Строительство и архитектура/ 3. Современные технологии строительства,

реконструкции и реставрации

Касымов А.Е¹ , Телтаев Б.Б²

¹Восточно - Казахстанский Государственный технический университет

им. Д. Серикбаева, г. Усть-Каменогорск

²“КАЗДОРНИИ” Казахстанский дорожный научно-исследовательский институт, г. Алматы

Cпособ определения деформации уплотняемого грунта

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано при исследовании водно-теплового режима автомобильных дорог и их оснований, или анализе физических свойств дорожно-строительных материалов при строительстве дорог, плотин и земляных оснований других строительных объектов, а также в машиностроении при исследовании или анализе влияния новых рабочих органов уплотняющей техники и колесных движителей на деформации, колееобразование и другие физические свойства уплотняемого грунта.

Известен способ определения деформации уплотняемого грунта (Бируля В.И. Исследование уплотнения связных грунтов для целей дорожного строительства. Дисс. на соискание уч. степени канд. техн. наук, Харьков, фиг. 73. 1954 г., 161 с.), содержащий выравнивание уплотняемой поверхности, выработку контрольных шурфов и заполнение их наполнителем.

В процессе исследований уплотняемая поверхность выравнивалась таким образом, чтобы её кромка образовывала прямую линию, вдоль которой в рыхлый грунт, в заранее намеченные шурфы забивались колышки, выполнявшие роль наполнителя шурфов. При движении катка или другого колесного движителя по грунту, в котором находились колышки, под его весом происходило смятие грунта, и, соответственно, его деформация, при пластическом течении которой частицы грунта увлекают за собой столбик, который отклоняется от своей вертикальной оси и фиксирует величину и направление отклонения от этой оси.

Недостатком известного способа является относительно низкая точность определения характеристик деформации грунта по глубине, так как твердый столбик наклоняется по всей своей длине, не давая представления о движении материала по пластам грунта по этой высоте. Этот способ скорее давал представление о направлении деформаций, а не о течении материала на различной глубине. Тем более, что фиксировалось это направление только по краю уплотняемой полосы, там, где вбивались колышки и где видно их отклонение от вертикали. При установке колышков по всей ширине уплотняющего рабочего органа их бы пришлось откапывать, а при выемке грунта возле колышков может исказиться их положение относительно вертикали и данные о деформации грунта по глубине получатся с ошибкой.

Известен также способ определения деформации уплотняемого грунта, содержащий выравнивание уплотняемой поверхности, выработку контрольных шурфов и заполнение их наполнителем из сухого порошкообразного алебастра (Калужский Я.А. Теория укатки грунтовых слоев земляного полотна и дорожных одежд. Фиг. 2. Дисс. на соиск. учен. степени д-ра техн. наук. Харьков, 1956 г., 372 с.). Алебастровые столбики, заложенные в слое рыхлого грунта, показывали после прохода по ним вальца катка или колеса автомобиля направление деформации и величину сдвига уплотняемого материала по всей глубине своего заложения.

Недостаток известного способа состоит в том, что фиксировать величину сдвига алебастрового столбика по глубине можно было только по краю уплотняемой полосы и при устройстве боковой стеклянной прозрачной стенки, через которую фотографировались столбики с наполнителем до уплотнения и после него. Эти фотографии затем сравнивались и по отклонению алебастрового порошка наполнителя после уплотнения материала от его вертикального положения в шурфе до уплотнения определялась степень деформации грунта. Измерить величину деформации грунта по ширине рабочего органа этим способом было невозможно, так как не представляется возможности зафиксировать положение алебастровых столбиков до уплотнения и после него. При любом внешнем вмешательстве сухой алебастровый наполнитель высыпется из шурфа и картина сдвига материала по глубине будет искажена.

Прототипом изобретения является способ определения деформации уплотняемого грунта, содержащий выравнивание уплотняемой поверхности, выработку контрольных шурфов и заполнение их наполнителем (В.Ф. Бабков. Сопротивление деформирующегося грунта качению колеса. Дисс. на соискан. учен. степени доктора техн. наук. –М., 1958. – 467 с.). В качестве наполнителя в прототипе использовались сухие меловые, алебастровые или песчаные смеси, а шурфы устраивались при помощи специальной иглы, состоящей из полой трубки и плотно заполняющего её стержня. Иглу забивали в грунт, после чего стержень вытаскивали, а оставшуюся в грунте трубку заполняли через воронку сухим песком, мелом или алебастром. Затем, слегка постукивая по трубке, её медленно вытягивали из грунта. Высыпавшийся из трубки сухой песок заполнял образующееся в грунте отверстие. Вертикальные столбики размещали в несколько рядов на полосе, превышающей ширину колеи таким образом, чтобы при проезде по ним в колее обязательно бы оказались столбики, которые характеризовали смещение грунта в разных местах колеи. Деформации заложенных в грунте вертикальных шурфов с наполнителем фиксировались путем фотографирования. Для этого уплотненный грунт при помощи ножа и штукатурного шпателя последовательно разрезали вдоль колеи в плоскости вертикальных столбиков. У разрезов устанавливались масштабные линейки и укреплялись порядковые номера, которые служили для определения фотоснимков. Каждый из разрезов, по возможности, захватывал по несколько шурфов с наполнителем, что позволяло проследить их продольный угон в разных частях поперечного сечения колеи.

Недостаток прототипа состоит в высокой трудоемкости и низкой точности определения деформационных характеристик уплотняемого материала в связи с тем, что продольные разрезы деформируемой колеи для снятия характеристик уплотняемого грунта возможны только в уплотненном влажном грунте, который мог, не осыпаясь, выдержать вертикальный откос, в плоскости которого оказались бы контролируемые шурфы с наполнителем для фотографирования и дальнейшего анализа их положения. Но даже неосыпающийся в разрезе грунт не препятствует высыпанию сухого наполнителя из шурфа при попадании в него ножа или шпателя. При известном способе требуется делать разрез грунта для фотографирования каждого заложенного шурфа и при этом не повредить не разрезанную и не сфотографированную часть колеи. По фотографиям, используя снятый на каждой из них линейный масштаб (метр) и табличку с номером фотоснимка, определялись смещения на разных глубинах каждого шурфа от вертикали, проходящую через его неискривленную часть. Приходится несколько раз фотографировать каждый срез, так как в случае неудачи с фотоснимком повторной фотографии среза не сделать, он будет просто уничтожен при следующем послойном срезе. Такие исследования очень трудоемки, так как предполагают срез и выработку всего грунта по длине уплотняемого участка на высоту шурфа. Причем грунт нужно срезать послойно по всей длине уплотняемого материала и ширине закладки шурфов, раз за разом возвращаясь к начальной точке среза, нумеруя каждый срез и каждый шурф для фотографирования и дальнейшего сравнения. Закладка и вскрытие опытных шурфов требуют работы бригады из 5 - 6 человек. Проведение одного цикла опытов занимает не менее трех-четырех дней.

Техническое противоречие состоит в том, что для точного определения деформационных характеристик уплотняемого грунта по всей ширине уплотняемой полосы требуется установка и выработка большого количества соответствующих шурфов с контрольным наполнителем, но определение их отклонения от первоначальной закладки путем послойного среза уплотненного грунта, а по сути – их откапывания, не дает точной картины деформации грунта вместе с наполнителем шурфов, так как наполнитель при срезе грунта ничем не зафиксирован и осыпается, искажая картину деформации грунта. Получается, чем больше мы закладываем шурфов с сухим наполнителем для точного определения деформационных характеристик уплотняемого грунта, тем больше накапливаем ошибок о данных расположения наполнителей шурфов, искажая, в итоге, общую картину деформации грунта по глубине на всей ширине уплотняемой полосы.

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в повышении эффективности, точности и надежности, а также в снижении трудоемкости определения деформационных характеристик уплотняемого грунта по всей ширине рабочего органа уплотняющей машины.

Технический результат заключается в повышении точности и скорости определения деформации уплотняемого грунта по ширине рабочего уплотняющего оборудования и по глубине заложения шурфов, а также в расширении технологических возможностей и уменьшении трудоемкости определения деформации уплотняемого грунта путем обеспечения возможности определения деформации грунта в любой точке уплотняемой полосы.

Сущность изобретения состоит в том, что предложен способ определения деформации уплотняемого грунта, включающий выравнивание уплотняемой поверхности, выработку контрольных шурфов, заполнение их наполнителем, отличающийся тем, что выработку контрольных шурфов осуществляют по всей ширине рабочего органа, а в качестве наполнителя используют гипсосодержащую смесь и воду в соотношении мас.% – 8:1.

Признаки, отличающие заявляемое изобретение от известных в данной области, позволяют определять деформационные свойства грунта без искажения в любой точке по ширине уплотняемой полосы. Влажная гипсосодержащая смесь после уплотнения занимает определенное положение в сдеформировавшемся грунте и застывает, фиксируя уже в твердом состоянии отклонение сдеформировавшегося по глубине шурфа вместе с грунтом и затем застывшего наполнителя от первоначальной вертикальной оси для дальнейших исследований. Выемка застывшего наполнителя шурфов производится простым откапыванием, а его приобретенная способность сохранять форму дает возможность многократного измерения, сравнения и исследования полученной вместе с грунтом деформации и отклонения сдвинувшегося по высоте шурфа наполнителя от вертикальной оси в условиях лаборатории, что значительно снижает трудоемкость определения деформации грунта и расширяет технологические возможности представленного способа определения деформационных характеристик уплотняемого грунта, что позволяет считать заявляемое техническое решение соответствующим критерию «Изобретательский уровень».

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена расчетная схема взаимодействия рабочего органа уплотняющей машины с деформируемой опорной поверхностью уплотняемого грунта и показаны зоны деформаций грунта. На фиг. 2 показана схема деформирования уплотняемого грунта вместе с заложенными в него вертикальными шурфами с наполнителем, по ходу движения рабочего органа уплотняющей машины. На фиг. 3 и 4 представлены фотографии застывших после деформации грунта гипсосодержащих наполнителей, взятых из различных шурфов по всей ширине рабочего органа уплотняющей машины, на которых видны деформационные сдвиги наполнителя от вертикальной оси, сохранившей свое первоначальное положение в недеформированной части застывших столбиков наполнителя.

Способ определения деформации уплотняемого грунта осуществляется следующим образом. В толще грунта, подлежащего уплотнению, в любой точке по ширине рабочего органа уплотняющей машины, любым известным способом производятся выработки вертикальных шурфов, которые по всей своей высоте и объёму, опять же любым известным способом заполняются наполнителем из влажной гипсосодержащей смеси. Высота шурфа с наполнителем не должна превышать высоту поверхности уплотняемого грунта в целях экономии гипсосодержащей смеси и для соблюдения однородности уплотняемой поверхности. Оптимальная влажность гипсосодержащей смеси в соотношении масс.% гипсосодержащая смесь : вода – 8:1, после заполнения шурфа не оказывает влияния на влажность уплотняемого грунта. После заполнения всех контрольных шурфов наполнителем производят уплотнение исследуемого материала рабочим органом уплотняющей машины. При проходе рабочего органа по уплотняемому грунту в его толще под действием передаваемого через рабочий орган веса машины происходят сдвиговые деформации. Эти деформации неодинаковы по высоте материала (фиг. 1) и для различных органов уплотняющих машин имеют различные величины отклонения от первоначального вертикального залегания. Деформируясь под весом рабочего органа уплотняющей машины грунт увлекает за собой в своем пластическом течении и материал наполнителя шурфов, который деформируясь вместе с грунтом и отклоняясь от первоначального вертикального положения (фиг. 2), занимает в уплотненном грунте определенное положение, которое самофиксирует после застывания наполнителя. После прохода рабочего органа уплотняющей машины по контрольным шурфам с наполнителем следует дождаться застывания гипсосодержащей смеси наполнителя, отметить положение каждого шурфа по ширине уплотняемой полосы и затем просто откопать столбики из застывшего наполнителя. Для того чтобы наиболее точно зафиксировать отклонение наполнителя после деформации от первоначального вертикального положения, глубину шурфа следует выполнять чуть больше зоны деформации. В этом случае нижняя часть застывшего наполнителя не будет деформироваться, а всегда останется в первоначальном вертикальном положении, как на фиг. 3 и 4, где видно, что верхняя часть шурфа вместе с наполнителем и грунтом сдеформировалась, а нижняя осталась без изменения и сохранила своё первоначальное положение. Это позволит измерять отклонение грунта от вертикальной оси по глубине уплотнения, только предварительно нужно пометить каждый столбик с застывшим наполнителем (фиг. 3) и отметить его положение на схеме уплотняемой поверхности для исключения путаницы и большей точности исследования деформаций и других физических свойств внутри толщи уплотняемого грунта.

Использование предложенного способа позволит повысить точность и скорость определения деформации грунта по всей ширине уплотняемого органа за счет надежной фиксации сдвиговых деформаций уплотняемого грунта вместе с наполнителем шурфов, который после деформации, застывая, сохраняет форму и направление своего отклонения от первоначальной вертикальной оси.

Фиг. 1 Фиг. 2

Фиг. 3 Фиг. 4

Литература: 1. Дисс. на соискание уч. степени канд. техн. наук, Харьков, фиг. 73. 1954 г., 161 с.).

2. (Калужский Я.А. Теория укатки грунтовых слоев земляного полотна и дорожных одежд. Фиг. 2. Дисс. на соиск. учен. степени д-ра техн. наук. Харьков, 1956 г., 372 с.).

3. (В.Ф. Бабков. Сопротивление деформирующегося грунта качению колеса. Дисс. на соискан. учен. степени доктора техн. наук. –М., 1958. – 467 с.).

4. Касымов А.Е., Телтаев Б.Б., Дудкин В.М., Гурьянов Г.А., Кустарев Г.В., Павлов С.А. Способ определения деформации уплотняемого грунта Предварительный патент Республики Казахстан №2008/0088.1 от 28.01.2008 МПК G01N 33/42