При укатке по грунту перекатывается валец или колесо, на поверхности контакта которых с грунтом имеет место какое-то удельное давление (напряжение), за счет которого и развивается необратимая деформация грунта. На этом принципе основана работа всех катков. При трамбовании грунт уплотняется падающей массой, которая была перед тем поднята на какую-то высоту и в момент встречи с грунтовой поверхностью обладает определенной скоростью. Таким образом, трамбование связано с ударом рабочего органа машины о грунт. При вибрировании уплотняющая масса находится либо на поверхности уплотняемого слоя (поверхностные вибраторы), либо внутри его (глубинные вибраторы). В результате специального механизма она приводится в состояние колебательного движения. Часть кинетической энергии этой массы расходуется на колебание грунта, которое вызывают относительные смещения его частиц, чем достигается их более плотная упаковка. При вибрировании не происходит отрыва массы от уплотняемой поверхности или он весьма незначителен. Если возмущения массы превзойдут определенный предел, то будет иметь место ее отрыв от поверхности грунта, что приведет к частым ударам массы о грунт. В этом случае вибрирование перейдет в вибротрамбование. От трамбования этот процесс отличается высокой частотой ударов. Несмотря на малую высоту падения массы, ввиду развивающихся высоких скоростей движения, энергия удара может быть значительной.

Во всех случаях воздействие на грунт рабочих органов машины связано с приложением к нему циклической нагрузки.

Предполагается, что грунты имеют оптимальные влажности.

Удельные давления на поверхности контактов рабочих органов машин с уплотняемыми грунтами не должны быть выше их пределов прочностей, но вместе с тем они не должны быть и низкими, так как в противном случае снижается эффект уплотнения. Лучший эффект получится в тех случаях, когда удельные давления на поверхности контакта с рабочими органами уплотняющих машин равны (0,9-т-1,0) ар (ар — предел прочности). Исключением из этого правила являются машины, действие рабочих органов которых основано на глубоком проникании их в уплотняемый слой грунта (кулачковые и решетчатые катки).

Деформация, а следовательно, и эффект уплотнения, зависит как от скорости изменения напряженного состояния, так и от продолжительности действия нагрузки, а следовательно, и от числа повторностей ее приложения.

Характер взаимодействия рабочих органов машин с грунтом гаков, что он может быть сведен к схеме нагрузки полупространства грунта жестким круглым штампом

Эффект от работы машин для уплотнения грунтов зависит от того, насколько правильно выбрана толщина уплотняемого слоя. При излишне больших толщинах слоев требуемые плотности грунтов не достигаются. При слишком малых толщинах слоев снижается производительность машин и возрастает стоимость работ.

Профессором Н. Н. Ивановым теоретическим путем установлено, что предельная глубина, на которую еще распространяется действие нагрузки, составляет 3,5сгш (йш—диаметр штампа). Позднее этот вывод получил экспериментальное подтверждение. В пределах этой зоны, на которую еще распространяется действие нагрузки, следует различать еще такую зону, где в процессе уплотнения грунтов деформация по глубине распределяется еще более или менее равномерно. Эту зону можно назвать активной, а ее глубину — глубиной активной зоны. Созданию такой зоны способствуют массовые пластические сдвиги грунтовых частиц и агрегатов, которые развиваются по объему грунта, а также то, что уплотняемый слой расположен на более жестком основании, которым служит ранее уплотненный грунт. Наличие жесткого основания приводит к концентрации сжимающих напряжений по оси сосредоточенной нагрузки, а также к меньшему перепаду напряжений по глубине, т. е. к их выравниванию.

В случае несвязных грунтов глубина активной зоны в 1,2—1,5 раза выше.

В пределах активной зоны реализуется около 80% всей деформации грунта и только 20% ее приходится на объем грунта, расположенный вне этой зоны. Поэтому толщина уплотняемого слоя грунта не может быть больше глубины активной зоны, так как в противном случае не будет достигнута требуемая плотность грунта.

Оптимальная толщина уплотняемого слоя грунта находится в тесной связи с глубиной активной зоны. Под оптимальной понимается такая толщина, при которой требуемая степень уплотнения достигается с наименьшей затратой механической работы и наибольшей производительностью машины. Глубина активной зоны определяет собой верхний предел оптимальных толщин слоев уплотняемого грунта. В тех случаях, когда при уплотнении грунтов необходимая плотность не превышает 0,956тах, оптимальная толщина слоя может быть принята равной глубине активной зоны. При этом такая плотность достигается относительно легко и не требует большого количества проходов машин.

Минимальный размер рабочего органа машины в плане определяет собой максимальное значение оптимальной толщины слоя грунта, т. е. как бы потенциальные возможности уплотнения, которые, однако, могут быть реализованы лишь в том случае, если напряжение на поверхности грунта будет близким к пределу прочности. При меньших значениях напряжений оптимальная толщина слоя снизится.

Если требуемая плотность грунта велика и составляет (0,98-7-1,0) 8тах, то оптимальная толщина слоя равна половине глубины активной зоны (Н0 = 0,5ftn). Эта плотность может быть достигнута и при толщине слоя, равной глубине активной зоны, но при этом число проходов должно быть увеличено в 3 раза по сравнению с тем случаем, когда требуемая плотность равна 0,95бтах. Поэтому уплотнение грунтов при таких больших толщинах слоев становится экономически невыгодным.

Снижение толщины уплотняемого слоя грунта, по сравнению с оптимальной величиной, при сохранении тех же размеров рабочего органа и той же величины развивающегося на поверхности грунта напряжения, как правило, влечет за собой излишнюю затрату удельной работы, т. е. работы, необходимой для уплотнения единицы объема грунта.

Анализ формулы (IV. 1) показывает, что снижение напряжений до (0,5-7-0,6) ор практически не отражается на глубине активной зоны, а следовательно, и на оптимальной толщине уплотняемого слоя. Вместе с тем надо заметить, что всякое снижение напряжений приводит к увеличению необходимого числа повторностей приложения нагрузки.

В результате уплотнения должна быть получена не только требуемая плотность грунта, но и прочная его структура. Это может быть достигнуто лишь при соблюдении определенного режима работы. В первую очередь это относится к удельному давлению, которое должно быть близким к пределу прочности грунта, но не превышать последний не только в конце уплотнения, но и в течение всего процесса. Если нарушить это правило и сразу выбрать то давление, которое должно иметь место лишь в конце процесса уплотнения, когда грунт уже плотен и прочен, то при первых проходах будет происходить разрушение структуры, и особенно вблизи поверхности. Это затруднит дальнейшее формирование плотной и прочной структуры, и достигнутые в конечном итоге плотность и прочность будут ниже тех, которые получаются при постепенном возрастании удельного давления. О разрушении структуры, например, свидетельствует сильное волнообразование перед вальцами или колесами катков, а также выпирание грунта со стороны.

Таким образом, можно сказать, что удельное давление рабочего органа машины должно постепенно повышаться от прохода к проходу в случае катков или от удара к удару при трамбующих машинах. Такой процесс повышения удельного давления до некоторой степени производится автоматически за счет постепенного снижения глубины колеи при укатке и времени удара — при трамбовании. При этом удельные давления возрастают в 1,5—2 раза, а необходимо, чтобы они стали выше в 3—4 раза. Поэтому уплотнять грунты нужно двумя машинами — легкой и тяжелой. Легкая машина должна служить для предварительного уплотнения, а тяжелая — для окончательного доведения грунта до требуемой плотности. Применение предварительного уплотнения снижает примерно на 25% общее потребное число проходов или ударов по одному месту. Если еще учесть, что в начале процесса применяются более легкие средства, то все это дает экономию до 30% от общей стоимости работ по уплотнению.

Переход на уплотнение более тяжелой машиной не должен вызывать резкого повышения напряжения на поверхности грунта. Поэтому лучший эффект достигается в том случае, когда напряжение на поверхности при первом воздействии более тяжелой машины будет равно напряжению, соответствующему последнему воздействию более легкой машины. При укатке катками на пневмошинах это требование удовлетворяется в случае, когда предварительное уплотнение производится катком, нагрузки на каждое колесо которого в 2 раза меньше, чем при основном уплотнении, и давление в шинах снижено в 1,5—2 раза. При трамбующих машинах предварительное уплотнение можно производить машиной, вес рабочего органа которой в два раза меньше, или той же машиной, которой производится и основное уплотнение, но при снижении в 4 раза высоты падения рабочего органа. Во время предварительного уплотнения надо совершить 30—40% общего необходимого числа проходов.

Предварительного уплотнения можно не применять, если грунт в процессе возведения насыпи был уплотнен землеройными или землеройно-транспортными машинами до плотности не ниже 0,906гаах, что имеет место, например, при скреперных работах.

При укатке определенное влияние оказывает скорость движения катков. При разных скоростях движения оптимальная плотность грунта практически достигается за одно и то же количество проходов. Этот вывод подтвержден непосредственными испытаниями и следует из реологических свойств грунтов. Так, в п. 2 было показано, что скорость изменения напряженного состояния практически влияет на величину необратимой деформации лишь до определенных значений. Те скорости, которые имеют место при укатке, уже находятся вне сферы их влияния.