драглайн.

Выполненное уплотнение грунта и последовавшее за этим устройство щебеночного основания и асфальтобетонного покрытия показали, что такой технологический прием гарантировал требуемое качество работ по уплотнению, выразившееся в отсутствии на этом участке не только просадок насыпи и разрушений оснований и покрытия, но и сколь-нибудь заметных деформаций, проявляющихся на несвязных грунтах, как правило, в течение первого же года эксплуатации дороги.

При организации земляных работ, разработке ППР и смет следует иметь в виду, что стоимость процесса уплотнения зимой несколько возрастает в основном за счет некоторого снижения производительности грунтоуплотняющей машины и удорожания ее зимней эксплуатации. И это не должно вызывать возражений, так как экономить на столь важной и ответственной операции не только нецелесообразно, но и недопустимо. Тем более, что она вообще очень дешевая и в сметах составляет всего несколько процентов от общей стоимости земляных работ. В этом и состоит парадоксальность ситуации в России с уплотнением грунтов, щебеночных материалов и асфальтобетонных смесей. Влияние качественных показателей этой операции на прочность, устойчивость и долговечность дороги в целом не адекватно нормируемым затратам на нее, что следовало бы поправить, если дорожная отрасль действительно хочет добиться существенных и реальных результатов в резком повышении качества ремонтируемых и строящихся дорог.




Опубликовано: 30.09.03
Версия для печати
Рубрика: Дорожные работы
Автор: Костельов М. П.  
Источник: Дорожная техника (Все статьи..)