5.5. Укладка грунта в тело сооружения

Возведение однородных грунтовых плотин (без противофильтра-ционных элементов) начинают с отсыпки грунта в наиболее понижен-ные участки горизонтальными или слабонаклонными (в уклоном до 0,5 % в сторону верхнего бьефа) слоями для обеспечения стока атмо-сферных осадков (чтобы подготовленный к укладке грунт не переув-лажнялся).

Если створ плотины пересекает действующий водоток, устройство зуба в пределах русла будет невозможно, поэтому устраивают обвод-ной канал для пропуска строительного расхода, перекрывают русло перемычками и откачивают воду из замкнутого пространства, после чего приступают к устройству траншеи под зуб.

Основание сооружения перед отсыпкой увлажняют (или подсушивают) до оптимальной влажности, а затем уплотняют. Непосредственно перед укладкой первого слоя из связных грунтов гладкую поверхность уплотненного основания рыхлят боронованием на глубину до 5 см. Также рыхлят поверхность каждого уплотненного слоя грунта перед укладкой на него последующего (не требуется при использовании кулачковых или пневматических катков).

Для обеспечения непрерывности процесса возведения сооружения рабочую поверхность насыпи разбивают в плане на равновеликие по площади карты и на каждой последовательно выполняют следующие операции: транспорт и отсыпка грунта; разравнивание; увлажнение (подсушка); уплотнение. При необходимости состав работ может быть дополнен или сокращен. Так, грунт с оптимальной естественной влажностью не требуется доувлажнять. Связный грунт доувлажняют в карьере, что также исключает доувлажнение на карте.

Площадь карты определяется по формуле

где П_сут – суточный поток грунта, м³/сут;

h_сл – толщина слоя отсыпки.

Длина карты ограничивается наименьшей протяженностью уплот-няемого участка и зависит от типа катка и принятой схемы его движения. Ее назначают обычно от 50 до 100 м при использовании самоходных катков, до 200 м – прицепных. Надо иметь в виду, что чем длиннее карта, тем эффективнее используются катки. Так, при увеличении длины карты с 50 до 100 м производительность катка возрастает примерно на 40 %. Однако при длине карты больше 300 м прирост производительности резко снижается, поэтому целесообразно назначать длину не более 300 м. Кроме того, необходимо учитывать, что в сухую и жаркую погоду подготовленный под укладку грунт на карте быстро теряет влажность, а при атмосферных осадках – переувлажняется. Поэтому уплотнение следует вести интенсивно и заканчивать за время, в течение которого потери влаги грунтом будут в допустимых пределах. Ширина карты должна быть удобной для движения и разворотов машин – желательно не менее двух радиусов разворота. Сопряжения карт между собой рекомендуются по откосу не круче 1:2. В плане сопряжениям карт, направленным нормально к оси сооружения, целесообразно придавать ломаное очертание. Так как площадь насыпи непрерывно меняется по высоте, то разбивку на карты производят по ярусам через 2–4 м. Число карт, которое может быть размещено на данной отметке:

где F_i – площадь насыпи в плане на данной отметке;

F_i = B_i L_i,

где B_i и L_i – соответственно ширина и длина плотины на данной отметке.

Если количество карт на данной отметке оказывается больше пяти, целесообразно увеличить суточный поток грунта, принимая большее количество скреперов или экскаватор с большей производительностью.

При строительстве дамб и дорог карты размещают одну за другой. В этом случае длина одной карты

Доставляемый грунт разгружают по всей площади карты в шахматном порядке конусами и разравнивают полосами. Расстояние между полосами и между конусами отсыпки в полосе должно быть таким, чтобы при разравнивании срезаемый грунт полностью укладывался в промежутке между ними слоем заданной толщины. Бульдозер для разравнивания должен иметь отвал, ширина которого на 10–20 см больше диаметра подошвы конуса. Расстояние между осями полос отсыпки принимают равным ширине отвала бульдозера.

Послойную отсыпку грунта ведут обычно от бровки насыпи к сере-дине, а на переувлажненных и слабых основаниях до высоты 3 м – от середины насыпи к краям, а далее – от краев к середине. Образовавшиеся колеи заравниваются вручную. Рекомендуется движение бульдозера к началу захватки задним ходом с опущенным отвалом.

Расчетную плотность насыпи при ее строительстве следует обеспечивать с минимальной затратой энергии на уплотнение. Между уплотняющей нагрузкой, влажностью и плотностью грунта существует взаимосвязь.

Для каждого грунта и каждой нагрузки существует оптимальная влажность, при которой для его уплотнения требуется минимум меха-нической работы. Частицы сухого грунта из-за сил трения и сцепления оказывают большое сопротивление их уплотнению. По мере увеличе-ния влажности трение уменьшается и грунт уплотняется при меньшей работе. Однако при увлажнении сверх определенного предела уплотнение затрудняется или делается невозможным. Оптимальная влажность зависит от удельной уплотняющей нагрузки. С увеличением этой нагрузки она уменьшается. Оптимальную влажность и соответствующую ей максимальную плотность определяют опытным путем при разных затратах работы (рис. 5.12).

Значения оптимальной влажности уточняют при опытном уплотнении грунта пробной укаткой.

Влажность грунта в карьере обычно отличается от оптимальной. Если она ниже оптимальной, то производят доувлажнение грунта в карьере или на месте его укладки в сооружение. При влажности выше оптимальной грунт подсушивают на территории карьера или на сооружении, а иногда при промежуточном складировании. Грунты с малым коэффициентом фильтрации (глина, суглинки) обычно доувлажняют в карьере, так как доувлажнение их на сооружении вызовет длительные перерывы в работе и неравномерное распределение дополнительной влаги по толщине и неравномерную плотность по слою грунта.

При доувлажнении грунта в карьере его поверхность делят на карты, которые планируют, обваловывают дамбочками высотой 0,5–0,6 м и заливают водой. Площадь карты выбирают из условия заполнения ее водой в течение не более 2 суток, ширину – равной ширине одной – двух экскаваторных лент, длину – не более 50 м. Продолжительность промачивания составляет обычно 10–15 суток.

Расход воды (q, м³/м³) на доувлажнение 1 м³ грунта в карьере

q = γ_e (ω_o – ω_e + ω_п),

где γ_e – плотность сухого грунта, т/м³;

ω_п = 0,010…0,015 – потери влаги при разработке, транспортировке и укладке.

Несвязные грунты доувлажняют обычно на сооружении при его воз-ведении. Для этого используют поливочные или дождевальные маши-ны. Расход воды на доувлажнение определяют аналогично, но плот-ность учитывают в рыхлом насыпном состоянии и уменьшают потери влаги.

Грунты представляют собой трехфазную систему, состоящую из твердых минеральных частиц, воды и воздуха. В процессе уплотнения под действием статической и динамической нагрузок происходит сближение частиц грунта вследствие вытеснения воды и воздуха, при-чем мелкие частицы перемещаются в поры между крупными.

Для послойного уплотнения грунта в качественных насыпях применяются машины статического, вибрационного и динамического дей-ствия.

Машины статического действия уплотняют грунт собственной силой тяжести в результате кратковременного приложения нагрузки, создаваемой катками при проходке. В грунте при этом возникают необратимые деформации, которые определяют эффект уплотнения. К машинам статистического действия относятся катки всех видов, за исключением вибрационных и с падающими грузами. Вальцы или колеса катков могут быть жесткими или эластичными. В первом случае валец при работе не деформируется, а деформируется только грунт. Во втором случае колеса не только сжимают грунт, но и деформируются сами, что увеличивает площадь их контактной поверхности с грунтом и давление по ней распределяется более равномерно.

В зависимости от формы жесткого вальца различают катки гладкие, кулачковые, сегментные и решетчатые.

Катки с гладким вальцом применяют для уплотнения несвязных грунтов на глубину 10–25 см, так как при работе на связных грунтах они не позволяют получать равномерное по толщине слоя уплотнение, и поверхность карты получается гладкой, что требует рыхления ее перед отсыпкой следующего слоя. Недостаток таких катков – образование при движении волны грунта, что вызывает его перемещение и ра-зуплотняет его структуру. Для уменьшения волнообразования рекомендуется производить предварительную подкатку насыпи легкими катками. Для уплотнения песчаного грунта требуется шесть – десять проходок.

Кулачковые катки применяют для уплотнения глинистого грунта слоями толщиной до 50 см. Они не рекомендуются при работе зимой при низких температурах, так как перфорированный грунт быстро охлаждается. Эти катки при работе воздействуют сначала своими кулачками на нижнюю часть слоя грунта. Таким образом, уплотнение происходит снизу вверх. С каждой последующей проходкой катка кулачки все меньше проникают в грунт, а валец постепенно приподнимается над поверхностью и каток опирается на грунт только через кулачки. Под каждым кулачком при его погружении в грунт образуется уплотненное ядро. Эти ядра при правильном подборе параметров катка и толщины слоя как бы упираются в плотное, практически недеформируемое основание, которым служит поверхность ранее уплотненного слоя грунта. При последующих проходках происходит уплотнение грунта между ядрами и наращиванием ранее уплотненного слоя в результате уплотнения рыхлого грунта, расположенного над образовавшимися при предыдущих проходках ядрами. Применение кулачковых катков способствует подсушиванию грунта на карте, его измельчению. Они эффективны и для уплотнения связных грунтов с пониженной влажностью. Поверхность грунта получается шероховатой, что улучшает без затрат на рыхление сопряжение слоев и почти исключает волнообразование и смещение грунта. При работе на тяжелых (жирных) грунтах с повышенной влажностью требуются остановки для очистки от налипшего грунта. Требуемое число проходов легких катков составляет восемь – десять, тяжелых – четыре – восемь.

Решетчатые катки служат для уплотнения связных и комковатых грунтов с включениями щебня, мелких валунов, гравийно-песчаных смесей, при работе зимой для уплотнения талого грунта с мерзлыми комьями размером до 35–40 см. Вальцы представляют собой решетку на бортовых и средних кольцах вальца. Они малоэффективны на переувлажненных связных грунтах, особенно зимой, когда переувлажненные комья грунта примерзают к решетке.

Пневмоколесные катки – это три – восемь колес автомобильного типа шириной 17–68 см. Зазор между колесами составляет не более 0,4–0,5 их ширины. Применяются для уплотнения как сыпучих, так и связных грунтов слоями 50–75 см за четыре – шесть проходок. Необходимое давление на грунт создается как путем увеличения балласта, так и путем изменения давления в шинах. Рекомендуется следующее давление (МПа) при уплотнении: песков – 0,2, супесей – 0,3–0,4, суглинков и глин – 0,5–0,6.

Вибрационные катки уплотняют грунт путем воздействия на него вибрационных нагрузок. Частицы грунта разной крупности в результате вибрации получают разные ускорения, связь между частицами уменьшается, они приходят в движение, и грунт, оседая, уплотняется. Применяются для уплотнения песков, супесей, гравийно-песчаных и щебеночно-песчаных смесей, гравия и щебня. Существуют с гладким вальцом, кулачковые и пневмоколесные. Катки с металлическим валцом плохо работают при уплотнении крупнообломочного материала, быстро разрушаются.

Возможно уплотнение попутным проездом транспорта по насыпи. Создаваемое давление достигает 0,45 МПа, при этом за шесть – десять проходок достигается требуемое уплотнение. Необходимо так организовать движение, чтобы обеспечить равномерное уплотнение по всей площади.

Эксплуатационная производительность катков зависит от ширины захвата катка В, скорости движения агрегата v_ср, толщины уплотняемого слоя h, количества проходок по одному следу n, необходимого для получения требуемой плотности:

где φ, К_в – коэффициенты соответственно перекрытия смежных полос (0,85) и использования рабочего времени;

v_ср – рабочая скорость, км/ч.

Машины динамического действия уплотняют грунт ударами падающего с высоты рабочего органа (трамбовки) по поверхности уложенного слоя. Эффект уплотнения определяется не только массой рабочего органа, но и его скоростью в момент удара. К этому типу относятся машины с трамбующими плитами, взрывные трамбовки, многомолотковые трамбующие машины и катки с падающими грузами.

В стесненных условиях используют виброплиты и взрывные трамбовки массой 500–2000 кг, толщина уплотняемого слоя достигает 0,8 м за четыре – шесть проходок.

Вибротрамбующими машинами поверхностного и глубинного действия можно уплотнять и сыпучие, и связные грунты.

Машины поверхностного действия массой 1–2 т обеспечивают глубину уплотнения глинистых грунтов до 1 м, супесей до 1,5 м, песков до 2 м. Трамбующие плиты имеют массу 1,5–4,0 т, иногда до 40 т и размеры в плане 0,8 ? 0,8 или 1,3 ? 1,3 м и являются сменным оборудованием к экскаваторам и тракторам. При n = 5 и H = 1 м h = = 0,6...0,7 м; n = 3, Н = 2 м, h_сл до 0,9 м обеспечивают уплотнение на глубину до 0,7–0,9 м в зависимости от высоты падения трамбовки.

Производительность трамбующих машин определяется выражени-ем:

где f – площадь трамбовки;

φ – коэффициент перекрытия (использования площади плиты);

n_ц – частота циклов, зависящая от продолжительности цикла процесса уплотнения;

h – толщина уплотняемого слоя;

n – число ударов, необходимое для получения требуемой плотности.

Выбор грунтоуплотняющих машин производится с учетом линей-ных размеров сооружения (на протяженных насыпях используют кат-ки, в стесненных условиях – машины динамического действия); пло-щади, формы и расположения относительно горизонта уплотняемой поверхности (катки применяют только на горизонтальной поверхно-сти, вальцовые можно и на наклонной); объемов и интенсивности ра-бот; вида и свойств грунта; экономических показателей.

Катки выбирают так, чтобы напряжения, возникающие в грунте, не превышали разрушающих

σ_max = (0,8…0,9)σ_разр.

Требуемые параметры трамбующих машин выбираются по величи-

не удельного импульса

где Y – полный импульс;

F, m – площадь и масса трамбовки;

v – скорость в момент соударения;

Н – высота сбрасывания плиты.

Зная вид грунта (предельный импульс i_пр), площадь F и массу трамбовки m, можно найти требуемую высоту сбрасывания Н.

Для оценки экономичности разных способов уплотнения установлено, что если стоимость пневмоколесных прицепных катков принять за 1, то для кулачковых она будет 0,7; для решетчатых и пневмоколесных самоходных – 1,2; для трамбующих на базе тракторов – 1,4, на базе экскаваторов – 2,0.

Для уточнения характеристик уплотнения и выбора уплотняющей машины до начала возведения плотины производят опытную укатку при различной толщине, влажности и числе проходок катка. Опытное уплотнение производится на площадке 15 ? 40 м. Основание опытной площадки должно быть спланировано и иметь плотность не ниже проектной. Площадку разбивают по длине на три – четыре участка, на которых отсыпают слои толщиной соответственно h₁, h₂, h₃ и т. д., но одинаковой влажности (рис. 5.13).

Рис. 5.13. Схема площадки для опытного уплотнения грунта:

1 – площадка для разворотов катка; 2 – места отбора проб грунта

Укатку всех участков производят одновременно при движении уп-лотняющего механизма вдоль длинной стороны участка. Из уплотнен-ного слоя берут по две пробы в трех местах и строят график γ = f (n) для разных h.

Уплотнение грунта в сооружении производят проходками обычно вдоль карты с движением прицепного катка по кольцевой схеме с раз-воротом в торцах карт или по челночной схеме – самоходного. Движе-ние катка перпендикулярно оси сооружения допускается в исключи-тельных случаях при стесненных условиях с обязательным увеличени-ем числа проходок. Полосы у бровки плотины уплотняют только про-дольным движением.

Рекомендуемые скорости движения катка: при первой и двух последних проходках – 1,5–2,0 км/ч, при промежуточных – 3,5–7,5 км/ч. При каждой проходке каток должен перекрывать смежный след менее чем на 0,2 м.

Для предотвращения обрушения откоса первые две проходки катка выполняют с удалением от бровки на ширину двух – трех полос, а затем, смещая каждую последующую проходку в сторону бровки, приближаются к ней не ближе чем на 0,5 м. Оставшаяся неуплотненная кайма откосов (бахрома) срезается в последующем бульдозером, и грунт перемещается вверх для укладки в очередной слой. Таким образом, рабочие габариты плотины отличаются от проектных. Этой рекомендации придерживаются, если откосы защищают жестким креплением. При креплении посевом трав, каменной наброской, отсыпкой гравия плотины следует отсыпать без уширения против проектного профиля и срезки бахромы.

При укладке песчаных и рыхлых грунтов во избежание зарывания в них тяжелых катков уплотнение начинают легкими гладкими или пневматическими катками, выполняя подкатку с небольшими числами проходок (две), а затем продолжают тяжелыми катками. Подготовленный к уплотнению грунт немедленно укатывают, чтобы избежать его переувлажнения атмосферными осадками. С этой же целью поверхность карт выполняют с небольшим уклоном в сторону верхнего бьефа, а при малой площади рабочие карты укрывают. Сопряжение карт между собой делают по откосу не круче 1:2. Рыхлый грунт в местах сопряжения срезают и перемещают на новую карту. В плане сопряжениям карт, направленным нормально к оси сооружения, целесообразно придавать ломаное очертание.

При технологическом перерыве укладки глинистого грунта в пло-тину на зимний период последние два – три слоя отсыпают и уплот-няют с влажностью, не превышающей 0,8–0,9 влажности на границе раскатывания, и по завершении работ прикрывают грунт рыхлым сне-гом. С наступлением положительных температур укладку грунта во-зобновляют.

Для плотин из несвязных грунтов специальных мероприятий на время прекращения работ на зимний период не предусматривают.

При возведении качественной насыпи путем отсыпки грунта в воду тело плотины или любой ее элемент разбивают на карты, которые насухо обваловывают дамбами из того же грунта высотой, равной толщине отсыпаемого слоя. Обвалованные карты заполняют водой ниже отметки гребня дамб обвалования на 20–30 % толщины отсыпаемого слоя. Размеры карт выбирают исходя из сменной производительности участвующего в работе оборудования. Грунт подают на плотину и выгружают непосредственно в прудок или на бровку дамбы или отсыпанной части слоя с последующим сталкиванием бульдозером пионерно под откос в воду прудка. Отсыпать в воду можно разные грунты – глины, лессовидные суглинки, песчаные. Толщина слоя отсыпки песчано-гравийных грунтов – 4–6 м; песков и супесей – до 4 м; суглинков легких – до 2 м; суглинков тяжелых и глин – до 1 м. При этом не требуется разравнивание и уплотнение грунта, можно работать в дождливую погоду и при отрицательных температурах.