Недавно уложенное асфальтобетонное покрытие на городской улице. Поперечный профиль поверхности покрытия представляет собой не отрезок прямой, как в России, а выполнен в виде квадратной параболы для увеличения скорости стока дождевой воды в боковую канаву, выполненную вместе с бортовым камнем в монолитном цементобетоне

В США насыпи начали уплотнять послойно с 1925 г., чтобы повысить прочность, уменьшить водопроницаемость и последующую осадку грунта. Однако требования к степени уплотнения грунта к этому времени не были сформулированы. Поэтому когда вблизи Лос-Анджелеса наводнение размыло земляную дамбу, предъявить претензии к низкому качеству работ было некому – отсутствовали критерии качества уплотнения. Под влиянием этих обстоятельств полевой инженер бюро водоснабжения г. Лос-Анджелеса Ральф Проктор (R. R. Proctor) в 1933 г. предложил метод оценки степени уплотнения и опубликовал несколько статей на эту тему в журнале «Engineering News Record». Основные положения этого метода сохранились в современных нормативных методах оценки степени уплотнения грунтов, принятых в разных странах, в том числе в России.

Степень возможного уплотнения грунта, прежде всего, зависит от распределения его частиц по размерам и от формы частиц: если в нем имеются как крупные, так и мелкие зерна, помещающиеся внутри пор между крупными, возможная плотность увеличивается. Чем больше механическая работа, затраченная на уплотнение, тем выше достигаемая плотность грунта. Наконец, при одной и той же затраченной работе на уплотнение данного грунта получаемая плотность зависит от влажности грунта во время уплотнения. Совместное влияние перечисленных факторов осложняет оценку степени уплотнения. По предложению Проктора, для каждого грунта сначала в лабораторных условиях при одинаковой для всех грунтов работе уплотнения выявляют ту плотность, до которой следует стремиться его уплотнить в полевых условиях, а затем измеряют показатель плотности, достигнутый в поле, и сравнивают его с полученным в лаборатории.

Проктор предложил использовать для оценки не плотность (влажного) грунта ρ = M/V (массу единицы объема грунта), а так называемую плотность скелета грунта – массу твердых частиц, находящихся в единице объема грунта (по-английски – dry density – отсюда индекс d). Это принципиально важно. В самом деле, цель уплотнения – сблизить между собой грунтовые зерна так, чтобы они образовали систему, хорошо воспринимающую внешнюю нагрузку. Чем больше масса зерен в данном объеме грунта, тем теснее расположены зерна и тем лучше этот грунт укатан.

Масса грунта М состоит из массы частиц M_s и массы воды M_w, а масса воздушных пор M_a пренебрежимо мала: M = M_s + M_w. Разделив обе части этого равенства на объем грунта V, получаем ρ = ρ_d ·(1+w), где w = M_w / M_s – влажность, равная отношению массы воды к массе частиц. Значит, отобрав образец грунта определенного объема и взвесив его, можно найти плотность грунта ρ = M / V. Затем после высушивания до постоянного веса находят его влажность и вычисляют плотность скелета грунта по формуле:
 

(1)

Этой формулой непременно пользуются при всех методиках контроля степени уплотнения.

Однако масса частиц, находящихся в единице объема грунта, зависит и от плотности материала частиц, которая может изменяться в пределах ρ_s = 2,0–3,3 г/см³ в зависимости от минералогического состава грунтов, но обычно составляет ρ_s =2,5–2,8 г/см³. Очевидно, что объем грунта состоит из объема твердых частиц V_s, воды V_w и воздушных пор V_a: V_s+V_w+V_a = V. Так как объемная доля частиц в грунте равна V_s/ V= ρ_s / ρ_d , а объемная доля воды равна V_w / V= ρ_d / ρ_w, то получается следующая зависимость плотности скелета грунта от средней плотности материала его частиц , влажности w, а также объемной доли воздушных пор ca = V_a / V:
 

(2)

При одной и той же степени уплотнения для грунта с более «тяжелыми» частицами плотность скелета ρ_d будет больше. В связи с этим было бы удобнее принять в качестве меры плотности сложения частиц грунта не плотность скелета, а объемную долю частиц в грунте, равную ρ_d / ρ_s , но по традиции продолжают использовать плотность скелета грунта ρ_d .

Физически процесс уплотнения состоит в вытеснении воздуха из грунта. Вода при уплотнении укаткой, трамбованием или вибрацией не успевает отжаться из зоны контакта между частицами, поскольку для ее фильтрации сквозь тонкие поры требуется определенное время. Работа уплотнения уходит на преодоление трения между частицами и их перемещение. Пока влажность грунта мала, добавление в него воды облегчает перемещение частиц относительно друг друга и способствует их более тесной укладке при той же затраченной работе. В результате с увеличением содержания воды в образце грунта до определенного предела плотность скелета увеличивается. При этом в грунте существует связанная система воздушных пор, сообщающихся с атмосферой, объем которых постепенно убывает при вытеснении воздуха в атмосферу. Но при чрезмерной влажности смазывающий эффект уже не увеличивается, а вода препятствует сближению частиц. В итоге зависимость плотности скелета от влажности грунта имеет максимум (рис. 1). Дальнейшее увеличение влажности приводит не к сближению частиц, а к их раздвижке водой.

Рис. 1 Зависимость плотности скелета грунта от влажности, получаемая при стандартном уплотнении.

Находящиеся в ней пузырьки воздуха замкнуты, т. е. не связаны между собой и не сообщаются с атмосферой. Поэтому при одинаковой затраченной на уплотнение механической работе наибольший эффект уплотнения получается при некоторой оптимальной влажности w_opt, которой соответствует максимальная плотность скелета грунта ρ_{d max}. Эти понятия были введены Р. Проктором.

Процедура лабораторного испытания по Проктору состоит в том, что грунт уплотняют ударами падающего груза в металлическом стакане при разных влажностях и находят оптимальную влажность стандартного уплотнения и соответствующую ей максимальную плотность скелета грунта при стандартном уплотнении. Приведенные на рис. 1 данные соответствуют стандартному уплотнению по Проктору: диаметр металлического стакана 10 см, образец уплотняется в 3 слоя толщиной по 4 см каждый, груз массой 2,5 кг сбрасывают 25 раз с высоты 30,5 см, испытания проведены при пяти различных влажностях грунта. При этом диаметр плоского основания трамбовки равен 5 см, т. е. он вдвое меньше диаметра стакана с образцом грунта.

Это принципиально важно, поскольку после каждого удара груз смещают по кругу, и последующий удар наносят по новому месту. При этом обеспечивается возможность возникновения в грунте сдвиговых деформаций, моделирующих условия уплотнения в поле. Удары равномерно распределены по поверхности образца. Отметим, что Н.Н. Иванов и М.Я. Телегин, разработавшие на основе метода Проктора стандарт для СССР (переизданный в ГОСТ 22733-77), внесли, к сожалению, изменение – диаметр трамбовки приняли равным внутреннему диаметру стакана. Это повлекло за собой изменение схемы нагружения – образец находится в условиях однородного напряженного состояния без возможности сдвиговой деформации с боковым выпором грунта.

Описанный метод уплотнения по Проктору нормирован и в настоящее время и в AASHTO T 99-94. Примеру на рис. 1 соответствует средняя плотность частиц грунта ρ_s = 2690 кг/м³, оптимальная влажность w_opt = 0,132 (13,2 %), максимальная плотность скелета при стандартном уплотнении ρ_d max = 1890 кг/м³. При влажностях меньших оптимальной, на левой восходящей ветви кривой (так называемая сухая ветвь) в грунте существует сообщающаяся с атмосферой система связанных воздушных пор. Напротив, в грунте, уплотненном при влажности выше оптимальной (так называемая влажная ветвь кривой), существует гидравлически непрерывная поровая вода, внутри которой имеются воздушные пузырьки. При оптимальной влажности происходит переход от системы сообщающихся между собой и с атмосферой воздушных пор к системе сообщающихся пор, заполненных водой. В данном примере этот переход происходит при объемной доле воздушных пор c_a = 0,0475 (4,75 %), что нетрудно проверить по формуле (2). В правой верхней части рис. 1 показан отрезок пунктирной кривой, построенный по формуле (2) при c_a = 0 для идеального случая отсутствия воздушных пор в уплотненном грунте. Получается, что в данном случае после стандартного уплотнения при оптимальной влажности твердые частицы занимали (1890/2690)100 = 70,30 % объема грунта, вода 0132 • 1890/1000 = 24,95 % и воздух 4,75 %.

Максимальная плотность скелета , найденная при стандартном уплотнении, и является той величиной, в зависимости от которой необходимая степень плотности грунта нормируется, задается в проекте и контролируется при строительстве. В зависимости от вида сооружения, глубины расположения слоя грунта и условий его работы необходимую плотность скелета задают равной 95–100 % от максимальной стандартной. Для экономии энергии и с целью предотвращения возможного снижения плотности скелета грунта в процессе эксплуатации дороги под влиянием природных факторов стремятся его уплотнять при влажности близкой к оптимальной w_opt.

Во время Второй мировой войны корпус военных инженеров США, применяя метод Проктора при строительстве дорог и аэродромов, внес изменения в массу груза и высоту его падения, стремясь повысить требуемую плотность. Масса груза была увеличена до 4,54 кг, высота падения до соприкосновения с поверхностью слоя – до 45,7 см, число слоев – до 5. С увеличением работы плотность скелета увеличивается, а оптимальная влажность уменьшается. На рис. 2 показано влияние изменения количества ударов от 25 до 50 на кривую уплотнения. Точки максимума плотности скелета лежат на пунктирной кривой, примерно параллельной теоретической кривой, соответствующей нулевой воздушной пористости. В дальнейшем вносились другие изменения, отраженные в действующем стандарте T 180-93. В частности, диаметр уплотняемого образца, масса груза, число и толщина слоев, а также число ударов были поставлены в зависимость от максимальной крупности зерен. Заказчики имеют право выбора между стандартами Т 99-94 и Е 180-93.

Рис. 2. Зависимость плотности скелета грунта от влажности при различной работе уплотнения.

При контроле в полевых условиях определяют плотность грунта ρ и его влажность w , рассчитывают по формуле (1) плотность скелета грунта ρ_d и, сравнив ее с максимальной стандартной, судят о качестве производства работ. Было предложено много приборов для полевого определения плотности и влажности грунта. Рассмотрим вкратце наиболее распространенные из них. По-прежнему используют метод отбора цилиндрического образца известного объема вдавливанием в земляное полотно пробоотборника с режущей кромкой, если грунт достаточно связный, чтобы извлечь образец. Другим широко распространенным методом является испытание «по методу замещения песком», при котором в уплотненном слое грунта выбуривают образец диаметром примерно 10 см и глубиной 15 см. Образец грунта извлекают из шурфа и взвешивают. Затем, заполняя шурф песком, определяют его точный объем. Зная плотность засыпанного песка и измеряя его засыпаемое количество, рассчитывают объем шурфа. Исходя из массы извлеченного материала и объема шурфа, определяют плотность грунта.

Эти полевые методы определения плотности влажного грунта весьма трудоемки и требуют больших затрат времени. Не лучше обстоит дело с и полевым определением влажности. Так как влажность выражается в процентах по массе сухого грунта, пробу грунта на влажность приходится высушивать, причем при температуре не выше 105°C, чтобы не выжигались органические вещества, входящие в состав некоторых частиц. В лабораторных условиях для этого издавна используется специальная электрическая печь, и в зависимости от свойств грунта может потребоваться высушивание до постоянного веса в течение нескольких часов. В полевых лабораториях используют электропечи с форсированным режимом высушивания, микроволновые печки либо выжигание высушиванием в горящем спирте с последующим внесением поправок. Такими путями удается сократить время высушивания до 30–45 мин. Операционный контроль не поспевает за строительством и приходится ограничиваться небольшим количеством образцов.

Как вспомогательное средство, применяют портативный пружинный пенетрометр Проктора с набором игл различного диаметра для грунтов разной крупности. Измеряемое пружинным динамометром сопротивление пенетрации зависит как от плотности, так и от влажности, но если плотность найдена другим методом, то можно оценить влажность, для чего требуется предварительная калибровка при разных плотностях. В результате получили применение полевые комплекты, в которых сочетаются разные методы, типа распространенного в России прибора Ковалева, разработанного 50 лет назад Н.Н. Ковалевым на кафедре дорожно-строительных материалов Киевского автодорожного института.

Для определения влажности грунта независимо от его плотности был разработан прибор, в котором использована реакция хлористого кальция с водой, продуктом которой является ацетилен. Измерив давление ацетилена, можно определить влажность в течение 5 минут, но при испытании глинистого грунта он должен быть тщательно измельчен во избежание ошибки. Методика нормирована в стандарте AASHTO T 217. Образец грунта массой не более 20 грамм помещают в камеру с манометром. Портативные приборы с таким принципом работы, например, S-242 (The Speedy^® Moisture Testing Kit) широко используют в настоящее время.

Была предпринята успешная попытка сократить необходимое время для определения плотности и влажности грунта за счет проведения большой предварительной подготовительной работы и комбинирования разных методов. Много лет такие работы проводили в транспортном департаменте штата Огайо, затем его примеру последовали Индиана, Вайоминг и некоторые другие штаты. В Огайо еще в довоенные годы были подвергнуты стандартному уплотнению 1500 различных грунтов, а к 1949 году – 10000 грунтов. Обработав эти данные, построили семейство из 26 типичных кривых «плотность грунта – влажность грунта» (рис. 3), охватывающих очень широкий диапазон свойств грунтов: плотность грунтов была от 1550 кг/м³ до 2420 кг/м³, оптимальная влажность изменялась от 6,6 % до 32,5 %, а соответствующая ей максимальная плотность скелета – от 1299 до 2271 кг/м³. После этого было предложено определять оптимальную влажность и максимальную плотность скелета, испытав всего 1 образец вместо обычных 5–6, т. е. благодаря проведенным исследованиям трудоемкость сократилась минимум в 5 раз.

Рис. 3. Типичные кривые плотность-влажность, разработанные с целью определения оптимальной влажности и максимальной плотности скелета по результатам испытания одного образца грунта.

Например, испытав в лаборатории образец грунта с влажностью 19 %, после стандартного уплотнения получили плотность грунта 1904 кг/м³. Отложив эти данные на рис. 3, получаем точку, попадающую посредине между кривыми P и R в верхней части рисунка. Через эту точку проходила бы кривая, соответствующая данному грунту. Проводим через эту точку отрезок кривой параллельно кривым P и R. Из таблицы, приведенной на этом же рисунке, находим, что максимуму проведенной кривой отвечают примерно средние значения максимальной плотности скелета и оптимальной влажности между таковыми для этих кривых: максимальная плотность скелета – 1620 кг/м³ и оптимальная влажность – 20,9 %. Этот метод нормирован в стандарте AASHTO T 272-86, переизданном в 1995 г,, и назван «Семейство кривых – одноточечный метод Проктора». На практике его используют в комбинации с полевым испытанием грунта портативным пенетрометром. Кривые зависимости сопротивления пенетрации от влажности для различных грунтов показаны в нижней части рис. 3. Благодаря сочетанию этих методов удается добиться приемлемой скорости уплотнения земляного полотна.

Об объеме работ при контроле качества уплотнения можно судить по примеру требований департамента общественных работ г. Колумбус (штат Огайо): для высоких насыпей – одно испытание на 380 кубометров грунта; земляное полотно – одно испытание на 830 кв. м; щебеночное или гравийное основание на 200 кв. м; обратная засыпка подпорной стенки или траншеи – через каждые 15 м.

Участок фривея Сан-Диего – Сакраменто: как и большинство других дорог этого класса в Калифорнии, он имеет цементобетонное покрытие. Разрешенная скорость – до 65 миль в час(104 км/ч). По опыту водителей, нет опасности быть оштрафованным при скорости до 85 миль в час (136 км/ч), но не рекомендуется ехать медленнее 45 миль в час (72 км/ч ).

Широкое распространение при полевом контроле качества получили методы радиоизотопных измерений плотности и влажности грунта. Они основаны на использовании закономерностей взаимодействия гамма- и нейтронного излучений с электронами и ядрами атомов вещества. Принцип действия таких приборов известен в России (ГОСТ 23061-90). Источник излучает гамма-лучи и быстрые нейтроны. Гамма-излучение частично отражается в зависимости от плотности материала, через который проходит, а поток быстрых нейтронов замедляется на атомах водорода, т.е. тем больше нейтронов замедляется, чем выше влажность грунта. Плотности рассеянного либо ослабленного потока гамма-квантов и плотность потока замедленных нейтронов, прошедших между источником и детектором, измеряются счетчиком Гейгера-Мюллера. Кроме того, при упругом рассеянии коротковолнового излучения (каким является гамма-излучение) длина волны увеличивается (эффект А. Комптона), что фиксирует детектор.

В зависимости от способа измерений используют глубинную или поверхностную схему измерения. При глубинной схеме небольшую капсулу с источником излучения (цезий-137 или америций-241) опускают в скважину, которую просто продавливают металлическим стержнем, а прибор со счетчиком находится на поверхности. Эта схема применяется для измерения плотности и влажности в слое грунта толщиной от 5 до 30 см. Если достаточно ограничиться глубиной 10 см, капсула с источником и счетчик находятся на поверхности. В этом случае прибор можно перевозить по поверхности грунта и измерения ведут практически непрерывно.

Наиболее распространенные приборы – Troxler серии 3400-3440. Компания Troxler Electronics Laboratories начала производить приборы для радиоизотопных измерений в 1958 г. Первые приборы были громоздкими, требовали подключения к источнику переменного тока, имели проблемы с радиационной защитой, и поэтому оператор должен был записывать показания на некотором расстоянии от прибора. С тех пор Troxler значительно усовершенствовала свои приборы и в настоящее время является лидером в этой области в США. Приборы требуют периодической калибровки (по рекомендации фирмы-изготовителя – ежегодной), но в разных штатах нормированы гораздо более короткие сроки. О точности можно судить по таким данным. При глубинном методе определения плотности для слоя грунта толщиной 15 сантиметров, имеющего плотность около 2000 кг/м³, погрешность составляет ±6,8 кг/м³, если отсчет берется через 15 с, ±3,4 кг/м³, если через 1 минуту, и ±1,7 кг/м³ – через 4 мин. При поверхностном методе погрешность в 3 раза больше, поскольку при обратном рассеивании угол рассеивания гамма-квантов больше. Аналогично, при определении влажности в слое грунта толщиной 15 см, содержащего воды 250 кг/м³, абсолютная погрешность составляет ±10,3 кг/м³, если отсчет берется через 15 сек, ±5,1 кг/м³ – если через 1 минуту, и ±2,4 кг/м³ – через 4 мин. Итак, чем быстрее ведутся измерения, тем выше погрешность, но надо признать, что она невелика. Практики рекомендуют двухминутные отсчеты.

Модели Troxler 3430 и 3440 пригодны как для измерения плотности-влажности грунта, так и для контроля плотности щебня, асфальтобетона и цементобетона. Они снабжены автоматическим датчиком глубины и программным обеспечением. С помощью имеющейся на них клавиатуры можно ввести номера 1000 точек, сохранить результаты измерений и примечания к ним, чтобы затем сбросить их на компьютер в виде текста либо в виде электронных таблиц для быстрой обработки типа Excel, Lotus и др. Питание осуществляется заряжаемыми батареями, рассчитанными на 180 часов работы. Масса прибора в сборе – 14 кг, стоимость – 5–6 тысяч долларов.

Рис. 4. Прибор для определения влажности грунта путем измерения его диэлектрической проницаемости.

На совершенно ином принципе основаны датчики влажности, измеряющие диэлектрическую проницаемость грунта. В основу радиоволновых методов определения комплексной диэлектрической проницаемости материалов положено измерение амплитуды и фазы прошедшей через диэлектрик или отраженной от него волны. Первые датчики такого типа для измерения влажности грунтов в США появились в середине 1980-х после серии статей, опубликованных G.C. Topp, F.N. Dalton и другими авторами. Схема работы прибора показана на рис. 4. Электромагнитный импульс проходит между двумя вилкообразными металлическими электродами, погруженными в грунт на расстоянии примерно одного метра друг от друга. Отраженный сигнал – форма волны колебания анализируется для определения диэлектрической проницаемости среды, в которую погружены электроды. Эту группу методов измерения называют в США Time Domain Reflectometry (TDR).

Испускаемый электромагнитный импульс отражается и анализируется для определения комплексной диэлектрической проницаемости среды, в которой он распространяется. Диэлектрическая проницаемость характеризует, во сколько раз сила взаимодействия двух электрических зарядов в среде меньше, чем в вакууме. Если принять диэлектрическую проницаемость (абсолютную величину комплексной диэлектрической проницаемости) воздуха за единицу, то относительная диэлектрическая проницаемость материала частиц сухого грунта будет находиться в пределах 3–5 практически независимо от его минералогического и гранулометрического состава, а диэлектрическая проницаемость воды – 80. Поэтому измеряемая диэлектрическая проницаемость влажного грунта – очень чувствительная величина, отражающая его влажность. Приведенные значения характерны для электромагнитных колебаний с частотой порядка 100 МГц-1 ГГц. G.C. Topp экспериментально исследовал ряд грунтов и установил эмпирическую зависимость, связывающую диэлектрическую проницаемость грунта и его влажность (рис. 5) с погрешностью 0,013 от объема воды в грунте для всех испытанных им грунтов. Например, при измеренной относительной диэлектрической проницаемости |ε*|=6 вода занимает 10 % объема грунта, а при |ε*|= 25 – 40 % объема грунта.

Рис. 5. Типичная калибровочная кривая зависимости между объемной долей воды в грунте и его диэлектрической проницаемостью.

В середине 1990-х приборы, основанные на этом принципе, стали появляться на рынке по цене лишь немного выше радиоизотопных. Их преимущество состоит в радиационной безопасности и, как следствие, возможности легче получить лицензию на работу с ними. Кроме того, не требуются специалисты, следящие за безопасностью работы, состоянием капсул с источником излучения и т. д. К настоящему времени эти приборы стали намного более точными и удобными благодаря разработке алгоритмов и программного обеспечения для анализа формы электромагнитных волн – все ручные операции после взятия отсчетов исключены.

Недостатком приборов, основанных на методе TDR, является чувствительность их показаний к температуре. В последних исследованиях, опубликованных по этому вопросу, это объясняют наличием в грунте связанной воды. С повышением температуры часть связанной воды переходит в свободное состояние, т.е. ее взаимодействие с поверхностью частиц грунта ослабляется. Поскольку количество свободной воды оказывает большое влияние на измеряемую диэлектрическую проницаемость грунта, даже небольшое изменение ее содержания приводит к погрешности. По той же причине грунт, содержащий много мелких частиц, имеющих большую удельную поверхность и поэтому «связывающих» воду, оказывается более чувствительным к изменению температуры при определении его диэлектрической проницаемости. Напротив, диэлектрическая проницаемость сухого грунта практически совсем не зависит от его зернового состава. Поэтому если раньше компании, выпускающие приборы, основанные на TDR, подчеркивали универсальность калибровочной кривой, приведенной на рис. 5, и утверждали, что прибор вообще не требует калибровки, то теперь на практике приходят к выводу, что лучше калибровать прибор для разных температур и грунтов, чтобы повысить его точность измерения влажности.