Процес ущільнення з фізичної точки зору

Ущільнення – це найдешевший та найбільш раціональний спосіб покращення будівельних властивостей ґрунтів, в результаті якого досягається розрахункова міцність, стійкість і довговічність даної конструкції і є найбільш відповідальною технологічною операцією при зведенні земляного полотна. Ґрунт штучно ущільнюють для підвищення його міцності, зменшення водопроникності, і наступного осідання.

Ущільнення виконують при зведенні насипів автомобільних і залізничних доріг, при влаштуванні котлованів під фундаменти будівель і споруд, тощо.

Ущільнення виконують шляхом укочування, трамбування, вібрації, а також за допомогою поверхневих та глибинних вибухів.

З фізичної точки зору процес ущільнення ґрунту полягає у збільшенні об’ємної частки твердих частинок за рахунок зменшення об’ємних часток води і повітря. Це досягається затратою механічної роботи, яка витрачається на витіснення води і повітря та подолання тертя між твердими частинками при їх взаємних переміщеннях.

Ґрунти є багатофазними системами, міцність яких залежить від дисперсності мінеральної частини (вміст різних фракцій), щільності та вологості. При ущільнені змінюється структура ґрунту. Розрізняють контактну та коагуляційні структури.

Контактна структура це структура, за якої частинки твердої фази контактують безпосередньо, без будь-яких прошарків, зв’язки між частинками відбувається за рахунок сил тертя і зачеплення по площадках контакту. Рідка фаза мало впливає на міцність таких ґрунтів аж до повного водонасичення. Цей тип структури характерний для нев’язних ґрунтів.

Коагуляційна структура– зв’язки між частинками здійснюються по колоїдним плівкам і є не жорсткими. Цей тип структури характерний для зв’язних ґрунтів. При вологості більшій від оптимальної різко втрачають несучу здатність, міцність і зчеплення.

При механічній дії випуклі частинки ґрунту (піщані, пилуваті) розміщуються тісніше, а пластичні (глинисті) частинки орієнтуються, спрямовуючись розміститися довгими гранями перпендикулярно дії сили (сили ущільнення).

Об’єктивною мірою щільності ґрунту може бути об’ємна частка твердої фази ґрунту Сs, що являє собою відношення об’єму, який займають тверді частинки, до об’єму всього ґрунту:

.

Однак загальноприйнятою мірою щільності будови ґрунту являється щільність скелету ґрунту r_d – маса твердих частинок, що містяться в одиниці об’єму ґрунту.

.

Ці величини пов’язані між собою:

.

Оскільки r_s міняється в досить вузьких межах r_s=2,65-2,85 г/см³ , то ці обидві величини можуть використовуватись як показники щільності будови ґрунту. Чим щільніше розміщені частинки тим більша їх об’ємна частка С_s і тим більша їх маса в одиниці об’єму r_d .

Найбільші реально досягаючи значення С_s і r_d залежить від зернового складу і форми частинок ґрунту.

Як правило, для суглинку та глини вдається досягнути

. .

а для суглинків і добре підібраної піщано-гравійної суміші

.

Зміна щільності будови будь-якого ґрунту при його ущільненні залежить від роботи, яка витрачається на ущільнення і від вологості ґрунту. Поки вологість мала, додавання води діє як змазка, яка полегшує переміщення частинок. Однак при надмірному вмісті води вона, разом з бульбашками повітря, які залишилися в порах ґрунту, перешкоджають зближенню частинок.

Тому при однаковій витраченій на ущільнення механічній роботі найбільша щільність будови досягається при деякій отриманій вологості ґрунту , тобто криві і мають максимум.

Виведемо залежність між r_d і , С_а.

Очевидно, що

або

Відомо, що

, .

Тобто

.

Звідси

.

У повністю водонасиченого ґрунту відповідає С_а = 0. Для такого (двохфазного) ґрунту r_d монотонно зменшується з підвищенням вологості (рис. 6). А для трифазного ґрунту, в порах якого міститься вода і повітря, залежність з максимумом.

Рис. 6. Залежність щільності скелета ґрунту від вологості:

1 - крива, побудована за результатами стандартного ущільнення ґрунту; 2 - крива, побудована за результатами розрахунку для ґрунту, пори якого повністю заповнені водою.