Работа всех машин для уплотнения связана с приложением к поверхности грунтового слоя циклических нагрузок. Под последними понимаются следующие друг за другом процессы нагрузки и разгрузки грунтов. В результате внешних силовых воздействий в уплотняемом материале накапливаются необратимые (остаточные) деформации, способствующие повышению его плотности.

По принципу действия на грунт различают машины статического (укатка) и динамического (трамбование и вибрация) действия. Применяют также комбинированные методы уплотнения: виброукатку, вибротрамбование и сочетание укатки с трамбованием.

Рабочими органами машин служат вальцы или колеса, которые перекатываются по грунтовой поверхности. Под действием силы тяжести машин в местах контактов рабочих органов с грунтом возникают давления, вызывающие внутренние напряжения и деформации уплотняемого мате риала. Интенсивность образования необратимых деформаций определяет эффективность работы уплотняющих средств.

К машинам статического действия, уплотняющим грунты, относятся кулачковые, решетчатые и пневмоколесные катки.

Трамбующие машины основаны на ударном действии их рабочих органов. Последние в момент их контакта с грунтовой поверхностью обладают определенным количеством движений. В процессе удара за очень короткий промежуток времени большая часть кинетической энергии рабочего органа переходит в другие виды энергии. Процесс сопровождается весьма быстрым повышением давления на поверхности контакта и последующим быстрым его спадом.

В отличие от катков эффект уплотнения определяется не только массой рабочего органа, но и скоростью в момент удара и частотой приложения уплотняющих воздействий.

Уплотнение грунта трамбованием может осуществляться механическим трамбованием (пневматическими и электрическими трамбовками, а также трамбовками с бензиновым двигателем и взрывного действия); машинами с падающими плитами; навесными плитами на экскаваторах и кранах.

Рабочие органы вибрационных машин, совершая колебательные движения, вводят в состояние колебаний уплотняемые объемы грунта. Ввиду того что массы частиц неодинаковы, возникают различные силы их инерции. В результате разности сил инерции в местах контактов частиц появляются напряжения сдвига. До известных пределов эти напряжения уравновешиваются силами сцепления. После превышения этих пределов возникают взаимоперемещения частиц, приводящие к уплотнению грунта. Напряжения сдвига пропорциональны инерционным силам, поэтому их величина зависит также и от ускорений, которые развиваются от колебательных движений.

Относительное перемещение частиц наступает тем скорее, чем больше различие в массах частиц и чем меньше силы связи, поэтому успешному виброуплотнению поддаются несвязные и малосвязные грунты. На эффект уплотнения оказывает большое влияние тиксотропия грунтов, появляющаяся при вибрировании.

Совершая колебательные движения, частицы фунта, находясь под действием силы тяжести, стремятся занять положение, соответствующее их наименьшему потенциалу, т. е. перемещаются вниз.

Наибольший эффект уплотнения достигается, когда наступает резонанс вынужденных колебаний и собственных колебаний грунта.

К машинам, уплотняющим грунты под воздействием возмущающей силы вибровозбудителя, относят прицепные и самоходные вибрационные катки и плиты.

Эффективность использования уплотняющих средств определяется их производительностью, интенсивностью накопления остаточных деформаций в уплотняемом фунте и энергоемкостью процесса. Ее значения зависят от правильности выбора метода уплотнения, типа машин и режимов их работы.

—

При возведении насыпей необходимо уплотнение грунтов, так как неуплотненные грунты оседают и деформируются. Уплотнение грунтов достигается укаткой, трамбованием и вибрацией. При укатке уплотнение происходит под статическим роздействием веса перекатываемого катка по поверхности уплотняемого материала. При трамбовании уплотнение достигается динамическим воздействием падающего груза на поверхность уплотняемого материала. При вибрационном уплотнении вибрирующая масса оказывает динамическое воздействие на уплотняемый материал, сообщая колебательное движение его частицам, в результате чего грунт получает большую подвижность и уплотняется.

Укатка производится прицепными и моторными катками. Различают катки с металлическими вальцами (гладкие и кулачковые) и катки на пневматических шинах.

Прицепные кулачковые катки предназначаются для уплотнения связных грунтов, и в первую очередь тяжелых комковатых, требующих измельчения комьев. Главным параметром кулачковых катков является их общий вес при полной загрузке балластом. Для загрузки балласта (обычно песок) вальцы катков имеют люки в торцовых стенках. Кулачки прикреплены к съемным бандажам, надетым на гладкие полые барабаны. На раме катка установлены гребенки для очистки дулачков. Кулачковые катки весом 5 т уплот-яяют грунт на глубину до 25—35 см, а весом 29 т — до 50—80 см. Типажом на кулачковые катки предусмотрен выпуск прицепных кулачковых катков, вес которых с балластом составляет 9; 18 и 28 т.

Катки на пневматических шинах подразделяются на прицепные, полуприцепные и самоходные. Полуприцепные катки применяются, как правило, для уплотнения грунтов, а самоходные — для уплотнения дорожных оснований и покрытий преимущественно. Большие площади контакта шин с грунтом обеспечивают его уплотнение на большую глубину при меньшем количестве проходов, чем при укатке кулачковыми и гладкими металлическими катками. Полуприцепные катки на пневматических шинах более производительны и маневренны, нежели прицепные. Типаж на катки на пневматических шинах предусматривает выпуск прицепных катков весом 12,5; 25; 50 и 100 г, полуприцепных (к одноосным тягачам) весом 15; 30 и 45 г, а также самоходных весом 16 и 35 г.

Прицепные вибрационные катки предназначаются для уплотнения несвязных и малосвязных грунтов и материалов. Эффективность вибрационных катков превышает эффективность катков статического действия в 8—10 раз. Внутри прицепного катка монтируется вибратор направленных колебаний, получающий вращение от вала, установленного на раме катка, двигателя внутренного сгорания. Типаж на машины для уплотнения грунтов предусматривает изготовление прицепных вибрационных катков весом 3; 6 и 12 т.

Моторные катки с гладкими металлическими вальцами изготавливаются двух- и трехвальцовыми, двухосными весом 10—15 т.

Трамбовочные машины. Эффективным средством уплотнения грунтов при толщине слоя до 1,5 м являются трамбующие плиты, подвешиваемые на подъемных канатах кранов и экскаваторов. Чугунные или железобетонные плиты весом 2—3,5 т поднимают на высоту 1—3 м и сбрасывают на уплотняемый грунт. Трамбующие плиты позволяют производить уплотнение как связных, так и несвязных грунтов слоями значительной толщины. Основной недостаток таких плит—повышенный износ отдельных элементов экскаваторов и кранов в результате интенсивности динамических нагрузок.

В последние годы изготовлены трамбующие машины на базе тракторов С-100. В дизель-трамбовочной машине уплотнение грунтов производится в результате работы комплекта дизельных трамбовок, установленных на раме машины. Эти трамбовки, работающие по принципу дизель-молотое, обеспечивают уплотнение супесчаных грунтов на глубину 1,4 м при 3—4 проходах машины. Вес ударной части каждой трамбовки 210 кг, число ударов в 1 мин—70.

Вибрационные плиты применяются преимущественно для уплотнения малосвязных грунтов, гравийно-шебеночных материалов и дорожных покрытий. Тяжелые виброплиты с большими удельными динамическими нагрузками на поверхность уплотняемого грунта можно использовать и для уплотнения связных грунтов. Преимущество таких плит заключается в том, что они могут передвигаться под воздействием силы, возбуждающей вибрацию. При малых габаритных размерах и небольшом весе они отличаются высокой эффективностью и пригодностью для работ в условиях, где невозможно или нерационально использование машин других типов, в том числе и вибрационных катков.

Вибрационные плиты обычно выполняются с приводом от двигателя внутреннего сгорания. Устанавливаемые на них вибраторы позволяют изменять направления колебаний, в результате чего изменяется направление и скорость передвижения самой виброплиты.

—

Свежеуложенный грунт в земляном сооружении должен быть уплотнен во избежание самопроизвольного изменения геометрической формы и просадок. Для понижения водопроницаемости земляного сооружения применяют искусственное уплотнение грунтов.

Для эффективного уплотнения необходимо на его поверхности создать удельные давления, близкие к пределу прочности (0,9—1).

Способ уплотнения грунтов и число приложений нагрузки зависят от свойств грунта: связности, влажности, гранулометрического состава, требуемой степени уплотнения.

Работа вибраторов синхронизирована при помощи промежуточного вала. Они приводятся в действие от двигателя внутреннего сгорания при помощи клиноременных передач. Двигатель установлен на плите через амортизаторы, предохраняющие его от вибрации.

Вес прицепной виброплиты Д-480 равен 3 т, ширина уплотняемой полосы 1,4 м, производительность 150 м3/ч. Буксирный трактор ДТ-54.

Для обеспечения условий безопасности нельзя отцеплять тракторы от прицепных катков, находящихся на поверхности с уклоном более 5°. Перед отцепкой под каток должен быть предварительно подложен башмак.

Во время работы машины ударного действия запрещается производить на ней какие-либо работы по уходу и регулировке, производить чистку и смазку, а также заходить в пространство между трактором и рабочим органом и оставлять машину без присмотра.

Не разрешается работа грунтоуплотняющих машин на уклонах более 5°. Запрещается находиться на раме виброплиты или виброкатка при включенном вибраторе.

—

Долговечность и устойчивость земляных сооружений и сооружений, возведенных на грунтовых основаниях, зависят от качества уплотнения. Уплотнение грунтов — одна из важных операций в технологическом процессе строительства. Качество уплотнения зависит от правильного подбора и использования уплотняющего оборудования, определяемого характером грунтов и условиями производства работ. Грунты уплотняют в насыпях, на откосах, при засыпке траншей и котлованов, на больших площадях и в труднодоступных Meci-ах, в стесненных условиях. Для таких разнообразных условий работы требуются особые машины, которые различаются как по конструкции, так и по принципу действия. Основная масса машин предназначена для уплотнения насыпных грунтов.

Процесс уплотнения грунтов включает в себя две идущие параллельно операции: разрушение существующей структуры грунта и создание новой, более устойчивой к различным механическим воздействиям. Чем менее прочна исходная структура грунта, тем легче она разрушается и, следовательно, тем эффективнее уплотнение и наоборот. При уплотнении частицы грунта смещаются. Это необходимо для наиболее компактной их укладки, вытеснения жидкой и газообразной фазы и сопровождается уменьшением объема и формированием плотной и прочной структуры, способной выдерживать нагрузки, связанные с эксплуатацией инженерных сооружений.

Однократная нагрузка и разгрузка грунта вызывает как остаточные, так и упругие деформации, причем остаточные деформации значительно превосходят упругие. При многократном действии нагрузки и разгрузки соотношение упругой и остаточной деформаций постепенно меняется и, грунт, в конце концов, приходит в состояние, отличающееся постоянством его упругих свойств.

Если увеличить нагрузку сверх той, при которой упругие свойства грунта стали постоянными, то в грунте вновь возникнут остаточные деформации, которые при достаточно большом числе повторений нагрузки и разгрузки приведут его в новое стабилизированное состояние с большим модулем упругости. Увеличивать нагрузку можно лишь до тех пор, пока не будет достигнут предел прочности грунта. С дальнейшим повышением нагрузки появляются преимущественно деформации сдвига, сопровождающиеся трещинами и даже разрыхлением сложившейся структуры. Это свидетельствует о том, что предел прочности грунта превзойден.

Рассматривая процесс накопления необратимой деформации уплотняемого грунта при однократном или периодическом нагружениях, следует иметь в виду, что качественных различий между ними нет. В обоих случаях при одинаковых силах деформации зависят от времени (непрерывного или суммарного) действия нагрузок. Однако при одинаковом общем времени действия нагрузки рост необратимых деформаций под действием периодического нагружения идет несколько быстрее. Объясняется это тем, что во время периодических разгрузок грунта частично или полностью успевает восстанавливаться лишь обратимая часть деформации. При этом несколько изменяется взаимная ориентация частиц грунта и уменьшается их самозаклинивание. Поэтому при повторном нагружении деформация грунта облегчается.

С учетом этих свойств грунтов уплотнение их машинами производят посредством периодически повторяющихся нагружений и разгрузок грунта — так называемых цикличных нагрузок. При таком режиме работы чередуются изменения напряженного состояния грунта.

В зависимости от характера нагружений меняются максимальное значение достигаемого напряжения, скорость его изменения и время действия нагрузки, т. е. основные факторы, определяющие эффективность уплотнения.

Характер изменения напряженного состояния под рабочим органом определяет проявление тех или иных свойств грунта. Поэтому в зависимости от вида нагружения различают статические и динамические воздействия на грунт. Статическое воздействие характеризуется сравнительно небольшими скоростями изменения напряженного состояния грунта и происходит оно под действием постоянной или плавно изменяющейся нагрузки. Такое воздействие реализуется обычно давлением массивного колеса или барабана, перекатываемого по поверхности уплотняемого грунта.

При динамическом воздействии на грунт резко изменяется напряженное состояние его под ударами массивного элемента рабочего органа вследствие прохождения через грунт ударных волн, вибрационного воздействия и т. п.

В соответствии с различными воздействиями на уплотняемый грунт выпускают машины статического (прессование, укатка) и динамического действия (удар, вибрация, удар совместно с вибрацией). Границы между указанными типами машин часто оказываются довольно расплывчатыми. Так, при работе машин статического действия наблюдаются динамические эффекты, которые в зависимости от конструктивного исполнения машины и режима ее работы могут быть выражены в большей или меньшей степени. Трудно установить также четкую границу между ударно-вибрационными и вибрационными машинами. Еще сложнее разграничить ударно-вибрационные и ударные машины.