Современные требования к рациональному использованию территорий под строительство часто приводят к необходимости возведения объектов в сложных инженерно-геологических условиях. Наиболее эффективным методом инженерной подготовки территорий, представленных слабыми сильносжимаемыми грунтами, является интенсивное ударное уплотнение. Применение этого метода возможно в сочетании с другими способами, что позволяет проектировать наиболее экономичные технологии, обеспечивающие высококачественную подготовку оснований, обладающих малой деформируемостью и большой прочностью.
Важным преимуществом технологии интенсивного ударного уплотнения перед другими методами подготовки оснований является возможность совместного уплотнения слабого сильносжимаемого основания и насыпи (либо ее части), что в значительной степени облегчает производство работ в болотистой местности, поймах равнинных рек и в других подобных случаях, когда несущая способность естественного основания недостаточна для восприятия нагрузки от возведенной насыпи.
Анализ грунтовых условий Республики Беларусь показывает, что на ее территории интенсивное динамическое уплотнение грунтов возможно при строительстве промышленных и гражданских зданий и сооружений, автомобильных дорог, аэродромов и других объектов.
Метод интенсивного ударного уплотнения грунтов основан на использовании энергии ударных воздействий, прикладываемых к поверхности грунта сбрасыванием трамбовок массой 7…700 т с высоты 10…40 м.
Эффективность интенсивного динамического уплотнения грунта трамбовками определяется такими технологическими параметрами, как:
- время нанесения удара;
- величина создаваемых в грунте при ударе динамических контактных напряжений;
- энергия одного удара;
- расстояние между центрами отпечатков.
В Брестском государственном техническом университете (БрГТУ) разработан ряд новых трамбовок, позволяющих повысить эффективность уплотнения грунта.
Как показывают исследования, чем больше время нанесения удара, тем выше эффект уплотнения.
Время наносимого сбрасываемой трамбовкой удара можно увеличить посредством использования многомассовых трамбовок (Патенты РБ 1551 от 01.03.2004 г., 1552 от 01.03.2004 г, 1557 от 24.02.2004 г, 1560 от 27.02.2004 г.), благодаря чему повышается коэффициент полезного действия удара.
Одна из многомассовых трамбовок представлена на рис.1 (Патент РБ 1551 от 01.03.2004 г., фото 1). Корпус выполнен из верхней, двух промежуточных и нижней секций, расположенных в полости втулки, причем верхняя промежуточная секция жестко соединена с втулкой, а остальные секции монтированы с возможностью осевого перемещения и фиксации посредством стопоров относительно втулки и друг друга. Вначале для уплотнения грунта используют трамбовку без стопоров. При подъеме трамбовки между секциями образуются зазоры. При сбрасывании трамбовки на точку уплотнения грунта вначале с грунтом взаимодействует, нанося удар, нижняя секция, затем, после выборки зазоров между секциями, каждая из промежуточных и верхняя секции, благодаря чему увеличивается время воздействующего на грунт ударного импульса. За один цикл, в общей сложности, наносится 4 удара, с созданием минимальных динамических напряжений в грунте. Увеличение времени ударного импульса позволяет на 10-15% повысить КПД удара и, тем самым, снизить энергоемкость уплотнения грунта.
|
Рисунок 1. Схема многомассовой трамбовки: |
Для увеличения создаваемых в грунте динамических напряжений соединяют посредством стопоров между собой нижнюю секцию и прилегающую к ней промежуточную. При подъеме переоборудованной трамбовки за петли штока зазор образуется только между промежуточными секциями, поэтому при падении трамбовки наносится 2 удара, при этом создаваемые в грунте динамические напряжения увеличиваются в два раза (при одинаковых массах секций). Для максимального увеличения создаваемых в грунте динамических напряжений скрепляются между собой все секции, в этом случае при подъеме трамбовки между секциями не образуются зазоры, и при падении наносится один удар с максимальной его энергией.
При уплотнении грунта трамбовками с созданием в грунте в процессе его уплотнения возрастающих динамических контактных напряжений от 0,6 до 2 МПа через интервал 0,45…0,7 МПа глубина уплотнения увеличивается на 15-20% с одновременным снижением энергозатрат на 14%. Кроме того, обеспечивается получение устойчивой плотности всей массы уплотненного грунта, так как исключается образование буферной зоны (взрыхленного слоя).
Возрастание создаваемых трамбовкой в грунте динамических контактных напряжений может быть обеспечено путем:
- уменьшения рабочей площади трамбовки;
- увеличения массы трамбовки;
- увеличения высоты сбрасывания трамбовки.
Для изменения рабочей площади и массы трамбовки на объекте достаточно иметь набор трамбовок с разными указанными параметрами, однако при этом увеличиваются затраты труда на уплотнение грунта, связанные с необходимостью периодической замены трамбовок.
Указанный недостаток устраняет разработанный в БрГТУ способ уплотнения грунта, в котором используется трамбовка в виде прямой четырехгранной призмы с разными длиной, шириной и высотой, а изменение рабочей площади трамбовки производят путем последовательного ее поворота в вертикальной плоскости на 90º в направлении уменьшения рабочей площади (рис. 2).
Рисунок 2. Способ уплотнения грунта трамбовкой в виде прямой четырехгранной призмы с разными длиной, шириной и высотой:
а) общий вид трамбовки; б) схема формирования уплотненного слоя грунта на первом этапе при начальной величине Рн динамического контактного напряжения; в) то же, на втором этапе при возросшей величине динамических контактных напряжений; г) то же, на третьем этапе при предельной величине создаваемых в грунте динамических напряжений:
1 – уплотняемый грунтовый массив; 2 – трамбовка в виде прямой четырехгранной призмы; 3 – петля; 4 – уплотненная зона грунта
Однако трамбовкой, представленной на рис.2, обеспечивается только два интервала увеличения динамических контактных напряжений.
Для увеличения количества интервалов возрастания создаваемых трамбовкой динамических контактных напряжений к основаниям и/или боковым граням выполненного в виде прямой четырехгранной призмы корпуса соосно прикреплены трамбующие плиты с разной рабочей площадью (патент РБ 1923 от 17.09.2004 г., рис.3, фото 2).
Рисунок 3. Общий вид трамбовки в виде прямой четырехгранной призмы с прикрепленными к основаниям и боковым граням призмы трамбующими плитами:
1 – корпус; 2 – прямая четырехгранная призма; 3 – основания призмы; 4 – боковые грани призмы; 5 – трамбующие плиты; 6 – выемка; 7 – перекладина; 8 - петли
Количество трамбующих плит определяется количеством интервалов (шагов) возрастания динамических контактных напряжений. При количестве интервалов равном пяти к призме прикрепляется шесть плит (рис.3), а при трех – четыре плиты. В последнем случае плиты достаточно прикрепить только к боковым граням призмы.
Масса трамбовки, высота ее сбрасывания и максимальная рабочая площадь плиты подбираются из условия обеспечения начальных динамических контактных напряжений 0,6 МПа.
Обеспечить возможность регулирования создаваемых в грунте динамических контактных напряжений одной трамбовкой без существенного уменьшения размеров зоны уплотнения грунта в плане позволяет кольцевая трамбовка, изображенная на рис. 4 (фото 3). Предлагаемая трамбовка содержит цилиндрический корпус c нижним и верхним основаниями. К верхнему основанию корпуса соосно прикреплен выступ в виде втулки с кольцевым поперечным сечением, внутренний диаметр рабочей части которой принимается из условия пересечения в плане зон уплотнения грунта участками торца втулки. В стенках верхней части втулки выполнены сквозные отверстия, соединяющие полость втулки с атмосферой.
На первой стадии уплотнения путем многократного подъема и сбрасывания трамбовкой наносятся удары нижним основанием корпуса (рис.4 а), при этом в грунте создаются динамические контактные напряжения 1…1,5 МПа.
а) |
б) |
Рисунок 4. Схема кольцевой трамбовки, обеспечивающей двухстадийное уплотнение:
1 – корпус; 2 – средняя секция; 3 – крайние секции; 4 – шарниры; 5 - зазор; 6,7 – верхние и нижние петли; 8 - дополнительные петли; 9 – отводные упоры; 10 – стропы; 11- штыри; 12 - накладки
На второй стадии производят заключительный этап уплотнения путем нанесения ударов втулкой до отказа понижения поверхности с образованием отпечатков и полным формированием пересекающихся зон уплотнения грунта (рис.4б), при этом в грунте создаются динамические контактные напряжения 2,1 МПа.
Увеличение энергии в строительной практике чаще всего обеспечивается увеличением массы и высоты сбрасывания трамбовки, однако данное увеличение ограничивается грузоподъемными параметрами применяемых базовых машин.
Увеличить энергию одного удара трамбовки, при ее неизменных массе и высоте сбрасывания, позволяет трамбовка (патент РБ 2377 от 31.05.2005 г.), представленная на рис.5.
Трамбовка включает корпус и соосно прикрепленный к нему дизель-молот, в стенках цилиндра которого выполнены вертикальные прорези, через которые пропущены радиальные упоры, предотвращающие выход поршня за пределы цилиндра.
|
Рисунок 5. Трамбовка с повышенной энергией одного удара (Патент РБ 2377): |
При подъеме трамбовки за петлю поршня тросом грузоподъемного механизма вначале поднимается поршень, а затем и вся трамбовка, с образованием между поршнем и шаботом зазора. Затем трамбовку сбрасывают на точку уплотнения грунта. При нанесении удара вначале с грунтом взаимодействует корпус с цилиндром и шаботом, а затем – поршень дизель-молота. В момент нанесения удара поршнем в камере сгорания, в результате сжатия воздуха, происходит самовоспламенение впрыскиваемого топлива, при этом поршень подбрасывается вверх с одновременной дополнительной пригрузкой корпуса, благодаря чему увеличивается энергия наносимого трамбовкой удара, что позволяет на 15-20% уменьшить требуемое количество наносимых ударов для уплотнения грунта.
При уплотнении грунта падающими трамбовками наиболее высокая плотность грунта имеет место в точках, расположенных по вертикали, проходящей через центр трамбовки. По мере удаления от вертикали в стороны плотность грунта уменьшается и на каком-то расстоянии уплотнение практически отсутствует.
С целью получения более однородного грунтового основания по плотности целесообразно размещение точек уплотнения грунта в вершинах равностороннего треугольника. В БрГТУ разработана методика определения расстояния между точками уплотнения, позволяющая получить более качественное основание по сравнению с ранее применяемыми методами. Однако и предложенная методика обладает недостатками, основными из которых могут быть названы невысокая производительность трамбования, а также несколько меньшая эффективность уплотнения вследствие создания в межточечных зонах незначительных динамических напряжений под воздействием одиночных, наносимых с разрывом по времени ударов.
Для устранения указанных недостатков разработан способ уплотнения грунта, при котором нанесение ударов происходит секциями одновременно в трех точках, расположенных в вершинах равностороннего треугольника (Патенты РБ 2077 от 29.12.2004 г., 2199 от 21.02.2005 г.).
 |
Рисунок 6. Составная трамбовка, обеспечивающая нанесение ударов сразу в трех точках: |
Благодаря предлагаемому способу в месте пересечения создаваемых секциями зон уплотнения грунта создаются увеличенные примерно в три раза динамические напряжения и, тем самым, увеличивается на 30-40% плотность грунта, и повышается в 1,5-2 раза производительность трамбовки за счет сокращения количества циклов ее работы.
Для реализации способа используется составная трамбовка (рис.6, фото 4), выполненная из трех цилиндрических секций, расположенных в вершинах равностороннего треугольника, сторона которого принимается из условия образования общей зоны уплотнения.
