Методы стандартного уплотнения укрепленных грунтов

В 1933 г. в США сотрудником Лос-Анджелесского бюро водопроводных сооружений P.P. Проктором был предложен ставший затем стандартным метод определения оптимальной влажности и соответствующей плотности скелета грунта [53]. По этому методу грунт с помощью ручной трамбовки уплотняли тремя слоями в форме диаметром 4 дюйма. С тех пор этот вид лабораторного испытания часто называют испытанием по Проктору.

Современные методы стандартного уплотнения грунтов многих стран, в том числе модифицированный метод AASHO, разработанный Американской ассоциацией государственных служащих автомобильных дорог, основаны на использовании ударной нагрузки по типу Проктора с той лишь разницей, что увеличена масса уплотняющего груза (трамбовки) и высота его падения.

Прибор стандартного уплотнения грунтов, применяемый в России для определения оптимальной влажности и максимальной плотности, также основан на использовании ударной нагрузки, однако от метода Проктора отличается схемой воздействия нагрузки на уплотняемую площадь грунта. По величине максимальной плотности грунтов метод Союздорнии занимает промежуточное положение между стандартным и модифицированным методами Проктора [54].

Рис. 23. Зависимость плотности грунта от влажности при стандартном уплотнении:

1 - песок +5 % цемента; 2 - то же, +15 % цемента; 3 - суглинок; 4 - то же, +10 % цемента; 5 - песок

Метод стандартного уплотнения используют также для приготовления образцов и определения максимальной плотности, оптимальной влажности грунтов, укрепленных неорганическими вяжущими. Зависимости плотности от влажности грунтов и укрепленных грунтов при одной уплотняющей нагрузке идентичны (рис. 23), что и послужило причиной заимствования метода стандартного уплотнения при подборе составов укрепленных грунтов. ГОСТ 23558-94 рекомендует для этих целей руководствоваться ГОСТ 22733-2002 со следующими изменениями.

- Для приготовления образцов из смесей с максимальным размером зерен не более 20 мм используют большой прибор Союздорнии с уплотнением в один слой 120 ударами гири массой 2,5 кг, падающей с высоты 30 см.

- Для приготовления образцов из смесей с максимальным размером зерен до 5 мм применяют малый прибор Союздорнии с уплотнением в один слой 20 ударами гири массой 2,5 кг, падающей с высоты 20 см. Заниженное количество ударов уплотняющей нагрузки (энергии уплотнения) даже в сравнении со стандартным методом уплотнения грунтов - результат низкой плотности, а следовательно, водо- и морозостойкости укрепленных грунтов (особенно глинистых).

По мнению автора данного обзора, метод стандартного уплотнения Союздорнии имеет свои минусы при определении оптимальной влажности и максимальной плотности грунтов, а для стандартного уплотнения укрепленных грунтов совершенно не пригоден по следующим причинам.

- В соответствии с ГОСТ 22733-2002 перед испытанием грунт высушивают и размельчают агрегаты (без дробления крупных частиц) в растирочном устройстве или фарфоровой ступке. Грунт просеивают через сита с отверстиями диаметром 20 и 10 мм. При этом вся масса грунта должна пройти через сито с отверстиями диаметром 20 мм. Если масса грунта размером частиц более 10 мм составляет 5 % и более, дальнейшее испытание проводят с пробой грунта, прошедшего через сито с отверстиями диаметром 10 мм. Если масса грунта размером частиц более 10 мм составляет менее 5 %, производят дальнейшее просеивание грунта через сито с отверстиями диаметром 5 мм, определяют содержание частиц размером более 5 мм и испытание проводят с пробой грунта, прошедшего через сито с размерами отверстий 5 мм. В данном случае сложно представить, как можно отсортировать каменные частицы и неизмельченные глинистые агрегаты. Для укрепленных грунтов такая подготовка пробы значительно искажает реальные условия приготовления смеси. Существующими механизмами невозможно измельчить глинистые грунты до размеров агрегатов менее 5 мм (СНиП 3.06.03-85 регламентирует предварительную степень измельчения глинистых грунтов), кроме того, отсеивание крупных частиц способствует увеличению расхода минеральных вяжущих и зачастую снижению плотности укрепленных грунтов.

- Далее, руководствуясь ГОСТ 22733-2002, в пробу грунта вводят рассчитанное количество воды, перемешивают и переносят ее в эксикатор или плотно закрытый сосуд и выдерживают при комнатной температуре не менее 2 ч для несвязных грунтов и не менее 12 ч - для связных грунтов. Испытания проводят, последовательно повышая влажность грунта, число последовательных испытаний при увеличении его влажности должно быть не менее 5. При каждом добавлении воды грунт перемешивают, накрывают влажной тканью и выдерживают не менее 15 мин для несвязных грунтов и не менее 30 мин - для связных грунтов. С учетом времени проведения самого испытания такой подход для стандартного уплотнения грунтов, укрепленных минеральными вяжущими, нельзя признать верным.

Однако, если бы в метод стандартного уплотнения Союздорнии были внесены соответствующие изменения, применять его для стандартного уплотнения укрепленных грунтов не представляется возможным ввиду следующих недостатков.

- Использование насадки (различного количества в ней грунта) обусловливает непостоянство уплотняемой массы (в отличие от метода уплотнения статической нагрузкой, где масса смеси назначается исходя из требуемой стандартом высоты уплотненного образца) и, соответственно, плотности грунта.

- После уплотнения третьего слоя (как этого требует стандарт) снимают насадку и срезают выступающую часть грунта заподлицо с торцом формы. Толщина выступающего слоя срезаемого грунта не должна быть более 10 мм. Если выступающая часть грунта превышает 10 мм, необходимо выполнить дополнительное число ударов из расчета один удар на 2 мм превышения. Образующиеся после зачистки поверхности образца углубления вследствие выпадения крупных частиц заполняют вручную грунтом из оставшейся части отобранной пробы и выравнивают ножом. Кроме того, при разборе формы часть грунта налипает на стенки, разрушая монолитность и структуру образцов. Такой подход к уплотнению укрепленных грунтов обусловливает не только снижение плотности, а также прочности (особенно после водонасыщения и расчетных циклов замораживания-оттаивания) и однородности показателей параллельных образцов.

- В отличие от зарубежных методов уплотнения по Проктору, где диаметр трамбовки составляет не более 0,5 диаметра формы, в приборе стандартного уплотнения Союздорнии диаметр трамбовки равен внутреннему диаметру формы, обусловливая тем самым иную схему уплотнения и более высокую степень дробимости отдельных частиц (рис. 24), особенно в крупнообломочных грунтах, при этом, не отвечая реальности уплотнения укрепленных грунтов в конструктивных слоях дорожных одежд.

Рис. 24. Изменение зернового состава песка после уплотнения пескоцемента ударной нагрузкой: 1 - песок размером зерен 2,5 мм; 2 - то же, 1,25 мм; 3 - то же, 0,63 мм; - исходный песок; - песок после проведенных испытаний

В соответствии с вышеотмеченным, метод стандартного уплотнения при определении оптимальной влажности и максимальной плотности укрепленных грунтов не гарантирует высокой однородности получаемых результатов в дорожных лабораториях. Поскольку прочность и морозостойкость укрепленных грунтов в значительной степени зависят от плотности их образцов (рис. 25), уже на стадии подбора состава укрепленного грунта занижены реальные возможности материала и предопределена его низкая работоспособность в конструктивном слое дорожной одежды.

Рис. 25. Зависимость коэффициента морозостойкости (15 циклов) образцов из грунтов, укрепленных цементом (песок и супесь - 8 %, глина - 14 %) от их коэффициента уплотнения (относительно максимальной плотности стандартного уплотнения):