4. Echipamente tehnologice pentru compactarea pamanturilor

4.1. Generalitati

Compactarea reprezinta operatia de indesare a pamantului (sau a oricarui material de

umplutura), ca rezultat al actiunii echipamentelor tehnologice. Actiunea acestor echipamente

consta in aplicarea ciclica a unor sarcini exterioare, statice sau dinamice, in functie de

principiul de functionare al acestora.

Actiunea statica asupra pamantului se realizeaza prin presiunea provocata de

rostogolirea unui cilindru sau a unei roti cu pneu, inainte si inapoi pe suprafata materialului,

operatie care se numeste cilindrare. La prima trecere, adancimea de patrundere a cilindrului

este mare si ca urmare suprafetele de sprijin sunt tot mai mari, deci presiunile unitare care se

transmit materialului sunt mai mici. Odata cu cresterea numarului de treceri scade adancimea

de patrundere si respectiv suprafata de sprijin.

In cazul cilindrilor compactori cu pneuri are loc in acelasi timp si o deformare a

pneului, ceea ce asigura o repartitie mai uniforma a presiunilor.

Actiunea dinamica asupra pamantului se realizeaza in doua moduri: prin batere si prin

vibrare.

Compactarea prin batere se obtine la caderea periodica de la o anumita inaltime h a

unui corp de masa m asupra materialului. In acest caz, compactarea are loc sub actiunea

impulsurilor transmise materialului prin undele periodice de compresiune provocate de soc.

Compactarea prin vibrare se realizeaza cu ajutorul unor vibratoare de suprafata sau de

adancime care transmit unde de compresiune succesive unidirectionale sau circulare, masei de

material invecinate. Prin vibrari repetate, granulele de material sunt puse in miscare de forte

de inertie proportionale cu masele lor, reducandu-se frecarea dintre acestea, ceea ce permite o

asezare mai densa pe masura micsorarii golurilor.

Compactarea prin vibrare da rezultate foarte bune in cazul unor materiale neomogene

si necoezive sau slab coezive. In cazul in care raportul dintre forta perturbatoare a vibratorului

de suprafata si greutatea acestuia depaseste o anumita valoare, are loc desprinderea periodica

a corpului vibratorului, de material, producandu-se astfel, pe langa vibratii, si lovituri

periodice.

Trebuie mentionat faptul ca atat la compactarea prin vibratii cat si la compactarea

statica, prin utilizarea unor cilindri metalici prevazuti cu proeminente pe suprafata tamburilor,

apare si fenomenul de framantare care introduce pe langa fortele de compresiune si forte de

forfecare, ce contribuie la invingerea fortelor interne de coeziune.

In final, trebuie precizate care sunt obiectivele compactarii terenurilor:

a) in cazul pamanturilor:

- cresterea densitatii si portantei straturilor;

- scaderea compresibilitatii si a permeabilitatii.

b) in cazul mixturilor asfaltice:

- cresterea densitatii;

- cresterea stabilitatii;

- cresterea rezistentei la uzura.

Compactarea pamanturilor, in general, si in special compactarea suprafetelor cu functii

complexe (rezistenta, rigiditate, etansare, stabilitate in timp) pune probleme deosebite

specialistilor din proiectare si mecanizare.

4.2.Procesul compactarii pamanturilor

Pamantul se prezinta sub forma unui mediu dispers alcatuit din trei faze: solida

(scheletul natural), lichida (apa) si gazoasa (aerul si alte gaze).

Compactarea pamanturior este procesul prin care se obtine o crestere a procentului

fazei solide in unitatea de volum a materialului. Acest lucru este realizat prin expulzarea

partiala a aerului si apei, in paralel cu reasezarea particulelor solide si reducerea volumului

golurilor sub actiunea ciclica a sarcinilor exterioare.

La actiunea sarcinilor exterioare, in zona de contact se produce deformatia stratului de

material supus compactarii. Deformatia are doua componente: una remanenta si alta elastica.

La randul ei, deformatia remanenta se poate prezenta sub doua aspecte: cu micsorarea

volumului pamantului prin reasezarea particulelor si reducerea porilor si cu modificarea

formei, volumul mentinandu-se constant. La forte exterioare relativ mici predomina

deformatia cu micsorare de volum, iar la forte mari au loc tasari si refulari de pamant de sub

organul de lucru al utilajului de compactare. Deformatia elastica apare datorita proprietatilor

elastice ale pamantului. Odata cu incetarea solicitarii exterioare, deformatia elastica dispare,

stratul de pamant ramanand cu deformatia remanenta.

4.3. Proprietatile pamanturilor care influenteaza procesul de compactare

Proprietatile fizice ale pamanturilor se refera la fazele constitutive ale pamanturilor si

la interactiunea acestora. In cele ce urmeaza, se vor enumera acele proprietati care

influenteaza procesul de compactare.

Distributia granulometrica indica repartizarea cantitativa (in greutate), pe intervale de

dimensiuni, a particulelor solide ce alcatuiesc pamantul. Trasarea distributiei granulometrice

este primul pas in identificarea si clasificarea unui anumit tip de pamant. Prin ridicarea

curbelor distributiei granulometrice se poate face o apreciere initiala asupra compactibilitatii

pamantului ceea ce este foarte important.

Densitatea pamantului variaza in principal cu natura pamantului, cu marimea

umiditatii si cu gradul de indesare. Astfel, cresterea densitatii si implicit a greutatii

volumetrice a materialului compactat semnifica efectul procesului de compactare.

Gradul de compactare reprezinta raportul dintre greutatea volumetrica medie in stare

uscata si greutatea volumetrica maxima in stare uscata, obtinuta in laborator prin incercarea

de compactare (metoda standard) si se exprima in procente.

Porozitatea pamantului este data de raportul dintre volumul porilor si volumul

aparent al pamantului si se masoara in procente. Porozitatea scade proportional cu gradul de

compactare obtinut.

Umiditatea reprezinta raportul dintre masa apei si masa scheletului continut intr-un

volum de pamant. Aceasta proprietate a pamantului joaca un rol deosebit de important in

procesul de compactare influentand densitatea uscata obtinuta pentru un anumit pamant la

sfarsitul procesului. Pe masura ce umiditatea creste, densitatea descreste datorita fragmentarii,

reasezarii particulelor, a reducerii frecarii si coeziunii.

Caracteristicile mecanice ale pamanturilor care influenteaza procesul de compactare

sunt compresibilitatea si rezistenta la forfecare.

Compresibilitatea reprezinta proprietatea pamantului de a se deforma, adica de a-si

reduce volumul porilor, sub actiunea unor solicitari exterioare de compresiune.

Rezistenta la forfecare a pamantului reprezinta efortul unitar maxim care se dezvolta

intr-o sectiune a acestuia in momentul ruperii prin forfecare dupa acea sectiune. Aceasta

rezistenta se noteaza cu fτ si este data de expresia:

ϕστ tgCf += , (1)

unde C este coeziunea pamantului; σ -efortul unitar normal pe sectiunea considerata in

momentul ruperii; ϕ - unghiul de frecare interioara.

4.4. Constructia compactoarelor autopropulsate

Efectuand un studiu cu privire la solutiile constructive ale echipamentelor de

compactat autotractate, se disting urmatoarele categorii constructive:

- compactoare cu rulouri netede (vibratoare sau statice), cu sasiu monobloc sau

articulat;

- compactoare pe pneuri;

- compactoare mixte (cu un rulou vibrator si cu pneuri);

- compactoare cu rulouri profilate (cu crampoane).

Principalele tipuri de compactoare clasificate anterior sunt date in figura 1.

(a) (b)

(c) (d)

(e)

Fig. 1 Tipurile constructive ale masinilor de compactat autotractate

(a) cu rulouri netede; (b) cu roti cu pneuri; (c) mixt; (d) cu rulouri vibratoare; (e) cu rulouri cu crampoane.

Functiile de definire ale compactoarelor vibratoare autotractate sunt:

- generarea fortei perturbatoare si implicit a vibratiilor pentru realizarea procesului

de compactare a terenului;

- realizarea tractiunii pentru deplasarea in frontul de lucru si intre punctele de lucru.

In general, un compactor vibrator autopropulsat este format din urmatoarele

subansamble constructive principale:

- sistemul de rezistenta (sasiul) care reprezinta o constructie sudata, cu grad ridicat

de rigiditate pe care sunt montate restul subansamblelor masinii;

- sistemul de deplasare care poate fi alcatuit fie numai din pneuri, sau din pneuri si

rulouri sau numai din rulouri. Acesta poate realiza tractiunea fie numai cu un

singur rulou, fie pe ambele.

- sistemul de vibrare are in componenta sa generatorul de vibratii si transmisia. In

mod uzual, se utilizeaza vibratoare inertiale care genereaza forta unidirectionala

sau rotitoare. Vibrogeneratorul cu mase excentrice, sau cel cu ax excentric sunt

cele mai cunoscute si utilizate vibratoare. Sistemul de actionare al acestor

vibratoare inertiale poate fi mecanic sau hidrostatic.

- sistemul de izolare a vibratiilor are rolul de a amortiza vibratiile transmise de la

rulou la postul de comanda si in structura masinii. Cele mai uzuale sisteme de

izolare la vibratii sunt cele formate din tampoane de cauciuc tip Sandwich sau tip

plot.

- sistemul de actionare este, de regula, cel hidrostatic care raspunde cerintelor

impuse de functionarea masinilor de compactat. Astfel, pentru realizarea functiei

de deplasare si de vibrare, energia necesara este preluata de la motorul termic prin

intermediul transmisiei hidrostatice formata dintr-o pompa cu cilindree variabila,

motor hidrostatic cu cilindree constanta pentru vibrare si motor hidrostatic cu

cilindree variabila pentru deplasare. Sistemul de vibrare este format din doua

motoare hidraulice cu cilindree constanta si o pompa cu cilindree variabila, care

poate avea doua trepte de frecvente.

In figura 2 este prezentata o vedere de ansamblu a schemei de actionare a unui

compactor vibrator autopropulsat.

Fig. 2 Schema actionarii tamburilor vibratori, a directiei si a echipamentului suplimentar de buldozer

montat pe un compactor autopropulsat

In figura 3 sunt prezentate bune practici de aplicare a tehnologiei de compactare,

tinand seama de corelatia dintre tipul masinii de compactat si natura materialului ce necesita

compactare.

Fig. 3 Corelarea utilajului de compactat cu materialul care trebuie compactat

In figura 4 este prezentat fluxul tehnologic de lucru pentru realizarea unui drum avand

ca strat de uzura mixtura asfaltica.

Fig. 4 Vedere de ansamblu al intregului proces tehnologic pentru realizarea unui drum

4.5. Corelatii intre parametrii tehnologici, constructivi si functionali

la echipamentele (autopropulsate) de compactare prin rulare

a) Efortul unitar de compresiune in procesul de compactare

In cazul compactarii prin actiune statica, efortul unitar maxim se determina cu relatia:

rmax 9.0R

qEσσ ≤= , (2)

unde q este incarcarea specifica liniara a ruloului; E – modulul de deformare al pamantului; R

– raza ruloului; rσ - rezistenta la rupere a stratului de compactat.

In tabelul 1 sunt date valorile rezistentei la rupere a diferitelor straturi ce necesita

compactare.

Tabelul 1

Valorile rezistentei la rupere

Natura pamantului rσ , [daN/cm

2]

Pamanturi necoezive si slab coezive

(nisipuri argiloase, prafuri)

30-60

Pamanturi cu coeziune mijlocie

(argile nisipoase)

60-100

Pamanturi cu coeziune ridicata

(argile nisipoase grele)

100-150

Pamanturi cu coeziune foarte ridicata

(argiloase)

150-180

Incarcarea specifica liniara a ruloului se calculeaza astfel:

B

Gq = , (3)

in care G reprezinta greutatea masinii de compactat care se repartizeaza pe rulou; B – latimea

ruloului compactor.

In cazul compactarii cu actiune dinamica, efortul unitar maxim de compresiune are

urmatoarea relatie de calcul:

rdd*

max 9.0R

Eqσσ ≤= , (4)

unde

( )B

GFkq 0d

d

+= , (5)

in care F0 reprezinta amplitudinea fortei perturbatoare a ruloului; kd – coeficient dinamic de

amplificare (pentru asfalt kd=0,68...0,75); Ed – modulul de deformare a pamantului.

In tabelul 2 sunt centralizate valorile modulului de elasticitate.

Tabelul 2

Valorile modulului de elasticitate a pamanturilor

E, [daN/cm2] Natura pamantului

Static Dinamic

Pamanturi coezive 200 - 700 150 - 750

Pamanturi necoezive 100 - 180 430 - 3400

Piatra sparta si pietris 300 - 1500 1720 - 2800

Relatiile (1) si (3) sunt valabile numai in situatia compactarii cu rulouri metalice cu

suprafata neteda. Daca rulourile sunt profilate (cu crampoane) atunci relatia de calcul pentru

efortul unitar de compresiune este:

r

1

max 9.0An

Gσσ ≤= , (6)

unde n1 este numarul crampoanelor pe un singur sir; A – aria de contact dintre un crampon si

materialul compactat, conform figurii 5.

(a)

(b) (c)

Fig. 5 Compactor autopropulsat echipat cu rulou cu crampoane

(a) rulou cu crampoane; (b) desfasurarea procesului de compactare; (c) detalii constructive ale cramponului.

Daca utilajul de compactat este dotat cu pneuri, atunci efortul maxim de compactare se

determina cu relatia:

r

c

1max 9.0

A

Gσσ ≤= , (7)

unde G1 este greutatea masinii care se repartizeaza unui pneu; Ac – aria de contact dintre pneu

si teren.

p

G1.1A 1

c

ξ= , (8)

in care ξ este coeficientul de rigiditate al pneului; p – presiunea din pneu.

In figura 6 sunt prezentate distributiile efortului de compresiune sub pneurile unui

compactor, in timpul desfasurarii procesului de lucru iar in figura 7 este prezentata influenta

pe care o are dintre presiunea din pneuri asupra presiunii specifice de contact dintre pneu si

terenul de compactat.

Fig.6 Distributia pe adancime a efortului de compresiune

sub pneurile compactorului

Fig.7 Corelarea presiunii pneurilor cu presiunea specifica de contact dintre pneu-sol

b) Adancimea de compactare

Acest parametru este in stransa dependenta de valoarea umiditatii optime de compactare

w0, a terenului, determinata cu ajutorul metodei Proctor pentru fiecare tip de teren in parte.

Adancimea zonei active de compactare H0, se poate determina pe baza urmatoarelor relatii

care iau in calcul modulele globale de deformatie ale terenurilor de compactare, astfel:

- pentru rulou metalic neted:

qRw

w30.0H

0

0 = , pentru pamanturi coezive (9)

qRw

w35.0H

0

0 = , pentru pamanturi necoezive (10)

- pentru rulou metalic cu crampoan:

( )[ ]a)45.2(hk1H0 ÷+−= ε , (11)

- pentru roti cu pneuri:

ξpQw

w18.0H 1

0

0 = , (12)

in care w este umiditatea efectiva a terenului [%]; εk - 0.15 ÷ 0.35 este coeficientul de afanare

al terenului; h – inaltimea activa a cramponului; a – latura mica a suprafetei cramponului.

c) Numarul de treceri

Pentru realizarea unei bune compactari, utilajul trebuie sa treaca de mai multe ori peste

acelasi strat pana se obtine gradul de compactare optim. In tabelul 3 sunt date indicatii pentru

numarul de treceri ale masinii, in functie de terenul ce necesita compactare.

Tabelul 3

Valorile numarului de treceri ale compactorului

Numar de treceri, n Material

pentru rulouri netede pentru rulouri netede

Pamanturi slab coezive 4...6 3...5

Pamanturi coezive 10...12 6...8

Imbracaminti asfaltice 25...30 -

Piatra sparta 40...60 -

In cazul in care compactorul are rulouri cu crampoane, numarul de treceri se

calculeaza cu relatia:

mA

A3.1n r= , (13)

unde Ar reprezinta aria ruloului; A – aria de contact dintre rulou si teren; m – numarul total de

crampoane al ruloului.

d) Incarcarea specifica liniara

Pentru evitarea aparitiei fenomenului de infundare a rulourilor metalice netede in

materialul de compactat, a fost introdus parametrul B/Qq = denumit incarcare specifica

liniara. Acesta exprima incarcarea totala normala Q la suprafata de rulare ce revine unui

singur rulou cu latimea de lucru B a ruloului.

Pe de alta parte, procesul de compactare mai este influentat si de alti factori tehnologici

cum ar fi: frecventa si amplitudinea vibratiilor, forta perturbatoare si viteza de deplasare a

echipamentului de compactare.

Frecventa vibratiilor este parametrul direct influentat de tehnologia de compactare

precum si de solutiile constructive si functionale ale masinii, iar in tabelul 4 sunt date valorile

recomandate functie de natura materialului compactat. Tabelul 4

Valorile recomandate ale frecventei vibratiilor

Nr.

crt.

Natura materialului

ce necesita compactare

Frecventa vibratiilor, [Hz]

1 Pamanturi necoezive 25 - 35

2 Pamanturi coezive 20 - 30

3 Mixtura asfaltica 35 - 50

Amplitudinea vibratiilor este cea care produce efectul de compactare in adancime. In

tabelul 5 sunt date valorile recomadate pentru amplitudinea vibratiilor functie de natura

terenului de compactat.

Tabelul 5

Valorile recomandate ale amplitudinii vibratiilor

Nr.

crt.

Natura materialului

ce necesita compactare

Amplitudinea vibratiilor,

[mm]

1 Pamanturi necoezive 0.30 – 0.82

2 Pamanturi coezive 1.50 – 4.50

3 Mixtura asfaltica 0.30 – 0.67

Forta perturbatoare este parametrul care contribuie la aparitia vibratiilor. Pentru

obtinerea unei compactari eficiente, raportul dintre forta perturbatoare si greutatea ruloului

vibrator trebuie sa fie intre 2 – 2.3 pentru mixtura asfaltica si 3.5 – 5.5 pentru pamanturi

argiloase.

In afara cursului:

- trecut

Bomag BW 60 (1957)

Fig. 1 Istoricul primelor compactoare

- prezent:

Fig. 2 Cunoasterea pozitiei compactorului cu ajutorul tehnologiei GPS