Поняття про укріплення ґрунтів. Методи укріплення ґрунтів. Механічні методи укріплення ґрунтів

Лекція № 1. Поняття про укріплення ґрунтів. Методи укріплення ґрунтів. Механічні  методи укріплення ґрунтів

Розділ 1. Поняття про укріплення ґрунтів. Методи укріплення ґрунтів. Механічні  методи укріплення ґрунтів

Лекція № 1. Поняття про укріплення ґрунтів. Методи укріплення ґрунтів. Механічні методи укріплення ґрунтів

 

Вступ

Широке використання місцевих ґрунтів різного складу, властивостей і генезису як основної сировини для отримання повноцінних  будівельних матеріалів із заданими властивостями – важлива задача дорожнього будівництва.

В останні роки спостерігається суттєве збільшення об’єму дорожнього будівництва в Україні. Поряд з цим виріс об’єм будівництва в складних інженерно-геологічних умовах. Все частіш для будівництва використовуються ділянки, що складаються із так званих слабких ґрунтів – мули, заторфовані ґрунти, просадочні ґрунти, набрякаючі ґрунти, засолені ґрунти.

Деякі із вказаних ґрунтів (мули, заторфовані ґрунти) в природному стані мають невисоку несучу здатність і підвищену стискальність.

Для інших характерно суттєве погіршення механічних властивостей при певних впливах (наприклад, замочування просадочних ґрунтів, розсолення засолених ґрунтів і ін.). Недооцінка цих явищ може привести до великих, часто нерівномірних осадок, а в гіршому випадку до втрати стійкості основи.

 

Поняття про  укріплення ґрунтів. Методи укріплення ґрунтів

Сучасний стан науки, конструкторської та технологічної бази дають широкий вибір заходів стосовно будівництва в складних умовах. Багато з цих заходів виявляються чи неєдиними для вирішення тієї чи іншої задачі.

Розробка різних методів укріплення ґрунтів була почата в світі на початку 30-х років минулого ст. Багаторічний досвід досліджень показав, що при практичному впроваджені методів укріплення ґрунтів потрібно враховувати як вихідні властивості ґрунтів так і умови експлуатації автомобільної дороги.

Необхідно відмітити, що кінцева задача різних методів укріплення ґрунтів – створення таких матеріалів (конструкцій), що відповідають всім технічним вимогам виходячи із реальних умов роботи тієї інженерної споруди для якої вини створюються.

Тобто грунт штучно укріплюють для підвищення його міцності, здатності розподіляти напруження, зменшення стискальності, тощо.

В зв’язку з цим розрізняють  такі методи укріплення ґрунтів:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

На основі цього можна сказати, що під укріпленням ґрунтів можна розуміти комплекс заходів з підвищення його міцності і водостійкості, що забезпечить його стійкість як в сухому так і водонасиченому стані.

 

Механічні методи укріплення ґрунтів.

Механічне покращення ґрунту досягають: а) покращенням зернового складу; б) ущільненням; в) армуванням; г) покращення роботи основи.

Перші два способи мають за мету збільшення об'ємної частки твердої фази (С_s). Третій та четвертий способи застосовують з метою покращення напружено-деформованого стану ґрунту.

1.1. Покращення зернового складу ґрунту

В ґрунтах оптимального зернового складу великоуламкові або піщані частинки утворюють просторовий каркас («скелет»), який сприймає зовнішнє навантаження. Пилуваті частинки, що розміщені в порах грунту між більш крупними частинками, підвищують стійкість каркасу. При високій вологості каркас, що утворений крупними зернами, повинен вносити основний вклад опору зсуву. Глинисті частинки, склеюючи більш крупні зерна між собою, придають грунту зв’язність при його малій вологості.

Грунт оптимального зернового складу повинен містити 60-80% піщаних, 15-35% пилуватих і 5-10 % глинистих частинок. При невідповідності зернового складу даного грунту оптимальному рекомендується приймати гранулометричну добавку.

В суглинки чи в пилуваті супіски  додають гравій чи пісок, а в гравій або пісок – суглинок. Таким шляхом досягається збільшення об’ємної частики твердої фази.

В якості прикладу приведені оптимальні склади супісків:

Розміщення шарів в дорожньому покритті полегшеного типу	Кількість частинок (% за масою), що проходять  через сито з отворами, мм
	2	1	0,5	0,25	0,1
Верхній шар	80-100	50-80	40-60	30-50	25-35
Нижній шар	80-100	-	35-60	20-50	10-35

 

Однак варто відмітити, що у всіх випадках слід віддавати перевагу сумішам  з крупнозернистим скелетом, що містить гравійні чи щебеневі частинки.

 

 

Деякі пояснення

Експериментальні дослідження показують, що внутрішні зусилля в ґрунті від зовнішнього навантаження розподілені нерівномірно, а уздовж окремо витягнутих ланцюжків більш крупних частинок.

 

 

 

 

 

 

 

 

Крім того, в навантаженому ґрунтовому масиві знаходяться ненавантажені (ізольовані) крупні частинки.

Роль дрібних частинок полягає  в забезпеченні стійкості так  званих «колонок» крупних частинок, за такою приблизною схемою:

 

 

 

 

 

 

Для отримання такого стійкого «каркасу»  необхідно, щоб об’ємна доля крупних частинок була неменшою С_s^кр>0,16. Тобто:

 або 

Наприклад, для супіску е=(0,45-0,75), тоді . Тобто для створення

 оптимального зернового складу  мінімальна частка крупних зерен (в даному випадку піску) повинна становити не менше 23-28% за масою від загальної кількості ґрунтових часток.

Для підбору оптимального зернового складу ґрунту чи покращення існуючого ґрунту шляхом змішування його з привозним зручно користуватися трикутною діаграмою Фере.

Трикутна діаграма призначена для зображення вмісту у грунті трьох  фракцій: піщаної, пилуватої та глинистої, а в подальшому для підбору  складу оптимальних ґрунтових сумішей. Ідея побудови трикутної діаграми полягає  у тому, що у рівносторонньому трикутнику сума довжин перпендикулярів (h₁, h₂, h₃), опущених із будь-якої точки, що знаходиться всередині трикутника, на три його сторони, дорівнює висоті цього трикутника і є величиною постійною тобто можна прийняти за 100 %.

Тоді якщо вважати координатними прямими сторони рівностороннього трикутника відклавши уздовж однієї із них вміст піщаної фракції, уздовж другої – глинистої, а уздовж третьої – пилуватої, то вміст цих фракції буде дорівнювати стороні трикутника, або 100%.

В якості прикладу на діаграмі крапкою Д, зображений зерновий склад ґрунту, який містить 10% піщаної, 50% пилуватої і 40% глинистої фракції.

На трикутній діаграмі можна зобразити область, що охоплює ґрунти оптимального зернового складу. Цим зерновим складам відповідають крапки всередині чотирикутника, зображеного на трикутній діаграмі

 

 

Розрахунок необхідної кількості гранулометричної домішки - ґрунту, що розробляється у кар’єрі та доставляється до місця будівництва дороги для поліпшення існуючого ґрунту - може бути зроблений графо-аналiтично за допомогою даної трикутної діаграми.

На трикутну діаграму наносять границі зони оптимальних  зернових складів. Після цього наносять дві крапки, одна з яких відповідає існуючому ґрунту (крапка А), а інша (крапка В) - ґрунту, який доставляється з кар’єру (привозному). Крапки А та В з`єднують прямою. Якщо пряма АВ пересікає зону оптимальних зернових складів, то шляхом змішування існуючого та привозного ґрунтів може бути одержана оптимальна суміш.

На прямій АВ, що з’єднує крапки, відповідні існуючому та привозному ґрунтам, вибирають крапку, наприклад С, яка характеризує деяку оптимальну суміш. Крапка С ділить відрізок АВ на два відрізки АС та ВС. У відсотках за масою сухої ґрунтової суміші необхідна кількість привізного ґрунту визначається формулою, %

,     (7.1)

Відповідна кількість  існуючого грунту, який використовується для змішування, %:

а =100 - в ,     (7. 2)

де АС, АВ - довжини відповідних відрізків, мм.

Якщо ж пряма, що з’єднує  крапки А та В, не пересікає зону оптимальних зернових складів, то при змішуванні існуючого грунту із привізним оптимальна суміш не буде одержана. У цьому випадку треба шукати іншій кар’єр із відповідним ґрунтом.

 

1.2. Ущільнення ґрунту

Іншим способом покращенням ґрунту, що широко використовується в дорожньому будівництві є його ущільнення.

Методи ущільнення ґрунтів поділяються  на поверхневі, коли ущільнення виконують на поверхні і які викликають ущільнення порівняно невеликої товщини шарів, і глибинні при передачі ущільнюючих впливів на значні по глибині ділянки ґрунтового масиву.

Поверхневе ущільнення виконують  укоченням, трамбуванням, вібрацією, поверхневими вибухами та ін засобами. До методів глибинного ущільнення відносяться влаштування ґрунтових паль, глибинне віброущільнення, ущільнення статичним привантаженням  разом з влаштуванням вертикального дренажу, водопониження, глибинні вибухи та ін.

При будь-якому режимі ущільнення підвищення щільності грунту проходить  тільки до певної межі, яка залежить від виду та фізичного стану грунту.

За ущільнену зону приймають  таку товщину грунту, в межах якої щільність скелету грунту (коефіцієнт ущільнення) не нижча заданого в  проекті або допустимого її мінімального значення.

Ущільнення укоченням 

Внаслідок того, що укоченням вдається ущільнити грунти тільки не невелику товщину, цей метод в основному використовують при пошаровому зведенні ґрунтових подушок, насипів земляного полотна та при підсипці основ під підлоги.

Ущільнення укоченням виконують  самохідними і причіпними котками  на пневмоходу, завантаженими скреперами, автомашинами, тракторами та ін. Ущільнення досягається багаторазовим проходженням по одному сліду ущільнюючих механізмів (від 6 до 12 раз). Причому вологість ґрунтів при ущільненні повинна відповідати оптимальній. При вологості меншій за оптимальну, грунти необхідно зволожувати, а при більшій – просушити.

При укоченні грунт ущільнюють під  дією тиску від вальців чи коліс. Цей тиск має порядок 0,5-1,0 МПа  і викликає незворотні деформації в  грунті, ущільнюючи його на глибину 15-30 см (пошарово).

 

 

 

 

 

Тиск під котком і ширина смуги  контакту вальца з грунтом можуть бути оцінені за допомогою вирішення  задачі Герца про контакт жорсткого  циліндра і пружного напівпростору (він отримав вирішення даної задачі в 20 років на студентських канікулах).

Розглянемо застосування залежності Герца на такому прикладі:

• маса вальца – Q=40 кН;
• довжина вальца – L=1м;
• радіус вальца – R=0,5 м;
• грунт в кінці ущільнення має – Е= 20 МПа, φ=25⁰ та ν=0,3.

 

 

 

 

 

 

 

 

Тиск на грунт можна  визначити за такою залежністю

де  ,

Тобто

Звідси можна визначити  глибину активної зони ущільнення:

 

де  =1 – при ущільненні масиву ґрунту з поверхні;

=1,2 – при пошаровому ущільненні;

b – напівширина смуги ущільнюючого органу з ґрунтом в кінці ущільнення і яку можна визначити за наступною залежністю

;   2b=7 см

Тоді для даного прикладу

 

При трамбуванні грунт ущільнюють ударом робочого органу, який був спущений з деякої висоти. В якості робочого органу використовують залізобетонні плити та чавунні виливки масою 1-4 т, які скидають з висоти 3-4 м за допомогою кранів.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таким чином доцільно ущільнювати піщані рихлі ґрунти зі ступінню вологості менше 0,7 (S_r<0,7), а також просадочні ґрунти при оптимальній вологості (w_opt≈ w_p±2%). В таких умовах трамбуванням досягають ущільнення на глибину 1,5-2 м. Крім того трамбування проводять до тих пір коли вертикальне залишкове переміщення поверхні масиву від одного удару трамбовки (˝відказ˝) досягне заданої величини:

• для піску – 0,5-1,0 см;
• для глинистих ґрунтів – 1-2см.

В останні роки ущільнюють потужні  товщини водонасичених ґрунтів  на глибину до 40 м трамбовками масой 10-200 т, скидаючи їх з висоти 40 м. Глибину зони ущільнення визначають по емпіричній формулі