автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.04, диссертация на тему:Определение рациональных параметров вибрационных катков для уплотнения грунта

На правах рукописи

ИГНАТЬЕВ Алексей Александрович

ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ВИБРАЦИОННЫХ КАТКОВ ДЛЯ УПЛОТНЕНИЯ ГРУНТА

Специальность 05.05.04 - «Дорожные, строительные и подъемно-транспортные машины»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ярославский государственный технический университет» на кафедре «Строительные и дорожные машины».

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Тюремнов Иван Сергеевич.

Официальные оппоненты: Кузьмичев Виктор Алексеевич, доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО Санкт-Петербургский государственный политехнический университет «СПбГПУ», профессор кафедры «Транспортные и технологические системы»;

Пермяков Владислав Борисович, доктор технических наук, заслуженный деятель науки РФ, профессор ФГБОУ ВПО Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия «СибАДИ», заведующий кафедрой «Эксплуатация и сервис транспортно-технологических машин и комплексов в строительстве».

Ведущая организация: Открытое акционерное общество «Раскат»,

г.Рыбинск

Защита диссертации состоится 20 декабря 2012 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д.212.126.02 ВАК РФ при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)» по адресу: 125319, Москва, Ленинградский проспект, д.64, ауд. 42. Телефон для справок (499) 155-93-24. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАДИ.

Автореферат разослан « » ноября 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, профессор

РОССИЙСКАЯ г(т ' 1 В1-ННАЯ

ч^ынютека ,

?01? л

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одной из распространенных причин преждевременного разрушения автомобильных и железных дорог является недостаточное уплотнение грунтов земляного полотна. В практике строительства наибольшее применение для уплотнения фунтов получили вибрационные катки. Качество уплотнения конкретного грунта в слое заданной толщины зависит от правильного выбора модели катка, скорости движения, числа проходов, частоты и вынуждающей силы вибратора и других параметров.

Несмотря на постоянное совершенствование конструкций вибрационных катков, недостаточная изученность процесса уплотнения фунта не позволяет обосновать рациональные характеристики вибрационных катков для выполнения работ в конкретных условиях.

Также нерешенной является задача обоснования режимов работы вибрационных катков при уплотнении различных видов фунта и широком диапазоне изменения толщины слоя и требуемой плотности.

Таким образом, актуальной является задача определения рациональных параметров вибрационных катков как на этапе проектирования, так и на этапе выбора модели катка для производства работ в конкретных условиях.

Цель и задачи работы. Определение рациональных параметров вибрационных катков.

Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:

- провести статистический анализ основных технических характеристик фунтовых вибрационных катков;

- получить зависимости для расчета глубины распространения напряжений от динамически изменяющейся поверхностной нафузки для случая линейного изменения плотности фунта по глубине;

- разработать математическую модель уплотнения фунта вибрационным катком для случая линейного изменения плотности фунта по глубине и на ее основе сформировать профамму «Кайа»;

- провести экспериментальные исследования процесса уплотнения фунта вибрационными катками;

- провести проверку полученных результатов по профамме «Кайа», путем сопоставления с результатами проведенных экспериментальных исследований, а также сравнением с результатами экспериментальных исследований отечественных и зарубежных авторов и производителей катков;

- обосновать характеристики катков на стадии проектирования и решить задачу выбора модели катка для производства работ в конкретных условиях и назначения режимов работы при смене вида фунта, толщины слоя и требуемого коэффициента уплотнения.

Объект исследования. Процесс взаимодействия вибрационного катка с фунтом.

Предмет исследования. Закономерности изменения напряженно-деформируемого состояния грунта.

Научная новизна.

- Получены зависимости для расчета глубины распространения напряжений от динамически изменяющейся поверхностной нагрузки с учетом линейного изменения плотности грунта по глубине, который является переходным этапом от случая постоянной плотности по глубине к нелинейному закону, наблюдаемому в действительности;

- разработана математическая модель уплотнения грунта вибрационным катком, позволяющая рассчитывать напряжения и деформации грунта как на поверхности, так и на различных глубинах при линейном законе изменения плотности грунта по глубине;

- разработаны блок-схемы и программа расчета результатов уплотнения грунта вибрационным катком, реализованная в виде программы «Кайа», содержащей кроме расчетного модуля настраиваемую базу данных по вибрационным каткам и встроенную справочную систему;

- проведенная обработка результатов вычислительного эксперимента по программе «КаАа» позволила получить решение задач обоснования рациональных параметров вибрационных катков на стадии проектирования и выбора модели катка для производства работ в конкретных условиях и назначения режимов работы при смене вида грунта, толщины слоя и требуемого коэффициента уплотнения.

Практическая ценность.

Разработанная программа «Кайа» является удобным в применении инструментом для решения задач обоснования характеристик вибрационных катков на стадии проектирования, оценки сравнительной эффективное™ различных моделей катков для работы в конкретных условиях и назначения режимов работы для выбранной модели катка в различных условиях производства работ.

Реализация работы. Разработанная программа «Кайа» для определения рациональных параметров и режимов работы вибрационных катков внедрена в учебном процессе ЯГТУ по курсу «Основы автоматизированного проектирования транспортных сооружений», «Технология и организация строительства автомобильных дорог», «Реконструкция автомобильных дорог» для студентов специальности 270205 «Автомобильные дороги и аэродромы». Программа «Кайа» внедрена и используется в производственной и проектной деятельности на предприятии Большесельское ГУЛ «Автодор».

Положения, выносимые на защиту:

1. Зависимости для расчета глубины распространения напряжений от динамически изменяющейся поверхностной нагрузки для случая линейного изменения плотности грунта по глубине;

2. Математическая модель уплотнения фунта вибрационным катком, позволяющая на каждом проходе рассчитывать напряжения и дефор-

мации грунта как на поверхности, так и на различных глубинах при линейном законе изменения плотности грунта по глубине;

3. Решение задач обоснования характеристик вибрационных катков на стадии проектирования и выбора модели катка для производства работ в конкретных условиях и назначения режимов работы при смене вида грунта, толщины слоя и требуемого коэффициента уплотнения.

Методы исследований, обоснованность и достоверность научных положений. В работе применялись теоретические и экспериментальные методы исследований. Обоснованность и достоверность полученных результатов обеспечивается сопоставлением с результатами проведенных экспериментальных исследований, а также сравнением с результатами экспериментальных исследований отечественных и зарубежных авторов и производителей катков по значениям развивающихся на различных глубинах напряжений и накоплению деформаций (коэффициента уплотнения) при уплотнении различных видов грунтов вибрационными катками.

Апробация работы. Основные положения и результаты выполненных исследований докладывались на Всероссийской научно-практической конференции «Повышение долговечности транспортных сооружений и безопасности дорожного движения» (Казань, 2008), на шестьдесят первой, шестьдесят третьей, шестьдесят четвертой научно-технической конференции студентов, магистрантов и аспирантов (Ярославль, 2008, 2010, 2011), на XIV Московской Международной межвузовской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (Москва,2010), Всероссийской научно-методической конференции «Математическое образование и наука в технических и экономических вузах» (Ярославль, 2010), а также на семинарах кафедры «Строительные и дорожные машины» Ярославского государственного технического университета.

Публикации. Основные результаты работы освещены в 14 научных публикациях, из них 3 в центральных научных журналах, рекомендованных ВАК РФ, 6 в сборниках трудов международных конференций и семинаров; опубликована монография, получено одно свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложений. Содержит 182 страницы машинописного текста, 79 страниц иллюстраций и таблиц, список литературы из 150 названий на 16 стр.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первая глава посвящена практике использования вибрационных катков при уплотнении различных ввдов фунтов.

Вибрационные катки на сегодняшний день являются наиболее распространенным и перспективным средством уплотнения фунтов в дорож-

ном строительстве. Это объясняется их высокой уплотняющей способностью и возможностью регулирования режима работы. Каждый участок строительства дороги характеризуется своим сочетанием вида уплотняемого грунта, его влажности, толщины слоя, исходным и требуемым коэффициентом уплотнения. Диапазон изменения таких сочетаний очень велик, что создает значительные трудности при производстве работ. Также в широком диапазоне могут изменяться и характеристики вибрационных катков: общий вес, вес, приходящийся на вибровальцовый модуль, вынуждающая сила, диапазон и характер (ступенчатый или бесступенчатый) ее регулирования, частота и направление (круговые или направленные) колебаний, диаметр и ширина вибровальца. Кроме того, режим работы катка на объекте характеризуется рабочей скоростью, требуемым числом проходов и режимом управления вибрацией. Такое многообразие факторов, оказывающих влияние на итоговый результат уплотнения фунта, приводит к тому, что для обоснования выбора катка и назначения режима его работы необходимо решать сложную многопараметрическую задачу.

Проведенный статистический анализ 190 моделей грунтовых вибрационных катков отечественных и зарубежных фирм производителей показал, что производители виброкатков опытным путем пришли к оптимальному соотношению параметров, характеризующих энерговооруженность, проходимость и устойчивость машины, управляемость и обзорность с рабочего места оператора, и совершенно иная картина наблюдается для показателей, отвечающих за режим работы катка (зависимости относительного вынуждающего усилия P/Q, от массы вибровальцового модуля Л/„ частоты колебаний / от эксплуатационной массы катка Л/, частоты колебаний / от вынуждающей силы Р). Например, для катков с массой вибровальцового модуля 7000 кг диапазон изменения относительного вынуждающего усилия изменяется от 2,15 до 4.56, т.е. более чем в 2 раза (рисунок 1).

t •

» > J • * ¿»д. «

» ;W ♦ • t ► ш « s

♦ ♦ ♦ ♦ « b

О 2000 4000 <000 (000 10000 12000 14000 16000 18000 20000 Ма.кг

Рисунок 1 - График зависимости относительного вынуждающего усилия от массы вибровальцового модуля

Проведенный анализ работ Ю.М. Васильева, Г.В. Кириллова, М.П. Кос-тельова, П.И. Маркова, Б.С. Марышева, В.П. Ложечко, Ю.М. Львовича, М.П. Павчича, Г.Н. Попова, A.B. Раннева, O.A. Савинова, Н.Я. Хархуты, A.A. Шестопалова, D. Adam, R. Anderegg, Jean-Louis Briaud, George К. Chang, D.Hren, M. Mooney, R. Rinehart, D. Siminiati, M. Leonard, D. Menitt, L. Michael, I. Paulmichl, W. V. Ping, R. Rasmussen, Paul van Susante, Jeongbok Seo, D. White, P.E.Guiyan Xing, Z.Yang, посвященных вопросам обоснования, режимов работы вибрационного катка и оценке уплотняющей способности,показал, что в настоящий момент по таким важнейшим технологическим параметрам, как количество проходов для достижения требуемого коэффициента уплотнения на глубине, выбор оптимальной толщины уплотняемого слоя, скорости движения катка и режиму управления вибрацией (момент включения и выключения вибратора), имеются противоречивые точки зрения.

Таким образом, проведенный анализ вопросов уплотнения грунтов вибрационными катками позволяет сделать следующие выводы:

1. Общие тенденции развития и совершенствования вибрационных катков направлены на улучшение экологических, эргономических показателей и безопасности работы; повышение надежности, ремонтопригодности и удобства обслуживания; расширение функциональных возможностей; повышение уплотняющей способности;

2. На основе проведенного статистического анализа основных технических характеристик 190 моделей вибрационных грунтовых катков установлено, что производители виброкатков опытным путем пришли к оптимальному соотношению параметров, характеризующих энерговооруженность, проходимость и устойчивость машины, а относительно параметров, связанных с режимом работы катка, единое мнение отсутствует;

3. Проведенные исследования показали, что относительно технологических возможностей и технологических режимов работы исследователи и производители катков приводят, зачастую, противоречивые рекомендации. Это приводит к трудностям обоснования выбора модели катка для производства работ в конкретных условиях и назначения режимов его работы;

4. Наиболее перспективными инструментами для решения выше перечисленных задач являются специализированные программы.

Вторая глава посвящена обзору теоретических исследований вибрационного и ударного уплотнения грунтов, поскольку при уплотнении фунтов вибрационный каток, в зависимости от параметров вибрации и свойств фунта, может работать как в режиме безотрывных колебаний, так и с периодическим отрывом вальца от фунта (аналог - ударное уплотнение). Теоретические подходы исследования статического уплотнения фунтов в данной главе рассматриваться не будут, поскольку в настоящее время в мировой практике применения вибрационных катков отказываются от

предварительной подкатки поверхности в статическом режиме, и все проходы выполняются с включенной вибрацией.

На сегодняшний день существует несколько подходов для решения задач вибрационного и ударного уплотнения грунтов.

Подход, основанный на аналитическом решении уравнений механики сплошной среды, применяющийся для описания вибрационного уплотнения грунтов, использовался в работах О.Т. Батракова, Г.Б. Безбородова, А.К. Би-руля, A.B. Захаренко, Я.А. Калужского и др. Данный подход не позволяет учесть все многообразие режимов работы вибрационного катка, и в большей степени исследует процессы, происходящие только на поверхности грунта.

Подход, основанный на применении численных методов решения уравнений механики сплошной среды (метод конечных элементов), применен в основном только зарубежными авторами. В работах D. Adam, Н.М. Hugel, S. Henke, М.Моопеу, описывается уплотнение фунтов вибрационными катками. В работах D. Adam, N.Aung, S. Henke, Н.М. Hugel, S. Kinzler, J. Patrick, Dr. S. Werkmeiste описывается ударное уплотнение фунтов. Данный подход позволяет учесть свойства материалов, реальную геометрию рабочего органа, волнообразование, деформативные свойства фунтов, изучать процессы, происходящие как на поверхности, так и на глубине, однако является сложным и требует проведения обширных экспериментальных исследований по определению численных значений различных характеристик фунтов.

Подход, основанный на применении реологических моделей получил наибольшее распространение благодаря сравнительной простоте, наглядности и реальности процесса деформирования. В работах Д.Д.Баркана, А.И. Доценко, Г.Г. Закирзакова, М.И. Капустина, Г.Н.Попова, И.Г.Русакова, А.А.Харкевича, 3. Чернева-Поповой, О.Я.Шехтер, D. Adam, R.Anderegg, D.Hren, К. Kaufmann, Michael A. Mooney, Selig, Siminiati, Paul J. van Susan-te, Yoo описывается вибрационное уплотнение грунтов, в работах Д.Д.Баркана, Б.А.Белостоцкого, Н.П.Вощинина, Л.СЛейбензона, D.Adam, J.A. Charles, S. Fryman, P.J.Lewis, W.A.Lewis, R.G Lucas, I.Paulmichl, U.Smoltczyk, J.P. Welsh - ударное уплотнение. Проведенный анализ показал, что, несмотря на широкое применение данного подхода не только в нашей стране, но и за рубежом, он описывает процессы, происходящие только на поверхности контакта рабочего органа с фунтом и не позволяет изучать процессы, происходящие в глубине уплотняемого слоя.

Подход, основанный на использовании полуэмпирических зависимостей для описания вибрационного уплотнения фунтов, представлен в работах Г.Н.Попова, Н.Я.Хархуты, М. Leonard, Patrick К. Miller, M.Mooney, W.V. Ping, R.V. Rinehart, P.E.Guiyan Xing, Z. Yang, C.Zambrano; для описания ударного уплотнения фунтов - в работах И.П.Акишина, Б.А.Белостоцкого, Л.М.Бобылева, МЛ.Костельова, Н.Я.Хархуты, D.Adam, I.Paulmichl и др. Данный подход, построенный на обобщении результатов экспериментальных

исследований, позволяет рассчитывать значения напряжений и деформаций хак на поверхности, так и на глубине, однако имеет область применения, ограниченную диапазоном проведения экспериментальных исследований.

Подход, основанный ка применении уравнений динамической теории пластичности для уплотнения грунтов, впервые применен академиком Х.А.Рахматуллиным и развит в работах Б.И.Дидуха, С.СГригоряна, Г.М.Ляхова, Л.Р.Ставницера и др. Проведенный анализ показал, что данный подход позволяет определять распределение напряжений по глубине слоя грунта в зависимости от реального характера нагружения поверхности.

На основе проведенных исследований в дальнейшем при формировании математической модели было принято решение:

- при расчете контактных напряжений на поверхности грунта целесообразно использовать зависимости, предложенные Н.Я. Хархутой;

- при расчете значений напряжения на заданной глубине перспективно использовать подход, основанный на исследовании закономерностей распространения волн напряжений в фунтах от динамической поверхностной нагрузки;

- при расчете деформаций грунта на различных глубинах использовать уравнения, предложенные Н.Я. Хархутой.

Третья глава посвящена разработке математической модели уплотнения фунта вибрационным катком и включает в себя разделы: теоретического исследования процесса распространения волн напряжений в фунтовом полупространстве с переменной плотностью по глубине при воздействии вибрационного катка; разработки математической модели уплотнения фунта вибрационным катком; описания блок-схемы и профаммы расчета.

В большинстве работ, посвященных исследованиям процесса уплотнения грунтов вибрационными катками, плотность рассматривается постоянной по толщине слоя. В действительности же распределение плотности грунта по толщине слоя носит, как правило, нелинейный характер, и для перехода от постоянной плотности к нелинейной был предложен линейный характер изменения плотности по толщине слоя, который более адекватно отражает ее реальное распределение, по сравнению с исследованным ранее случаем постоянной по толщине слоя плотности фунта.

Анализ закономерностей распространения волн напряжений по глубине фунта осуществляется на основе фафоаналитического метода решения уравнений распространения волн напряжений в фунтах.

Поскольку при движении катка с включенной вибрацией на каждую точку площадки контакта вальца с фунтом наносится несколько воздействий различной интенсивности, для дальнейших рассуждений будем учитывать только одно воздействие с максимальными напряжениями. Данное допущение принимается исходя из того, что на значение деформации 90 % влияния оказывает действующее напряжение и только 10% продолжительность его действия на поверхности.

На основании вышесказанного и по аналогии с допущениями, принятыми в работах, посвященных исследованиям распространения волн напряжений в грунтах, для исследования процессов изменения напряженно-деформированного состояния грунта при однократном воздействии вибровальца были приняты следующие допущения:

- рассматривается состояние полубесконечного столба грунта с отсутствием трения по боковым поверхностям;

- распространяющаяся в столбе грунта волна напряжений плоская, поперечные деформации отсутствуют,

- рассматривается конечная и наиболее ответственная стадия уплотнения;

- плотность грунта по глубине изменяется по линейному закону;

- в деформируемой среде ударных волн не возникает;

- за время движения волны свойства грунта не меняются.

Рассмотрим состояние столба грунта, у которого отсутствуют поперечные деформации и трение по боковым стенкам, а плотность по глубине изменяется по линейному закону:

Куг = Куъ - с - 7./г , (1)

где Куо - коэффициент уплотнения грунта на поверхности; с - коэффициент изменения плотности грунта по глубине; г - глубина, м\ г - радиус вибровальца, м.

Пусть в момент времени /,</Л где Го - время нарастания напряжений от нуля до максимального значения, напряжение в месте контакта вальца с фунтом достигло значения о, (рисунок 2). С этого момента от поверхности в глубь столба грунта начнет распространяться волна с напряжением о; во фронте. С учетом линейного изменения плотности по глубине зависимость скорости распространения волны с напряжением о; во фронте имеет следующий вид:

± = Ч = (ау + КчтЭ-а-(**»-«■!)*. (2)

где Оу - величина, обратная скорости распространения упругих волн в грунте с коэффициентом уплотнения Ку=0,95, с/м; К - коэффициент пропорциональности, с/(МПа м)\ а, й - параметры аппроксимации.

Распространяясь со скоростью Уа, глубины г/й волна достигнет в момент времени (* (рисунок 2).

После достижения амплитудного значения ст0 напряжения на поверхности начнут снижаться и к некоторому моменту времени достигнут такого же значения а,. С этого момента в глубь столба фунта со скоростью Уар начинает распространяться волна разфузки от этого напряжения со скоростью:

±- = ауа{куо-с-$. (3)

Глубина распространения напряжения сг( будет максимальна, если волны нагружения и разгрузки придут на уровень г/(і в один и тот же момент времени I* (см. рисунок 2)

динамическом нагружении поверхности

Глубина распространения за промежуток времени волны нагружения с напряжением во фронте о; определится как:

/."'"(¡ЬОліИ)"' №

Глубина распространения за промежуток времени гр,.../* волны разгрузки с напряжением во фронте о; определится как:

С5)

Время /' определяется по формуле:

<-'»+1 (6) о

После некоторых преобразований и с учетом того, что продолжительность действия напряжения а, на поверхности фунта определяется как 'ді " і -после некоторых преобразований получим:

Корень данного трансцендентного уравнения относительно г/с/ представляет собой максимальную глубину распространения напряжения о; в фунте с линейным изменением плотности по глубине.

Представляет интерес применение предлагаемого подхода к расчету глубины распространения напряжений в грунте постоянной плотности. В этом случае коэффициент с=0 и общее уравнение неразрешимо. Осуществляя предельный переход при с-Л, глубину распространения в грунте постоянной по глубине плотности напряжения су/, действующего на поверхности в течение времени /да можно вычислить по формуле:

Определяя для различных моментов времени /е[0; /0] значения напряжений на поверхности о;, продолжительность их действия ^ и глубину распространения в фунте с заданным законом изменения плотности по глубине, можно рассчитать распределение напряжений по толщине слоя фунта.

В разделе, посвященном разработке математической модели взаимодействия катка с фунтом, на основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований была сформирована математическая модель, описывающая изменение напряженно-деформированного состояния фунта при воздействии вибрационного вальца на фунт.

На основе созданной математической модели разработана методика расчета результатов уплотнения фунта вибрационными катками.

Расчет проводится в следующей последовательности.

При моделировании процесса взаимодействия вибрационного вальца катка с уплотняемым фунтом в качестве характеристик фунта принимаются: вид и состояние фунта, влажность IV, глубина уплотнения Яу, исходный коэффициент уплотнения фунта на поверхности Куоисх и на нижней фанице зоны уплотнения К^иск, значения фебуемой плотное™ К^ и А"^.

При воздействии вибрационного вальца на фунт на поверхности их контакта возникают напряжения, изменение которых во времени можно описать следующим законом:

где <т0- амплитудное значение напряжений при воздействии вибрационного катка, МПа; в - общее время действия напряжений от воздействия вибрационного катка, с.

Амплитудное значение напряжений при воздействии вибрационного катка определяется по зависимости, предложенной Н.Я.Хархутой:

где - линейное давление, которое находится с учетом вынуждающей силы, кН/м\ Еа~ модуль деформации фунта МПа\ Я - радиус вальца, м, Ка -поправочный коэффициент.

Время нарастания напряжений воздействия от нуля до максимального значения сг0 определяется:

(8)

(9)

(10)

, _ 1 с»)

где/- частота колебаний, Гц.

Общее время действия напряжений от единичного воздействия определяется:

* = г0/2 (,2>

Продолжительность действия напряжения сг; на поверхности:

= 2<г0 - Г,) (]3)

От поверхности напряжения распространяются по глубине зоны уплотнения. Глубину распространения ст, значения напряжения, действующего на поверхности в течение промежутка времени /,-а при постоянной по глубине плотности, можно определить по зависимости (8). Если плотность фунта изменяется по глубине по линейному закону, глубину распространения напряжений можно определить по зависимости (7), для которой было установлено, что Оу - величина, обратная скорости распространения упругих волн в фунте с коэффициентом уплотнения Л"у=0,95, (Оу= 0,0017 с/м)\ К -коэффициент пропорциональности, (К - 0,0602); а, Ь - коэффициенты аппроксимации, а=0,5076, Ь= -16,328.

После определения максимальных значений напряжений на поверхности фунта и требуемой глубине уплотнения возможен расчет деформаций, накопленных за проход и общего количества проходов для достижения заданной относительной плотности.

Необратимая деформация фунта, накопленная за проход, определяется из выражений (14) и (15):

(14)

(15)

= Ки Ке ■ а0 + Ц1 + х-*»о-NmSj

где Сто, о2 - максимальные напряжения на поверхности фунта и нижней фа-нице зоны уплотнения, МПа\ П - модуль необратимой деформации на заданной глубине фунта, МПа\ щ - начальный коэффициент вязкого сопротивления на заданной глубине фунта, МПа-с\ х - постоянная фунта, для связных фунтов ^=2 с'1; - эквивалентное время действия напряжений, с: /эо= to/2; Кп - коэффициент, учитывающий повторность циклической нафуз-ки, А"6 - поправочный коэффициент; NBma - число воздействий на площадке контакта вальца с фунтом за один проход.

Изменение коэффициента уплотнения после n-го прохода:

ШГП — йуо » irn — ? trn _. • (16)

у° ~ 1-е» yZ ~ l-«5 УТ ~~ 2

Проходы осуществляются до выполнения условия:

1ГП > Ь'тф; кгп ■> ьгтр- (1*7)

ЛуО - ЛуО Ку2 —

На основе сформированной математической модели была разработана программа «Кайа» для расчета результатов уплотнения грунта вибрационным катком. Рабочее окно программы представлено на рисунке 3.

Файл Расчет Справка Параметры грунта

Влажность, в долях от оптимальной В Коэффициент уплотнения

Исходный Требуемый

- на поверхности, ¡0.87

- в глубине; ¡0.87

¡ояГ

¡098

Л

л л

Глубина уплотнения м Тип грунта

"3 2\

В

Производитель |0УНДРАС

Модель

Мшъ

-т—* (• Стандарт

СА1520 ¿4250......

Г ИоаЛИи Г Другой

И 1 - 1 ► и 1 ' I

Рабочая Передний мост Задний мост

12300 7850 4450

Парам«гтры вибровоэЛциталн .................... .. ...............*

Частоте, Гц: Регулируемая 6 ее ступенчато Г"

- мин - мзке. - рег

1 33 1 1 ¿1

Амплитуда, мм

Г " 0« [М18

Вынуждающая сила, кН

300

Харжтер«ти*н равочт органов

Диаметр, мм \ 1543

Ширина, км 2130

Тип второго бандажа |ваоуаие о«омжо"»3

Скорость .«м/ч

г

Рисунок 3 - Рабочее окно программы «КаНа»

В рабочее окно (рисунок 3) вводятся исходные данные по грунту (вид фунта, глубина уплотнения, исходный и требуемый коэффициент уплотнения, влажность), данные о технических характеристиках вибрационного катка, информация о фирме-производителе. Помимо этого, рабочее окно содержит область управления базой данных по вибрационным каткам. После ввода исходных данных далее выполняется расчет. Таким образом, в ходе проведенных теоретических исследований получены следующие результаты:

1. Получены зависимости для расчета глубины распространения напряжений от динамически изменяющейся поверхностной нафузки с учетом линейного закона изменения плотности фунта по глубине, который более адекватно отражает ее реальное распределение, по сравнению с исследованным ранее случаем постоянной по толщине слоя плотности фунта;

2. Разработана математическая модель уплотнения грунта вибрационным катком, позволяющая рассчитывать напряжения и деформации грунта как на поверхности, так и на различных глубинах при линейном законе изменения плотности грунта по глубине;

3. Разработаны блок-схемы программы расчета результатов уплотнения грунта вибрационным катком, реализованная в виде программы «Katki», содержащей, кроме расчетного модуля, настраиваемую базу данных по вибрационным каткам и встроенную справочную систему;

4. Разработанная программа «Katki» позволяет решать задачи обоснования характеристик вибрационных катков на стадии проектирования, оценки сравнительной эффективности различных моделей катков для работы в конкретных условиях и назначения режимов работы для выбранной модели катка в различных условиях производства работ.

Четвертая глава посвящена сравнению результатов расчета по программе «Katki» с собственными экспериментальными исследованиями и известными экспериментальными данными отечественных и зарубежных исследователей и производителей вибрационных катков.

Оценка достоверности расчета результатов уплотнения грунта вибрационными катками по программе «Katki» произведена на основании сравнения результатов расчета напряжений и деформаций, развивающихся на поверхности и различных глубинах грунта при воздействии вибрационного катка, с соответствующими значениями напряжений и деформаций, полученными экспериментально.

Для этого было произведено обобщение экспериментальных исследований отечественных и зарубежных авторов в целях систематизации имеющегося объема экспериментальных данных и проведены собственные экспериментальные исследования.

Большой вклад в изучение вопросов вибрационного уплотнения грунтов внес Г.Н. Попов. Так, на основе проведенных экспериментальных исследований уплотнения вибрационным прицепным катком Д-480 гравели-стого песка с Ку=0.95, оптимальной влажности, автор приводит графическое представление распределения напряжений по глубине для различных режимов работы виброкатка Д-480 (рисунок 4).

Результаты сравнения приведены на рисунке 4.

Целый ряд экспериментальных работ М. Моопеу и R.V. Rinehart посвящен определению напряжений и деформаций на различной глубине для различных фунтов при воздействии вибрационных катков фирмы Ammann ASCI 10D и Bomag BW213 DH-4 BVC.

Некоторые результаты сравнения расчетов по профамме «Katki» с экспериментальными данными, полученными М. Моопеу и R.V. Rinehart, представлены на рисунке 5.

Напряжения аг, МПа

0.00 0.20 0.40 0.60 0.80

0.00

0.10

0.20

г 0.30

я

X в 0.40

ю £ 0.50

и 0.60

0.70

0.80

0.90 1

• Частота 20Гц(Г.Н. Попов) А Частота 30 Гц (Г.Н.Попов) —О- частота 20 Гц("КаІкі") —частота 30 ГцО'КаЧо")

Рисунок 4 - Сравнение результатов расчета напряжений по глубине слоя для гравелистого песка, полученных по программе «Ка1кЬ> с экспериментальными данными Н.Попова.

а) Напряжения, Оя.МПа

0.0 0.2 0.4

Напряжения СТ/, МШ

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4

0.00

0.20

0.40

X 0.60

я X 0.80

я

£ 1.00

и

1.20

1.40

1.60

1.80

•Р л

/

Р

*

1 •

Г I

•

Замеренные напряжения на глубине М.Моопеу Расчетные напряжения по программе "Ка(к1 2.0"

> М.Моопеу (41 кН)

■ М.Моопеу (84 кН)

і М.Моопеу(17"'кН) -О- Каїкі2.0 (41 кН) — О Каїкі 2.0 (84 кН) -Л- Каїкі 2.0 (177 кН)

Рисунок 5 - Сравнение результатов расчета напряжений по глубине слоя для песчаного фунта (а) и песка пылеватого (б), полученных по программе «Ка1кЬ> с известными экспериментальными данными М.Моопеу и Я.У. ЯтеЬаП.

Для оценки достоверности результатов расчета по профамме «КаИи», помимо распределения напряжений по глубине, производилось сопоставление с результатами собственных экспериментальных исследований по накоплению плотности.

Экспериментальные исследования проводились на двух участках дорог, строящихся в городе Ярославль.

На двух объектах производилось уплотнение речного песка средней крупности, толщиной слоя 40 см, оптимальной влажности. Контроль плотности выполнялся на глубине 20 см. Отбор проб фунта осуществлялся в соответствии с ГОСТ 5180-84 при помощи аттестованного набора режущих колец «КП - 402». Обработка результатов выполнялась в соответствии с ГОСТ 20422-96 «Грунты. Методы статистической обработки результатов испытаний». Уплотнение производилось вибрационным фунтовым катком STA W1100D (эксплуатационная масса - 12790 кг, частота 35 Гц, амплитуда 1.15 мм, скорость 2 км/ч, вынуждающая сила 206 кН) и виброкатком LiuGonG CLG614H (эксплуатационная масса - 14000 кг, частота 33 Гц, амплитуда 1.00 мм, скорость 2 км/ч, вынуждающая сила 180 кН).

Результаты сравнения экспериментальных исследований с расчетными данными, полученными по профамме «Katki», представлены на рисунке 6. а)

—A—"Katki" Tfc— Эксперимент

4 б 8 10 Количество проходов кяткв

-"Katki - Эксперимент

0 2 4 6 8 10 12

Количество проходов катка

Рисунок 6 - Сравнение результатов расчета накопления плотности по проходам профаммы «Katki» с результатами экспериментальных исследований:

а) - при уплотнении вибрационным катком STA W1100D;

б) - при уплотнении вибрационным катком LiuGonG CLG614H.

Как видно из представленных данных, результаты расчета по профамме «Каїкі» показывают удовлетворительное соответствие с результатами проведенных экспериментальных исследований.

Для оценки адекватности работы программы «Кайа» и расширения перечня моделей катков и видов грунтов было проведено сравнение результатов расчета по программе с результатами экспериментальных исследований других авторов и производителей вибрационных каггков.

Так было выполнено сравнение результатов расчета по программе с рекомендациями ведущего отечественного производителя катков - ОАО «Раскат» по итоговому количеству проходов катка при уплотнении заданной толщиной слоя различных видов грунта до требуемого коэффициента уплотнения. Результаты сравнения дают удовлетворительное соответствие.

Динамика накопления плотности по проходам сравнивалась с экспериментальными исследованиями компании «О^АРАС» и программным комплексом «СошрВаве». Сравнение производилось для 3 видов фунтов: песка, супеси, суглинка и четырех моделей катков фирмы «БУМАРАС». В качестве моделей были отобраны легкий (СА 1520, эксплуатационная масса 7350 кг), средний (СА 300, эксплуатационная масса 12300 кг) и два тяжелых катка (СА 5000, эксплуатационная масса 15600 кг, СА 612Б, эксплуатационная масса 20700 кг), и произведено сравнение с результатами расчета по профамме «КаНа» по накоплению плотности. Один из результатов для катка СА 5ООО приведен на рисунке 7.

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Число проходов катка

Рисунок 7 - Сравнение результатов расчета накопления плотности по проходам профаммы «КаШ» с результатами расчета по профамме СОМР-ВАБЕ при уплотнении супесчаного фунта катком СА5000

Сравнение результатов расчета по профамме «Кайсі» с собственными экспериментальными исследованиями, известными экспериментальными данными отечественных и зарубежных исследователей позволяет сделать следующие выводы:

¡.Достоверность результатов расчета контактных напряжений и напряжений на глубине по профамме «Ка&і» подтверждена сопоставлением их с результатами исследований отечественных и зарубежных авторов для различных фунтов и различных моделей вибрационных катков;

2. Достоверность результатов расчета накопления плотности на глубине по профамме «Каікі» подтверждена сопоставлением с результатами

собственных экспериментальных исследований, с результатами исследований отечественных и зарубежных авторов, а также данных зарубежных производителей катков для различных фунтов и различных моделей вибрационных катков.

Пятая глава посвящена анализу результатов расчета по профамме «Ка&Ь, разработке методики обоснования рациональных параметров виброкатка на стадии проектирования и выбору модели катка дня производства работ в различных технологических условиях.

С учетом существенных различий характеристик виброкатков различных моделей и производителей, для вычислительного эксперимента использовались катки-представители с характеристиками, полученными на основе обобщения статистических данных по виброкаткам.

В качестве основных характеристик виброкатков-представителей были выбраны масса, приходящаяся на вибровальцовый модуль М„ и вынуждающее усилие Р, отнесенное к весу Qt вибровальцового модуля (Я/^,). С учетом широкого диапазона изменения значений М, и Р/()ь для выпускаемых в настоящее время виброкатков. Частота колебаний вибровозбудителя катков-представителей принималась постоянной и равной 30 Гц как наиболее характерная при работе фунтовых виброкатков. Толщина уплотнения фунта определялась после выполнения 10 проходов, поскольку за 8-10 проходов в основном реализуются уплотняющие возможности виброкатка. Технические характеристики виброкатков-представителей приведены в таблице 1.

Уплотняющая способность вибрационных катков оценивалась на трех видах фунта: песке, супеси и суглинке с исходным коэффициентом уплотнения /^""=0,87 и требуемыми коэффициентами уплотнения К^=0,95\ 0,98; 1,00.

Таблица 1 - Технические характеристики виброкатков-представителей

Техническая характеристика Масса виб| ювалыдового модуля, т

2 3 6 8 10 14 18

Общая масса виброкатка, т 4 6 12 16 20 28 32

Относительное вынуждающее усилие Р/(), 2; 3; 4; 5; 6

Диаметр вибровальца, мм 1000 1290 1500 1600

Ширина вибровальца, мм 1365 1680 2140 2140

Вид уплотняемого грунта Песок; супесь; суглинок

Исходный коэффициент уплотнения грунта К¥ист 0,87

Требуемый коэффициент уплотнения грунта К^ 0,95; 0,98; 1,00

Анализ результатов показывает наличие близкой к линейной зависимости глубины уплотнения от относительного вынуждающего усилия для всех видов фунта и коэффициентов требуемого уплотнения для всего диапазона изменения Для получения аналитических зависимостей толщины уплотнения Ну виброкатков-представителей от массы, приходящейся на вибро-

вальцовый модуль Мв и значений Я/2», результаты расчета по каждому типу грунта для различных коэффициентов требуемого уплотнения были обработаны в программе «81айБйка 5.0». Соответствующие уравнения регрессии с коэффициентами достоверности аппроксимации приведены в таблице 2.

Полученные зависимости устанавливают связь основных технических характеристик катка (массы вибровальцового модуля и его относительного вынуждающего усилия) с рациональной толщиной слоя уплотнения различных видов грунта до требуемого коэффициента уплотнения.

Разработанная программа «Кайа» может быть использована для обоснования характеристик вибрационных катков на стадии проектирования.

Таблица 2 - Статистическая обработка результатов расчета по программе «Ка1к1»

Вид грунта Ку Уравнение регрессии Л2

Песок 0.95 Яу=0.847 10-,Л/»+0.087Я/е,+0.13910"'М..Р/ев 0.996

0.98 Я,=0.434'1 О^Л/.+О.ОЗЗ •/УС.+0.107-10"1' М. Р/О. 0.996

1.00 Н^О.251 • 1 О^'Л/.+О-0119'Я/бв+0.092' 10"4- М.Р/О. 0.992

Супесь 0.95 Я,=0.61 1 • 10""Л/,+0.0875Р/ев+0.01710-1- Л/./УС» 0.978

0.98 Я^О.423' 10"" Л/,+0.0559 /,/е.+0.02-10""- МьР/Ол 0.986

1.00 Ну=0.318- 10" Л/.+0.038 Я/е.+0.025-10"- Мъ Р/<2. 0.991

Суглинок 0.95 ну=о. 161 о^ л/.+о.о 14б Р/ев+о.о 1 з и о" • м.-р/а 0.990

0.98 Я„=0.072 10"'Л/,+0.0054Р/а+0.034 10"'Л/в75/а 0.992

1.00 #у=0.064' Ю^ Л/,+О.ОО29'/,/0,+О.О26-10"*' М,Р/0, 0.996

Исходными данными для расчета вибрационного катка являются: вид и состояние грунта, глубина уплотнения, исходная и требуемая плотность на заданной глубине.

Расчет осуществляется из условия уплотнения заданного вида грунта (песок, супесь, суглинок) до требуемого коэффициента уплотнения (0.95, 0.98, 1.00) за 10 проходов.

На основании обработки результатов проведенного вычислительного эксперимента с использованием программы «Кайа» была разработана методика определения рациональных параметров вибрационных катков на стадии проектирования.

Таким образом, проведённая обработка результатов вычислительного эксперимента по программе «Кайа» позволила получить решение задач обоснования характеристик вибрационных катков на стадии проектирования и выбора модели катка для производства работ в конкретных условиях и назначения режимов работы при смене вида грунта, толщины слоя и требуемого коэффициента уплотнения.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Основные результата работы заключаются в следующем:

1. На основе проведенного статистического анализа технических характеристик 190 моделей вибрационных фунтовых катков установлено, что производители виброкатков опытным путем пришли к оптимальному соотношению параметров, характеризующих энерговооруженность, проходимость и устойчивость машины, а относительно параметров, связанных с режимом работы катка, единое мнение отсутствует;

2. Получены зависимости для расчета глубины распространения напряжений от динамически изменяющейся поверхностной нафузки для случая линейного изменения плотности фунта по глубине, который является переходным этапом от случая постоянной плотности по глубине к нелинейному закону, наблюдаемому в действительности;

3. Разработана математическая модель уплотнения фунта вибрационным катком, позволяющая на каждом проходе рассчитывать напряжения и деформации фунта как на поверхности, так и на различных глубинах при линейном законе изменения плотности фунта по глубине;

4. Проведенная обработка результатов вычислительного эксперимента по профамме «Katki» позволила получить решение задач обоснования характеристик вибрационных катков на стадии проектирования и выбора модели катка для производства работ в конкретных условиях и назначения режимов работы при смене вида фунта, толщины слоя и требуемого коэффициента уплотнения.

Основные положения и результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

Монофафия:

1. Уплотнение фунтов вибрационными катками: монофафия / И.С. Тюремнов, A.A. Игнатьев. - Ярославль: Изд-во ЯГТУ, 2012. - 140 с.

Статьи в журналах, реферируемых ВАК:

1. Тюремнов И.С., Чабуткин Е.К., Игнатьев A.A. Повышение эффективности применения технических средств для уплотнения дорожно-строительных материалов // Строительные и дорожные машины, 2009, № 11, с. 9-11.

2. Тюремнов И.С., Игнатьев A.A., Попов Ю.Г., Анализ рекомендаций по назначению режимов работы вибрационных катков при уплотнении фунтов// Строительные и дорожные машины, 2011, № 12, с.31-3 5.

3. Тюремнов И..С., Игнатьев A.A., Попов Ю.Г., Об оценке уплотняющей способности вибрационных катков// Строительные и дорожные машины, 2011, №11, с.51-55.

Статьи в центральных журналах, вестниках и материалы научно- технических конференций:

1. Игнатьев A.A., Тюремнов И.С. "О проблеме повышения качества уплотнения земляного полотна автомобильных дорог". С.200-202. Вестник научных трудов ЦРО РААСН, выпуск 7, Воронеж-Липецк, 2008.- С.200-202.

2. Игнатьев A.A., Тюремнов И.С. Анализ исследований по математическому моделированию процесса уплотнения грунта / Математика и математическое образование. Теория и практика: Межвуз. сб. науч. тр. Вып. 7. - Ярославль, Изд-во ЯГТУ, 2010, с. 231-241.

3. Тюремнов И. С., Игнатьев A.A. Нужен единый подход в совершенствовании критериев уплотнения дорожно-строительных материалов // Автомобильные дороги, 2010, №5(942), с. 67-69.

4. Тюремнов И.С., Чабуткин Е.К., Игнатьев A.A., Повышение эффективности использования средств механизации уплотнения дорожно-строительных материалов// Мир дорог, 2011, Май №54, с.64-65.

5. Тюремнов И.С., Игнатьев A.A., Оценка уплотняющей способности виброкатков при уплотнении грунтов// Мир дорог, 2012, Май №61, с.86-89

6. Игнатьев A.A. О проблеме повышения качества уплотнения земляного полотна автомобильных дорог. Материалы всероссийской научно-практической конференции. Повышение долговечности транспортных сооружений и безопасности дорожного движения. 2008, Казань.

7. Игнатьев A.A., Дуев A.A. Причины разрушения набережных и пути решения проблемы/ Шестьдесят третья региональная научно-техническая конференция студентов, магистрантов и аспирантов высших учебных заведений с международным участием, посвященная 1000-летию Ярославля. 21 апреля 2010 г., Ярославль. Ч.2.: тез.докл. - Ярославль: Изд-во ЯГТУ, 2010, с. 238.

8. Филатов И.С., Игнатьев A.A., Тюремнов И.С. Резервы повышения эффективности использования средств механизации работ по уплотнению фунта / Подъемно-транспортные, строительные, дорожные, путевые машины и робототехнические комплексы: материалы XIV Московской международной межвузовской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. - М.: МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2010, с. 186-188.

9. Игнатьев A.A., Тюремнов И.С. Повышение эффективности использования вибрационных катков при уплотнении фунта / Шестьдесят четвертая региональная научно-техническая конференция студентов, магистрантов и аспирантов высших учебных заведений с международным участием. 20 апреля 2011 г., Ярославль. 4.1: тез.докл. - Ярославль: Изд-во ЯГТУ, 2011, с. 439.

10. Игнатьев A.A., Тюремнов И.С. О проблеме выбора режима работы вибрационных катков / Шестьдесят первая научно-техническая конференция студентов, магистрантов и аспирантов. 8 апреля 2008 г., Ярославль: Тезисы докладов. - Ярославль: Изд-во ЯГТУ, 2008, с. 264.

Подписано в печать 07.11.2012 г. Печ. л. 1. Заказ 1228. Тираж 100. Отпечатано в типографии Ярославского государственного технического университета г. Ярославль, ул. Советская, 14 а, тел. 30-56-63.

1, -30 00

2012251»^

2012251599