Уплотнение грунтов относится к числу наиболее важных операций технологического процесса возведения земляного полотна и устройства дорожных одежд.
Уплотнение осуществляется путем приложения к поверхности грунтов, дорожно-строительных материалов или их смесей кратковременных повторных или циклических нагрузок. Под действием этих нагрузок грунт деформируется. Полная деформация состоит из обратимой (упругой), т.е. восстанавливающейся после снятия нагрузки, и необратимой (остаточной).
При сравнительно малой величине внешних нагрузок необратимые деформации в основном происходят в результате изменения объема грунта, вызывая его уплотнение. Чем значительнее (выше) величина нагрузок,. тем большая часть необратимой деформации протекает в результате изменения формы грунта, что проявляется в виде значительных просадок и выпирания грунта в стороны из-под рабочего органа машины.
Параметры уплотняющих машин необходимо выбирать так, чтобы получить максимальную величину необратимых объемных деформаций и не вызывать значительного пластического течения грунта, отрицательно влияющие на процесс уплотнения.
Прочность грунтовых частиц значительно превышает прочность связей между ними. Поэтому уплотнение возможно только за счет взаимного перемещения частиц твердой фазы и уменьшения вследствие этого пористости грунта (смеси), что связано с вытеснением воздуха (или влаги) из пор. Работа, затрачиваемая на уплотнение, в основном расходуется на преодоление сил связей и трения между частицами твердой фазы. Часть ее расходуется на разрушение твердых частиц.
Деформация грунта протекает во времени. При действии кратковременных нагрузок продолжительность напряженного состояния грунта бывает значительно меньше времени, необходимого для полного протекания деформации. Вследствие этого, для получения нужного уплотнения грунта машинами необходимо многократное приложение нагрузки.
От качества выполнения процесса уплотнения зависит дальнейшая служба земляного полотна и дорожной одежды. Для каждого из этих сооружений установлены требования к плотности уплотняемых слоев. При этом в основу оценки степени уплотнения положен метод стандартного уплотнения, и поэтому требования в плотности обычно выражены коэффициентом уплотнения, т.е. в долях от максимальной стандартной плотности
В зависимости от типа покрытия дорожных одежд принимаются следующие значения коэффициентов уплотнения:
1) для дорог с усовершенствованными покрытиями капитального и облегченного типа (цементобетон, асфальтобетон, черное щебеночное, черное гравийное и др.) в пределах 0,95-0,98, при этом для цементобетонных покрытий рекомендуется верхний предел;
2) для дорог с покрытием переходного типа (щебеночные, гравийные, шлаковые и др.) равным 0,9.
В выемках и нулевых местах при строительстве дорог с усовершенствованными покрытиями – не менее 0,9.
Степень уплотнения в значительной мере зависит и от влажности грунтов.
Увеличение влажности до определенного значения приводит к увеличению плотности. С повышением влажности все больший объем пор заполняется водой и поэтому плотность будет ниже. Состояние грунта, поры которого целиком заполнены водой, практически и будет пределом его уплотнения.
Если влажность уплотненных грунтов ниже оптимальных значений, то необходимо применять более мощные уплотняющие машины или же доувлажнять грунт. В случае, когда влажность больше оптимальной величины, необходимой плотности достигнуть не удается и поэтому грунту необходимо дать высохнуть.
Действие внешней нагрузки и влияние основных параметров машин на эффективность уплотнения можно оценить следующим образом:
1) для каждого вида грунта существует свое наивыгоднейшее контактное напряжение, равное 0,9-1,0 от предела его прочности, при котором можно получить наилучшие результаты уплотнения;
2) глубина уплотнения зависит от размеров площади контакта рабочих органов машин, через которую передается давление на грунт, следовательно, при одном и том же напряжении глубина уплотнения будет выше, чем больше поперечный размер площади контакта;
3) эффективность уплотнения при прочих равных условиях зависит от скорости изменения напряженного состояния грунта и времени действия нагрузки и меньше скорость изменения напряженного состояния, тем большая степень уплотнения может быть получена;
4) глубина уплотнения грунта машинами при равных условиях зависит от размеров рабочего органа в плане (определяется наименьшим размером), а степень уплотнения - от величины нормальных контактных напряжений.
Уплотнение грунта и других дорожно-строительных материалов в теле насыпи, основании покрытия и в самом покрытии осуществляется машинами, действие которых основано на следующих принципах:
а) укатыванием – использование статического давления перекатывающих различную форму рабочей поверхности;
б) трамбованием – при помощи динамических ударов (падения грузов с определенной высоты);
в) вибрированием – путем сообщения уплотняющему материалу колебательных движений, в результате которых происходит взаимное перемещение и уплотнение твердых частиц;
г) сочетание этих способов – укатка с вибрацией, вибрацию с трамбованием и др.
Несмотря на различие принципов работы уплотняющих машин процесс уплотнения во всех случаях имеет много общего и только при вибрировании наблюдаются некоторые специфические особенности.
Во всех случаях воздействие на грунт или материалы рабочих органов машин связано с приложением циклической нагрузки (таблица Хархута стр.473).
Эффект от работы машин для уплотнения грунтов зависит от правильного выбора толщины уплотняемого слоя. При излишне больших толщинах слоев требуемые плотности грунтов не достигаются. При слишком малых толщинах слоев снижается производительность и возрастает стоимость работ.
Глубина активной зоны зависит от поперечных размеров штампа в плане, величины напряжения, скорости изменения напряженного состояния, а также от вида и влажности грунта.