МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ
ПО УСТРОЙСТВУ

ГРУНТОЩЕБЕНОЧНЫХ СЛОЕВ

ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД

Харьков 1976

Настоящие методические рекомендации разработаны на кафедре строительства и эксплуатации дорог Харьковского автомобильно-дорожного института доц. канд. техн. наук Кравченко В. Г. на основании теоретическо-экспериментальных исследований и опытного строительства дорожных одежд с грунтощебеночными слоями.

Методические рекомендации предназначены для руководства при производственном внедрении конструкций дорожных одежд с грунтощебеночными слоями в условиях Левобережья УССР.

Методические рекомендации утверждены Советом дорожно-строительного факультета Харьковского автомобильно-дорожного института, протокол № 1/47 от 12 сентября 1975 г.

ОБЩАЯ ЧАСТЬ

1. Грунтощебнем принято называть дорожно-строительный материал, получаемый в результате уплотнения рационально составленной смеси щебня, грунта, вяжущего и воды. Если в составе грунтощебня вяжущие не применяются, то такой грунтощебень называется неукреплённым.

2. Грунтощебень применяется для устройства слоев оснований на дорогах II - III категорий и покрытий на дорогах IV - V категорий. При использовании грунтощебня в качестве слоя покрытия обязательным является устройство поверхностной обработки.

3. При применении в составе грунтощебня вяжущих веществ необходимо руководствоваться, кроме настоящих методических рекомендаций, действующими инструкциями и нормами по укреплению грунтов вяжущими веществами (СН 25-74 и др.).

4. Количество щебня, грунта, вяжущих веществ и воды в составе грунтощебня зависит от места расположения слоя в конструкции дорожной одежды, прочности каменных материалов, типа вяжущих веществ, типа грунта и т. п. и определяется в соответствии с методикой проектирования составов грунтощебеночных смесей (см. Приложение I).

МАТЕРИАЛЫ

Щебень

5. В составе грунтощебня применяется щебень как прочных, гак и слабых горных пород. Кроме того, могут применяться неподдающиеся в чистом виде укатке кварциты, кварцевые песчаники и стекловидные шлаки.

6. Для приготовления щебня прочных пород используются изверженные горные породы, прочные известняки и песчаники; слабых пород - известняки средней и слабой прочности. При возможности выбора предпочтение отдается щебню, который выдержал требуемое количество циклов замораживания и оттаивания и обладает возможно меньшей водонасыщаемостью.

7. Максимальный размер щебенок не должен превышать 2/3 толщины уплотняемого слоя грунтощебня.

Грунты

8. В составе грунтощебня могут применяться различные по генезису и гранулометрическому составу грунты: глинистые, суглинистые, супесчаные. При этом надо стремиться к применению грунтов оптимального гранулометрического состава.

Наиболее высокая прочность, морозоустойчивость и водоустойчивость грунтощебня достигается при применении супесчаных и легкосуглинистых грунтов, гранулометрический состав которых близок к оптимальному. Предварительное улучшение гранулометрического состава тяжелых суглинистых и глинистых грунтов пескованием, а также песчаных грунтов глинованием для доведения их состава до оптимального может оказаться рациональным при наличии в непосредственной близости от трассы карьеров крупно- и среднезернистых песков, гравия или глины соответственно.

9. Требования к грунтам устанавливаются в зависимости от применяемого в составе грунтощебня типа вяжущего вещества.

10. Для неукрепленного грунтощебня могут применяться связные грунты с влажностью границы текучести не более 40%. Число пластичности при этом не ограничивается. Наиболее эффективно в этом случае применение супесчаных или легких суглинистых грунтов. Допускается применение тяжелых суглинков и глин, предварительно улучшенных песком.

11. При применении цемента в составе грунтощебня можно использовать все связные грунты - супесчаные, суглинистые и глинистые различных генетических типов с нейтральной и щелочной реакцией почвенного раствора (рН = 6-10) при условии ограничения следующих показателей:

а) граница текучести не более 40%;

б) число пластичности не более 17.

Чем выше содержание в грунте пылеватых и глинистых частиц, а также гумусовых веществ, тем больше потребное количество цемента, тем труднее размельчение агрегатов грунта и равномерное распределение цемента и воды в процессе производства работ.

Не следует применять черноземы с содержанием гумусовых веществ более 10%.

12. При применении битума и полимерных смол в составе грунтощебня можно применять грунты с влажностью границы текучести не более 40% и числом пластичности не более 22.

Наиболее эффективно в этом случае применение грунтов оптимального гранулометрического состава (см. п. 8).

Вяжущие вещества

13. В качестве вяжущих материалов в составе грунтощебня могут применяться органические, неорганические вяжущие и полимерные смолы.

14. Рекомендуется применять портландцементы марки не ниже «400», жидкие битумы марок СГ-15/25, СГ-25/40, МГ-40/70; кумароновые, форфурол-анилиновые и карбамидные смолы.

КОНСТРУКЦИИ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД С ПРИМЕНЕНИЕМ ГРУНТОЩЕБЕНОЧНЫХ СЛОЕВ

15. При разработке конструкций дорожных одежд с применением грунтощебеночных слоев необходимо учитывать особенности водно-теплового режима системы «дорожная одежда + земляное полотно» при применении укрепленного и неукрепленного грунтощебня.

16. Грунтощебень может применяться как в основании дорожных одежд, так и в качестве слоя покрытия. В последнем случае обязательным является устройство поверхностной обработки.

В зависимости от расположения слоя в конструкции  дорожной одежды будет изменяться количество щебня и вяжущего в грунтощебне. В качестве слоя покрытия рекомендуется применять укрепленный грунтощебень.

17. Толщина грунтощебеночного слоя должна быть не менее 10 см.

18. На рис. 1-4 приведены примеры конструкций дорожных одежд с применением грунтощебеночных слоев при эквивалентном модуле упругости дорожной одежды 1400, 1300, 1200 и 1000кг/см2.

19. Тип I характеризуется применением в качестве несущего слоя дорожной одежды слоя из грунтощебня, укрепленного битумом, а в качестве дополнительного слоя основания - слоя из неукрепленного грунтощебня.

Для повышения модуля деформации грунтового основания и водоустойчивости дорожной одежды производится устройство слоя из уплотненного грунта толщиной 20 см.

20. Тип II характеризуется применением в качестве несущего слоя дорожной одежды слоя из грунтощебня, укрепленного цементом, а в качестве дополнительного слоя основания - слоя из неукрепленного грунтощебня. Нижний слой дорожной одежды также устроен из уплотненного грунта.

21. Тип III характеризуется тем, что для устройства слоев основания применяется один и тот же тип вяжущего - цемент, В качестве дополнительного слоя основания применен цементогрунт. Конструкция данного типа обладает повышенной жесткостью и повышенным расходом цемента.

22. При конструировании дорожных одежд с применением грунтощебня необходимо учитывать категорию дороги и наличие местных дорожно-строительных материалов для данных конкретных условий района строительства.

 

 

Рис. 1. Конструкции дорожных одежд с грунтощебеночными слоями при Еэкв = 1400 кг/см².

 

 

Рис. 2. Конструкции дорожных одежд с грунтощебеночными слоями при Еэкв = 1300 кг/см².

 

 

Рис. 3. Конструкции дорожных одежд с грунтощебеночными слоями при Е_экв = 1200 кг/см².

 

 

Рис. 4. Конструкции дорожных одежд с грунтощебеночными слоями при Еэкв = 1000 кг/см².

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРАВИЛА

ПО СТРОИТЕЛЬСТВУ ГРУНТОЩЕБЕНОЧНЫХ СЛОЕВ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД

23. Прочный и водоустойчивый слой грунтощебня получают путем технологических операций, главными из которых являются перемешивание и уплотнение. Только после надлежащего перемешивания составляющих и уплотнения грунтощебеночной смеси до максимальной плотности можно получить грунтощебеночный слой требуемой прочности. С этой точки зрения грунтощебень следует рассматривать как продукт технологии. Перемешивание и уплотнение составляющих грунтощебня до максимальной плотности производится при оптимальной влажности. Оптимальная влажность определяется экспериментальным путем в лаборатории.

24. Перемешивание составляющих грунтощебня может быть произведено в стационарных смесителях, а также непосредственно на дороге в передвижных смесительных машинах. При этом следует иметь в виду, что качество смешения при различных способах будет различным. Поэтому способ перемешивания выбирается в зависимости от требований, предъявляемых к однородности смеси, а также от сроков строительства и наличия машин и механизмов в дорожно-строительной организации.

Прочность грунтощебеночных слоев существенно зависит от прочности нижних слоев и грунтового основания. Поэтому подготовка грунтового основания и устройство нижних слоев покрытия должно производиться очень тщательно.

25. Для устройства слоя грунтощебня может быть использован грунт полотна дороги или грунт резерва. Если между окончанием отсыпки земляного полотна и началом работ по устройству грунтощебеночного слоя имеется продолжительный разрыв, то более рациональным способом является использование грунта резерва.

26. Производство работ может осуществляться с устройством корыта, или без устройства корыта, но с устройством присыпных обочин. Лучшим способом при смешении на дороге является устройство бескорытного профиля, который обеспечивает лучшую работу машин и механизмов, а также облегчает движение автотранспорта. Наличие же корыта в дождливые периоды затрудняет сток воды и высушивание грунта.

27. Поскольку прочность и водоустойчивость слоя в значительной степени зависит от равномерности распределения составляющих в массе грунтощебня, технологические операции должны быть направлены на то, чтобы в данных условиях производства достигнуть максимально возможной степени равномерности распределения составляющих грунтощебня.

28. При применении укрепленного грунтощебня обработка вяжущими материалами может быть произведена обычным и раздельным способом. При раздельном способе грунт обрабатывается вяжущим и далее производится смешение укрепленного грунта и щебня. Раздельный способ обработки грунтощебня обеспечивает более равномерное распределение составляющих в массе грунтощебня по сравнению с обычным способом.

29. Правила укрепления грунтов в составе грунтощебня органическими и неорганическими вяжущими ничем не отличаются от существующих правил укрепления грунтов вяжущими.

Первой операцией по укреплению грунта является заготовка грунта. Сюда относятся работы по разработке грунта в резерве или карьере, доставка грунта на проезжую часть дороги, измельчение грунта. При необходимости улучшения гранулометрического состава грунта, в грунт по расчету вводится требуемое количество песка. Разработка и доставка грунта на проезжую часть может быть произведена скреперами, грейдер-элеваторами или автосамосвалами в зависимости от высоты насыпи и наличия пригодного для устройства грунтощебеночного слоя грунта. Измельчение грунта производится дорожными фрезерами различных типов и марок.

30. После заготовки грунта производится укрепление его вяжущими веществами. При этом самой ответственной операцией является равномерное распределение вяжущего между частицами грунта. Введение вяжущего может быть произведено либо через распределительную систему фрезы Д-530 (при укреплении битумом), либо распределителем цемента (при укреплении грунта цементом) Д-343А.

31. Укрепленный грунт при оптимальной влажности смешивается со щебнем. Способы смешения могут быть приняты различные (например, смесителем Д-370, автогрейдером и др.), в зависимости от наличия машин и требований к качеству смеси.

При применении неукрепленного грунтощебня операции по устройству слоя повторяются за исключением операций по укреплению грунта.

32. Состав грунтощебеночной смеси (в том числе норма вяжущего и щебня) устанавливается в лаборатории. Производственная потребность в составляющих грунтощебня на 1 км определяется следующим образом.

Расход материалов в чистом виде на 1 км грунтощебеночного слоя по весу:

1. Расход щебня

где B — ширина основания или покрытия, м.

—толщина слоя грунтощебня в плотном теле,

—проектная норма щебня по объему, %;

—объемный вес щебенок, т/м3.

2. Расход грунта

где: — коэффициент уплотнения грунтощебня;

—требуемая плотность грунтощебня, т/м³

3. Расходы воды

где – требуемая влажность грунтощебня, %;

—естественная влажность щебня, %;

—то же, грунта, %;

Расход материалов на 1 км грунтощебеночного слоя по объему:

1) Расход щебня

2) Расход грунта

3) Расход воды

где Δ₀        -объемный вес воды, равен 1,0 т/м³ .

Расход материалов по объему с учетом их рыхлого сложения и естественной влажности:

где  r          -насыпной вес щебня, т / м³;

δ_r     -плотность рыхлого грунта, т/м³:

Δ_r    -удельный вес грунта, т/м³.

Потребное количество вяжущего  для грунтощебеночного слоя

где        D        -норма вяжущего (битума или цемента) в долях единицы от веса скелета грунта;

δ_пр        -проектная плотность (объемный вес скелета) грунта в грунтощебне, т/м3.

33. После перемешивания составляющих грунтощебеночную смесь разравнивают и уплотняют пневмокатками или виброкатками.

34. При уплотнении укрепленного и неукрепленного грунтощебня следует обеспечить надлежащие упоры со стороны обочин. Затем производить равномерное уплотнение слоя грунтощебня по всей ширине проезжей части, двигаясь от краев к середине. Количество проходов катка по одному следу устанавливается в лаборатории.

Грунтощебеночные слои очень эффективно доуплотняются и формируются под воздействием автомобильного движения. Поэтому, для повышения качества покрытия и сокращения работы катков рекомендуется открывать для автомобильного движения законченные участки грунтощебеночных слоев. При этом должно проводиться тщательное регулирование движения для равномерного наката слоя по всей ширине. Во влажную погоду, при повышенной влажности грунта, движение должно быть закрыто.

35. При укреплении грунта в составе грунтощебня цементом за вновь построенным участком должен быть организован уход. Сохранение влаги, требуемой для реакции твердения и гидратации цемента, может быть осуществлено либо путем засыпки участка песком, с увлажнением последнего, либо нанесением тонкой пленки эмульсии или жидкого битума.

ТЕХНИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ НА КОНТРОЛЬ ПРОИЗВОДСТВА И ПРИЕМКУ РАБОТ.

36. В период производства работ необходимо следить за правильностью выполнения технологических операций. При этом не допускается укладка слоя на неуплотненное основание; избыток органического вяжущего в смеси; уплотнение грунтощебня при избыточной или недостаточной влажности грунта; оставление слоев из неукрепленного грунтощебня без защитного слоя в период осенней и весенней распутицы; применение щебня размером крупнее 2/3 толщины слоя в плотном теле; неравномерное распределение составляющих грунтощебня в объеме материала.

37. При постройке грунтощебеночных слоев производится постоянный контроль за основными технологическими операциями, имеющий целью выполнение слоя в строгом соответствии с требованиями проекта и технических условий, для достижения, в конечном счете, прочного и устойчивого слоя дорожной одежды.

38. Перед устройством грунтощебеночного слоя определяется плотность и влажность грунта с помощью прибора Ковалева. Пробы отбираются через каждые 100 м по 3 пробы на поперечнике. По данным измерений вычисляются коэффициенты уплотнения, величина которых должна быть не менее 0,98.

39. Перед укреплением грунта в составе грунтощебня производится контроль агрегатного состава грунта (степень измельчения). С этой целью отбираются пробы размельченного грунта в трех точках на поперечнике весом 1-2 кг через каждые 100м. Отобранные пробы просеиваются через сито с отверстиями 5 и 2 мм. Количество агрегатов крупнее 5 мм не должно быть более 25%, и агрегатов мельче 2 мм не меньше 60%. Одновременно с этим определяется естественная влажность грунтов с помощью прибора Ковалева Н. П.

40. В соответствии с проектной нормой расхода вяжущего устанавливаются дозировочные устройства машин (Д-370, Д-530, Д-343) по смешению и распределению вяжущего. Контроль равномерности распределения битума производится колориметрическим методом ХАДИ, равномерности распределения цемента - ускоренным методом ХАДИ.

41. Во время перемешивания грунта со щебнем контролируется равномерность распределения щебня в массе грунтощебеночной смеси. Пробы отбираются через каждые 100 м в трех точках по поперечнику весом 2,5-3,0 кг. Затем производится «мокрый» рассев через сито 5 мм. Остаток на сите 5 мм характеризует содержание щебня в пробе: отклонения в содержании щебня от нормы должны быть в пределах ±10% по весу.

По окончанию уплотнения, грунтощебеночного слоя производится контроль плотности грунтощебня. Плотность грунтощебня определяется по методу лунок двумя способами: способом замещения песком и способом замещения водой. Первый способ известен на производстве давно, но он отличается малой точностью измерений. Второй способ является новым. По этому способу стенки лунок покрываются тонким слоем нитрокраски или тонкой высокоэластичной резиной и в лунки заливается вода с помощью специального насоса. Отклонение плотности грунтощебня от проектной нормы должно составлять ± 0,04 г/см³.

42. В производственных условиях осуществляется также контроль прочности укрепленного грунтощебня. С этой целью формуются образцы в металлических формах диаметром 16 см и высотой 10-12 см. Смесь берется прямо из валика после окончания перемешивания укрепленного грунта со щебнем. Сформированные образцы выдерживают в условиях влажной среды в течение 7 суток и затем испытывают на сжатие с определением модуля упругости. Полученные значения должны расходиться с проектной прочностью не более чем на 5%.

После окончания уплотнения слоя производится контроль толщины и ширины слоя. Допускаемые нормы отклонения от проектных величин такие же, как и для других слоев покрытий и оснований.

43. Все записи по контролю технологического процесса строительства грунтощебеночного основания ведутся в журнале производства работ, который систематически проверяется заказчиком.

ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ГРУНТОЩЕБНЯ

В КОНСТРУКЦИЯХ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД.

44. Оценку экономической эффективности использования грунтощебня в конструкциях дорожных одежд необходимо производить в соответствии «Методикой расчета экономической эффективности внедрения новой техники в дорожном строительстве» М. 1966 г.

45. В соответствии с Методикой основными показателями при расчете экономической эффективности принимаются себестоимость строительно-монтажных работ, капиталовложения в машины, трудоемкость работ. При этом сравнение вариантов конструкций дорожных одежд производится по приведенным сопоставимым затратам.

46. Для приведенных на рис. 1 - 4 конструкций дорожных одежд при годовом плане строительства 50 км в условиях Харьковской области экономическая эффективность внедрения грунтощебня составляет от 474 до 1111 тыс. рублей (табл. 1)

Таблица 1

Как видно из таблицы 1, конструкции дорожных одежд с использованием грунтощебня обладают высокой экономической эффективностью, причём, наибольшая эффективность достигается при применении грунтощебня в конструкциях дорожных одежд с эквивалентным модулем упругости Еэкв = 1300 кг/см².

ПРИЛОЖЕНИЕ I.

МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ СОСТАВОВ ГРУНТОЩЕБЕНОЧНЫХ СМЕСЕЙ

Для получения материала с прочной и долговечной структурой, устойчивой при переменном режиме увлажнения и промерзания, чрезвычайно важным является правильное назначение состава грунтощебня.

При назначении состава грунтощебня следует исходить из условия достижения наилучшей технологичности и наиболее высокой для данных исходных материалов прочности грунтощебня.

Технологичность грунтощебня оценивается по показателям перемешиваемости, уплотняемости, оптимальной влажности и плотности, а прочность грунтощебня- модулю упругости, по пределу долговременного сопротивления при сжатии.

Одним из основных вопросов при проектировании составов грунтощебня является также нахождение оптимального количества щебня в смеси. Оптимальное количество щебня зависит от прочности каменного материала, из которого приготовлен щебень. Чем прочнее щебень, тем большее количество его может быть допущено в смеси из условия обламывания углов и ребер щебенок; чем слабее щебень, тем относительно меньшее количество его может применяться в смеси с тем, чтобы не допустить грунтощебень работать по схеме заклинки, при которой слабо прочный щебень интенсивно разрушается.

Оптимальное количество щебня по прочности должно находиться во взаимосвязи с оптимальным количеством щебня по уплотняемости.

Уплотняемость грунтощебеночных смесей различного состава оценивается величиной средней скорости возрастания нагрузки при постоянной скорости деформирования. Другими словами, устанавливается зависимость приращения нагрузки в единицу времени от объемного веса грунтощебня при условии, что скорость относительной деформации будет поддерживаться постоянной, т. е.

При этом, чем меньше скорость возрастания нагрузки при постоянной скорости деформирования, тем материал слабее сопротивляется уплотнению, т. е. тем лучше его уплотняемость. Исходя из этого, при различном содержании щебня в грунтощебеночных смесях уплотняемость будет тем лучше, чем меньше скорость возрастания нагрузки.

Оптимальное количество щебня с точки зрения прочности должно находиться во взаимосвязи с оптимальным количеством щебня с точки зрения уплотняемости. Сопоставляя эти два показателя, назначаем расчетное количество щебня в грунтощебеночной смеси, составленной из конкретных материалов.

Проектирование составов грунтощебеночных смесей производим в следующей последовательности.

А. Определение оптимальной влажности и стандартной плотности грунтощебня

1) Определяем характеристики грунта: границу раскатывания, границу текучести, средний удельный вес, стандартную плотность и оптимальную влажность.

2) Определяем удельный и объемный вес щебенок.

3) Заготавливаем смеси с содержанием щебня 30, 40, 50 и 60% по весу при влажностях, подсчитанных по формуле (1).

(1)

где W₀       -оптимальная влажность грунта в составе грунтощебня %;

  -содержание щебня по весу, в долях единицы;

   -водопоглощение щебня, %;

C  -испаряемость воды при перемешивании составляющих, %.

 

Смеси заготавливаем из расчета, чтобы получить не менее 3-х образцов каждого состава. Ориентировочный вес одного образца 4,5-5 кг. .

4) На гидравлическом прессе эффективным давлением формуем образцы при постоянной скорости деформирования, равной 3 мм/мин.

Эффективным давлением называется такое давление, при котором в конце процесса уплотнения грунт в составе грунтощебня будет иметь стандартную плотность.

Если мы обозначим через:

 S    - площадь поперечного сечения образца в см²;

 P_r   - вес сухого грунта в составе грунтощебня в г;

 P_щ  - вес сухого щебня в г;

   - стандартную плотность грунта в г/см³ ,

 g_щ   - объемный вес отдельных щебенок в г/см³,

то исходя из определения плотности грунта при помощи несложных математических преобразований конечную высоту образца H, до которой необходимо уплотнять грунтощебень, запишем так:

(2)

Грунтощебень уплотняем на гидравлическом прессе со скоростью 3 мм/мин, до высоты, подсчитанной по формуле (2); запишем величину эффективного давления р_э. Выдерживаем образец под таким давлением в течение 5 мин.

5) Строим график зависимости эффективного давления от содержания щебня, т. е.

(рис. 5).

6) Для требуемого состава грунтощебня формуем эффективным давлением 3-4 серии образцов при влажностях (1,1 -1,0-1,2)W_Ok, где W_Ok - по формуле (1).

Определяем объем и вес каждого образца. По результатам вычислений строим график «плотность-влажность», т. е.

.

Точка перегиба на этом графике и определяет величину стандартной плотности и оптимальной влажности грунтощебня данного состава (рис. 6).

Такие графики строят каждый раз, когда приступают к работе с новыми материалами, так как величина оптимальной влажности и стандартной плотности грунтощебня зависит от гранулометрического состава грунта, от материала исходной горной породы, от количества щебня и др. Для контрольных постов и построечных лабораторий такой способ является довольно громоздким. С некоторым приближением для этих целей можно рекомендовать расчетный способ определения стандартной плотности и оптимальной влажности грунтощебня или же определять эти величины по номограммам.

 

Рис. 5. Зависимость эффективного давления формирования грунтощебеночных образцов от содержания щебня.

Рис. 6. Зависимость плотности грунтощебня от влажности.

 

Рассмотрим единицу объема грунтощебня. Пусть щебень с объемным весом отдельных щебенок γщ занимает в единице объема грунтощебня какую-то часть pv. Стандартную плотность грунта (мелкозема) в составе грунтощебня обозначим через δr. Тогда плотность грунтощебня будет равна:

(3)

Если содержание щебня задается в долях единицы по весу ρ то плотность грунтощебня

(4)

Расчетный метод определения стандартной плотности и оптимальной влажности грунтощебня состоит в следующем:

1) определяем границу текучести грунта (W_T)

2) определяем объемный вес щебенок (γ_щ)

3) по формулам, предложенным А. К. Бируля, Н. Ф. Сасько А. Ф. Котвицким определяем оптимальную влажность и стандартную плотность грунта.

(5)

где  W_T       - граница текучести грунта, %;

W_n  - число пластичности грунта, %.

(6)

где  Δ         -  удельный вес минеральных частиц грунта, г/см³;

υ₀    - оптимальный объем защемленного воздуха в долях единицы;

W₀ -  оптимальная влажность грунта в долях единицы, по формуле (5).

Величины Δ и υ₀ по данным работы вышеуказанных авторов приведены в таблице 2.

Таблица 2

РАСЧЕТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГРУНТОВ

4) Определяем стандартную плотность грунтощебня. Если содержание щебня задано в процентах или долях единицы по объему, то δгрщ определяем по формуле (3), если по весу, то по формуле (4).

5) Оптимальную влажность грунтощебня определяем по формуле (1). По формулам (3) и (4) можно составить номограммы, по которым при данных значениях стандартной плотности грунта, объемного веса щебенок и содержания щебня можно находить стандартную плотность грунтощебня.

На рис. 7 приведена номограмма, если содержание щебня задано по объему, а на рис. 8 - если содержание щебня задано по весу. На рисунках показан ключ к пользованию номограммами.

Б. Оценка уплотняемости грунтощебня

1. Заготавливаем грунтощебеночные смеси при содержании щебня 30, 40, 50 и 60% по весу при влажностях (0,8, 1,0, 1,1, 1,2) WOк.

2. Предварительно подготовленную смесь данного состава засыпаем в стальную форму и производим легкое, обжатое грунтощебня за счет веса штампа и подставки.

3. Определяем начальную высоту уплотняемого слоя грунтощебня и вычисляем требуемую величину скорости абсолютной деформации  при условии, что скорость относительной деформации

Рис. 7. Номограмма определения стандартной плотности грунтощебня, если содержание щебня задано по объему.

Рис. 8. Номограмма определения стандартной плотности грунтощебня, если содержание щебня задано по весу.

 

4. Производим уплотнение грунтощебня в стальном цилиндре (d=16 см, Н_ц = 20 см) на гидравлическом прессе мощностью не менее 50 т при постоянной скорости деформирования. Нагрузка прикладывается ступенями 0-1, 1-3, 3-5, 5-7, 7-10, 10-15 кг/см².

Время приложения каждой ступени нагрузки регистрируется с помощью секундомера, величину осадки - с помощью 2-х прогибомеров Максимова (ПМ-3), установленных диаметрально противоположно друг к другу.

5. Записи измерений ведём в журнале (табл. 3)

Таблица 3

ЖУРНАЛ ИСПЫТАНИЯ ГРУНТОЩЕБЕНОЧНЫХ ОБРАЗЦОВ НА УПЛОТНЯЕМОСТЬ

Опыт № 3                   P = 4590 г.      Hn=18см.        Hк = 11,16см.

6. Вычисляем среднюю скорость возрастания нагрузки на каждой ступени, которая на первой ступени приложения

нагрузки равна  , на четвертой - , на пятой - на шестой -

7. Вычисляем объемный вес (γ) грунтощебня на каждой ступени нагрузки.

8. Строим график зависимости скорости возрастания нагрузки от объемного веса грунтощебня данного состава, т. е.

(рис. 9).

9. Строим график зависимости скорости возрастания нагрузки (уплотняемости) от влажности смеси (рис. 10) и от содержания щебня в смеси (рис. 11) при γ=const.

Точка минимума на этих кривых определяет оптимальную влажность и оптимальное содержание щебня в смеси с точки зрения уплотняемости.

Примечание: Если трудно будет выбрать масштаб для , то можно взять логарифм от этой величины.

Рис. 9. Зависимость уплотняемости грунтощебеночных смесей от объемного веса при различном содержании щебня.

Рис. 10. Зависимость уплотняемости грунтощебеночных смесей от содержания щебня при различной влажности.

Рис. 11. Зависимость уплотняемости грунтощебеночных смесей от влажности грунта при различном содержании щебня.

Рис. 12. Зависимость модуля упругости грунтощебня от содержания щебня.

В. Оценка прочности грунтощебня

Для оценки прочности грунтощебня определяем мгновенный и длительный модули упругости путем испытания постоянной нагрузкой во времени. Порядок определения модулей следующий:

1. Формуем по 3 образца грунтощебня с содержанием щебня 30, 40, 50 и 60% при оптимальной влажности до стандартной плотности.

2. Помещаем образцы в гидравлическую ванну или эксикатор для формирования структуры при постоянной влажности воздуха в течение 7 суток.

3. После выдерживания определяем прочность при сжатии R_сж образцов из грунтощебня.

4. Испытываем образцы на рычажном прессе постоянной нагрузкой, равной 0,1 R_сж, во времени. Время действия нагрузки фиксируем с помощью секундомера, а осадки по двум индикаторам часового типа с точностью до 0,01 мм.

5. Записи измерений ведем в журнале по форме:

Таблица 4

ЖУРНАЛ ИСПЫТАНИЯ ГРУНТОЩЕБЕНОЧНЫХ ОБРАЗЦОВ НА ПРОЧНОСТЬ

Образец № 3.        H = 11,16 см.             Р = 0,1,            R_сж = 0,4 кгс/м².

Примечание: Цифры в таблицах приведены по результатам одного из экспериментов.

6. По результатам измерений вычисляем величину мгновенного и длительного модуля упругости грунтощебня данного состава. Мгновенный модуль упругости вычисляем при времени действия нагрузки 1 сек., длительный - при времени действия нагрузки - 20 мин.

Например, для приведенной таблицы в п. 5.

7. Строим график зависимости модуля упругости грунтощебня от содержания щебня (рис.12). Точка максимума на этой кривой определяет оптимальное содержание щебня с точки зрения прочности.

Г. Проектирование состава грунтощебня

Исходя из вышеизложенного, проектирование состава грунтощебеночных смесей производим в такой последовательности:

1) На основании существующих рекомендаций по укреплению грунтов вяжущими назначаем норму вяжущего для данного типа грунтощебня.

2) Определяем оптимальную влажность и стандартную плотность грунтощебня при различном количестве щебня в смеси (см. п. А).

3) Определяем максимальное количество щебня в грунтощебеночной смеси, исходя из условий достижения лучшей перемешиваемости и уплотняемости (см. п. Б).

4) Определяем оптимальное количество щебня в грунтощебеночной смеси с точки зрения прочности (см. п. В).

5) Производим окончательное назначение количества щебня и других составляющих, исходя из условий достижения наилучшей технологичности и прочности грунтощебня.

В производственных условиях необходимо знать количество каждой составляющей грунтощебня для правильной организации работ, т. е. произвести расчет состава грунтощебня.

Расчет состава грунтощебня можно произвести, представив единицу объема грунтощебня состоящей из суммы объемов щебеночных, грунтовых частиц, воды, вяжущих веществ, воздуха, то есть

1= vщ vr vв v0 va ,

(7)

Состав конгломератных материалов, к которым относится и грунтощебень, обычно выражают в весовых единицах на единицу объема материала, например в г/см³, т/м³. Если мы обозначим через Р_В, Р₀, Р_Г и Р_щ соответственно вес вяжущих веществ, воды, грунтовых и щебеночных частиц в единице объема грунтощебня, а через Д_в, Д₀, Д_г и Д_щ - соответственно удельный вес вяжущих, воды, грунтовых и щебеночных частиц, то уравнение (7) можно записать в таком виде:

(8)

Определим теперь количество каждой составляющей грунтощебня, которые входят в уравнение (8).

Количество воды в единице объема грунтощебня

(9)

где: W_Oк    - оптимальная влажность грунтощебня, см. формулу (1).

Количество вяжущих веществ в единице объема грунтощебня

(10)

где: Q        - количество вяжущих веществ в %.

При использовании в составе грунтощебня для укрепления грунта цемента и ему подобных материалов

(11)

где: kl и k2            - коэффициенты, которые учитывают местоположение слоя грунтощебня в конструкции дорожной одежды; k₁ = 4; k₂==  0,15÷0,25;

 WT            - граница текучести грунта, %.

При использовании для укрепления грунтощебня битума и ему подобных материалов количество вяжущих веществ

(12)

где: m        - коэффициент, равный ≈ 0,22,

  - удельный вес вяжущих веществ.

Количество воздуха в единице объема грунтощебня

(13)

где: α         - количество защемленного воздуха в щебеночных частицах, зависит от материала горной породы;

- количество защемленного воздуха в грунте, определяется по табл. 1;

            - количество щебеночных частиц в долях единицы объема.

Количество щебня можно выразить через количество грунта в единице объема, используя уравнение (3)

(14)

Содержание щебня в долях единицы объема  можно получить, используя уравнение для модуля упругости грунтощебня

(15)

где: k         - структурный коэффициент,

E_щ, Е_г, E_грщ - соответственно модули упругости щебня, грунта и грунтощебня, кг/см²

Количество грунта в единице объема грунтощебня определяем из уравнения (8), подставив в него вычисленные выше значения для других составляющих грунтощебня.

Пример: Произвести расчет состава грунтощебня, укрепленного цементом, при следующих исходных данных:

модуль упругости грунтощебня E_грщ = 5000 кг/см²,

грунта Е_г = 540 кг/см², щебня Е_щ = 180.000 кг/см².

Грунт суглинистый: W_T = 27%, W_p= 14%, W_П = 13;

Δ_r= 2,71 г/см³, δ_r= 1,56 г/см³.

Щебень - известняк; Δ_щ= 2,70 г/см₃, γ_щ= 2,44 г/см³, пористость 9,2%, водопоглощение 3,8%.

Цемент - портландский, марки «400», Δ_В= 3,15 г/см³.

1. Определяем содержание щебня в грунтощебеночной смеси, оптимальную влажность и стандартную плотность грунтощебня

а) по формуле (15) содержание щебня по объему:

б) Стандартная плотность грунтощебня по формуле (3) равна

в) Содержание щебня по весу из формул (3 и 4) равно

г) Оптимальная влажность грунтощебня по формуле (1)

2. Производим определение количества составляющих грунтощебня в единице объема.

Количество щебня

Количество воды

Количество вяжущего

где

Количество воздуха

υ_а=α·ρ_v+υ₀(1-ρ_v) = 0,054 + 0,425 + 0,0040(1 - 0.425) = 0,013 + 0,023 = 0,036

Теперь найдем из уравнения (8) количество грунта в единице объема грунтощебня

Тогда:

P_щ=1,153P_r=1,153·0,898=1,035 T/M³

P₀=0,242 P_r=0,242·0,898=0,217 T/M³

P_В=0,108 P_r=0,108·0,898=0,088 T/M³.

Проверка. Плотность грунтощебня δ_трщ по формуле (3) равна 1,962 т/м³. По произведенному расчету δ_трщ складывается из количества щебня, грунта и вяжущего на единицу объема грунтощебня, т. е.

δ_грщ= Р_щ + P_r + P₀;

тогда:

δ_грщ= 1,035 + 0,898 + 0,088 = 2,021, Т/М³.

Ошибка в расчете составляет

Значит, расчет произведен правильно.

Вывод: Расход материалов на 1м³ грунтощебня согласно произведенного расчета составляет

Щебня________________1035 кг

грунта__________________898 кг

вяжущего_______________81 кг

воды_________________217 кг

Итого: _______________2238 кг

СОДЕРЖАНИЕ