ΔΟΜΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ 31 ΤΥΠΟΙ ΔΟΜΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΩΝ Εισαγωγή Το παρόν κεφάλαιο αφορά στους διαφορετικούς τύπους των δομικών μηχανών έτσι όπως αυτοί διαμορφώνονται τα τελευταία χρόνια και κάτω από τις ραγδαίες τεχνολογικές εξελίξεις τόσο στον τομέα των υλικών όσο και στον τομέα του σχεδιασμού και της παραγωγής. Είναι προφανές ότι δεν είναι δυνατόν, στα πλαίσια ενός εξαμηνιαίου μαθήματος εξειδίκευσης, να αναφερθούν και να αναλυθούν όλοι οι τύποι και όλες οι κατηγορίες των δομικών μηχανών. Ο συγγραφέας επέλεξε προς διαπραγμάτευση τους πλέον κοινούς και συχνότερα χρησιμοποιούμενους τύπους Δ.Μ. και προτίμησε - για τον καθένα απ αυτούς - την μεγαλύτερη εμβάθυνση σε κατηγοριοποιήσεις, λειτουργικές περιγραφές και σχέσεις υπολογισμού. Έτσι μπορεί ο αναγνώστης να βρει σχετικά εύκολα εκείνα τα στοιχεία που θα του είναι συχνότερα απαραίτητα για τους βασικούς υπολογισμούς πάνω σε ένα συγκεκριμένο τύπο Δ.Μ. Η κάθε ενότητα ξεκινά με ορισμούς, λειτουργικές περιγραφές, κατηγοριοποιήσεις και ταξινομήσεις για τον τύπο της Δ.Μ. Εάν είναι απαραίτητο, συνεχίζεται με την παράθεση των βασικών αρχών λειτουργίας της Δ.Μ. Ακολουθεί η παράθεση των βασικών σχέσεων υπολογισμών των πλέον σημαντικών λειτουργικών χαρακτηριστικών της Δ.Μ.
32 ΔΟΜΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ
ΔΟΜΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ 33 Σταθεροποιητές εδαφών Σταθεροποίηση εδαφών Υλικά και μέθοδοι Η γνώση των τεχνικών χαρακτηριστικών του εδάφους έχει μεγάλη σημασία για τους ασχολούμενους με τον σχεδιασμό και την επίβλεψη των διαφόρων έργων. Ένα από τα πλέον σημαντικά χαρακτηριστικά είναι η σταθερότητα του εδάφους που μπορεί ποιοτικά και κατ αρχήν να ορισθεί ως η ικανότητά του εδάφους να φέρει χωρίς σημαντική μόνιμη παραμόρφωση διαφόρων τύπων και μεγεθών φορτία (βλ. σχ.11). Εάν το έδαφος δεν έχει αυτή την ικανότητα λόγω της φύσεως των υλικών που το αποτελούν, της μεταξύ τους αναλογίας αλλά και της περιεχόμενης υγρασίας, τότε θα πρέπει να ομογενοποιηθεί και κατόπιν να σταθεροποιηθεί μέσω τρίτων πρόσθετων υλικών και μέσω ειδικών μηχανών που ονομάζονται σταθεροποιητές εδαφών (βλ. σχ.12). Φορτίο τροχού Κατανομή φορτίου Επιφάνεια Δομή οδοστρώματος Υποδομή οδοστρώματος Σχήμα 11. Η ικανότητα του εδάφους και των δομικών υλικών να φέρουν φορτία: Το παράδειγμα του οδοστρώματος. Όταν κατασκευάζονται μεγάλα δομικά έργα (δρόμοι, αεροδρόμια, βιομηχανικές εγκαταστάσεις κλπ.), η αντικατάσταση του υπάρχοντος εδάφους με άλλο έδαφος που να πληροί τις απαιτούμενες λειτουργικές προδιαγραφές για το έργο είναι μία διαδικασία χρονοβόρα και ιδιαίτερα ακριβή. Για τον λόγο αυτό προτιμάται συνήθως
34 ΔΟΜΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ η επεξεργασία των υπαρχόντων εδαφών από μηχανές που ομογενοποιούν το έδαφος 18 (ομογενοποιητικές δομικές μηχανές) πριν να υποστεί αυτό οποιαδήποτε περαιτέρω επεξεργασία (π.χ. συμπύκνωση). α. β. Σχήμα 12. Σταθεροποιητές εδάφους των εταιριών Caterpillar (α) και Wirtgen (β). Τα εδάφη που περιέχουν μεγάλες ποσότητες νερού είναι συνήθως ακατάλληλα για περαιτέρω επεξεργασία και είναι αδύνατον να συμπυκνωθούν. Για την άρση αυτού του προβλήματος χρησιμοποιούνται αρκετά συχνά βελτιωτικά (πρόσθετα) υλικά που αλλάζουν την μηχανική του συμπεριφορά. Ο ασβέστης π.χ., προστιθέμενος στο έδαφος δρα ως συνεκτικός δεσμός ανάμεσα στους κόκκους μειώνει την περιεκτικότητά του σε νερό και ταυτοχρόνως βελτιώνει την πλαστικότητα, την ικανότητα συμπύκνωσης αλλά και την ικανότητα έδρασης φορτίων του μίγματος. Ταυτόχρονα βελτιώνεται μακροπρόθεσμα η αντοχή του εδάφους, η στεγανότητά του και η ικανότητά του να διατηρεί αμετάβλητες τις μηχανικές του ιδιότητες κατά τις αλλαγές των κλιματολογικών συνθηκών. Τα υλικά που χρησιμοποιούνται συνήθως για την σταθεροποίηση των εδαφών είναι: Η άσφαλτος η πίσσα και το γαλάκτωμα ασφάλτου. Τα υλικά αυτά αυξάνουν την συνοχή του προκύπτοντος μίγματος Το χλωριούχο ασβέστιο που συμβάλλει στην μείωση σκόνης Ο ασβέστης που βοηθά στην ελάττωση της απορροφητικότητας του νερού από το μίγμα Το τσιμέντο που συμβάλλει στην σκλήρυνση και την αύξηση αντοχής και Το χλωριούχο νάτριο που βοηθά στην απορρόφηση υγρασίας 18 Η ομογενοποίηση του εδάφους συνοδεύεται συνήθως και από μεταβολή της κοκκομετρικής του σύστασης προς μικρότερο μέσο μέγεθος κόκκου.
ΔΟΜΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ 35 ΕΔΑΦΟΣ ΟΜΟΓΕΝΟΠΟΙΗΣΗ = ΟΜΟΓΕΝΟΠΟΙΗΜΕΝΟ ΕΔΑΦΟΣ ΕΔΑΦΟΣ ΟΜΟΓΕΝΟΠΟΙΗΣΗ ΒΕΛΤΙΩΜΕΝΟ ΕΔΑΦΟΣ ΑΣΒΕΣΤΗΣ ΑΝΑΜΕΙΞΗ = ΣΤΑΘΕΡΟΠΟΙΗΜΕΝΟ ΕΔΑΦΟΣ ΕΔΑΦΟΣ ΟΜΟΓΕΝΟΠΟΙΗΣΗ ΒΕΛΤΙΩΜΕΝΟ ΕΔΑΦΟΣ ΤΣΙΜΕΝΤΟ ΑΝΑΜΕΙΞΗ = ΣΤΑΘΕΡΟΠΟΙΗΜΕΝΟ ΕΔΑΦΟΣ ΝΕΡΟ ΑΜΜΟΧΑΛΙΚΟ ΑΦΡΩΔΗΣ ΑΣΦΑΛΤΟΣ ΟΜΟΓΕΝΟΠΟΙΗΣΗ ΤΣΙΜΕΝΤΟ ΑΝΑΜΕΙΞΗ = ΣΤΑΘΕΡΟΠΟΙΗΜΕΝΟ ΕΔΑΦΟΣ ΝΕΡΟ ΑΣΦΑΛΤΙΝΟ ΟΔΟΣΤΡΩΜΑ ΝΕΡΟ ΚΟΝΙΟΠΟΙΗΣΗ ΑΝΑΜΕΙΞΗ = ΒΕΛΤΙΩΜΕΝΗ ΥΠΟΔΟΜΗ ΟΔΟΣΤΡΩΜΑΤΟΣ ΑΣΦΑΛΤΙΝΟ ΟΔΟΣΤΡΩΜΑ ΤΣΙΜΕΝΤΟ ΚΟΝΙΟΠΟΙΗΣΗ ΑΝΑΜΕΙΞΗ = ΒΕΛΤΙΩΜΕΝΗ ΥΠΟΔΟΜΗ ΟΔΟΣΤΡΩΜΑΤΟΣ ΝΕΡΟ ΑΣΦΑΛΤΙΝΟ ΟΔΟΣΤΡΩΜΑ ΑΦΡΩΔΗΣ ΑΣΦΑΛΤΟΣ ΚΟΝΙΟΠΟΙΗΣΗ ΑΝΑΜΕΙΞΗ = ΒΕΛΤΙΩΜΕΝΗ ΥΠΟΔΟΜΗ ΟΔΟΣΤΡΩΜΑΤΟΣ ΝΕΡΟ Σχήμα 13. Υλικά και μέθοδοι σταθεροποίησης εδαφών και οδοστρωμάτων. Το σχήμα 13 δείχνει με σχηματικό τρόπο την επίδραση του τρόπου επεξεργασίας και του είδους των πρόσθετων υλικών στις τελικές μηχανικές ιδιότητες του
36 ΔΟΜΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ εδάφους. Η παραγωγή εδάφους 19 με νέα βελτιωμένα χαρακτηριστικά είναι αποτέλεσμα της επεξεργασίας του ήδη υπάρχοντος εδάφους ή δομικού υλικού και η πρόσθεση συστατικών που μεταβάλλουν τις μηχανικές ιδιότητες. Η χαμηλού κόστους αφρώδης άσφαλτος π.χ., είναι ένα συνδετικό συστατικό που μπορεί να βελτιώσει τα λειτουργικά χαρακτηριστικά των σκυρόστρωτων οδών που έχουν την τάση να παράγουν σύννεφα σκόνης κατά την κυκλοφορία των οχημάτων, να μαλακώνουν και να διαβρώνονται από την βροχή. Η ικανότητα τέτοιων οδών να φέρουν φορτία μπορεί να βελτιωθεί παραπέρα εάν χρησιμοποιηθεί τσιμέντο που ενισχύει την συνδετική ικανότητα της ασφάλτου. Είναι επίσης δυνατή η επαναχρησιμοποίηση του υπάρχοντος οδοστρώματος ως υποδομή για την κατασκευή νέου με την προϋπόθεση επεξεργασίας του παλιού με κατάλληλες μεθόδους και πρόσθετα υλικά. Αρχή λειτουργίας και χρήσεις των σταθεροποιητών εδαφών Ο βασικός μηχανισμός των σταθεροποιητών εδαφών αποτελείται από ένα περιστρεφόμενο τύμπανο που φέρει έναν μεγάλο αριθμό ειδικών κοπτικών εργαλείων. Μέσω των εργαλείων αυτών το έδαφος ή το παλιό οδόστρωμα «αλέθεται» ενώ ταυτοχρόνως προστίθεται και εφ όσον αυτό είναι απαραίτητο ένα ή περισσότερα υλικά που στόχο έχουν την βελτίωση των μηχανικών του ιδιοτήτων (βλ. σχ.14). Σχήμα 14. Ο βασικός μηχανισμός ενός σταθεροποιητή. 19 Ή υποδομής για την κατασκευή ασφάλτινου οδοστρώματος
ΔΟΜΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ 37 Καθώς προχωρά η διαδικασία επεξεργασίας του εδάφους, ψεκάζεται νερό στον θάλαμο της επεξεργασίας σε ποσότητες τέτοιες που να εξασφαλίζουν την βέλτιστη υγρασία του δομικού υλικού. Με τον ίδιο τρόπο μπορούν να εισαχθούν στον θάλαμο επεξεργασίας και τα πρόσθετα υλικά (διάλυμα τσιμέντου-νερού, γαλάκτωμα πίσσας, κλπ.). Εάν το πρόσθετο υλικό είναι σε μορφή σκόνης (π.χ. τσιμέντο Portland), τότε τοποθετείται (σκορπίζεται) μπροστά από τον σταθεροποιητή κατά τέτοιο τρόπο ώστε όταν το περιστρεφόμενο τύμπανο έρθει στο σημείο αυτό να γίνεται ταυτόχρονη άλεση του εδάφους και ανάμιξή του με νερό και πρόσθετο υλικό. Ένας σταθεροποιητής μπορεί να λειτουργεί ανεξάρτητα ή σε συνδυασμό και ταυτόχρονα με άλλες δομικές μηχανές. Η εταιρεία Wirtgen η οποία κατασκευάζει σταθεροποιητές εδαφών καταγράφει διάφορους δυνατούς λειτουργικούς συνδυασμούς τέτοιων μηχανών με άλλες δομικές μηχανές. Δύο από τους συνδυασμούς αυτούς δείχνονται στο σχήμα 15 (Η κίνηση των δομικών μηχανών θεωρείται ότι γίνεται από αριστερά προς τα δεξιά για όλους τους συνδυασμούς. Όπου υπάρχει συνδετική γραμμή ανάμεσα στις Δ.Μ. σημαίνει συγχρονισμένη κίνηση και ροή υλικού). ΔΙΑΜΟΡΦΩΤΗΣ ΕΔΑΦΩΝ ΟΔΟΣΤΡΩΤΗΡΑΣ ΣΤΑΘΕΡΟΠΟΙΗΤΗΣ ΜΙΚΤΗΣ ΤΣΙΜΕΝΤΟΥ - ΠΙΣΣΑΣ ΦΟΡΕΑΣ ΓΑΛΑΚΤΩΜΑΤΟΣ ΠΙΣΣΑΣ α. Τυπική σειριακή διάταξη σταθεροποίησης (πίσσα - τσιμέντο), συμπύκνωσης και διαμόρφωσης εδάφους ΟΔΟΣΤΡΩΤΗΡΑΣ ΣΤΑΘΕΡΟΠΟΙΗΤΗΣ ΦΟΡΕΑΣ ΓΑΛΑΚΤΩΜΑΤΟΣ ΠΙΣΣΑΣ β. Τυπική σειριακή διάταξη σταθεροποίησης (πίσσα) και συμπύκνωσης εδάφους Σχήμα 15. Σειριακός συνδυασμός σταθεροποιητή και άλλων δομικών μηχανών. Είδη και λειτουργικά χαρακτηριστικά των σταθεροποιητών Στο σχ.12β. δείχνεται ο σταθεροποιητής εδαφών RACO 350 της εταιρείας Wirtgen που χρησιμοποιείται για την ομογενοποίηση αλλά και για την πρόσθεση ασβέστη στο έδαφος για την βελτίωση των μηχανικών του ιδιοτήτων. Ο σταθεροποιητής μπορεί επιπλέον να χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή τσιμεντένιων υποδομών δομικών έργων. Τα πλέον ενδιαφέροντα μέρη του σταθεροποιητή είναι το
38 ΔΟΜΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ περιστρεφόμενο τύμπανο που φέρει αποσπώμενα κοπτικά και τα οποία έχουν ειδική έδραση που μειώνει την φθορά τους ενώ το υλικό κατασκευής τους (ειδικά καρβίδια) συμβάλλει στην μεγάλη διάρκεια ζωής (βλ. σχ.16.α). α. β. Σχήμα 16.Σταθεροποιητής εδάφους RACO 350 της εταιρίας Wirtgen: α. Το περιστρεφόμενο τύμπανο, β. Το σύστημα ανάρτησης του ρότορα του περιστρεφόμενου τύμπανου. Οι δομικές μηχανές αυτού του είδους εργάζονται συνήθως σε επίπεδες γενικά επιφάνειες. Παρ όλα αυτά και για την επίτευξη ομαλής επεξεργασίας και σταθεροποίησης του εδάφους σε σχετικά μεγαλύτερες ανωμαλίες του εδάφους, απαιτείται η ανεξαρτητοποίηση της κίνησης του περιστρεφόμενου τύμπανου και του σχετικού μηχανισμού από την κίνηση της υπόλοιπης μηχανής. Τούτο συνήθως επιτυγχάνεται με ειδικά συστήματα ανάρτησης του ρότορα του τύμπανου (βλ.σχ.16.β.) που επιτυγχάνουν την μέγιστη δυνατή κινηματική ανεξαρτησία σε σχέση με την υπόλοιπη μηχανή. Η ισχύς του κινητήρα του σταθεροποιητή θα πρέπει να είναι τέτοια ώστε να είναι δυνατή η εκτέλεση όλου του φάσματος των δομικών εργασιών για τις οποίες αυτός έχει σχεδιασθεί. Επομένως η ισχύς του κινητήρα θα πρέπει να καθορίζεται ανάλογα με το μέγεθος, τις συνολικές αντιστάσεις κίνησης και λειτουργίας, το πλήθος και το είδος των εργασιών, την πιθανή ρυμούλκηση άλλης Δ.Μ. κλπ. (Ο σταθεροποιητής π.χ. του σχήματος 12.β. έχει ισχύ 370 (kw)). Στα σχήματα 17 19 φαίνονται διάφοροι τύποι σταθεροποιητών εδαφών καθώς και διάφορα είδη εργασιών που μπορούν να εκτελέσουν. Στο σχήμα 17 φαίνεται ο σταθεροποιητής WR 2500 σε εργασία ομογενοποίησης του εδάφους κατά την κατασκευή του αεροδρομίου «Ελ. Βενιζέλος» στα Σπάτα. Λόγω των κλιματολογικών συνθηκών το έδαφος περιέχει ανεπαρκή ποσότητα νερού ώστε να συμπυκνωθεί. Έτσι χρησιμοποιούνται ψεκαστήρες ώστε να αυξηθεί η
ΔΟΜΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ 39 περιεκτικότητα σε νερό ενώ ταυτοχρόνως ομογενοποιείται το έδαφος σε βάθος 30 (cm). Οι βασικές διαστάσεις του σταθεροποιητή αυτού δείχνονται στο σχήμα 18. Σχήμα 17.Σταθεροποιητής εδάφους WR 2500 της εταιρίας Wirtgen κατά την εργασία ομογενοποίησης του εδάφους κατά την κατασκευή του αεροδρομίου «Ελ. Βενιζέλος» στα Σπάτα. Σχήμα 18.Σταθεροποιητής εδάφους WR 2500 της εταιρίας Wirtgen: Οι βασικές διαστάσεις Τέλος στο σχήμα 19 φαίνεται μία μηχανή ανακύκλωσης και αποκατάστασης ασφάλτινων οδοστρωμάτων (2200 CR) της ίδιας εταιρίας. Η μηχανή μπορεί να απομακρύνει πάχος ασφάλτου μέχρι και 35 (cm) και η λειτουργία της βασίζεται σε
40 ΔΟΜΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ ένα τύμπανο άλεσης που «αλέθει» την άσφαλτο και κατόπιν την αναμιγνύει στον ίδιο θάλαμο με διάφορα πρόσθετα υλικά (τσιμέντο, γαλάκτωμα πίσσας, αφρώδη πίσσα κλπ.). Η μηχανή διαθέτει κινητήρα ισχύος 596.5 (kw) και μπορεί να φέρει επιπλέον κατάλληλα προσαρμοσμένο ταινιόδρομο για την φόρτωση ή και εκφόρτωση υλικών. Σχήμα 19. Μηχανή ανακύκλωσης και αποκατάστασης ασφάλτινων οδοστρωμάτων (2200 CR) της εταιρίας Wirtgen εφοδιασμένη με ταινιόδρομο.
ΔΟΜΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ 41 Συμπυκνωτές εδαφών Η συμπύκνωση εδαφών Με τον όρο συμπύκνωση εννοείται η αύξηση της πυκνότητας του εδάφους με μηχανικά μέσα (βλ. σχ.20). Στόχος της συμπύκνωσης είναι η αύξηση της ικανότητας του εδάφους του να φέρει με ικανοποιητικό τρόπο φορτία και παράλληλα η αύξηση της διάρκειας ζωής του δομικού έργου, η ελαχιστοποίηση των παραμορφώσεων, η διατήρηση της δομικής και λειτουργικής ευστάθειας και η μείωση της διαπερατότητάς του εδάφους. α. β. Σχήμα 20. Η συμπύκνωση του εδάφους: α. Χαλαρό έδαφος (μικρή ικανότητα έδρασης φορτίων), β. Συμπυκνωμένο έδαφος (βελτιωμένη ικανότητα έδρασης φορτίων). Η συμπύκνωση των εδαφών είναι μία συχνή και κοινή εργασία που ακολουθεί άλλες δομικές εργασίες (π.χ. σταθεροποίηση εδάφους) ή προηγείται αυτών (π.χ. συμπύκνωση υποδομής ασφάλτινου οδοστρώματος πριν την ασφαλτόστρωση). Η συμπύκνωση γίνεται με κατάλληλες δομικές μηχανές που ονομάζονται συμπυκνωτές. Οι μηχανές αυτές υλοποιούν διαφορετικές μεθόδους και τεχνικές συμπύκνωσης και παρουσιάζονται σε ένα ευρύτατο φάσμα τύπων και κατηγοριών 20. Στο σχήμα 21 δείχνεται ένας δονητικός συμπυκνωτής (οδοστρωτήρας) ασφάλτου διπλού κυλίνδρου (τύμπανου). 20 Πολλές φορές χρησιμοποιείται γενικά ο όρος «οδοστρωτήρας» αντί του όρου συμπυκνωτή. Τούτο δεν είναι πάντοτε σωστό δεδομένου ότι οι οδοστρωτήρες είναι συμπυκνωτές που χρησιμοποιούνται σε
42 ΔΟΜΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ Σχήμα 21. Δονητικός συμπυκνωτής (οδοστρωτήρας) ασφάλτου διπλού κυλίνδρου (τύμπανου) της Caterpillar Ο βαθμός συμπύκνωσης του εδάφους που μπορεί να επιτευχθεί εξαρτάται άμεσα από την κοκκομετρική του σύσταση, από την συνεκτικότητα αλλά και από την υγρασία. Ο βαθμός συμπύκνωσης του εδάφους που πρέπει να επιτευχθεί καθορίζεται από το είδος χρήσης του εδάφους και κυρίως από τις μέγιστες στατικές και δυναμικές καταπονήσεις (τάσεις) στις οποίες αυτό θα υποβληθεί. Η σχέση του εδάφους με την υγρασία είναι ιδιαίτερα σημαντική γιατί το ποσοστό της υγρασίας μπορεί να επηρεάσει δραματικά τις μηχανικές του ιδιότητες. Κατά την συμπύκνωση του εδάφους το περιεχόμενο νερό δρα ως λιπαντικό επιτρέποντας την σχετική ολίσθηση των κόκκων. Λίγο νερό σημαίνει ανεπαρκή συμπύκνωση ενώ οι υπερβολικές ποσότητες νερού δημιουργούν υδάτινους θύλακες που αδυνατίζουν την τελική ικανότητα του εδάφους του να φέρει φορτία. Η υψηλότερη πυκνότητα 21 αντιστοιχεί σε μία ορισμένη περιεκτικότητα νερού για δεδομένη προσπάθεια (δύναμη) συμπύκνωσης. Για την λήψη απόφασης σχετικά με την επίτευξη ή όχι κατάλληλης συμπύκνωσης για μία δεδομένη εφαρμογή, έχουν αναπτυχθεί αρκετές μέθοδοι. Οι πλέον κοινές από αυτές αφορούν μετρήσεις της πυκνότητας του εδάφους. Έτσι η πυκνότητα μετριέται για τον προσδιορισμό του βαθμού συμπύκνωσης και την, στη συνέχεια, σύγκρισή του με τις τεθείσες σχετικές προδιαγραφές. Επίσης μετριέται η επίδραση της υγρασίας στην πυκνότητα του εδάφους και συγκρίνεται επίσης με τις τεθείσες έργα οδοποιίας («στρώσιμο» στρωμάτων εδαφών υποδομής οδών και ασφάλτου) και αποτελούν ένα τμήμα μόνο του συνόλου των σύγχρονων συμπυκνωτών εδαφών. 21 Και άρα συμπύκνωση, σύμφωνα με τον ορισμό...
Ξηρή πυκνότητα Βέλτιστη υγρασία ΔΟΜΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ 43 προδιαγραφές. Τέλος οι μέθοδοι αυτές παρέχουν καμπύλες υγρασίας πυκνότητας μέσω των οποίων μπορεί να ταυτοποιηθεί η βέλτιστη υγρασία (βλ. σχ.22). Μέγιστη πυκνότητα Υγρασία (% του ξηρού βάρους) Σχήμα 22. Καμπύλη πυκνότητας εδάφους περιεχόμενης υγρασίας. Ένα αρκετά διαδεδομένο εργαστηριακό τεστ για τον έλεγχο του βαθμού συμπύκνωσης του εδάφους είναι το Proctor τεστ (ASTM D1557-91) 22 που βασίζεται στην υγρασία του συμπυκνωμένου εδάφους και στην αντίστοιχη καμπύλη. Ένα συγκεκριμένο έδαφος θα πρέπει να έχει μία βέλτιστη ποσότητα υγρασίας για να επιτευχθεί η μέγιστη πυκνότητα. Έτσι το Proctor τεστ καθορίζει την μέγιστη πυκνότητα που θα πρέπει να έχει ένα έδαφος για μια συγκεκριμένη δομική εργασία. Σύμφωνα με το τεστ, προσδιορίζεται κατ αρχήν η μέγιστη επιτεύξιμη πυκνότητα και χρησιμοποιείται ως τιμή αναφοράς. Κατόπιν εξετάζεται η επίδραση της υγρασίας στην πυκνότητα και καθορίζεται η επί (%) επιτεύξιμη πυκνότητα με βάση την τρέχουσα υγρασία. Ως προς την βασική αρχή επιβολής της μηχανικού έργου, διακρίνονται τέσσερις τρόποι συμπύκνωσης του εδάφους ή της ασφάλτου: Η ταλάντωση (δόνηση), η κρούση, η πίεση και η ζύμωση (kneading). Ειδικότερα ως προς την επιβολή της δύναμης συμπύκνωσης διακρίνονται δύο τύποι: Η σταθερή και η μεταβαλλόμενη δύναμη. Η σταθερή δύναμη είναι το βάρος της δομικής μηχανής 23 που δρα στο έδαφος και το συμπυκνώνει (στατική συμπύκνωση). Ο μόνος τρόπος επομένως για την μεταβολή του μεγέθους αυτής της δύναμης είναι η πρόσθεση ή η αφαίρεση βάρους στην Δ.Μ. Η στατική συμπύκνωση είναι κατάλληλη για τα ανώτερα στρώματα του εδάφους και επομένως για μικρά έως μεσαία αντίστοιχα βάθη. Η πίεση και η ζύμωση είναι παραδείγματα στατικής συμπύκνωσης. 22 Ή τροποποιημένο τεστ Proctor 23 Ή τμήματος της μηχανής
44 ΔΟΜΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ Η μεταβαλλόμενη δύναμη δημιουργείται από κατάλληλο ταλαντωτικό ή κρουστικό μηχανισμό και επιβάλλεται στο έδαφος υπερτιθέμενη στην πάγια στατική δύναμη (βλ. προηγούμενη παράγραφο). Η διαδικασία αυτή ονομάζεται δυναμική συμπύκνωση. Ο ταλαντωτικός μηχανισμός αποτελείται συνήθως από μία περιστρεφόμενη έκκεντρη μάζα ή από ένα συνδυασμό εμβόλου ελατηρίου. Το αποτέλεσμα είναι μία σειρά διαδοχικών και επαναλαμβανόμενων ταλαντώσεων ή κρούσεων της επιφάνειας του εδάφους που επηρεάζει τα ανώτερα αλλά και τα σχετικά βαθύτερα στρώματα προκαλώντας μετακίνηση των κόκκων και επιτυγχάνοντας τελικά την μέγιστη δυνατή πυκνότητα. Στις επόμενες παραγράφους αναλύονται θεωρητικά οι προαναφερθέντες τρόποι συμπύκνωσης και παρατίθενται ορισμένες απλές υπολογιστικές σχέσεις. Η αναφορά του φάσματος χρήσεων (τύποι δομικών μηχανών, δομικών έργων και εδαφών) για κάθε μία μέθοδο θα γίνει αμέσως μετά. Η στατική συμπύκνωση Κατά την μελέτη της στατικής συμπύκνωσης του εδάφους γίνονται οι εξής τρεις παραδοχές: 1. Η συμπύκνωση του εδάφους γίνεται καθ όλο το πλάτος του μέσου συμπύκνωσης (κύλινδρος, ελαστικό, κλπ) 2. Το στρώματα του εδάφους που βρίσκονται κάτω από το προς συμπύκνωση έδαφος θεωρούνται ως ήδη συμπυκνωμένα και 3. Το στρώματα του εδάφους που βρίσκονται κάτω από το προς συμπύκνωση έδαφος συμπεριφέρονται ως ελαστική έδραση W Κύλινδρος D Καθίζηση εδάφους t Έδαφος προς συμπύκνωση H Συμπυκνωμένο έδαφος B Σχήμα 23. Στατική συμπύκνωση εδάφους.
ΔΟΜΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ 45 Στο σχήμα 23 φαίνεται το προς συμπύκνωση έδαφος πάχους Η (mm), η διάμετρος D (mm), το πλάτος B (m) και το βάρος W (Kp) του κυλίνδρου της Δ.Μ. Κατά την κύλιση του κυλίνδρου το έδαφος καθιζάνει κατά t (mm) και για συνολικό μήκος l (m) ίσο προς το αντίστοιχο διάστημα κύλισης του κυλίνδρου. Επομένως η επιφάνεια και ο όγκος του συμπυκνωθέντος εδάφους θα είναι αντίστοιχα: F V c c Bl (m 2 ) 3 0.001Blt (m ) (40) Εάν γ 1 (t/m 3 ), γ 2 (t/m 3 ) είναι τα φαινόμενα βάρη του εδάφους πριν και μετά την συμπύκνωση, τότε ισχύει η αδιάστατη σχέση: γ γ 2 1 H H t (41) και το βάθος t (mm) δίνεται από την εμπειρική σχέση: x 0.5 C 1 ξ t (mm) (42) x 3 όπου: ξ είναι ο συντελεστής συμπιεστότητας του εδάφους που δίνεται από την σχέση: B W D G ξ (Kp/mm 1.5 ) (43) D όπου G=0.001(W/B) (Kp/mm) είναι η ειδική φόρτιση του κυλίνδρου ή του ελαστικού x είναι ο συντελεστής υγρασίας του εδάφους και η τιμή του προκύπτει από τον παρακάτω πίνακα: Πίνακας 8. Τιμές του συντελεστή υγρασίας του εδάφους Υγρασία εδάφους Συντελεστής υγρασίας Βέλτιστη 0.4 0.6 Ξηρά εδάφη 0.6 0.8 Εδάφη με σχετική υγρασία (3 6) % 0.2 0.4 C είναι ο συντελεστής παραμόρφωσης του εδάφους και η τιμή του εξαρτάται από την αρχική πυκνότητα, την υγρασία και τον τύπο του εδάφους Για τον υπολογισμό της αντίστασης κύλισης, η σχέση (8) θα πρέπει να τροποποιηθεί ως εξής:
46 ΔΟΜΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ Rr kwr B (Kp) (44) όπου k είναι ένας διορθωτικός συντελεστής που εξαρτάται από το είδος κίνησης του κυλίνδρου (αυτοκινούμενος ή ρυμουλκούμενος), από την διάμετρό του αλλά και από το βάθος συμπύκνωσης t (mm). Συνήθως ο συντελεστής αυτός παίρνει τιμές από 0.8 έως 2.5 με βάση τις παρακάτω εμπειρικές παρατηρήσεις: 1. Μεγάλοι διάμετροι του κυλίνδρου αντιστοιχούν σε μικρές τιμές του συντελεστή και αντίστροφα 2. Για αυτοκινούμενους κυλίνδρους λαμβάνονται μικρότερες τιμές του συντελεστή έναντι των αντίστοιχων τιμών για ρυμουλκούμενους κυλίνδρους γιατί οι δυνάμεις αντίστασης αλλά και η ποσότητα του συσσωρευόμενου εδάφους μπροστά από τον κύλινδρο είναι σαφώς μικρότερες 3. Μεγάλα βάθη συμπύκνωσης αυξάνουν συνολικά τις αντιστάσεις και άρα και την τιμή του συντελεστή διόρθωσης ΤΡΟΧΟΣ ΣΥΣΣΩΡΕΥΣΗ, ΚΥΜΑΤΩΣΕΙΣ ΚΑΙ ΡΩΓΜΕΣ ΕΔΑΦΟΣ Σχήμα 24. Συσσωρεύσεις και κυματώσεις μπροστά από τον περιστρεφόμενο κύλινδρο Η συσσώρευση του εδάφους και η δημιουργία κυματώσεων και ρωγμών μπροστά από τον περιστροφικά κινούμενο κύλινδρο (βλ. σχ.24) έχει σαν αποτέλεσμα την ανομοιόμορφη συμπύκνωσή του και κατά συνέπεια την αδυναμία πλήρους εκπλήρωσης της μελλοντικής λειτουργίας του. Από πειράματα που έγιναν διαπιστώθηκε ότι επιτυγχάνεται ομαλή συμπύκνωση του εδάφους όταν ο λόγος G/D δεν υπερβαίνει μία οριακή τιμή η οποία εξαρτάται κυρίως από τον τύπο του εδάφους. Η οριακή τιμή του λόγου μπορεί να είναι μεγαλύτερη για αυτοκινούμενους κυλίνδρους για τους οποίους τα φαινόμενα της συσσώρευσης εδάφους, των ρηγματώσεων αλλά και των κυματώσεων δεν είναι τόσο έντονα.
ΔΟΜΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ 47 Η δυναμική συμπύκνωση Η δυναμική συμπύκνωση του εδάφους μπορεί να γίνει από δομικές μηχανές που φέρουν ειδικούς ταλαντωτικούς ή κρουστικούς μηχανισμούς. Η δυναμική συμπύκνωση με κρούσεις μπορεί να εφαρμοσθεί σε μεγάλο φάσμα εδαφών, μειονεκτεί στα αμμώδη εδάφη γιατί δημιουργείται επιφανειακό χαλαρό στρώμα και μη επίπεδη επιφάνεια λόγω των κρούσεων 24 και δεν ενδείκνυται για μεσαίας και μεγάλης έκτασης συμπυκνώσεις γιατί είναι ιδιαίτερα δαπανηρή. Η δυναμική συμπύκνωση με δονήσεις (ταλαντώσεις) εφαρμόζεται σε εδάφη μέσης συνεκτικότητας, ενδείκνυται για μεγάλης έκτασης συμπυκνώσεις γιατί είναι οικονομική και βασίζεται στην μέσω δονήσεων αναδιάταξη των κόκκων και την ελαχιστοποίηση των κενών στον όγκο του εδάφους. Δυναμική συμπύκνωση με κρούσεις W m W k b, c b h o m, u h h α. β. Σχήμα 25. Μοντέλο για την μελέτη της δυναμικής συμπύκνωσης με κρούσεις: α. Ελεύθερη πτώση βάρους, β. Δυναμικά χαρακτηριστικά του εδάφους. Κατά την ελεύθερη πτώση του βάρους W (Kp) που έχει μάζα m (Kg) και ταχύτητα u (m/sec) κατά την στιγμή της επαφής του με το έδαφος (βλ. σχ.25.α. και β.), η εφαρμοζόμενη στο έδαφος δύναμη θα είναι: du F ( t) m md (N) (45) dt όπου d (m/sec 2 ) είναι η επιτάχυνση του βάρους επίσης κατά την στιγμή της επαφής του με το έδαφος. Μετά την επαφή αυτή, το βάρος επιβραδύνεται με μη σταθερή επιβράδυνση b(t) (m/sec 2 ) ενώ δημιουργείται τάση ίση προς: 24 Εάν επακολουθήσει στατική συμπύκνωση, αίρονται τα μειονεκτήματα αυτά
48 ΔΟΜΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ F( t) mb( t) σ( t) (N/m 2 ) (46) S S όπου S (m 2 ) είναι η διατομή της επιφανείας του βάρους. Μετά την επαφή του βάρους με το έδαφος ξεκινά μία ελεύθερη αποσβεννύμενη ταλάντωση 25 (βλ. σχ.25.β). Αν θεωρηθεί η ταλάντωση ως μη αποσβεννύμενη, τότε το σύστημα βάρος έδαφος είναι ενεργειακά συντηρητικό και άρα 26 : Εάν θεωρηθεί ότι: 1 2 Fh mu (Nm) (47) 2 2 σ F C const. (N/m 3 ) (48) h Sh είναι η ελαστικότητας του εδάφους, τότε από τις σχέσεις (45)-(48) προκύπτει ότι: F σs mu h 2 2 mu C σ (Ν) (49) Κατά την ελεύθερη πτώση από ύψος h o (m) (βλ. σχ.25.α), η ταχύτητα u (m/sec) δίνεται από την σχέση: και άρα οι σχέσεις (45)-(50) δίνουν τελικά: u 2 gh o (m/sec) (50) F 2 WSh C (Ν) (51) o που είναι μία σχέση με βάση την οποία μπορεί να υπολογισθεί η απαιτούμενη προς εφαρμογή στο έδαφος δύναμη 27 για να επιτευχθεί συμπύκνωση βάθους h (m) (βλ. σχ.25.β). Δυναμική συμπύκνωση με δονήσεις Κατά την συμπύκνωση με δονήσεις, το δονούμενο σώμα (συνήθως κύλινδρος και σπανιότερα πλάκα) εκτελεί ταλάντωση που προκαλείται από κατάλληλο ταλαντωτικό μηχανισμό. Η ταλάντωση έχει σαν αποτέλεσμα την ανάπτυξη στο συμπυκνούμενο έδαφος δυνάμεων μεταβαλλόμενων με τον χρόνο και κατά συνέπεια δυναμικών εδαφικών τάσεων. Η ένταση των τάσεων αυτών και κατά συνέπεια η επιτυγχανόμενη συμπύκνωση εξαρτώνται από τα λειτουργικά χαρακτηριστικά της δομικής μηχανής και από τα χαρακτηριστικά του εδάφους. 25 Η ταλάντωση αυτή θεωρείται γραμμική και οι σταθερές ελατηρίου και απόσβεσης του εδάφους θεωρούνται σταθερές και πειραματικά προσδιοριζόμενες. 26 Εδώ η F (N) είναι το μέγιστο της εφαρμοζόμενης δύναμης F(t) (N) 27 εάν βεβαίως είναι γνωστή η σταθερά ελαστικότητας C (N/m 3 )..