Сухой способ отсыпки и уплотнения грунта тела земляной плотины
1. Уплотняющие механизмы и способы уплотнения грунта этими механизмами. Различают следующие приемы уплотнения грунта (при сухом способе отсыпки его в тело плотины): 1) укатку — катками, транспортными средствами, землеройнотранспортными машинами; 2) трамбование — механическими трамбовками, навесными плитами, трамбующими машинами; 3) вибрирование—вибрирующими плитами, глубинными вибраторами; 4) комбинированные приемы — виброкатками, скреперкатками и др.
Укатка (наиболее старый прием уплотнения грунта). Существуют катки прицепные (к тракторам) и самоходные, а также гладкие, шиповые (кулачковые) и пневматические. Основным элементом гладкого катка является полый барабан, катящийся по грунту. Для увеличения веса этого барабана его заполняют песком или водой. Гладкий каток имеет ряд существенных недостатков: 1) при движении такого катка в грунте развиваются горизонтальные силы, в результате которых в укатываемом слое могут возникнуть после постройки плотины поперечные (к направлению движения катка) ходы сосредоточенной фильтрации; 2) удельная нагрузка мала, поэтому грунт приходится укатывать относительно тонкими слоями (15...20 см); 3) грунт в укатываемом слое уплотняется неравномерно: в верхней части слоя — больше, а в нижней — меньше. Шиповые (кулачковые) катки, получившие широкое распространение, отличаются от гладких только тем, что на их внешней поверхности устроены шипы различной геометрической формы.
Наличие шипов способствует лучшему уплотнению грунта. У пневматических катков, самоходных или прицепных, барабан, имеющийся у обычных катков, заменяется колесами с пневматическими шинами. На одну ось может быть надето несколько колес с соответствующими зазорами между ними. Степень уплотнения грунта зависит от давления воздуха, заполняющего баллоны шин. Глубина уплотнения пневмокатками 35...40 см.
Трамбование ранее осуществлялось ручными трамбовками массой 10..25 кг, а в настоящее время механическими, которые позволяют уплотнять грунт на глубину до 80...100 см. Принцип действия так называемых взрывотрамбовок основан на вспышках (взрывах) горючей смеси в цилиндре трамбовки; в результате этого взрыва трамбовка подбрасывается кверху и, падая, уплотняет грунт. Масса таких трамбовок доходит до 2,5 т. Особые самоходные трамбующие машины снабжаются молотками, ударами которых и уплотняют грунт. Наиболее часто применяют трамбующие навесные плиты на экскаваторах. К стреле экскаватора на канате свободно подвешивают железобетонную или чугунную плиту (гладкую или с шипами) массой до 1,5...3,5 т и размерами в плане 1x1 м. Плиту поднимают на высоту 1...4 м, и при падении она уплотняет грунт. При 2...4 ударах глубина уплотнения достигает 1,0 м.
Вибрирование для уплотнения грунта осуществляется поверхностными и глубинными вибраторами. Эти машины бывают само передвигающиеся, прицепные и переставляемые краном. Наиболее эффективным методом уплотнения связных грунтов является укатка, а несвязных — вибрация и трамбование. Однако в настоящее время на рядовом строительстве используют главным образом укатку, принимая число рейсов катка по одному месту 6...8; более 12... 16 проходов по одному месту, как правило, не делают. Толщину уплотняемых слоев грунта назначают обычно от 15...30 до 50... 60 см. Трамбовочные плиты применяют в основном в случае узкого фронта работ (при заполнении грунтом пазух котлованов, устоев и т. п.). 2. Факторы, влияющие на уплотнение грунта сухим способом.
Степень уплотнения отсыпанного слоя грунта зависит от следующих факторов: вида уплотняемого грунта (песок, суглинок и т. п.); толщины слоя грунта; типа уплотняющих механических средств; удельной нагрузки, передающейся на грунт от уплотняющего механизма; интенсивности уплотнения; числа проходов катком или количества ударов трамбовкой по одному месту; влажности уплотняемого грунта. Влажность существенно влияет на степень уплотнения грунта (особенно связного).
3. Оптимальная влажность грунта и выбор рационального способа уплотнения. При разной влажности (и при одинаковых прочих условиях) заданный грунт уплотняется до различной степени (до разных значений рсух). На рис. 2.90 показано несколько кривых (1, 2, 3) зависимости рСуx=f(w), где w — влажность грунта. Каждая кривая отвечает условиям, указанным в п. 2. С увеличением влажности плотность грунта сначала увеличивается, а затем начинает уменьшаться. Опти рСуХ мальной влажностью w0 называется влажность, отвечающая максимуму указанных кривых.
В случае комкообразной глины соответствующая кривая (на рис. 2.90) может получить два максимума, из которых второй максимум должен отвечать глине бескомковой. При этой влажности мы получаем наибольшую плотность грунта.
Уплотняя заданный грунт при оптимальной его влажности, на уплотнение грунта затрачивают минимум работы уплотняющих механизмов. Поэтому карьерный грунт иногда увлажняют, чтобы приблизить его влажность к оптимальной, иногда подсушивают.
Практически оптимальную влажность в первом приближении определяют в лабораторных условиях; обычно при оптимальной влажности вода заполняет поры грунта на 80...90 % (остальная часть пбрового пространства остается заполненной воздухом); окончательно оптимальную влажность устанавливают по натурным опытам. В результате таких опытов и вырабатывают наиболее рациональный способ уплотнения грунта до требуемой плотности Рсух н. При этом учитывают наличие соответствующих механических средств, которые могут быть использованы на строительстве.
4. Производство работ по уплотнению грунта. Плотину возводят слоями. Горизонтальные слои разбивают в плане на отдельные карты и на каждой такой карте последовательно выполняют следующие основные виды работ: отсыпку грунта; разравнивание и дополнительное его увлажнение, выстаивание увлажненного грунта для получения равномерного увлажнения его по всему объему; уплотнение грунта.
Завезенный грунт разравнивают (например, бульдозером) слоем принятой толщины, с небольшим уклоном в сторону верхнего бьефа. Иногда грунт увлажняют в карьерах, что имеет свои преимущества: облегчается разработка грунта в карьере, достигается более равномерное увлажнение. Транспортные расходы при такой системе увлажнения грунта повышаются.
Разровненный слой грунта укатывают катком вдоль оси плотины. При этом каждый последующий ход катка, смещенный в поперечном направлении, должен перекрывать предыдущий ход на 5... 10 см. Иногда сначала укатывают грунт легкими катками или гусеничными тракторами, а затем тяжелыми катками. Порядок движения транспортных средств устанавливают с расчетом их наилучшего использования для уплотнения грунта. Перед отсыпкой последующего слоя поверхность нижележащего слоя взрыхляют.
Для обеспечения проектной плотности грунта по всему поперечному профилю сооружения слои грунта укладывают и уплотняют у откосов с запасом (по ширине) 20...40 см и более по сравнению с проектными размерами плотины. Впоследствии эти излишки грунта при планировке от косов срезают, причем срезанный грунт идет на образование верхней части сооружения. Тело плотины получается слоистым, причем в горизонтальном направлении коэффициент фильтрации грунта оказывается большим, а в верти Рис. 2.91. Схема производства работ по кальном — меньшим. Таким отсыпке экрана: образом, тело насыпной анизотропную область фильтрации.
Что касается отсыпки плотины в зимних условиях, то необходимо: а) грунты несвязные, сухие укладывать в тело плотины и в зимнее время, а уплотнять так же, как и летом; б) нельзя допускать попадания в тело плотины снега и льда; в) связные грунты можно укладывать в тело плотины при температуре не ниже —6°...—7 °С. При отрицательных температурах приходится предусматривать различные меры предосторожности: уплотнять грунт в основном в талом состоянии, следить, чтобы в тело плотины не попали мерзлые комья и т. п. Все эти обстоятельства значительно повышают стоимость земляных работ, проводимых в зимних условиях.
5. Дополнительные замечания об отсыпке экрана и ядра. Возможные схемы отсыпки грунта экрана, а также переходных и защитных слоев экрана показаны на рис. 2.91. При наличии экрана представляется возможность сначала отсыпать собственно тело плотины (или значительную ее часть по высоте), а затем на спланированный верховой откос ab (рис. 2.91, а) уплотненной насыпи отсыпать переходный слой I, собственно экран II и защитный слой III. Ширина отсыпаемых слоев должна быть такой, чтобы по ним могли перемещаться соответствующие механизмы и транспортные средства. Эта ширина Ь0 не должна быть меньше 3 м. Экран можно устраивать и по схеме, показанной на рис. 2.91,6, предусматривающей одновременное уплотнение данного горизонтального слоя как в пределах плотины, так и в пределах экрана.
Для плотины с ядром отсыпку грунта приходится производить согласно схеме на рис. 2.92, а: сначала отсыпают и уплотняют слой I (в последовательности а, Ь, с); затем слой II (в последовательности с, Ь, а) и т. д. Ядро можно отсыпать также и по схемам рис. 2.92, б, в. Боковые грани ядра, которые мы ранее всюду представляли в виде плоскостей, имеют зубчатую форму.
6. Замечания об отсыпке нескального грунта в зимний период.
Отсыпку песчаного и глинистого грунта в тело плотины осуществляют только при положительных температурах. В последнее время, особенно в условиях северных районов нашей страны, где летний строительный сезон сильно сокращается, в порядке исключения идут на отсыпку песчаных и даже глинистых грунтов при отрицательных температурах, доходящих иногда до 30...40°С.
Технология отсыпки грунта в этом случае существенно изменяется: работы по отсыпке грунта приходится вести непрерывно, грунт отсыпается более толстыми слоями, увлажнение грунта в процессе его уплотнения вовсе исключается. Из карьеров грунт доставляют в незамерзшем состоянии, определенной, сниженной влажности. Иногда идут на специальную заготовку такого грунта, осуществляемую в летних условиях, причем такой заготовленный грунт защищают от промерзания слоем другого грунта или снега и т. п. Все эти мероприятия увеличивают стоимость строительных работ, однако при этом ускоряется введение данного сооружения в эксплуатацию, причем итоговый экономический эффект получается положительным.