Např. při stavbě komunikací slouží zhutňovací stroje nejen pro zhutňování podloží nebo při stabilizacích, ale i při dokončovacích pracích při úpravě konečných povrchů. Lze tedy říci, že zhutňování je technologický proces, při němž umělým způsobem zvyšujeme objemovou hmotnost zeminy působením statického nebo dynamického zatížení. Cílem zhutňování je:
• dosáhnout v zemině takových změn, aby při zatížení nedošlo k jejímu sedání;
• zvýšit těsnost a nepropustnost zhutňovaných vrstev;
• zlepšit mechanické vlastnosti zeminy.
Vzhledem k tomu, že v celém světě nastupují nové technologie ve stavebnictví, které se vyznačují vysokou kvalitou odvedené práce, úsporami materiálu a pohonných hmot, ochranou životního prostředí a optimalizací celého technologického procesu, je nesporné, že tyto technologie zasáhly i zhutňování. Tyto náročné úkoly lze plnit pouze s použitím vysoce výkonných prostředků, k nimž patří v neposlední řadě i využívání moderních prostředků řízení stavebních strojů, jako jsou laser, ultrazvuk, totální stanice a GPS, případně spojení předchozích.
Abychom mohli plně využívat tyto moderní prostředky a celé technologické operace i v hutnění materiálů plně automatizovat, nelze toho dosáhnout bez automatické optimalizace hutnění a měřiče hutnění. Současné požadavky při zhutňovacích pracích jsou zaměřeny nejen na ekonomiku zhutnění, ale hlavně na jeho kvalitu.
Proto byla vyvinuta zařízení ke zjišťování intenzity a rovnoměrnosti zhutnění, signalizující strojníkovi, zda jsou další přejezdy účinné či nikoliv. Tato zařízení obvykle zpracovávají na různém stupni údaje získané měřením zrychlení nebo amplitudy běhounu a neustálým porovnáním starých a nových dat zpřesňují informaci o stupni zhutnění podloží na základě známých mechanických vlastností zhutňovaného média. Toto má velký význam právě při použití GPS ve spojení s totálními stanicemi, příp. laserem.
2. Měření zhutnění
Měřítkem zhutnění zeminy je docílená změna její objemové hmotnosti, snížení výšky hutněné vrstvy a zvýšení únosnosti vrstvy. Rozeznáváme dva způsoby měření zhutnění zemin:
• metody laboratorní;
• metody přímého měření.
2.1 Metody laboratorní
Abychom zjistili mechanické vlastnosti zhutňované zeminy, je nutné provést na vzorcích této zeminy laboratorní zkoušky ke zjištění daného složení zeminy, její zrnitosti, vlhkosti, plasticity a její zhutnitelnosti. Metodu měření zhutnitelnosti stanovil v roce 1933 Proctor, který zjišťoval objemovou hmotnost dříve provedených konsolidovaných násypů, které vykazovaly dostatečnou stabilitu. Jsou sestaveny tabulky a grafy závislosti mezi objemovou hmotností různých zemin a procentem jejich vlhkosti za ideálních podmínek. Tyto závislosti jsou známy jako standardní a modifikovaná Proctorova zkouška. Stupeň zhutnění dané zeminy je poměr objemových hmotností jednak vzorku sušiny zhutněného násypu na reálné stavbě a vzorku sušiny zhutněného za optimální vlhkosti zjištěné při standardní nebo modifikované Proctorově zkoušce. Vyjadřuje se v procentech a výši tohoto procenta obvykle předepisuje projekt stavby.
Proctorovy zkoušky jsou popsány podrobněji v literatuře [1], [3], [5].
2.2 Metody přímého měření
A. Do nedávné doby chybělo u hutnících prostředků zařízení pro kontinuální vyhodnocování stavu zhutnění při každém přejezdu válce. První vlaštovkou bylo zařízení firmy Bomag, které měřilo stupeň zhutnění měřením zrychlení nebo amplitudy odskoku běhounu – obr. 1. Princip měření je v tom, že, je-li povrch více zhutněn, amplituda odskoku je vyšší a zrychlení je větší. Uložíme-li do počítače hodnoty požadovaného zhutnění a průběžně zavádíme hodnoty zjištěné měřením, jejich porovnáním může strojník přímo na stupnici vidět, zda je dosaženo na příslušném místě odpovídajícího zhutnění. Počet přejezdů řídí potom podle této stupnice.
B. Moderní metody využívají měření plošného stupně zhutnění. Na obr. 2 je znázorněna souprava firmy Caterpillar. V tomto případě má strojník před sebou umístěný barevný monitor, na kterém v několika barvách vidí stupeň zhutnění daného místa. Toto zařízení obsahuje dva senzory, jeden pro měření účinků vibrace, tzn. zrychlení odskoku vibračního běhounu a druhý pro měření dráhy pojezdu při dané rychlosti, protože je třeba si uvědomit, že čím pomaleji válec pojíždí, tím vyšší je počet úderů běhounu na jednotku délky. Počítač zpracuje tyto dva údaje a strojník na monitoru vidí, zda dosáhl na příslušném místě požadovaného stupně zhutnění. Podle toho řídí další přejezdy válcem.
C. Firma ECM (Electronic Control & Measurement) vyvinula pro dokumentaci stavu zhutnění ELECTRONIC COMPACTION METER. Je určen k montáži na vibrační hutnicí válec a umožňuje měření stavu zhutnění sypanin přímo během práce válce a okamžité informování obsluhy o stavu zhutnění. Umožňuje navíc registraci a následné vyhodnocení naměřených dat včetně statistických a grafických výstupů. Hlavní výhodou ECM je možnost minimalizace přejezdů potřebných pro dosažení požadovaného zhutnění, což přináší značné úspory času a nákladů. Základní verze je tvořena třemi vzájemně propojenými částmi:
• snímač vibrací umístěný na neotočné vibrující části vibračního běhounu
• centrální vyhodnocovací jednotka
• konzola – klávesnice a displeje.
Mikropočítač centrální
jednotky zpracovává signál ze snímače vibrací a na základě jeho změn vlivem interakce běhounu válce se zhutňovaným materiálem vyhodnocuje stav zhutnění. Konzola umožňuje komunikaci přístroje s obsluhou. Čtyřmístný displej informuje o okamžitém stavu zhutnění, dosažení požadované hodnoty, nebo signalizuje stav, kdy zhutnění přestalo narůstat a práce může být ukončena.
a) Zhutňování na požadovanou hodnotu
Do paměti systému je uložena hodnota stavu zhutnění, která představuje minimální požadavek na zhutnění díla – tzv. předvolená hodnota. Při zhutňování provádíme přejezdy po zhutňované ploše tak dlouho, dokud není na všech místech dosaženo předvolené hodnoty – obr. 3.
b) Zhutňování na limitní zhutnění
Určitým typem válce je možné zhutnit danou vrstvu materiálu pouze do jisté míry. Poté již nedochází k nárůstu zhutnění a proto další přejezdy jsou neúčinné. Systém EMC umožňuje měření nárůstu zhutnění mezi dvěma následujícími přejezdy válce. Pokud bliká červené světlo signalizující, že zhutnění přestalo narůstat, práce je ukončena (obr. 4). Tak se dosáhne dokonalé zhutnění vrstvy s minimálním počtem přejezdů a nehrozí ani riziko přehutnění vrstvy.
D. Firma Stavostroj, a.s. se zúčastnila v letech 2001 – 2003 řešení projektu KONSORCIA, který řešil vibrační válec s automatickou optimalizací parametrů hutnění. Spoluřešiteli projektu byly VUT Brno, Fakulta strojního inženýrství a ECM s.r.o. Brno. V roce 2002 se vycházelo z řešení z výsledku etap, řešených v roce 2001 a byly řešeny tyto dílčí úkoly:
• stanovení počtu snímačů hutnicích účinků a jejich orientace;
• stanovení základních směrů působení vektoru vibrace;
• vývoj a ověření řídícího regulačního systému nastavení vektoru vibrace.
V rámci řešení bylo přistoupeno k ověřování metodiky laboratorními, ale hlavně provozními měřeními hutnicích účinků při hutnění zemin (soudržných i nesoudržných) a při hutnění živičného povrchu. Právě experimentální část v provozních podmínkách tvoří hlavní přínos řešení celého úkolu. Cílem bylo jednak vytvořit obecné modely pro počítačovou simulaci účinků hutnění pro různé typy hutnicích strojů a jednak získat hlubší poznatky o vlivu jednotlivých parametrů na proces hutnění.
Provozní zkoušky byly prováděny na prototypu vibračního tandemového válce odvozeného od typu VH 700 s předním vibračním běhounem s neusměrněným vektorem vibrace a s prototypem zadního vibračního běhounu s regulovatelným usměrněným vektorem vibrace a vyvíjeným regulačním automatem. Elektronickou cestou bylo zaznamenáváno pět veličin:
• vertikální zrychlení v rozsahu ± 250 ms-2;
• vodorovné zrychlení v rozsahu ± 250 ms-2;
• poloha (směr) vibračního vektoru;
• teplota;
• směr jízdy stroje.
Pro přesné popsání hutnicích účinků běhounu s regulovatelným usměrněným vektorem vibrace jsou rozhodující tyto snímané veličiny:
• zrychlení vibračního běhounu ve vertikálním i horizontálním směru;
• směr a frekvence vibračního vektoru;
• rychlost pojezdu vibračního běhounu po hutněném povrchu;
• teplota hutněného povrchu (pro hutnění živičných směsí).
Z experimentů vyplynulo, že pro vyvíjený regulační automat postačuje pro identifikaci hutnicích účinků jediný snímač vibrací umístěný pod úhlem 45o. Směr působení vektoru vibrace a teplota měřeného povrchu byly sledovány pomocí bezdotykových snímačů. Na základě získaných výsledků měření byla vytvořena znalostní databáze pro řízení regulačního automatu zhutnění zemin a živičných povrchů.
K vyhodnocování výsledných účinků měření byly použity dvě metody. První statisticky zpracovala průběhy zrychlení ve vodorovném a svislém směru a z nich byla vypočtena pomocí FFT amplitudová spektra. Druhá metoda využívá algoritmus užívaný u kompaktometrů, vychází z autorského osvědčení spolunositele tohoto úkolu – firmy ECM a umožňuje provádět analýzu on-line, tj. po každé amplitudě, a to s dostatečnou přesností. Na základě předchozích výsledků byla v roce 2002 vyvinuta dvě pomocná zařízení na ověření měřicí a řídicí větve regulátoru, která byla ověřena měřením na zemině i živici.
Výsledky těchto měření prokázaly plnou funkčnost navrženého řešení. Během řešení úkolu v roce 2002 bylo provedeno a vyhodnoceno až 200 hutnicích pokusů, což představovalo více než 300 minut čistého času a přibližně 150 MB naměřených dat. Podařilo se vyřešit vlastní konstrukci budiče vibrací, vyvinout regulátor automatu a provést a vyhodnotit řadu hutnicích pokusů v reálu. E. Měřič zhutnění MBW Pro úplnost bychom se měli zmínit ještě o měřiči zhutnění, jehož příslušný senzorse klade např. na dno výkopu a na něj se uloží zemina. Při zhutňování např. ručními zhutňovacími prostředky se zhutňuje tak dlouho, dokud přístroj – měřič, který je umístěn na povrchu, neukáže »STOP«. Tak se dosáhne maximální možné hustoty zeminy pro stávající podmínky.
Po té jsou ukládány další vrstvy zeminy a jsou zhutňovány stejným způsobem. Po ukončení celého zásypu se přestřihne kabel spojující senzor a měřič a senzor se ponechá na dně výkopu. Měřič zhutnění je nastaven na 95% standardní hodnoty podle Proctora. Piezoelektrický senzor indikuje napětí, které je úměrné amplitudě tlakové vlny přenášené postupně hutněnou zeminou. Výslednými signály je napájena elektronika měřiče a ten vypočítává průběžně přesnou maximální teoretickou hodnotu hustoty zeminy pro každou její vrstvu a zjišťuje skutečnou stávající hustotu ve vztahu k maximu. Použitím měřiče zhutnění se snižuje riziko závad při budování cest a zásypů.
3. Moderní metody řízení
Pokud spojíme předchozí poznatky z měření zhutnění s moderními metodami řízení stavebních strojů, dosáhneme optimálního stavu z hlediska nutné doby a vynaložených nákladů na zhutňovaném povrchu. Při zhutňování se především uplatňuje řízení pomocí GPS a laserové protínání, což se vyznačuje měřením přesné polohy stroje, v našem případě hutnicího válce, a zadaných parametrů zhutnění v různých místech hutněné plochy do počítače stroje. GPS pracuje na principu jednosměrného dálkoměru.
Systém má zajistit v reálném čase okamžité a přesné (řádově 10 m až cm podle typu přístroje a použité metody sledování) určení polohy libovolného počtu i rychlých objektů, v našem případě hutnicích mechanismů, kdekoliv na celé Zemi a za každého počasí. Několik pozemních stanic definuje souřadnicový systém. Stanice měří pomocí elektromagnetických vln vzdálenosti k družicím. Neznámé souřadnice libovolného bodu lze pak určit ze známých poloh družic a z měření vzdáleností mezi tímto bodem a družicemi. Systém GPS slouží jen pro určení polohy stroje.
4. Evropský projekt CIRC
Evropský projekt CIRC (Computer Integrated Road Construction - Počítačem řízená výstavba komunikací) umožňuje vyvinout přesné systémy pro kontrolu polohy silničních strojů a tedy i hutnicích válců v reálném čase. Tyto systémy integrované na silniční stroje pro výstavbu komunikací, jako jsou např. finišery a zhutňovací stroje, spoléhají na údaje CAD zjištěné během fáze projektování a na měření in situ, získané v reálném čase v průběhu stavebních prací. Projekt CIRC umožňuje realizovat dva hlavní technologické postupy. První, pro určení polohy spojením systému GPS s ostatními geodetickými technikami, druhý pro využití CAD dat v reálném čase na stavebním stroji jako referenční základny pro další postupy.
Hlavní požadavky, které musí být splněny:
• kontinuální sledování polohy zařízení;
• přesnost určení polohy pro uvedené aplikace: ± 10 cm v souřadnicích x, y pro zhutňovací stroje, ± 1 cm ve výšce pro finišery;
• jednoduchý systém ovládání;
• robustní konstrukce pro obtížné terénní podmínky;
• kompatibilita s různými silničními projekčními systémy.
Projekt pro řízení zhutňovacího stroje nese označení CIRCOM (Compactor). Způsob řízení tohoto stroje je uveden na obr. 5. Stroje jsou vzájemně propojené a opatřené palubním systémem. Základní zařízení pro určování polohy je radiově spojené s řídicí stanicí, která porovnává v projektovém centru digitální model vozovky se skutečnou polohou stroje a vydává příslušné pokyny. Při zhutňování pokládaných jednotlivých vrstev vozovky jde o to, aby se s co nejmenším počtem přejezdů hutnicího válce dosáhlo optimálního zhutnění s vyloučením podélných i příčných vln.
Projektem CIRCOM je možné realizovat přesný počet přejezdů optimální rychlostí hutnicího mechanismu při optimálním výsledku zhutnění. Tím se nejen zvýší kvalita prací a životnost vozovky, ale dojde i k úspoře pohonných hmot a materiálu. Řidiči je třeba poskytnout systém s přesným a kontinuálním určením polohy stroje. Pojmem »přesným« rozumíme přesnost jízdy 10 cm v podélném i příčném směru, pojmem »kontinuálním« rozumíme kdekoliv na úseku výstavby. Druhým cílem projektu CIRCOM je zachytit veškerou manipulaci zhutňovacího stroje na záznam a dosáhnout tak kontroly kvality provedené práce. V kabině každého zhutňovacího stroje je podle projektu CIRCOM umístěn snímač - detektor a počítač.
Úloha tohoto palubního zařízení spočívá v těchto činnostech:
• přesné určení polohy zhutňovacího stroje v reálném čase pomocí systému GPS;
• záznam a výpočet údajů ze záznamníku (údaje o poloze a další pracovní údaje);
• využití palubní obrazovky jako pomoc obsluze při řízení zhutňovacího stroje.
Využití informace o poloze zhutňovacího stroje umožní operátorovi získat úplnou kontrolu nad kvalitou práce při přípravě komplexní činnosti v reálném čase. Současně je optimalizována přesnost počtu kroků nad celým povrchem a minimalizován počet zhutňovacích strojů nebo jejich provozní čas.
Ostatní možnosti použití moderních technologií při zhutňování jsou na obr. 6 a 7.
Závěr
Zhutňování představuje důležitou technologickou operaci nejen při vytváření zemních násypů a zásypů, příp. stabilizovaných zemin, ale i při výstavbě dálnic a silnic při zhutňování živičných a jiných konečných povrchů. Je třeba si uvědomit, že zhutňování představuje technologii, která se vyskytuje na stavbě po celou dobu výstavby, tzn., že je třeba optimálně zhutnit všechny jednotlivé vrstvy příslušného stavebního díla. Proto je třeba provádět tyto práce co nejpřesněji a nejekonomičtěji, s co nejmenšími počty přejezdů hutnicích mechanismů.
K tomu slouží nejenom měření zhutnění, ale i sledování celého procesu z hlediska rovnoměrnosti zhutnění, čemuž slouží právě sledování pomocí GPS a ostatní moderní techniky. Vzhledem k začlenění České republiky do Evropské unie je žádoucí, aby i naše dopravní infrastruktura se dostala na úroveň s vyspělými evropskými státy, protože zaujímá strategickou polohu uprostřed Evropy a má předpoklady hrát významnou úlohu v evropském dopravním systému. Proto je zcela nezbytné uvést nejen stávající dálnice a silnice do dobrého stavu, ale i takové nové dopravní cesty budovat.
Použitá literatura:
[1] Jeřábek, K. – Helebrant, F. – Jurman, J. – Voštová, V.: Stroje pro zemní práce, silniční stroje. VŠB TU Ostrava, 1996, 464 stran, ISBN 80-7078-389-3
[2] Kašpar, M. – Voštová, V.: Lasery ve stavebnictví a navigace strojů. ČKAIT Praha, 2001, 147 stran, ISBN 80-86364-61-5
[3] Vaněk, A.: Moderní strojní technika a technologie zemních prací. Academia, nakladatelství AV ČR, Praha, 2003, ISBN 80-200-1045-9
[4] Doležal, L. – Škopán, M. a kol.: Projekt Konsorcium. Výzkumná zpráva, Stavostroj, a.s., Nové Město nad Metují, 2003
[5] Voštová, V.: Stroje pro silniční práce. Vydavatelství ČVUT v Praze, 1998, 140 stran, ISBN 80-01-01858-X
[6] Švarc, J.: Silnice a dálnice České republiky v roce 2003. Silniční obzor č. 12, Česká silniční společnost Praha, 2003, str. 283-288, ISSN 0322-7154
Zpracováno v rámci výzkumných záměrů MŠMT ČR J04- 098:210000022 »Laserové systémy a jejich aplikace« a MŠMT ČR J04-098:212200008 »Integrované inženýrství«.
