СПОСОБ УПЛОТНЕНИЯ КРУПНООБЛОМОЧНЫХ ГРУНТОВ
METHOD OF SEALING VERY COARSE SOILS

Изобретение относится к области строительства и может быть наиболее эффективно использовано при возведении насыпей, устраиваемых из крупнообломочных грунтов и предназначенных для сооружения, например, плотин, автомобильных и железных дорог и т.п.
Традиционно, для уплотнения крупнообломочных грунтов, включающих куски пород до 120 см, используют тяжелые (до 20 тонн) и сверхтяжелые (до 30 тонн) прицепные вибрационные катки с гладкими металлическими вальцами. Силовое воздействие катков на грунт представляет собой сумму вертикальной составляющей силы тяжести катка и знакопеременной центробежной силы источника вибрации (вибратора). Присутствующая при этом величина горизонтальной составляющей, действующей на уплотняемый материал, незначительна по сравнению с вертикальной составляющей и не оказывает на процесс уплотнения существенного влияния. Ее присутствие здесь обусловлено силами внешнего трения гладкого металлическою вальца с грунтовой поверхностью и вызвано необходимостью перемещения катка по ней. Максимальное ее значение ограничено сцепными качествами контактирующей диады, а потому действие этой силы на уплотняемый материал локализуется поверхностями контакта и не распространяется в глубину уплотняемого массива грунта. В целом эффективность уплотнения гладковальцовым вибрационным катком определяется виброударным характером приложения нагрузки в вертикальной плоскости. При воздействии такой нагрузки на уплотняемый материал последний подвергается одновременно вибрации и удару. Как известно, действие вибрации вызывает снижение внутреннего трения в грунте, а удар - распространение в материале силовой волны, обеспечивающей эффект уплотнения. Однако это справедливо не для всех разновидностей грунтовых материалов. Для крупнообломочного грунта, обладающего высоким внутренним трением и зацеплением между собой крупных частиц горных пород, воздействие поверхностной вибрации не дает ожидаемого результата. В то время как уплотнение материала происходит, в основном, под воздействием удара, который характеризуется малым временем действия силы и большим и значительным силовым параметром. Удар вызывает волну напряжений,  которая, перемещаясь в глубине массива, вызывает его деформацию, смещение частиц, их переупаковку, что, в конечном итоге, и обусловливает эффект уплотнения. При этом удар, т.е. силовой параметр, должен быть значительным, чтобы преодолеть внутреннее сопротивление материала. Этим и объясняется, что для уплотнения крупнообломочных грунтов, характеризующихся большим процентным содержанием крупных частиц, используются тяжелые и сверхтяжелые вибрационные гладковальцовые катки.
С вышеназванными катками успешно конкурируют решетчатые катки, масса которых достигает 30 тонн. Основой рабочей поверхности таких вальцов является решетка, изготавливаемая из круглой прутковой стали стандартного профиля и производимая методом плетения или сварки. Часто решетка собирается из литых стальных звеньев. Согласно результатам проведенных исследований, на отдельный пруток решетки действует сила, представляющая собой часть общей нагрузки на валец, в связи с чем под каждым прутком образуется напряженная зона типа «конуса давления». Поля напряжений соседствующих прутков накладываются друг на друга, что на некотором удалении от поверхности усиливает напряженное состояние объемов грунта, расположенных под окном решетки [Н.Я. Хархута, Прочность, устойчивость и уплотнение грунтов земляного полотна автомолбильных дорог. Москва, Транспорт, 1975, с. 210-214].
Несмотря на способность концентрировать нагрузку на глубине массива грунта, решетчатые катки обладают практически тем же основным недостатком, что и вышеописанные вибрационные гладковальцовые катки, а именно: приложением нагрузки только в вертикальной плоскости и незначительным усилием сдвига, которое в подавляющей степени способствует «переупаковке» частиц уплотняемого грунта.
Таким образом, задачей изобретения является повышение эффективности уплотнения крупнообломочного грунта.
Поставленная задача достигается за счет того, что в способе уплотнения крупнообломочных грунтов, состоящем в их укатке решетчатым катком, вальцу последнего придают дополнительное осциллирующее движение, амплитуду и частоту осцилляции которого устанавливают в зависимости от максимального размера камня крупнообломочного грунта.
Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что величины вертикальной и горизонтальной составляющих силового воздействия на поверхности уплотняемого материала становятся сопоставимыми по своей эффективности, что в целом приводит к значительному увеличению уплотнительной способности решетчатого катка.
При этом величина вертикальной составляющей зависит от силы тяжести решетчатого вальца, а знакопеременная горизонтальная составляющая определяется из условия необходимого и достаточного силового воздействия на уплотняемый материал, для получения максимального эффекта уплотнения. Горизонтальная составляющая создается осциллирующим приводом, который устанавливается внутри решетчатого вальца. Амплитуда и частота осцилляции (угловых колебаний) может изменяться в зависимости от максимального размера камня крупнообломочного грунта. Следует отметить, что максимальный размер камня, находящийся в составе крупнообломочного грунта, оказывает влияние на размер окна решетчатого вальца, с которым он должен быть сопоставим. Это необходимо для проникновения граней камня в окно и, таким образом, создания возможности механического зацепления камня с осциллирующей поверхностью решетчатого вальца. В результате такого зацепления камню передаются колебания вальца, который действуют в горизонтальной плоскости. Поскольку такое взаимодействие происходит на поверхности уплотняемого массива грунта, то в глубину массива осцилляции могут передаваться только через грани камня, расположенные ниже. Чем крупнее камень, тем глубже расположены его нижние грани и тем на большую глубину распространяется поверхностная горизонтальная вибрация. Таким образом, на большей глубине происходит «шевеление» частиц грунтового массива. В результате чего снабжаются силы внутреннего трения и сцепления частиц друг с другом, происходит их «переупаковка», приводящая к уплотнению массива грунта в зоне этих колебаний. При этом чем крупнее куски камня, тем на большую глубину распространяются колебания. Следует отметить, что амплитуды этих колебаний могут не затухать, а как это ни парадоксально, могут возрастать с глубиной, что при обычной вертикальной вибрации недостижимо.
Предлагаемый способ реализуется следующим образом.
Решетчатый каток перемещают по насыпи челночным способом. В процессе укатки решетчатому вальцу сообщают дополнительное осциллирующее движение с частотой и угловой амплитудой, которые зависят от крупности крупности частиц уплотняемого материала. В настоящее время разработан целый ряд осциллирующих механизмов для дорожных катков, в частности фирмой «Hamm» (ФРГ), каждый из которых может быть использован для реализации предлагаемого способа.