Естественное уплотнение грунтов — длительный процесс, поэтому при поточно-скоростном строительстве дорог, когда весь комплекс работ выполняется в течение одного сезона, приходится прибегать к искусственному уплотнению.

Существует три принципиально различных способа искусственного уплотнения грунтов: укатыванием, трамбованием, вибрированием.

Уплотнение укатыванием происходит в результате давления, создаваемого вальцами колесами, перекатывающимися по поверхности уплотняемого материала; по такому принципу работают все катки. Трамбование осуществляется ударами рабочих органов машин, вибрирование — передачей грунту колебательных движений, от действия которых и вертикальной нагрузки минеральные частицы взаимно перемещаются и материал уплотняется.

Независимо от способа уплотнения в результате приложения к поверхности грунта кратковременных нагрузок возникают деформации двух видов: обратимые (упругие), т. е. восстанавливающиеся после снятия нагрузки, и необратимые (остаточные). Последние, составляющие цель процесса уплотнения, в свою очередь подразделяются на объемные деформации, протекающие с уменьшением объема уплотняемого материала, и на деформации только формы (пластическое течение грунта).

При уплотнении обычно наблюдаются оба вида необратимых деформаций, но соотношение их меняется. Оно зависит от состояния грунта, величины и характера приложения нагрузки. Чем больший удельный вес приходится из всех необратимых деформаций на объемные деформации, тем успешнее протекает процесс уплотнения грунта.

При сравнительно малой величине внешних нагрузок необратимые деформации в основном происходят за счет изменения объема грунта, вызывая его уплотнение. При высоких значениях нагрузок необратимые деформации в основном происходят за счет деформации формы, что проявляется в смещении и выпирании грунта.

При несоблюдении этого условия поверхность грунта получается разрыхленной и трещиноватой, что отрицательно влияет на процесс уплотнения.

С другой стороны, напряжения не должны быть слишком низкими, так как это приведет к значительному снижению эффективности уплотнения (потребуется много проходов машин). Наилучшие результаты уплотнения получаются при а0= (0,09— 0,10) ар,МПа.

Влияние влажности грунта на его уплотнение показано на графике (рис. 79). На нем б — объемная масса скелета (плотность) грунта, по которому судят о степени уплотнения; W — влажность грунта (%).

Рис. 79. График зависимости уп-лотняемости грунта от его влажности: а и б — влажность и плотность грунта

Увеличение влажности до определенного значения W приводит к повышению плотности грунта. Это происходит потому, что с увеличением количества влаги уменьшается внутреннее трение между частицами грунта и он лучше уплотняется. При дальнейшем увеличении влажности грунта увеличение плотности возможно только за счет выжимания воды из пор грунта. Однако процесс фильтрации протекает очень медленно и не может происходить под влиянием кратковременных нагрузок. По этой причине значительное количество воды остается в грунте после работы уплотняющих средств, вследствие чего плотность грунта не только не повышается, а наоборот, даже снижается (на рис. 79 нисходящая ветвь кривой).

Наибольшая степень уплотнения грунта при условии постоянной затраты работы может быть получена при определенном значении влажности, которое принято называть оптимальным (W0). Соответствующая этой влажности плотность называется Максимальной (бшах).

Оптимальная влажность и максимальная плотность зависят от вида грунта и величины работы, затраченной на уплотнение. С увеличением количества глинистых ^частиц в грунте оптимальная влажность увеличивается, а максимальная плотность уменьшается.

Если влажность грунтов ниже оптимальной, то это требует применения более мощных уплотняющих машин, или же до-увлажнение грунта водой. Если влажность грунта выше оптимальной, необходимой плотности грунта не удается достигнуть.

Производство работ по уплотнению значительно облегчается тем, что естественная влажность грунтов на значительной части территории СССР близка к оптимальной.

Машины, и орудия для уплотнения грунтов называются катками. Они являются наиболее распространенными средствами уплотнения, что объясняется их простотой и сравнительно высокой производительностью.

Катки классифицируют по принципу воздействия — статические и вибрационные; по типу рабочего органа — катки с гладкими жесткими вальцами, с негладкими вальцами (кулачковые и решетчатые) и гшевмошинные.

Пневмошинные катки по сравнению с катками, имеющими г гладкие жесткие вальцы, воздействуют на грунт через большую площадь контакта и равномернее. Эти обстоятельства! важны, так как позволяют пневмошинным каткам при одина-? ковом весе со сравниваемыми катками и при меньшем числе проходов уплотнять грунт на большую глубину. Кроме того, у них имеется возможность регулировать величину удельного давления на грунт изменением давления воздуха в шинах. В начальной стадии уплотнения поддерживают низкое давление в шинах, а на заключительной — номинальное.

Пневмошинные катки подразделяются: по способу агрегатирования с тягачом на прицепные (рис. 80,а), полуприцепные и самоходные. По виду подвески колес пневмокатки подразделяются на катки с зависимой подвеской, секционные катки (с не-зависимой подвеской) и с комбинированной подвеской.

Вид подвески колес влияет на конструкцию катков и долговечность шин- Катки с зависимой подвеской колес устроены проще, но не гарантируют шины от перегрузки при движении по неровной поверхности, что приводит к преждевременному выходу их из строя. Этого не бывает на катках с независимой подвеской колес, при которой каждое колесо загружается отдельным балластным ящиком и может перемещаться относительно других колес в вертикальной плоскости (см. рис. 80, г). Благодаря этому колеса катка без перегрузки легко вписываются в неровности пути.

Рис. 80. Схемы пневмоколесных катков:
а — прицепного; б — полуприцепного; в — самоходного; г — секционного (с независимой подвеской колес)

Рис. 81. Кинематическая схема катка Д-627

При комбинированной подвеске колес, например у катка ДУ-43, крайние колеса имеют зависимую подвеску, средние — независимую.

Самоходный каток Д-627 состоит из рамы, силовой установки, трансмиссии, задних ведущих мостов, управляемого моста, рулевого механизма, системы регулирования давления воздуха гидросистемы, смачивающего устройства и электрооборудования.

Силовая установка представляет собой дизель АМ-01 с пусковым двигателем и электростартером. Трансмиссия катка рис. 81 включает гидротрансформатор, получающий механическую энергию от дизеля по карданному валу, коробку передач, раздаточный редуктор, карданный вал и редукторы двух задних мостов, передающие вращение на колеса. Узлы трансмиссии последовательно соединены карданными валами, К картеру коробки передач крепится корпус гидротрансформатора ПГ-ЗА, соединенного с первичным валом коробки передач. На выходном валу коробки установлен тормоз для стоянки.

Управляемый передний мост имеет три колеса, перекрывающие зазоры между задними колесами, и рулевое управление на два поста с гидроусилителем. Система регулирования давления воздуха в шинах, позволяющая уплотнять рыхлые и сравнительно плотные грунты, состоит из компрессора, ресивера, крана управления давлением, блока кранов и трубопроводов.

Гидросистема катка состоит из двух отдельных систем. Одна питает гидротрансформатор и механизмы управления фрикционными муфтами, другая — гидроусилители рулевого механизма и тормозов.

Рис. 82. Схема кулачкового катка Д-615

Катки с негладкими вальцами. К каткам такого вида относятся ребристые, кулачковые и решетчатые. Из них наиболее распространены кулачковые катки. Они особенно эффективны для уплотнения тяжелых комковатых грунтов, так как воздействие кулачков на грунт харатеризуется большим удельным давлением. Кулачовые катки малоэффективны для уплотнения несвязных грунтов и не могут работать при повышенной влажности грунтов.

Прицепной кулачковый каток Д-614 предназначен для послойного уплотнения связных и комковатых грунтов. Каток состоит из вальца с кулачками, рамы со скребками, двух дышел со специальными устройствами. Валец заполняется балластом через люки, расположенные в торцевых стенках. К наружной поверхности обечайки вальца в шахматном порядке приварены кулачки длиной 20 см, имеющие форму усеченного конуса. Ширина уплотняемой полосы 1,8 м. Масса катка с балластом 9 т, удельное давление кулачка на грунте 5 МПа.

Для полного использования силы тяги трактора и повышения производительности труда оператора к одному тягачу прицепляются по два или три катка Д-614. С этой же целью промышленность выпускает каток Д-615 (рис. 82) с двумя кулачковыми вальцами катка Д-614, массой (с балластом) 18 т и такой же массы каток ДУ-32А, но имеющий кулачки длиной 30 см и ширину захвата 2,6 м.

Из кулачковых катков, снятых с производства, на строительстве дорог могут встретиться катки Д-130Б и Д-220 массой (с балластом) соответственно 5 и 29 т.