автореферат диссертации по строительству, 05.23.14, диссертация на тему:Определение толщины слоя грунта, уплотняемого пневмоколесными катками, с учетом его напряженного состояния

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ, СИМВОЛОВ И СПЕЦИАЛЬНЫХ ТЕРМИ

НОВ С ИХ ОПРЕДЕЛЕНИЯМИ

ВВЕДЕНИЕ

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР И ПОСТАНОВКА ВОПРОСА. I

1.1. Общие данные о требованиях и средствах уплотнения грунтов в дорожном строительстве . ^

1.2. Известные рекомендации по выбору толщины уплотняемого слоя . ^

1.3. Определение толщины уплотненного слоя по формулам . ^

1.4. Контактные параметры пневматических колес

1.5. Напряженное состояние уплотняемого грунта

На основе директивных документов партии и правительства с каждым годом в Советском Союзе увеличиваются объемы и темпы строительства автомобильных дорог. Так за 1970-80 г.г. построено и введено в эксплуатацию свыше 170 тысяч километров автомобильных дорог с твердым покрытием, в том числе почти 33 тыс. километров сверх плана / 92 / . В одиннадцатой пятилетке в соответствии с утвержденными съездом основными направлениями / 2 /, предусматривается увеличить грузооборот автомобильного транспорта в 1,3-1,4 раза, а пассажирооборот автобусами на 16-18 % . Для решения поставленных задач ЦК КПСС и Совет Министров СССР заблаговременно приняли постановление "0 мерах по улучшению строительства,ремонта и содержания автомобильных дорог в стране" / I /, в котором намечена широкая программа прокладки новых и реконструкции существующих магистралей. Приказано ускорить создание опорной сети автомобильных дорог с усовершенствованными покрытиями, обеспечивающее надежное сообщение между крупными экономическими районами и населенными пунктами. Предстоит также расширить строительство автомобильных дорог в сельской местности, где в первую очередь необходимо проложить дороги,связывающие районные центры, поселки, центральные усадьбы колхозов и совхозов с автомобильными дорогами общего пользования.

Решение этих задач связано огромными и всё возрастающими объемами земляных работ, выполнение которых может быть осуществлено лишь современными и высокопроизводительными земле-ройно-транспортными и уплотняющими машинами при усовершенствованной технологии и организации работ.

С ростом грузоподъемности автомобильного транспорта повышается напряженность дорог, что в свою очередь вызывает повышенные требования к качеству дорожных конструкций. Причем качество земляного полотна зависит в первую очередь от процесса уплотнения, поскольку от последнего зависят прочность, устойчивость, а следовательно и долговечность дороги.

С качеством и эффективностью строительства тесно связан вопрос о выборе толщины уплотняемого слоя грунта, так как при излишне больших толщинах уплотняемых слоев требуемые плотности в нижней части слоя не достигаются, а при слишком малых толщинах слоев снижается производительность, вследствие того, что не используются потенциальные возможности уплотняющих машин по глубине.

Практика эксплуатации катков различного типа, а также исследования по выявлению их недостатков и преиыуществ показывают, что наиболее универсальными, производительными и перспективными машинами являются пневмоколесные и различные комбинированные катки с пневмоколесной секцией.

Учитывая достоинства пневмоколесного рабочего органа дорожных катков, в данной работе основное внимание уделяется вопросу о выборе оптимальной толщины уплотняемого слоя при укатке земляного полотна дорог пневмоколесными катками.

В настоящее время в Советском Союзе по нормативным документам выбор толщины уплотняемого слоя осуществляется на основе пробного уплотнения. Этот метод является самым надежным,но в то же время трудоёмким и продолжительным процессом.Кроме того, в стадии составления проектов по организации строительных работ у проектных организаций нет возможности для проведения пробной укатки.

Многими авторами предложен ряд формул для выбора оптимальной толщины уплотняемого слоя. Последние, к сожалению, дают большие расхождения в результатах расчета как с опытными данными, так и между собой.

Поэтому вопрос о выборе толщины уплотняемого слоя можно считать окончательно еще не решенным, и разработка ускоренного метода в дополнение к пробному уплотнению является актуальной. В связи с этим, целью данной работы явилась разработка методики для предварительного выбора оптимальной толщины уплотняемого слоя грунта ; при уплотнении пневмоколесными катками, методики, которую можно было бы использовать как на стадии составления проектов организации и производства земляных работ, и в процессе строительства, в частности - в дополнение к методу пробного уплотнения в части предварительного определения комплекса параметров, связанных с выбором толщины уплотняемого слоя.

В итоге проведенных исследований получены следующие результаты, имеющие предмет научной новизны:

- уточнены контактные параметры пневматических колес,необходимые для определения толщины уплотняемого слоя и разработаны номограммы для их определения;

- уточнены допустимые диапазоны контактных давлений для получения заданных степеней уплотнения;

- разработана обобщенная формула для расчета вертикальных сжимающих напряжений в грунтовом полупространстве под площадками нагружения различной формы и величины;

- составлены диаграммы равных вертикальных сжимающих напряжений с учетом контактных параметров и расположения колес В зависимости от степени уплотнения уплотняемый слой грунта может быть рыхлым или п л о т н ы м. Рыхлым является неуплотненный слой грунта, отсыпаемого в насыпь в процессе производства земляных работ ; плотным же- слой грунта, уплотненный до требуемой плотности. катка;

- уточнены границы и выведены коэффициенты суммарного действия от рядом расположенных колес катка;

- выведены формулы и составлены номограммы (совмещенная и универсальная) для определения оптимальной толщины уплотненного и рыхлого слоя при известных параметрах грунта и катка.

Практическая ценность работы заключается в возможности ускоренного определения оптимальной толщины уплотняемого слоя как в проектной, так и в строительной стадии возведения земляного полотна автомобильных дорог, аэродромов и гидротехнических сооружений. При этом в полевых или лабораторных условиях достаточно определить несколько характеристик уплотняемого грунта и по номограммам, учитывающим параметры применяемого катка, найти оптимальную толщину уплотняемого слоя.

Разработанная методика позволяет решить и обратную задачу - при заданной толщине уплотняемого слоя подобрать подходящие пневмоколесные катки для достижения требуемой плотности в конкретных грунтовых условиях. Кроме того, универсальная номограмма позволяет произвести сравнительный анализ эффективности существующих пневмоколесных катков, а также уточнить колесные схемы и их параметры при разработке новых типов катков.

Номограммы для определения контактных параметров пневматических колес могут служить для решения целого ряда инженерно-конструкторских вопросов, таких как сравнение отдельных типоразмеров шин, изучение тяговых и тормозных качеств, а также проходимости машин, разработка технических требований на пневматические шины и выбор шин для различных машин (автомобилей, катков и т.д.).

Единая формула для расчета вертикальных сжимающих напряжений и диаграммы равных напряжений могут также использоваться при расчете осадок фундаментов разных сооружений.

Разработанная ускоренная методика по определению оптимальной толщины уплотняемого слоя грунта и рекомендаций по выбору и регулированию рабочих параметров пневмоколесных катков в целях повышения их производительности использованы в дорожных организациях Дорожного ремонтно - строительного треста Минавтошосдора Эстонской ССР. Экономический эффект внедрения результатов составляет в Эстонской ССР 65 тысяч рублей в год. Ряд результатов исследования использованы в конструкторской практике Орловского производственного объединения "Дормашина" Рыбинским ордена "Знак почета" заводом дорожных машин,а также предусмотрено использовать в работах объединения "ВНИИСТРОЙ-ДОРМАШ" как при создании новых, так и при модернизации существующих моделей пневмоколесных катков.

Работа выполнена на кафедре автомобильных дорог Таллинского политехнического института и в отделе земляного полотна и дорожных одежд Союздорнии. Лабораторные и стендовые эксперименты проводились в лабораторном корпусе полигона Московского ордена Трудового Красного Знамени автомобильно-дорожного института и в лаборатории строительных машин Таллинского политехнического института.Производственные исследования проводились при строительстве Тульской окружной дороги и водохранилища города Алушта (Крымская область).

В работе использованы некоторые экспериментальные данные Дорожной исследовательской лаборатории Великобритании,а также научные разработки Н.Я.Харкуты, О.Т.Батракова, В.Д. Казарновского- А.Д.Каюмова, К.Е.Егорова - О.Д.Шиловой и В.А.Смолен-цевой. Единая формула для расчета вертикальных сжимающих напряжений выведена с А.И.Путком.

Автором защищается общая методика для ускоренного выбора оптимальной толщины уплотняемого слоя, включая номограммы для определения контактных параметров пневматических колес, обобщенную формулу для расчета вертикальных сжимающих напряжений, допустимые диапазоны контактных давлений, коэффициенты сум -марного действия от колес катка, а также формулы и номограммы для определения толщины уплотняемого слоя при известных параметрах грунта и катка.

I. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР И ПОСТАНОВКА ВОПРОСА

5.3. Общие выводы

Выполненные теоретические и экспериментальные исследования по выбору оптимальной толщины уплотняемого слоя позволили сделать следующие основные выводы: а) Толщину уплотняемого слоя грунта нельзя установить без учета контактных параметров колёс катка. При эллипсной форме площадки контакта (универсальные шины) достаточно учитывать пара метры Рк и <ак , а при прямоугольной форме (специальные шины) необходимо дополнительно учитывать соотношение сторон а /Ь контактной поверхности. Разработаны номограммы для определения вышеназванных контактных параметров; б) Выведенная единая формула может быть предложена для определения напряжений под круговыми, квадратными и прямоугольными площадками нагружения, а также при ленточной нагрузке (плоская задача) - т.е. как под колесами катка, так и под различными инженерными сооружениями; в) Для получения истинной картины распределения напряжений в уплотняемом полупространстве необходимо учитывать схему расположения колес катка на осях. Рост напряжений при расстояниях между колесами е ^ 0,4В полностью не прекращается (как было установлено ранее), а продолжается значительно дольше.Получены коэффициенты суммарного действия А/с колёс катка, посредством которых можно пересчитать расположение любого значения для конкретной схемы нагружения; г) Во время последних проходок катка по одному следу средние контактные давления (э к не должны быть меньше минимальных значений <о2 , обеспечивающих желаемую плотность грунта, и вместе с тем не должны превышать предельной критической нагрузки рКр \ д) Разработанная ускоренная методика позволяет по результа -там инженерно-геологических изысканий, с дополнительным учетом параметров пневмоколесного катка, определить в стадии проектирования оптимальную толщину уплотняемого слоя ; е) Предлагаемая методика позволяет решить и обратную задачу - при заданной толщине отсыпаемого слоя подобрать подходящие пневмоколесные катки для достижения требуемой плотности в конкретных грунтовых условиях. Кроме того, методика позволяет произвести сравнительный анализ эффективности существующих пневмоколесных катков, а также уточнить их параметры при разработке новых типов катков ; ж) Выполненные расчеты по выявлению возможного эффекта от внедрения предложенной методики показали, что экономия может составлять 0,01 тыс. руб. на 1000 м3 уплотняемого грунта или в масштабах Советского Союза 32,6 млн. руб. в год.

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

5.1. Экономическая эффективность результатов

Предлагаемая методика, как было зафиксировано уже в постановке вопроса, предусмотрена как дополнение к пробной укатке. Точнее,её целесообразно использовать в основном в стадии составления проектов организации и производства земляных работ, а также в процессе строительства менее крупных дорожных объектов. Очевидно, что в первом случае мы должны получать экономию из-за сокращения объема пробной укатки (ею в этом случае выполняется лишь контрольная или уточняющая функция), а во втором случае из-за полного отпадения пробного уплотнения. Следовательно, для выведения экономической эффективности работы в первую очередь необходимо сравнить экономические показатели предлагаемой методики с методом пробного уплотнения. В этих целях рассмотрим основные положения обоих. а) Метод пробного уплотнения:

- геодезическая подготовка площадки для пробной укатки (различные разбивочные работы) ;

- пробное уплотнение со всеми необходимыми мероприятиями для разработки, перемещения, отсыпки, разравнивания и планировки грунта ;

- контроль плотности грунта основания площадки и насыпи (взятие проб и их лабораторная обработка; статистическая про -верка полученных результатов и оформление их в виде графиков), а также определение оптимальной влажности и максимальной плотности уплотняемого грунта по ГОСТ'у 22733-77. б) Предлагаемая методика :

- лабораторное исследование уплотняемого грунта: определение оптимальной влажности и максимальной плотности, а также сдвиговых показателей С и р ; построение компрессионной кривой ;

- определение толщины уплотняемого слоя посредством номограмм, с одновременным приведением в соответствие параметров грунта и катка.

Поскольку отсутствуют нормы времени на пробное уплотнение (в конкретных случаях изменяются расстояния от места доставки грунта на строительный объект; плотности влажности грунта могут определяться различными методами и т.д.), то по данному вопросу можно провести лишь ориентировочные экономические расчеты.

Если не учитывать тех работ, которые по обоим методам более или менее совпадают, можно выделить основные источники дополнительных затрат: а) при пробном уплотнении-доставка на место работ нужной техники, проведение самой пробной укатки со всеми подготовительными работами (вследствие малого объема работ и не гарантиро — ванного качества, уплотнение во время пробной укатки можно лишь условно считать полезной производительной работой),а также простой машин перед основными линейными работами (вызванный лабораторной обработкой полевых проб и окончательным определением оптимальной толщины уплотняемого слоя) ; б) при предлагаемой методике-приобретение дополнительного оборудования (сдвиговых приборов) для лаборатории некоторых дорожных организаций3^ или проектных институтов. х) Если же организовать лабораторную обработку уплотняемых грунтов на базе центральных лабораторий дорожно-строительных трестов, которые уже оборудованы соответствующими приборами, то указанный источник затрат отпадает.

Возвращаясь к пробному уплотнению, можно сделать предпо -сылку, что минимальное количество и состав машин в специализированном звене во время пробной укатки следующее: автогрейдер, скрепер и пневмоколесный каток. По опыту можно сказать,что при выделенном комплекте машин затрачивается в среднем одна рабочая смена для окончательного определения толщины уплотняемого слоя. В эту смену укладываются все виды работ, связанные с проб-ной укаткой (начиная с доставки машин на место укатки вплоть до лабораторной обработки проб уплотненного грунта). При этом нельзя забывать, что для получения достоверных данных в полевых условиях необходимо провести испытания определенной кратности. Другими словами, перечисленные машины оторваны от основного строительства в течение одной смены.

1. Постановление ЦК КПСС и Совета Министров СССР " 0 мерах по улучшению строительства, ремонта и содержания автомобильных дорог в стране" 22 апреля 1980 г. - в газ. : Правда , 23 апреля 1980, № 144 (22544) с. 1.

2. Постановление ХХУ1 съезда КПСС по проекту ЦК КПСС " Основные направления экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года" 2 марта 1981 г.- Таллин: Ээсти раамат, 1981. 93 с.

3. Алексеева Т.В. и др. Машины для земляных работ. Теория и расчет. 2-е изд. перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1964.- 467 с.

4. Антипов Л.А. Исследование колесных схем катков на пневма -тических шинах.- Автореф. дис. . канд.техн. наук М., 1967. - 26.

5. Антипов Л.А. и др. Стенд для исследования рабочих органов катков и движителей дорожно-строительных машин. Тр. Тал-линск. политехи, ин-та, 1973, № 351, с. 89-97.

6. Бабков В.Ф. Качение автомобильного колеса по грунтовой поверхности. Тр. Московск.автомоб.-дорожн. ин-та, 1953, вып. 15, с. 50-68.

7. Бабков В.Ф. Автомобильные дороги.- М. : Автотрансиздат, 1954.- 176 с.

8. Бабков В.Ф., Гербург-Гейбович A.B. Основы грунтоведения и механики грунтов.- М.: Автотрансиздат, 1956.- 308 с.

9. Бабков В.Ф., Бируля А.К., Сиденко В.М. Проходимость колесных машин по грунтам.- М.: Автотрансиздат, 1959.- 189 с.

10. Бабков В.Ф. и др. Основы грунтоведения и механики грунтов.- М.: Высшая школа, 1964. 365 с.

11. Бабков В.Ф., Безрук В.М. Основы грунтоведения и механика грунтов.- М. : Высшая школа, 1976. 327 с.

12. Баранов Д.С. Измерительные приборы, методика и некоторые результаты исследования распределения давлений в песчаномгрунте. Научн. сообщ. / ЦНИИСК, 1959, вып. 7, 60 с.

13. Батраков О.Т. Уплотнение грунтов и дорожных покрытий катками на пневматических колесах.- Научн. сообщ./ Харьковск. ун-та им. А.М. Горького, 1958, № 5, с. 21-29.

14. Батраков О.Т., Ставицкий В.А. Недостатки стандартного метода уплотнения грунтов.- Автомобильные дороги, 1967,№ 5, с. 26-27.

15. Батраков О.Т. Теоретические основы уплотнения грунтов земляного полотна и слоев дорожных одежд катками на пневматических колесах. Дис. . докт.техн. наук - Харьков, 1979. - 274 с.

16. Беляков В.А., Кравцова Р.И., Раппопорт М.Г. Таблицы эллиптических интегралов. Т I,- М. : Изд-во АН СССР, 1962.- 656.

17. Беляков В.Л., Кравцова Р.И., Раппопорт М.Г. Таблицы эллиптических интегралов. Т 2.- М.: Изд-во АН СССР, 1963.- 784 с.

18. Бируля А.К. Эксплуатация автомобильных дорог. 3-е изд., перераб. и доп. - М. : Автотрансиздат, 1956.- 340 с.

19. Бируля А.К. К теории качения пневматического колеса по деформируемой поверхности.- Тр. Харьковск. автомоб.дор. инта, 1958, вып. 21, с. 12-21.

20. Бируля А.К. Батраков О.Т. Взаимодействие пневматического колеса, рассматриваемого как безмоментная оболочка, с нежесткими поверхностями качения. Тр. Харьковск. автомоб.дор. Ин-та, 1958, вып. 21, с. 23-31.

21. Варганов С.А. и др. Катки комбинированного действия. Обзор.- М.: ЦНИИТЭ строймашин, 1974.- 41 с.

22. Варганов С.А., Шеременьев Б.М. Шины пневмоколесных катков.- Строительные и дорожные машины, 1975, № 3, с. 9-10.

23. Веденяпин Г.В. Общая методика экспериментального исследования и обработки опытных данных.- 3-е изд., доп. и перераб. М. : Колос, 1973. 199 с.

24. Вознесенский В.Л. Первичная обработка экспериментальных данных. Практические приёмы и примеры.- Л.: Наука, 1969.83 с.

25. Вощинин Н.П., Смоленцева В.А. К вопросу уплотнения грунтов26,27,28,29