автореферат диссертации по строительству, 05.23.11, диссертация на тему:Разработка технологий уплотнения дорожных асфальтобетонных смесей и грунтов на основе развития их реологии

На правах рукописи

НОСОВ СЕРГЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЙ УПЛОТНЕНИЯ ДОРОЖНЫХ АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ СМЕСЕЙ И ГРУНТОВ НА ОСНОВЕ РАЗВИТИЯ ИХ РЕОЛОГИИ

Специальность 05.23.11 - Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

21 "СЯ 2013

Воронеж- 2013

005539567

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Воронежский государственный архитектурно-строительный университет»

Научный консультант: Рябова Ольга Внкторовна,

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Алекснков Сергей Васильевич,

доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой строительства и эксплуатации транспортных сооружений ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет»

Леденев Владимир Иванович, доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой «Городское строительство и автомобильные дороги» ФГБОУ ВПО «Тамбовский государственный технический университет»

Матуа Вахтанг Парменович, доктор технических наук, профессор, профессор кафедры автомобильных дорог ФГБОУ ВПО «Ростовский государственный строительный университет»

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Московский автомобильно-

дорожный государственный технический университет (МАДИ)»

Защита состоится "17" января 2014 г. в 1300 часов на заседании диссертационного совета Д 212.033.02 при Воронежском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 394006, г. Воронеж, ул. 20 лет Октября, 84, корпус 3, ауд. 3220, тел./факс: +7(4732)71-53-21.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Автореферат диссертации размещен на официальном сайте Микобрнаукн РФ и на официальном сайте Воронежского ГАСУ.

Автореферат разослан " В_" ^РЯ _2013 г.

Ученый секретарь /"я

диссертационного совета 1у/

кандидат технических наук, доцент Колосов А.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Уплотнение грунтов земляного полотна и дорожных асфальтобетонных смесей является одной из основных операций строительства автомобильных дорог, от качества выполнения которой зависят работоспособность, надежность и долговечность автотранспортных сооружений. Как показывает практика, недостаточное уплотнение дорожно-строительных материалов служит причиной ускоренного разрушения дорожных оснований и покрытий.

Анализ работ, связанных с изучением вопросов повышения качества и эффективности уплотнения грунтов земляного полотна и асфальтобетонных смесей дорожных одежд, позволяет выделить основные направления решения этой проблемы, к числу которых относятся:

- изучение связей и закономерностей уплотняемости дорожно-строительных материалов с целью совершенствования и оптимизации технологических процессов уплотнения;

- совершенствование существующих и создание новых эффективных уплотняющих машин, а также средств контроля степени уплотнения;

- обеспечение оптимальных технологических режимов работы существующих уплотняющих средств на основе исследования и учета климатических, организационных и технологических факторов, включающих исследования напряженно-деформированного состояния уплотняемого материала с учетом его физико-механических свойств.

Проблема повышения качества и эффективности уплотнения дорожных асфальтобетонных смесей и грунтов может быть решена путем совершенствования технологии уплотнения на основе применения новых прогрессивных методов изучения физико-механических свойств дорожно-строительных материалов, например, использованием одного из традиционных подходов к исследованию реологических свойств деформируемых сред с применением теории наследственной ползучести упруго-вязко-пластичных материалов. Без этого невозможно объективно оценить характеристики общей взаимоувязанной динамической системы "человек - машина - рабочий орган - объект воздействия - окружающая среда".

Основное внимание диссертации уделено исследованию динамики процессов уплотнения и взаимодействия земляного полотна и дорожных одежд с уплотняющими элементами машин, поскольку реологические характеристики деформируемого опорного основания (уплотняемого материала) имеют прямую связь с характером силового воздействия на него. В сбою очередь, характер силового воздействия на дорожно-строительные материалы в процессе их уплотнения определяется техническими и эксплуатационными характеристиками уплотняющих машин. При этом необходимо учитывать нелинейность реологических свойств дорожно-строительных материалов, а также наличие фактора времени, определяющего продолжительность действия и интенсивность изменения нагрузок на них со стороны уплотняющих элементов машин.

Вышеотмеченное подтверждает, что тема диссертационного исследования является актуальной и направлена на решение важной научной проблемы повышения качества и эффективности уплотнения дорожных асфальтобетонных смесей и фунтов путем совершенствования технологий уплотнения.

Представленная диссертационная работа выполнена в соответствии с Федеральной целевой программой «Дороги России» и научно-технической программой Министерства образования и науки Российской Федерации «Вузовская наука - регионам».

Основная идея работы состоит в использовании реологического подхода к описанию и исследованию изменений физико-механических характеристик материалов земляного полотна и дорожных асфальтобетонных покрытий при их уплотнении в процессе строительства автомобильных дорог.

Объект исследования: сложные физические процессы уплотнения грунтов земляного полотна и асфальтобетонных смесей дорожных одежд, методы совершенствования технологических процессов их уплотнения.

Предмет исследования: особенности совершенствования технологий уплотнения грунтов земляного полотна н дорожных асфальтобетонных смесей на основе развития их реологии и оценки взаимодействия с различными уплотняющими элементами машин и технологическим оборудованием.

Цель работы: разработка методологических основ совершенствования технологических процессов уплотнения грунтов земляного полотна и дорожных асфальтобетонных смесей на основе развития их реологии, учета несущей способности, времени и характера действующих нагрузок и обеспечивающих обоснованный выбор средств уплотнения и рациональных технологических режимов их работы на этапе строительства автомобильных дорог.

Указанная цель определила перечень основных задач исследований, согласно которому необходимо было осуществить следующее.

1.Определить критерии эффективности уплотнения фунтов земляного полотна и дорожных асфальтобетонных смесей.

2.Разработать теоретические положения совершенствования технологий уплотнения грунтов земляного полотна и дорожных асфальтобетонных смесей и их взаимодействия с элементами машин при их уплотнении.

3. Разработать модели процессов взаимодействия земляного полотна и дорожных одежд с уплотняющими элементами машин, позволяющие произвести качественную и количественную оценку изменения их напряженно-деформированного состояния, оценить кинетику развития деформаций при различных законах нагружения.

4. Разработать способы и методики оценки основных характеристик фунтов земляного полотна и дорожных асфальтобетонных смесей как функционалов от временного фактора, определяющих их деформационную способность.

5.Произвести эксплуатационную оценку физико-мсханических характеристик грунтов земляного полотна и дорожных асфальтобетонных смесей.

6. Разработать технические средства, позволяющие оперативно производить оценку физико-механических характеристик грунтов земляного полотна и дорожных асфальтобетонных смесей или повышать эффективность функционирования уплотняющих машин в процессе строительства дорог.

7. Теоретически и экспериментально обосновать выбор средств и режимов уплотнения на основе анализа физической картины и особенностей взаимодействия грунтов и асфальтобетонных смесей с уплотнителями.

8. Разработать методы и рекомендации по совершенствованию и разработке технологических процессов уплотнения при учете реологических свойств грунтов земляного полотна и дорожных асфальтобетонных смесей, времени и характера действующих на них нагрузок.

Научная копнзна работы заключается:

1. В разработке концептуальной модели совершенствования технологий уплотнения грунтов земляного полотна и дорожных асфальтобетонных смесей. Установлено, что одним из путей выбора технологических режимов работы применяемых уплотнителей и технологических параметров процессов уплотнения является использование развития реологии дорожно-строительных материалов, анализ полученных представлений об их изменяющихся свойствах на базе предложенных критериев эффективности, учет интенсивности изменения и времени действия уплотняющих нагрузок, конструктивных особенностей применяемых машин и условий производства работ;

2. В предложенном методологическом подходе к оценке реологических характеристик дорожно-строительных материалов, отличающимся применением теории наследственной ползучести и экспоненциально-степенных ядер с определением инвариантных значений коэффициента поперечной деформации и модулей сдвиговых и линейных деформаций слоя уплотняемого материала. Для реализации предложенного подхода разработаны методы и устройства для их определения;

3. В развитии общей теории уплотнения фунтов и асфальтобетонных смесей, включающем определение деформации уплотняемых слоев и значения плотности дорожно-строительных материалов с учетом интенсивности изменения и продолжительности действия нагрузок со стороны применяемых уплотнителей. При этом развитие деформаций и характер распределения напряжений в слое уплотняемого материала определяется в соответствии с релаксационными процессами по предложенным аналитическим зависимостям;

4. В разработке математических моделей взаимодействия уплотняемых слоев с жестким вальцом, пневматическим колесом и гусеничным движителем, учитывающих влияние дополнительных факторов: скорости

изменения и времени действия нагрузок со стороны уплотнителей через интегральные уравнения связей; реологических особенностей уплотняемого материала через параметры функций скоростей ползучести и релаксации;

5. В разработке элементов технологии уплотнения дорожных асфальтобетонных смесей и грунтов с оценкой технологических параметров процессов уплотнения, режимов работы и параметров применяемых уплотнителей на основе учета реологических характеристик уплотняемого материала и условий производства работ. При этом предложена технология уплотнения горячей асфальтобетонной смеси укаткой вибрационным катком с вакуумным устройством.

На защиту выносятся все основные результаты, обладающие новизной.

Методы исследований. При теоретических исследованиях решение поставленных задач базируется на основных положениях аналитической механики, механики сплошных сред, теории упругости и вязкопластично-сти, теории наследственной вязкоупругости, тензорного исчисления, математической статистики, методах математического моделирования и оптимизации параметров, теории уплотнения грунтов и дорожно-строительных материалов и широком использовании ЭВМ.

Экспериментальные исследования проводились с применением теории математического планирования эксперимента, методов физического моделирования, с использованием ЭВМ, серийно выпускаемых машин, макетных и экспериментальных образцов, на установках, устройств:« и стендах.

Достоверность научных положений, результатов, выводов и рекомендаций обоснована:

- использованием апробированных методов механики сплошных сред, теорий упругости и вязкоупругости, математической статистики, оптимизации, анализа размерностей и планирования эксперимента;

- правильным выбором методов измерений и составлением измерительных схем;

- правильным выбором методов и техники тарировки измерительных систем в целом и отдельных их элементов, класса точности аппаратуры и своевременной ее поверкой;

- правильным учетом погрешностей элементов измерительных схем и обеспечением технически правильных условий работы измерительных устройств;

- результатами сопоставления теоретических исследований с данными экспериментов в лабораторных и производственных условиях и их удовлетворительным совпадением.

Ценность научных работ заключается: - в разработке целенаправленного подхода к совершенствованию технологий уплотнения дорожных асфальтобетонных смесей и фунтов путем применения существующих средств уплотнения с уточненными режимами работы или технических средств, позволяющих повышать эффективность

функционирования применяемых уплотнителей з соответствии с основными критериями, определяющими эффективность и качество выполнения работ на основе методологии и теория описания процессов уплотнения слоев дорожно-строительных материалов с учетом нх реологических свойств;

в развитии теории и создания ряда новых моделей и методов по оценке эффективности уплотнения фунтов земляного полотна и дорожных асфальтобетонных смесей, включая оценку эффективности функционирования применяемых средств уплотнения;

- в разработке методов и рекомендаций по совершенствованию и разработке технологических процессов уплотнения грунтов земляного полотна и дорожных асфальтобетонных смесей.

Практическая ценность работы. Результаты исследований позволяют лучше понять сущность процессов, происходящих при уплотнении грунтов земляного полотна и асфальтобетонных смесей дорожных одежд, а также определять пути повышения эффективности уплотнения.

Обоснован системный подход к решению проблемы совершенствования технологий уплотнения фунтов земляного полотна и дорожных асфальтобетонных смесей на основе развития их реологии в рамках пространственно-временных представлений, что дает возможность выявлять эффективные направления исследований и рассматривать на практике различные задачи с единых методологических позиций.

Предложенные рекомендации, математические модели и методы, реализованные в виде пакета профамм для ЭВМ, позволяют как на стадии проектирования технологических процессов уплотнения, так и в процессе строительства дорог выбирать рациональные параметры и технологические режимы работы применяемых средств уплотнения, подбирать технологические параметры процессов уплотнения при выполнении работ в конкретных условиях.

Предложены способы и созданы устройства для оценки реологических характеристик фунтов и асфальтобетонных смесей, а также для повышения эффективности их уплотнения и контроля качества уплотнения.

Реализация результатов работы. Основные результаты научной работы:

- внедрены при укатке верхнего и нижнего слоев асфальтобетонного покрытия в объеме 41 км с использованием виброкатка ДУ-47А с вакуумным устройством на объектах объединения "Ленавтодор" в 1984-1985 годах;

- переданы в виде сборочных и рабочих чертежей виброкатка с вакуумным устройством на базе серийно выпускаемого катка ДУ-54А в объединение "Ленавтодор" дня изготовления опытной партии катков;

- передань: в саде сборочных и рабочих чертежей бесконтактной ва- • куумной камеры к дорожным каткам в ЗАО "РАСКАТ";

- внедрены ОАО "Липецкий трактор" в виде программ расчета на ЭВМ и номограмм по оценке эффективности взаимодействия с уплотняе-

мыи слоем грунта колесных тракторов как базовых машин, применяемых в дорожном строительстве;

- внедрены в ООО «Автобан-Липецк», ОАО «Липецкое ДСП №1», МУ «Управление главного смотрителя г. Липецка» в виде Рекомендаций по разработке и совершенствованию технологических процессов уплотнения грунтов земляного полотна и дорожных асфальтобетонных смесей на основе реологического подхода;

- используются в учебном процессе при подготовке бакалавров но профилю «САПР специализированных мобильных машин» и магистров по профилю «Автомобили и тракторы» направления подготовки 190100 «Наземные транспортно-технологнческпе комплексы», специалистов по специализации «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные средства и оборудование» и специализации «Автомобили и тракторы» направления подготовки 190109 «Наземные транспортно-технологичесхие средства» и аспиранток специальности 05.05.03 «Колесные и гусеничные машины» в Липецком государственном техническом университете;

- представлены научно-учебной монографией "Мобильные энергетические средства: выбор параметров и режимов работы через реологические свойства опорного основания", изданной в 2006 году, и учебным пособием "Современные методы исследований", изданным в 2000 году.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на двадцати конференциях и симпозиумах, в том числе: на Всесоюзной научной конференции (г. Норильск, 1990г.), Республиканской научно-технической конференции (г. Санкт-Петербург, 1992г.), на 7 Всероссийских научно-технических конференциях (г. Липецк, 1996г., 2000г., г. Пенза. 2001г., г. Екатеринбург, 2007 г., 2010г., г. Москва, 2008 г.), на 10 международных научных конференциях (г. Липецк, 1997г., 1998г., г. Волгоград, 1999г., 2002г., 2009г., г. Курск, 1999г., г. Тюмень, 1999г., г. Н.Новгород, 2000г., г. Москва, 2005г., г. Санкт-Петербург, 2006г., на международном симпозиуме (г. Москва, 2,000г.).

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 16 научных статей в научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК для публикаций результатов исследований докторских диссертаций; монография; учебно-методическое пособие; 27 работ в сборниках материалов всесоюзных, всероссийских и международных конференций и симпозиумов. Всего опубликовано 112 работ, из них: 83 печатных, 8 депонированных рукописей работ, аннотированных в научных журналах, получено 8 патентов РФ на изобретения и зарегистрировано 13 программ для ЭВМ.

Структура л объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, основных результатов и выводов, библиографического списка из 279 наименований, двух приложений. Общий объем рвеоты 366 страниц, из них основной текст изложен на 324 страницах, включающих 95 рисунков и 22 таблицы, библиографический список на 25 страницах, 2 приложения на 12 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель работы, научная новизна и практическая значимость работы,

В первой главе проведен анализ работ по взаимодействию земляного полотна и дорожных одежд с различными уплотнителями, такими как колесные и гусеничные движители землеройно-транспортных машин и дорожные катки. Особое внимание уделено анализу существующих подходов к оценке реологических свойств дорожных асфальтобетонных смесей и грунтов с применением различных их расчетных моделей и методов теории ползучести при их уплотнении.

Решением проблемы повышения качества и эффективности уплотнения дорожных асфальтобетонных смесей и фунтов занимались и занимаются различные научно-исследовательские институты, академии и университеты, как в нашей стране, так и за рубежом: ВНИИстройдормаш, Союздор-НИИ, МАДИ, ВолгГАСУ, ВГАСУ, РГСУ, СибАДИ, СПбГПУ и др.

Большой вклад в решение данной проблемы в разные времена внесли Агейкин Я.С., Бабков В.Ф., Батраков О.Т., Беккер М.Г., Варганов С.А., Васильев Ю.М., Зубанов М.П., Иванов H.H., Калужский Я.А., Кацыгин В.В., Полетаев А.Ф., Тулаев А.Я., Форссблад JI., Хархута Н.Я. и другие,

В более поздние времена данной проблемой занимались их ученики Бадалов В.В., Белоусов Л.И., Зубков А.Ф., Иванченко С.Н., Коваленко Ю.Я., Костельов М.П., Марков П.И., Пермяков В.Б., Подольский Вл.П., Попов Г.Н., Путк А.И., Чабуткин Е.К., Шестопалов A.A. и многие другие.

Обобщив рассмотренный объем научного материала по исследованию взаимодействия земляного полотна и дорожных одежд с различными уплотнителями, выделены основные трудности и недостатки в предлагаемых подходах к решению общей проблемы повышения качества и эффективности уплотнения грунтов земляного полотна и дорожных асфальтобетонных смесей, которые не позволяют в полной мере обеспечить дальнейшее развитие теории уплотнения дорожно-строительных материалов: просматривается явная неинвариантность известных методов определения реологиче-сих свойств уплотняемых материалов; отсутствует одновременный учет времени действия и характера изменения действующих нагрузок со стороны уплотнителей; выбираются упрощенные закономерности, определяющие реологические особенности уплотняемых материалов, которые недостаточно точны; как правило, рассматриваются линейные или плоские модели уплотняемых материалов. Объемные модели не рассматриваются.

Проведенный анализ научной литературы по теме диссертации поззо-лил выявить пути дальнейшего совершенствования теории уплотнения дорожно-строительных материалов, а также пути разработки технологий их уплотнения, сформулировать цель и задачи исследования.

Во второй главе рассмотрены принципы совершенствования технологий уплотнения дорожных асфальтобетонных смесей и грунтов.

Анализ особенностей взаимодействия различных уплотнителей с дорожно-строительными материалами показал, что многие процессы и язле-ния, происходящие при гаком взаимодействии, однородны и подобны, при этом выявлены основные классификационные признаки таких взаимодействий: закономерность основного (вертикального) нагружения, режим движения уплотнителей, число циклов воздействия уплотнителей и характер нагружения, определяющий направление (знак) силового воздействия. Это позволило в дальнейшем оценить их с единых методологических позиций.

На основании разработанных принципов построения реологических моделей дорожных асфальтобетонных смесей и грунтов и классификационных признаков уплотняющих воздействий установлено, что рассматриваемая проблема может быть решена путем изучения характеристик материалов уплотняемых слоев автодорог с применением теории наследственной ползучести упруго-вязко-пластичных материалов. При этом неизвестные закономерности структурных изменений уплотняемого материала закладываются в функции подобия, основанные на уравнениях регрессии, а в качестве функций скоростей ползучести и релаксации в обязательном порядке должны приниматься экспоненциально-степенные ядра.

Для описания процесса ползучести применены простейшие соотношения нелинейной теории вязкоупругости, когда уравнение ползучести может быть представлено в виде

s(t) = у/МО] + )x(t - T-)y{T)dr, (1)

о

и в этом случае можно говорить о подобии кривых ползучести при различных условиях нагружения. Здесь c(t) - относительна? деформация; a(t) - действующее напряжение; K(t-r) - функция скорости ползучести; yt[o(t)] - функция подобия.

Выражение (1) описывает случай подобия кривых ползучести только при разных действующих напряжениях o(t) - const. Для полного описания поведения слоя уплотняемого материала под нагрузкой, соответствующей конкретному характеру его взаимодействия с уплотнителем, необходимо знать зависимости свойств материала, выражаемые через скорость и величину деформации, от многих факторов, основными из которых могут являться нагрузка, частота колебаний, относительная вынуждающая сила, температура, влажность, толщина и плотность слоя, параметры грунтоза-цепов и т.д. Поэтому функция подобия должна учитывать все эти факторы, определяющие деформационную способность уплотняемого слоя и, следовательно, его свойства:

цг=\р[х1\х1-,...\х-,...-,х,'\ = у/[х\, (2)

где х, - независимые факторы, определяющие деформационные свойства уплотняемого материала и в совокупности представляющие пространство независимых факторов (факторное пространство).

Отмечено, что вопрос о выборе вида функции влияния при исследовании релаксационных процессов и реологических свойств уплотняемых дорожно-строительных материалов на сегодняшний день с новой силой выхолит на повестку дня и становится одним из определяющих при совершенствовании технологий уплотнения дорожно-строительных материалов.

Удовлетворительное описание процессов релаксации возможно так же, как и описание процессз ползучести, с помощью простого и в то же время достаточно общего слабосингулярного ядра в виде экспоненциально-степенной функции скорости релаксации напряжений

5(0 =А-е-р'-1а~1. (3)

Резольвента этого ядра (функция скорости ползучести)

£ Ппа)

где А, а, р - параметры ядер ползучести и релаксации; Г(а) - гамма-функция Эйлера; г - текущее время.

Разработана методология оценки реологических характеристик уплотняемых дорожных материалов. В основе предложенного подхода лежат известные положения механики сплошных сред, механики грунтов, теории наследственной ползучести, разработанные принципы построения расчетных моделей и результаты экспериментальных исследований.

Реологические характеристики исследуются через простейшие элементы взаимодействия уплотняемого материала с уплотнителями посредством его нагружения через плоский штамп, но при этом показано, что имеется реальная возможность перехода к описанию процесса деформирования слоя уплотняемого материала при взаимодействии его с гладким вальцом дорожного катка, пневмоколесом и гусеничным движителем.

Уравнения сдвигов и объемного деформирования, включающие компоненты девиаторов тензоров деформаций и напряжений, представленные в матричном виде, а также функции скоростей сдвиговой и объемной ползучести позволили выйти на аналитическое определение коэффициента поперечной деформации через функции объемной и сдвиговой ползучести при уплотнении слоя посредством штампа, когда имеется возможность определить функции скоростей продольной и поперечной ползучести. При этом расчетные значения параметров материала уплотняемого слоя - модули сдвиговой и линейной деформации, а также коэффициент поперечной деформации,- инвариантны методам их определения.

Разработан способ определения реологических характеристик уплотняемого слоя фунта с определением параметров опытных кривых продольной и поперечной ползучести путем приложения динамической на-фузки посредством круглого плоского штампа. При этом установлено, что коэффициент поперечной деформации является величиной непостоянной, увеличивающейся со временем действия нафузки. Это обстоятельство необходимо учитывать, особенно при уплотнении дорожно-строительных

материалов пневмоколссными уплотнителями (катками, автогрейдерами), когда время воздействия уплотняющей нагрузки ограничено.

Выявлены закономерности развития деформации уплотняемого материала в зависимости от основных законов его нагружения, которые с достаточной степенью точности можно заменить прямоугольным, трапециевидным или треугольным (рис. 1).

Рис. 1. Законы нагружения (а) и развития деформации (б) слоя уплотняемого материала

Выражения связей между напряжениями и деформациями представлены в интегральном ваде с использованием мгновенных модулей деформации, максимально действующих напряжений, развивающихся под уплотнителями машин, и функций скоростей ползучести. Границы интегрирования определяются временем взаимодействия уплотнителей с дорожно-строительными материалами.

Так, например, если под гусеничным движителем принять равномерное распределение вертикальных контактных давлений (линия 1 на рис. 1,а), го развитие полной деформации вычисляется по закону (линия 1 на рис. 1,6)

Е I. о

Если при взаимодействии слабо накаченного пневматического колеса катка с уплотняемым материалом при свободном режиме качения, когда результирующее воздействие колеса на слой грунта представляется нормальной к направлению движения силой, закон изменения вертикальной нагрузки на слой со стороны движителя представляет собой сплюснутую параболу (линия 2 на рис. 1 ,а), то с определенной степенью точности его можно заменить трапециевидным законом нагружения и развитие полной деформации определяется по закону (линия 2 на рис. 1,6)

гт ('■ '3 '* ~

є,, = ІК,, и - т)Ыт + и , (/ - г)с!г -н4 ¡Кх, (/ - г)(1 - у-)Ыт

= -->1 Е

1 + | А'п(? - т)сіт

(5)

(6)

¡Кп((~т)гс/т + ^ \Ки(1-

При взаимодействии жесткого вальца катка или накаченного колеса можно принять параболический закон действия вертикальных контактных

давлений в зоне нх максимума (линия 3 на рис. 1,а). Тогда с определенной степенью точности его можно заменить треугольным законом нагружеиия и развитие полной деформации определяется по закону (линия 3 на рис. 1,6)

= !гт\ 1к" 0 - Г)Г£/Г + '« 1 к" и ~ г)(1 - 7~)Ыт '

Ь ' '2 \ О I, «4 ,

При этом мгновенный модуль деформации (при I - 0 с)

г

1+ ¡Ки(с-7)с1т

Е = _?------, (8)

Ы-х] •£(/)/<тп

где Ец - вертикальная относительная деформация слоя; б({) - вертикальная относительная деформация слоя при любом времени / и ступенчатом законе нагружения (законе Хевисайда); 0ц - максимальное давление под уплотнителем; Кц('.-т) - функция скорости вертикальной ползучести; 1ь , {3 и {4 - моменты времени, при которых происходит скачок скорости нагружения слоя грунта; т - текущее значение времени; - функция подобия базовой и любой другой кривой ползучести.

Для наиболее общего случая, когда уплотняемый материал работает в условиях сложного напряженного состояния, компоненты £у(1) тензора деформаций е,^) определяются каждая в отдельности з соответствии с особенностями развития деформаций (а, р, А и %к) в каждом направлении и закономерностями изменения соответствующей составляющей нагрузки со стороны уплотнителей. Это основное отличие представленного подхода от известных ранее, которое определяет его универсальность.

Главные деформации, определяющие объемную деформацию и изменение плотности уплотняемого материала, находятся из известного кубического уравнения, коэффициентами которого являются инварианты деформированного состояния, включающие соответствующие компоненты тензоров деформаций.

Предложена целевая функция, содержащая обобщенный критерий эффективности уплотнения дорожно-строительных материалов. Данный критерий представлен в виде удельных компонент девиатора тензора деформаций или контракции по отношению к обобщающему функционалу, включающему основные параметры общей взаимоувязанной системы "человек - машина - рабочий орган - объект воздействия - окружающая среда", определяющие эффективность уплотнения дорожных асфальтобетонных смесей и фунтов. Предложена система частных критериев, принимаем!,ix на основе учета реологических свойств уплотняемого материала и классифицированных по конструктивным параметрам уплотнителей, по технологическим режимам их работы, по параметрам состояния уплотняемого слоя и по условиям производства работ.

На основе известного блочно-иерархического принципа огшсания объектов проектирования разработана общая схема выбора технологиче-

ских режимов работы машин и технологических параметров процесса уплотнения дорожно-строительных материалов, отражающая достаточно тесные взаимные связи между реологическими свойствами уплотняемого материала, параметрами и режимами работы применяемых средств уплотнения и процессом их выбора с учетом особенностей взаимодействия уплотнителей с уплотняемым слоем дорожной асфальтобетонной смеси или грунта и условий производства работ.

Разработана концептуальная модель совершенствования технологии уплотнения грунтов земляного полотна и дорожных асфальтобетонні,їх смесей, обладающая свойством технологической инвариантности. Концептуальная модель позволяет формально производить решения задачи выбора оптимальных технологических режимов работы машин и технологических параметров процесса уплотнения дорожно-строительных материалов, начиная с первичного состояния процесса и переходя к их множеству на основе множества критериев эффективности и выборов технологических режимов работы и параметров процесса уплотнения. Модель отражает динамику процесса выбора технологических режимов работа машин и технологических параметров процесса уплотнения дорожно-строительных материалов, при этом, время остается независимым параметром.

На основе сформулированных принципов развития теории уплотнения дорожных асфальтобетонных и смесей грунтов, а также разработанного методологического подхода к оценке деформационных характеристик уплотняемых материалов предложена концепция совершенствования технологий уплотнения грунтов земляного полотна и дорожных асфальтобетонных смесей в иерархических средах системы "человек - машина - рабочий орган — объект воздействия — окружающая среда" на основе развития их реологии. При этом развитие реологии дорожных асфальтобетонных смесей и грунтов состоит в том, что в совокупности рассматриваемых в диссертации процессов исследуются закономерности изменения напряженно-деформируемого состояния уплотняемого материала во времени под действием нагрузок, развивающихся со стороны различных уплотнителей.

В третьей главе проведены теоретические исследования взаимодействия земляного полотна и дорожных одежд с уплотняющими элементами машин.

Установлено, что развитие деформаций материала во времени при его уплотнении вибрационной и статической нагрузками протекает по-разному и с различной интенсивностью, что физически объясняется различием структурных изменений в материале при его уплотнении (рис. 2).

На первом этапе цикла наїружения скорость деформации уплотняемого слоя при действии статической нагрузки выше, чем при действии вибрационной нагрузки, что объясняется превосходящим влиянием увеличенной массы статического уплотнителя по сравнению с вибрационным меньшей массы. На последнем этапе цикла нагружения, когда проявляется превосходящий эффект вибращюнного уплотнителя с меньшей массой над статическим уплотнением рабочим органом повышенной массы, скорость

развития деформации под последним будет меньше. Обратимая часть деформации при виброуплотнении имеет меньшую величин)' по сравнению с обратимой деформацией при статическом нагружении в силу меньшего сопротивления упруго-вязких сил, возникающих в уплотняемом материале со стороны минеральных частиц и заполнителя (рис. 2).

Рис. 2. Диаграммы развития контактных давлений (а), деформаций (б) и модулей деформации (в) во времени при нагружении слоя грунта или асфальтобетонной смеси: 1- статической нагрузкой; 2, 3 - вибрационной нагрузкой

Рис. 3. Диаграммы изменения напряжений и деформации уплотняемого слоя за один проход валыи катка

Оценку относительной эффективности вибрационного и статического воздействий на уплотняемый материал опорного основания по контактным давлениям следует проводить с учетом равенства необратимых деформаций за один цикл нагруження. При этом установлено, что условие равенства скоростей деформаций не может служить критерием при оценке относительной эффективности воздействия статической и вибрационной нагрузок, как это рекомендовано многими исследователями

На основе разработанной математической модели процесса взаимодействия вальца со слоем уплотняемого материала разработан метод выбора технологических режимов работы и параметров применяемых статических и вибрационных гладковапьцовых катков, учитывающий изменение физико-механических характеристик уплотняемого слоя во времени и включающий: определение предела прочности уплотняемого слоя в зависимости от его параметров состояния; расчет рациональных значений максимальных контактных давлений иод вальцом статического катка; определение времени воздействия вальца на уплотняемый слой, предварительно задавшись радиу сом и шириной вальца, а также скоростью движения катка; определение коэффициента эффективности виброкатка, его линейного давления и массы из условия равенства необратимых деформаций (ен + ен,)

уплотняемого слоя после прохода статического и виорационного вальца на основе предварительно заданных параметров вибрации - частоты колебаний и относительной вынуждающей силы. Для статической нагрузки, с учетом функций подобия

V6* ьы >ст 1 Хо

I

'к

¡кст (г - г)т,1т + 21к ] К„ а - г)(1 -

о

2'* + '„

т.

1+ }гся(.'-гИг

ХоОБ

!

для вибрационной нагрузки с учетом функций подобия:

и

21„

(9)

2-, 1 1*-Д/-г)гс?г + 2!. Г К^ (/ - г)(1 - -^-)с/г !'

21, I

(Ю)

У

о

Г 1]

где Хк - функции подобия кривых ползучести по параметрам вальца, технологических параметрам процесса уплотнения и параметрам состояния уплотняемого слоя; Хо — коэффициенты подобия базовой и теоретической кривых ползучести; Т(и г) - функции скорости ползучести для обратимых частей деформации; 2(к — полное время воздействия вальца на слой (рис. 3).

Проведено теоретическое исследование взаимодействия уплотняемого слоя с пневмоколесом транспортно-техкологичеекой машины (скрепера, автофейдера, пневмокатка и др.) в рамках четырехмерного подхода к оценке деформационных характеристик уплотняемого материала на основе разработанной математической модели. В качестве основного критерия эффективности взаимодействия уплотняемого материала с пневмоколесом принято приращение плотности дорожного материала после однократного прохода пи ев.мо ко леса, определяемое через относительное изменение объема. В рамках принятых допущений, ьключэютнкх изотропность среды, сплошность среды с отсутствием ее разрушения и линейную зависимость сдвига материала от глубины уплотняемого слоя, относительное изменение объема определяется главными деформациями среды, которые являются корнями кубического уравнения, включающего ««варианты деформированного состояния.

Каждая компонента относительных деформаций, входящая в инварианты кубического уравнения, определяется как независимая величина в соответствии с принятыми соотношениями нелинейной теории наследственной ползучести упруго-вязко-пластических тел с учетом времени и характера действия соответствующей нафузки в пятне контакта пнгвмоколеса с уплотняемым слоем, а также функций подобия, определяющих соотношения параметров состояния уплотняемого слоя, параметров грунтозаценов и

величин действующих нормальных и касательных напряжений в пятне контакта пневмоколеса с уплотняемым слоем.

Установлено, что коэффициент бокового расширения уплотняемого дорожно-строительного материала ямляется величиной непостоянной и зависит от времени действия приложенных нагрузок. Для грунта получена зависимость изменения коэффициента бокового расширения от времени, согласно которой в интервале времени действия нагрузки 0..,0,5 с наблюдается рост его значений, а в последствии, при больших значениях времени нагружения (порядка нескольких секунд и более), коэффициент принимает постоянное значение, характернее для данного типа грунта.

Разработан графо-аналктический метод определения величин нормальных и касательных напряжений в пятне контакта пневмоколеса траис-портно-технолоп-пеской машины с уплотняемым слоем грунта из условия равновесия сил и реакций, действующих на контактную поверхность со стороны пневмоколеса и опорного основания. На основе известного графического метода сходящихся сил, в соответствии с заданным режимом качения пневмоколеса, определяются законы распределения напряжений в пятке контакта, а при выбранной скорости качения колеса, -- время взаимодействия колеса со слоем через длину пятна контакта. После определения вертикальной деформации уплотняемого слоя за найденное время на основе нелинейной теории наследственной ползучести определяется новая площадь пятна контакта, а, следовательно, и новые значения нормальных и касательных напряжений, а также время воздействия пневмоколеса на материал уплотняемого слоя. Процесс расчетов повторяется до достижения равновесия сил и реакций, действующих в пятне контакта колеса и слоя.

Разработан упрошенный метод определения глубины колеи после прохода пневмоколеса по слою грунта для случая небольших сопротивлений передвижению колеса и тяговых нагрузок со стороны рабочих органов применяемых при уплотнении грунтов транспортно-техиологических машин, вызывающих незначительные сдвиговые деформации уплотняемого слоя. По результатам штамповых испытаний определяются реологические характеристики уплотняемого фунта методом наложения экспериментальной кривой податливости на семейство теоретических кривых ползучести. Далее определяются полное время воздействия колеса на уплотняемый слой, мгновенный модуль деформации слоя грунта в соответствии с заданными параметрам!! состояния слоя и максимальные контактные давления, развиваемые под катящимся пневмоколесом. Приняв закон изменения нормальных напряжений, действующих в пятне контакта колеса со слоем уплотняемого материала (трапециевидный или треугольный), с использованием принятых соотношений развития деформации на основе нелинейной теории наследственной ползучести определяется глубина колеи в уплотняемом слое после прохода пневмоколеса.

Установлено, что глубина колеи в уплотняемом слое грунта после прохода гусеничного движителя существенно зависит не только от положения центра давления, но и от фунтовых условий и конструкции гусе-

ничного движителя, определяемой, в первую очередь, типом подвески, а также от скорости передвижения транспсртно-технологической машины, что определяет скорость изменения напряженно-деформированного состояния грунта и время действия нагрузки на него. Последние два фактора имеют решающее значение в развитии колеи и изменении плотности фунта под гусеничным движителем.

Установлено также, что распределение давлений на уплотняемый грунт со стороны звена гусеничной цепи при перемещении по нему опорного катка должно определяться, учитывая реологические свойства грунта, через релаксационные процессы, происходящие во времени иод разными точками звена. При этом скорости погружения и выглубления шарниров звена примерно постоянны во времени, что позволяет описать траектории вертикальных перемещений для некоторых точек по длине звена гусеницы по треугольному закону, а для некоторых точек — по трапециевидному закону деформирования опорного основания. Используя взаимосвязь процессов ползучести и релаксации, представляется возможным определить расчетным путем величины действующих напряжений и эпюры распределения давлений под звеном гусеничного движителя в любой момент времени в соответствии с законом деформирования грунтового слоя.

В четвертой главе представлены результаты исследований физико-механических свойств дорожных асфальтобетонных смесей и фунтов.

В соответствии с разработанным реологическим подходом к оценке параметров уплотняемых дорожными машинами дорожно-строительных материалов исследованы реологические и прочностные свойства таких материалов как асфальтобетонные песчаные и мелкозернистые смеси, реологические характеристики песчаных, супесчаных и тяжелосуглинистых фунтов с использованием специально разработанных стендов, установок, устройств и способов, ка многие из которых получены патенты РФ. Выявлены различные закономерности в развитии деформации и изменении плотности дорожно-строительных материалов при их уплотнении.

Исследования проводились с широким применением теории математического планирования эксперимента, различной измерительно-регистрирующей аппаратуры, включая тензометрическую, а также с использованием специально разработанного программного обеспечения для ЭВМ по регистрации и обработке экспериментальных данных.

Проведена теоретическая и экспериментальная оценка влияния параметров функции скорости ползучести на интенсивность уплотнения дорожных асфальтобетонных смесей и фунтов. На примере асфальтобетонной смеси установлено, что интенсивность развития деформации зависит от разных параметров функции скорости ползучести и объясняется различным способом формирования структуры материала при его уплотнении, что сказывается на изменении закономерностей развития деформаций слоя асфальтобетонной смеси при различных технологических процессах уплотнения. Выявлено, что уплотнение асфальтобетонной смеси с вакуу-мированием повышает интенсивность уплотнения, и особенно - с приме-

иеннем вибрации. Именно поэтому дальнейшие исследования в этом направлении, представленные в диссертации, составили значительную часть.

Установлено, что с увеличением частоты колебаний и уменьшением нагрузки на штампе, при всех остальных постоянных условиях, деформация уплотняемого слоя снижается по определенному закону. Как показали исследования, расхождение а подобии кривых ползучести не превосходило 7... 10%. При анализе полученных закономерностей установлено, что влияние частоты колебаний на деформацию слоя в большей степени проявляется у мелкозернистой и песчаной невакуумированных асфальтобетонных смесей, чем у вакуумнрованных, что объясняется образованием более равномерной структуры смеси при в а ку у м и р о в ан и и.

Установлено, что величина относительной деформации слоя асфальтобетонной смеси уменьшается по определенному закону с увеличением плотности слоя. Расхождение в подобии кривых ползучести при изменении начальной плотности смеси не превышает 5... 8%. Повышенная деформационная способность песчаной асфальтобетонной смеси по сравнению с мелкозернистой смесью при повышенной плотности объясняется, в частности, ее более однородной структурой.

Установлено, что при уплотнении невакуумированных слоев песчаной и мелкозернистой асфальтобетонных смесей величину относительной вынуждающей силы Р/<3 при динамическом воздействии целесообразно повышать до 3...3.5, а при уплотнении вакумированных слоев смесей величина Р/<5 составляет не более 2,5. Дальнейшее увеличение Р/«3 приводит к незначительному росту деформации вакуумированных слоев асфальтобетонных смесей.

Установлено, что нелинейность свойств уплотняемого материма, проявляющаяся в повышенна модуля деформации при возрастании нагрузки, в большей степени выражается у вакуумированных слоев асфальтобетонной смеси. Эта нелинейность тем выше, чем выше температура слоя. При температуре 70°С вакуумирование практически не проявляет своего эффекта.

Установлено также, что вакуумирование оказывает положительное влияние на структуру асфальтобетона. При этом наблюдается увеличение прочности вакуумироварных слоев асфальтобетонной смеси по отношению к прочности невакуумированных слоев. Это позволяет производить уплотнение без разрушения сплошности слоя при повышенных нагрузках или при более высоких температурах асфальтобетонной смеси. Так, значение коэффициента превышения предела прочности слоя вакуумнрованной смеси к пределу прочности слоя невакуумированной смеси у песчаной смеси составляет !... 1,12, а у мелкозернистой - 1... 1,15, при этом наибольшие значения как в первом, так и во втором случае находятся при коэффициенте уплотнения 0,83...0,92, температуре смеси 130°С и максимальной толщине слоя асфальтобетонной смеси.

Предложен способ определения физико-механических характеристик слоя грунта и разработано устройство для исследования физико-механических характеристик слоя грунта. В результате проведенных лабо-

раторных исследований получены уравнения регрессия, характеризующие изменение деформаций слоя грунта в зависимости от вертикальней и реверсивной горизонтальной нагрузок на штампе с размерами 300x300 мм, влажности и плотности слоя фунта, параметров фунтозацепов уплотнителей - угла установки, шага и высоты фунтозацепов. Установлено, что вертикальная деформация слоя фунта увеличивается с увеличением вертикальной и горизонтальной (сдвиговой) нафузок, а горизонтальная (сдвиговая) деформация увеличивается с увеличением сдвиговой нафузки и уменьшением вертикальной нафузки на штампе. При увеличении влажности и уменьшении плотности фунта деформации увеличиваются. При увеличении численных значений параметров фунтозацепов вертикальные деформации слоя фунта увеличиваются, а при уменьшении угла установки фунтозацепов и их высоты, и увеличении шага фунтозацепов сдвиговые деформации увеличиваются. В результате обработки на ЭВМ экспериментальных данных определены параметры базовых кривых ползучести.

Предложены и апробированы в полевых условиях способ определения физико-механических характеристик слоя фунта и устройство для его осуществления, позволяющее нафужать слой грунта динамической на-фузкой через круглый штамп. На основе экспериментальных данных выявлены закономерности развития вертикальной и горизонтальной (поперечной) деформаций фунта в зависимости от максимальных контактных давлений под штампом, времени действия нафузки и толщины слоя, которые позволили изучить кинетику изменения величины коэффициента поперечной деформации слоя фунта..

Разработаны конструкция переносной установки и способ, позволяющие исследовать реологические свойства слоя фунта и асфальтобетонной смеси небольшой толщины в цилиндрических координатах. Получены результаты исследований реологических характеристик различных грунтов на объектах транспортного строительства Липецкой области.

Развитие реологии дорожных асфальтобетонных смесей и фунтов позволило выявить новые закономерности в развитии деформации уплотняемых слоев на пути разработки и совершенствования технологий их уплотнения. Установлено, что интенсивность развития деформации зависит от разных параметров функции скорости ползучести. Так, повышение интенсивности развития деформации слоя смеси под действием вибрационной нагрузки, по сравнению с развитием деформации под действием статической нафузки, определяется, в первую очередь, увеличением параметра А, а повышение интенсивности развития деформации вакуумированного слоя смеси, по сравнению с развитием деформации невакуумированного слоя смеси, определяется, в первую очередь, уменьшением параметра а.

Такое различие зависимостей интенсивности развития деформации слоя от разных параметров функции скорости ползучести объясняется разными способами формирования структуры асфальтобетона, что сказывается на изменении закономерностей развития деформаций слоя асфальтобетонной смеси при различных технологических процессах уплотнения.

Таким образом, развитие реологии дорожных асфальтобетонных смесей и грунтов, представленное в главе 2 и главе 3, позволило выявить новые существенные закономерности в развитии деформации уплотняемых слоев дорожно-строительных материалов на пути разработки и совершенствования технологий их уплотнения.

В пятой главе проведены исследования технологических процессов уплотнения дорожных асфальтобетонных смесей и грунтов.

На основе известных методов формализации динамических систем разработаны обобщенные динамические модели различных процессов уплотнения, учитывающие как основные параметры самой машины, применяемой при уплотнении, так и реологические свойства уплотняемого материала, что позволило произвести не только качественную, но и количественную оценку динамики системы «уплотнитель - материал». Параметры уплотняемого дорожно-строительного материала представлены физико-механическим параметром, являющимся отображением его модуля деформации на единицу толщины уплотняемого слоя. В зависимости от типов применяемых уплотнителей даны рекомендации по учету тех или иных элементов в динамической модели.

Математическое моделирование рабочего процесса вибрационных дорожных катков показало, что первая половина процесса уплотнения асфальтобетонной смеси требует незначительного расхода мощности на поддержание колебаний вибровальцов. Начиная с коэффициента уплотнения 0,96, указанная мощность постепенно растет от прохода к проходу катков. На начальном этапе процесса уплотнения указанная мощность у виброкатка в 2,5...3 раза выше, чем у виброкатка с вакуумным устройством (ВУ). На завершающем этапе процесса уплотнения соотношение увеличивается до 10...12. Таким образом, при уплотнении вакуумированных слоев асфальтобетонных смесей виброкатками значительно экономится мощность на привод вибратора, повышая энергоэффективнос гь процесса уплотнения.

В лабораторных условиях установлено, а при полевых испытаниях подтверждено, что рациональные значения контактных давлений под вальцом катка зависят от текущей плотности асфальтобетонной смеси. С увеличением плотности смеси контактные давления приближаются к пределу прочности материала. Рациональные значения относительных контактных давлении при уплотнении вакуумированных слоев асфальтобетонных смесей е 1,5...2,0 раза ниже, чем при уплотнении невахуумированных слоев за счет повышенных пределов прочности вакуумированных слоев асфальтобетонной смеси по сравнению с невакуумированными и за счет снижения внутренних остаточных напряжений в уплотняемом слое, а, следовательно, и модуля деформации слоя при его вакуумировании, что требует меньших контактных нагрузок со стороны рабочих органов уплотняющих машин.

Многочисленными исследованиями установлено, что применение новой технологии, включающей виброуплотнение с вакуумированием, позволяет сократить количество проходов катков по одному следу в 1,5...2 раза, повышая производительность катков. При этом существенно улуч-

шг-отся такие показатели качества, как кодонасыщенне, водостойкость н длительная водостойкость, сдвигоустойчивость, предел прочности, морозоустойчивость асфальтобетона и др., что ведет к увеличению срока службы асфальтобетонных дорожных покрытий в 1,5...2 раза. Так, совместное действие вибрации и вакуумирования на одном катке ДУ-54 позволило достичь при 8 проходах катка коэффициент уплотнения Куг;-0,97 и водона-сыщение \¥--2,1%, что превышает соответствующие показатели, достигнутые по сравнению с укаткой катками: статическим с ВУ - на 1% и на 45%; вибрационным - на 2% и на 64%; статическим - на 3% к на 74%,

Прочность асфальтобетона, полученного при уплотнении виброкатком с ВУ, выше по сравнению с уплотнением: вибрационным катком - на 4,9%; статическим катком с ВУ — на 6,1%; статическим катком - на 13,9% при коэффициенте уплотнения образцов., равно»,! 0,96. Причем эта разница увеличивается с повышением плотности образцов.

При требуемой нормируемой плотности прочность асфальтобетона при уплотнении его виброкатком с ВУ повышается как минимум на 10... 15%; повышенные показатели длительной прочности свидетельствуют о создании наиболее оптимальной структуры у асфальтобетона, уплотненного виброкатком с ВУ; уплотнение виброкатком с ВУ повышает устойчивость адгезионных связей между компонентами битума 55 каменным материалом, что обеспечивает повышенные значения показателей водостойкости и длительной водостойкости.

Сопоставление коэффициентов интенсивности накопления деформаций уплотняемого слоя по проходам катков ДУ-54 и ДУ-47А, полученных при полевых испытаниях и расчетным путем, дает расхождение в большинстве случаев в пределах 10... 15%, что является удовлетворительным и подтверждает правомерность теоретических разработок.

Полевые имитационные исследования процесса уплотнения грунта автогрейдером ДЗ-201 на базе колесного трактора ЛТЗ-55А позволили получить экспериментальные данные по влиянию сопротивления грунта разработке, скорости движения и давления воздуха в шинах колес на величину колеи и плотность грунта после прохода передних и задних колес. В частности установлено, что с увеличением скорости движения трактора с 1,3 м/с до 2,1 м/с глубина колеи слегка уменьшается, а плотность грунта после прохода передних и задних колес трактора увеличивается, чго можно объяснить только с позиций предложенного методологического подхода к оценке параметров деформируемого опорного основания.

Исследована и проанализирована кинематика шарниров гусеничной цепи, как уплотнителя, в лабораторных условиях на специально изготовленном стенде. Установлено, что с увеличением силы натяжения гусеницы и скорости движения опорного катка и с уменьшением толщины уплотняемого слоя вертикальные перемещения шарниров цепи уменьшаются. При этом изменение траектории вертикальных перемещений шарниров гусеничной кепи во времени можно описать треугольным законом. Предложен критерий физического моделирования взаимодействия гусеничного движи-

теля с деформируемым опорным основанием, учитывающий величины нагрузок в движителе и свойства опорного основания.

Полевые исследования процесса уплотнения грунга гусеничным бульдозером на базе трактора ДТ-75 показали, что при увеличении тяговой нагрузки и уменьшении скорости бульдозера глубина колеи и плотность грунта увеличиваются. Увеличение тяговой нагрузки изменяет эпюру нормальных и касательных напряжений под движителем, увеличивая их максимальные значения. Уменьшение скорости бульдозера ведет к увеличению времени действия на слой грунта действующих нагрузок. Как в первом, так и во втором случаях это подтверждает результаты проведенных теоретических исследований, основанных на применении теории наследственной ползучести упруго-вязко-пластических сред.

В шестой главе представлены методы разработки и совершенствования технологий уплотнения дорожных асфальтобетонных смесей.

На основе анализа результатов расчета параметров и технологических режимов работы дорожных гладковальцовнх катков разработан метод совершенствования технологии уплотнения асфальтобетонных дорожных покрытии, учитывающий изменение реологических свойств при их уплотнении. а также условия производства работ. Учитывая влияние на процесс ушютнеши асфальтобетонной смеси ее температуры, плотности и толщины слоя, радиуса и ширины вальцов катка, а также технологических режимов работы катков: частоты колебаний вибровальца, относительной вынуждающей силы и скорости движения катка, метод позволяет определить:

- требуемое линейное давление применяемого статаческого катка, которое находится в определенной зависимости от текущего значения предела прочности слоя асфальтобетонной смеси и соотношения последнего с рациональными контактными давлениями под вальцами;

- коэффициент эффективности виброкатка по отношению к статическому катку с аналогичными значениями конструктивных параметров катка;

- комплексный параметр ц/К виброкатка, где д - линейное давление катка при выключенном виброБОзбудителе колебаний, Я - радиус сальца катка;

- необратимую часть деформации е„ после каждого прохода п катка.

На основании проведенных теоретических исследовании и предложенного алгоритма расчета разработаны соответствующие программы расчета на ЭВМ.

На рис. 4 представлены примеры расчетов в виде зависимостей оценочных показателей процесса уплотнения асфальтобетонной смеси при начальных значениях температуры смеси 120°С, коэффициенте уплотнения слоя 0,96, толщине слоя 5 см, частоте колебаний вибровальцов 50 Гц, относительной вынуждающей силе Р/С? = 2, радиусе вальцов 0,5м, скорости движения катка 0,5 м-с"1.

Связывая производительность дорожного катка со скоростью его движения, числом проходов но одному следу и степенью уплотнения материала за один проход, необходимо дополнительно учитывать и такие технологические особенности рассматриваемой операции, как изменение пре-

N *'■•«. 4 I'" N

1 4 **

|

«¡Т.

к. С -103 ЙГы МО;

2.0 9 •о

О.Оо

№

1-5 О.С<

1.

1,» ? ш

40

(1, (И

1,4

и 2

90 100 110 120 Теииртрг !р!д

90 1К> 110 ПО I» Тешгрилра, гри

чк

кПм МО»

70

«0 0,«

50

0.03

40

30 о.м

20

0,03

10

1.02

/ -

-ч—

Татава стоя. ш

, \

.X

"Ч.

-у-"-

\ N г/

ч л

/ 4 ч > "у

< > ' ->ч / ч

3 к. •ч.

1 V /

.Л * 'ч ;

/ ч \

I "К

Рис. 4. Зависимость оценочных показателей катков от рабочей скорости движения, температуры смеси и толщнны уплошчемого слоя:

1 - линейное давление статического с ВУ (а) и статического (б) катков;

2 - параметр q/R вибрационного с ВУ (а) и вибрационного (б) катков;

3 - коэффициент Кэ вибрационного с ВУ (а) и вибрационного (б) катков;

4 — необратимая часть деформации вакуумированного (а) и иевакуумироваиного

(б)слоев

дела прочности и параметров состояния уплотняемого материала, режимы работы и параметры дорожных катков.

Выбор технологических параметров процессов уплотнения асфальтобетонных смесей производился на основе разработанных методов оценки их взаимодействия с различными уплотнителями путем имитационного моделирования с применением метода перебора и метода циклического покоординатного спуска в соответствии с выбранными критериями эффективности.

Установлено, что при уплотнении песчаной и мелкозернистой асфальтобетонных смесей расхождение в оценочных показателях находится в пределах 5...8%, что позволяет применять дорожные катки с одинаковыми параметрами для их уплотнения, но с разными технологическими режимами работы, включающими скорость укатки, параметры вибрации, температурные режимы укатки, число проходов катков и т.д.

На основании выполненных исследований предложена и апробирована на объектах дорожного строительства технология уплотнения асфальтобетонных дорожных покрытий при использовании виброкатка с ВУ. Даны рекомендации по использованию существующих у нас в стране виброкатков для уплотнения дорожных асфальтобетонных покрытий при использовании на них вакуумного устройства.

Установлено, что рациональная масса виброкатка с ВУ составляет 4...4,2 т, линейное давление 17...18 кН-м"1 при диаметре вальцов, равном 1000 мм. Интервал изменения частоты колебаний вибровальца составляет 40...60 Гц, относительная вьнгуждающая сила находится в интервале 1...2,3, при этом величина статического момента дебалансов составляет 0,16 кг-м. Величина разрежения в вакуумной камере составляет 5...10 кПа. Определен температурный интервал использования виброкатка с ВУ, который равен 120...80°С. Необходимое количество проходов виброкатка с ВУ для достижения требуемой плотности асфальтобетонного покрытия назначается 6....8. Скорость виброкатка с ВУ меняется в пределах 0,5—0,8 м-с"1. Разработана технология уплотнения смесей таким катком (рис. 5).

»=3

о=4 п=? и;"

У», Є.1С3

Температура »сфчьтобетонной сійся, грід.. СІ2 Ц939 "0«7 53« 0,573 Ц97І 0.9Ї10^31

Кс»фф:д15ккт чтиошааи

Рис. 5. Технологические режимы работы и параметры рекомендуемого виброкатка с вакуумным устройством:

Г- частота колебаний вальца; Р/'(3 - относительная вынуждающая сила виброБОзбудителя колебаний; V, - скорость движения катка; Е„ — относительная необратимая деформация слоя на соответствующем проходе п катка.

Для катка ДУ-47Б с ВУ в рамках предложенного блочно-иерархичсского описания представлений о выборе параметров и режимов работы произведен расчет оптимальных параметров и режимов работы по проходам катка в процессе уплотнения асфальтобетонной смеси в различных вариантах.

Установлено, что максимальная производительность виброкатка с ВУ лежит в интернате значений скоростей от 0,4 до 0,85 м/с. Этот интервал скоростей соответствует увеличенному значению массы Еиброкатка с ВУ, что отвечает общей тенденции увеличения массы виброкатков в дорожном строительстве.

Установлено, что коэффициенты эффективности на первом этапе процесса уплотнения составляют у виброкатка с ВУ 1,3...1,5, у виброкатка -1,7...2,0 по отношению к статическому катку с ВУ и обыкновенному статическому катку соответственно. На завершающем этапе уплотнения (при Ку ~ 0,98) коэффициент эффективности в обоих случаях составляет 2,5...3,0.

Расчетным путем подтверждена возможность применения вибрационных катков с постоянными параметрами вибрации только на промежуточном этапе процесса уплотнения.

Разработаны и защищены патентами РФ конструкции вакуумных камер бесконтактного типа (БВК) к дорожному катку, как устройства или технические средства, повышающие эффективность и качество уплотнения асфальтобетонной смеси катками путем изменения реологических и эксплуатационных свойств асфальтобетона. При испытаниях макетного и экспериментального образцов БВК подтверждена работоспособность предложенной конструкции и исследованы ее основные технические характеристики.

Разработаны технологические схемы уплотнения горячих асфальтобетонных смесей укаткой с применением статических, вибрационных, пнев-моколесных, трехвальцовых катков, а также катко и в ВУ (БВК). Некоторые из них апробированы на объектах дорожного строительства Ленинградской области.

Даны рекомендации по разработке и совершенствованию технологических процессов уплотнения дорожных асфальтобетонных смесей, основанные на развитии их реологии.

В седьмой главе представлены методы разработки и совершенствования технологий уплотнения грунтов земляного полотна.

Установлено, что при уплотнении грунтов земляного полотна колесными и гусеничными технологическим» средствами, работающими при различных условиях и в различных составах, следует рассматривать различные подходы к выбору технологических режимов работы уплотняющих средств с соответствующими параметрами в зависимости от поставленной задачи, учитывая их конструктивные особенности. Интенсивность уплотнения грунтов колесными уплотнителями определяется, помимо известных фзкторов, колесной формулой применяемой машины и типом межмостового дифференциала. При уплотнении фунтов гусеничными уплотнителями

эффективность уплотнения определяется типом подвески машины и формой распределения давлений гусеничного движителя на фунт.

Установлено, что на уплотняющую способность колесной дорожной машины оказывает влияние распределение ее массы по осям, причем экстремум функции плотности гру!гта (её максимальное значение) приходится на симметричное распределение веса по осям. При развесовке 0,4/0,6 (передний мост/задний мост) и 0,6/0,4 происходит снижение плотности грунта относительно симметричного распределения веса.

На основе полученной математической модели взаимодействия пнев-моколеса с деформируемым опорным основанием разработана методика расчета показателей взаимодействия колесного уплотняющего средства с деформируемым грунтом земляного полотна, которая позволяет определить значения объёмной, вертикальной и горизонтальной деформаций грунта, его плотность после прохода переднего и заднего колес, сопротивление движению и величину буксования. Для колесных уплотняющих машин с колесной формулой 4К4 необходимо дополнительно проводить корректировку по распределению величин силы тяги на передних и задних колесах из условия равенства величин буксования.

Установлено, что с увеличением скорости движения колесной уплотняющей машины грунт под движителем расширяется в стороны на меньшую величину, что влечет за собой более интенсивное увеличение объёмной деформации и, как следствие, увеличение плотности грунга, по сравнению с ростом вертикальной деформации. Величины буксования также обратно пропорционально зависимы от скорости движения машины.

Разработан метод совершенствования технологий уплотнения фунтов земляного полотна гусеничными технологическими средствами. Установлено, что выход на оптимальные режимы движения гусеничных дорожных машин в технологическом процессе разработки и уплотнения грунтов можно осуществить, применяя математическую модель взаимодействия гусеничного движителя с грунтом, учитывающую его реологические свойства, а также учитывая исследования в области определения оптимальных тяговых характеристик гусеничной уплотняющей машины.

На основе разработанных математической модели и программ расчета на ЭВМ установлено, что с увеличением скорости движения гусеничного трактора горизонтальная и вертикальная деформации слоя грунта, при всех других равных условиях, уменьшаются. Наблюдается закономерность увеличения глубины колеи при увеличении смещения центра давления гусеничного уплотнителя вперед.

Разработаны рекомендации по совершенствованию технологических процессов уплотнения грунтов на основе развития их реологии. Построены номограммы для определения деформации и плотности фунта, буксования н коэффициента сопротивления движению колесных и гусеничных уплотняющих машин при выполнении различных технологических операций при сооружении земляного полотна. Разработаны ирограммы для ЭВМ, позволяющие более точно определить указанные показатели.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработано новое научное направление в области строительства автодорог при исследовании технологических процессов уплотнения грунтов земляного полотна и дорожных асфальтобетонных смесей, предусматривающее комплексное решение задач развития теории уплотнения на основе развития их реологии и базирующееся на аналитическом описании процессов взаимодействия дорожно-строительных материалов с различными уплотнителями. Эффективность этого направления состоит в том, что оно предполагает более глубокое проникновение в физическую сущность процессов уплотнения, способствует лучшему пониманию этой сущности и позволяет определять пути воздействия на процессы с целью повышения качества и эффективности уплотнения грунтов земляного полотна и дорожных асфальтобетонных смесей путем совершенствования технологий уплотнения.

2. Разработаны методологические основы совершенствования технологий уплотнения грунтов земляного полотна и дорожных асфальтобетонных смесей, являющиеся одним из основных направлений развития и совершенствования технологий дорожного строительства, с разработкой и применением математических моделей взаимодействия различных уплотнителей с дорожно-строительными материалами на основе дальнейшего развития их реологии с применением теории наследственной ползучести упруго-вязко-пластичных материалов и с использованием экспоненциально-степенных функций скоростей ползучести и релаксации напряжений. При этом на основе проведенных исследований установлено, что точность в расчетах показателей процесса уплотнения может быть повышена в 3...8 раз, в зависимости от времени взаимодействия уплотнителя с уплотняемым материалом.

3. Установлено, что методология совершенствования технологий уплотнения грунтов земляного полотна и дорожных асфальтобетонных смесей должна строиться с учетом режимов движения уплотнителей (ведущего, ведомого и др.), а при расчете напряженно-деформированного состояния дорожно-строительных материалов компоненты девиаторов напряжений и деформаций должны рассчитываться с учетом особенностей взаимодействия уплотнителей с уплотняемой средой, включающих время взаимодействия, скорость изменения напряженно-деформируемого состояния, а также с учетом функций подобия, учитывающих неизвестные закономерности структурных изменений в уплотняемом слое материала, и выраженных через уравнения регрессии, полученные экспериментальным путем.

4. Выполненное аналитическое описание процессов уплотнения дало возможность разработать методологию совершенствования технологий уплотнения дорожно-строительных материалов, которая включает: математические модели, отражающие сущность и динамику процессов; показатели оценки последствий взаимодействия уплотнителей с уплотняемой

средой и методы их определения для различных уплотнителей и условий производства работ; рекомендации, направленные на решение проблемы повышения качества и эффективности уплотнения грунтов земляного полотна и дорожных асфальтобетонных смесей. Важная особенность аналитического описания процессов уплотнения грунтов и асфальтобетонных смесей состоит в его универсальности, когда решение общей задачи теории уплотнения пригодно для описания частных случаев уплотнения путем подстановки соответствующих значений параметров моделей. Это служит методической основой использования частных случаев для достоверной оценки показателей технологических процессов уплотнения грунтов земляного полотна и дорожных асфальтобетонных смесей.

5. На основе выполненной конкретизации классификационных признаков уплотняющих воздействий на дорожные асфальтобетонные смеси и грунты, сформулированных принципов построения их реологических моделей, а также системы критериев эффективности их уплотнения разработана концептуальная модель совершенствования технологий уплотнения грунтов земляного полотна и дорожных асфальтобетонных смесей на основе развития их реологии. Установлено, что одним из путей выбора технологических режимов работы применяемых уплотнителей и технологических параметров процессов уплотнения является использование развития реологии дорожно-строительных материалов, анализ полученных представлений об их изменяющихся свойствах на базе предложенных критериев эффективности, учет интенсивности изменения и времени действия уплотняющих нагрузок, конструктивных особенностей применяемых машин и условий производства работ.

6. Предложен методологический подход к оценке деформационных характеристик грунтов земляного полотна и дорожных асфальтобетонных смесей, основанный на теории деформирования нелинейных упруго-вязко-пластичных материалов с применением теории наследственной ползучести и экспоненциально-степенных ядер и базирующийся на исследовании реологических характеристик через отдельные простейшие стороны их взаимодействия с уплотнителями. При этом физическая суть этого взаимодействия основывается на общих законах физики и лежит в основе больших групп сложных задач, решаемых современной прикладной механикой. Показано, что, моделируя процесс нагружения слоя дорожной асфальтобетонной смеси или грунта посредством плоского штампа, имеется реальная возможность перехода к описанию процесса деформирования при взаимодействии его с различными уплотнителями выбранных средств уплотнения. При этом расчетные значения параметров материала уплотняемого слоя — модули сдвиговой и линейной деформации, а также коэффициент поперечной деформации,- инвариантны методам их определения для получения универсальной модели, пригодной для моделирования процессов взаимодействия земляного полотна и дорожных одежд с уплотняющими элементами машин.

7. Найдены приемы корректирования определяемых показателей эффективности технологических процессов уплотнения дорожно-строительных материалов путем учета дополнительных факторов: влияния скорости изменения и времени действия нагрузок со стороны традиционных уплотнителей через интегральные уравнения связей между развивающимися деформациями и действующими напряжениями в уплотняемом материале; влияния реологических особенностей уплотняемого материала через параметры функций скоростей ползучести и релаксации, представленных в виде экспоненциально-степенных выражений; влияния параметров состояния слоя уплотняемого материала, параметров груитозацепов колесных и гусеничных уплотнителей и параметров вибрации дорожных катков, представленного через функции подобия в виде уравнений регрессии, полученных экспериментальным путем.

Расчетным путем установлено, что интенсивность уплотнения грунтов колесными уплотнителями определяется, помимо указанных факторов, колесной формулой и типом межмостового дифференциала применяемой машины. При уплотнении фунтов гусеничными уплотнителями эффективность уплотнения определяется типом подвески машины и формой распределения давлений гусеничного движителя на грунт.

8. Установлено, что интенсифицировать процесс уплотнения с одновременным повышением качества уплотнения дорожно-строительных материалов бозможно по двум направлениям:

- изменяя их реологические характеристики (параметры функций скоростей ползучести и модули деформации) и повышая прочностные свойства уплотняемых материалов путем подбора составов уплотняемых материалов или применения новых физических эффектов (технологий) в строительстве;

- варьируя величинам!! технологических параметров процесса уплотнения с учетом условий производства работ, режимами работы и параметрами применяемых средств уплотнения с учетом соответствия напряженно-деформированного состояния уплотняемых материалов их несущей способности, а также с учетом закономерностей его изменения под действием нагрузок, развивающихся со стороны уплотнителей, на основе использования функций подобия и применяемых критериев эффективности.

При этом наибольший эффект уплотнения может быть получен при совмещении этих двух направлений, что приведет к развитию и созданию конкурентно-способных технологий уплотнения дорожных асфальтобетонных смесей и грунтов, обеспечивающих интенсификацию процессов уплотнения, повышение качества возведения земляного полотна и дорожных одежд при снижении трудовых, материально-технических и топливно-энергетических ресурсов.

9. Проведено расчетно-теоретическое обоснование методе з разработки и совершенствования технологий уплотнения грунтов земляного полотна и дорожных асфальтобетонных смесей. Разработанные математические модели взаимодействия жесткого вальаа, пневматического колеса и гусенич-

ного движителя с уплотняемыми дорожно-строительными мачсрти'г.ми дали возможность объяснить многие противоречивые результаты различных исследователей. Установлено, что максимальная эффективность использования вибрскатка с ВУ лежит в интервале значений скоростей от 0,4 до 0,85 м/с, который соответствует увеличенному значению массы виброкатка с ВУ, что отвечает общей тенденции увеличения массы виброкатков и применения их с постоянными параметрами вибрации на промежуточной стадии уплотнения в дорожном строительстве. Выявлено, что при обеспечении несущей способности асфальтобетонной смеси эффективность вибрационных катков, по сравнению с катками статического действия, повышается к концу процесса уплотнения. Установлено также, что при определенных условиях производства работ увеличение скорости движения колесного уплотнителя может приводить к уменьшению колеи при одновременном увеличении плотности уплотняемого материала.

10. Предложены способы определения физико-механических характеристик различных дорожных асфальтобетонных смесей и фунтов и разработаны устройства для их осуществления, позволяющие оперативно как в лабораторных, так и в полевых условиях получать значения искомых величин. В результате лабораторных исследований получены уравнения регрессии, характеризующие изменение модулей деформаций уплотняемых слоев в зависимости от вертикальной и горизонтальной нафузок на штампе, параметров состояния уплотняемого слоя, параметров грунтозацепов колесных и гусеничных уплотнителей, а также параметров вибрации вальцов дорожных катков.

11. Разработаны консгрукщш вакуумных камер бесконтактного типа (БВК) к дорожному катку (патенты РФ №1832784 и №2011728), а также способ уплотнения асфальтобетонных смесей (патент РФ №2006545), позволяющие повысить долговечность дорожных покрытий, повысить эф-фегстивностъ и интенсивность их уплотнения. При испытаниях макетного и экспериментального образцов БВК исследованы и определены ее основные технические характеристики, а также подтверждена работоспособность предложенной конструкции.

12. Предложена и апробирована технология уплотнения горячих асфальтобетонных смесей при использовании виброкатка с ВУ. Даны рекомендации по использованию существующих у нас в стране виброкатков для уплотнения дорожных асфальтобетонных смесей при установке на них вакуумного устройства. Разработаны технологические схемы уплотнения горячих асфальтобетонных смесей укаткой с применением катков с ВУ и БВК.

13. Результаты оценки интенсивности уплотнения фунтов земляного полотна и дорожных асфальтобетонных смесей на экспериментальных участках с применением дорожных катков ДУ-54 и ДУ-47Л, колесного трактора ЛТЗ-55А при имитации работы автофейдера, а также бульдозера ка базе гусеничного трактора ДТ-75М показали незначительную разницу между экспериментальными и расчетными значениями показателей, что

подтверждает правомерность теоретических положений. Научная, практическая и экономическая значимость полученных результатов подтверждены их внедрением на ряде предприятий.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих

основных работах:

Статьи е изданиях, входящих в перечень ВАК:

1. Носов, C.B. Динамическая модель вибрационного катка с вакуумным устройством /С.В.Носов, В.В.Носов //Известия вузов. Строительство и архитектура,- Новосибирск,- 1991,- № 7,- С. 101-107.

2. Носов, C.B. К вопросу по определению модуля деформации уплотняемых слоев дорожно-строительных материалов /С.В.Носов, В.В.Носов //Известия вузов. Строительство.- Новосибирск.- 1991,- № 10.- С. 104-10S.

3. Носов, C.B. Особенности технологии уплотнения дорожных покрытий катками при использовании на них вакуумных устройств /С.В.Носов //Строительные и дорожные машины,- 1999.- №9.- С. 6-9.

4. Носов, C.B. Влияние технологических параметров дорожных катков на уплотнение асфальтобетонной смеси /C.B.Носов //Строительные и дорожные машины.- 2001.- №7.- С.5-7.

5. Носов, C.B. Выбор функции влияния при исследовании реологических свойств опорного основания /С.В.Носов //Тракторы и сельскохозяйственные машины.- 2006.- № 10.- С. 19-21.

6. Носов, C.B. Математическая модель взаимодействия гусеничного движителя с опорным основанием /С.В.Носов, Н.Е.Перегудов // Тракторы к сельскохозяйственные машины.- 2006.- № 11.- С. 29-33.

7. Носов, C.B. Развитие деформации и изменение плотности почвогрунта под траком гусеничной машины /С.В.Носов, Н.Е.Перегудов // Тракторы и сельхозмашины,- 2009,- № 11.- С.14-16.

8. Носов, C.B. Уплотнение асфальтобетонных смесей с вахуумироЕанием /С.В.Носов //Наука и техника в дорожной отрасли,- 2010.- №3,- С. 36-39.

9. Носов, C.B. Технологические режимы работы уплотняющих машин и закономерности уплотнения дорожно-строительных материалов на основе развития их реологии /С.В.Носов // Научный вестник Воронеж, гос. арх.-строит. ун-та. Строительство и архитектура.- 2011,- № 3 (23).- С. 87- 98.

10. Подольский, Вл.П. Развитие реологии дорожно-строительных материалов с целью совершенствования технологий их уплотнения / Вл. П. Подольский, О.В.Рябова, С.В.Носов // Научный вестник Воронеж, гос. арх.-строит. ун-та. Строительство и архитектура,- 2011.- № 3 (23).- С. 99 - 108.

11. Носов, C.B. Принципы развития теории уплотнения и концептуальная модель формирования технологий уплотнения дорожно-строительных материалов /С.В.Носов, Г.М.Бутузов.- Вестник ВолгГАСУ.- Сер. Стр-во и архит,- Волгоград.- 2012,- вып. 27(46).- С. 16-21.

12. Носов, C.B. Методы совершенствования технологий уплотнения дорожных грунтов на основе развития их реологии /С.В.Носов // Научный вестник Воронеж, гос. арх.-строит. ун-та. Строительство и архитектура,-2012,- №4 (24).- С. 41-52.

13. Носов, C.B. Технология уплотнения горячих асфальтобетонных смесей с применением вибрационных катков с вакуумным устройством /С.В.Носов // Научный вестник Воронеж, гос. арх.-строят, ун-та. Строительство и архитектура,- 2012.- № 4 (24).- С. 53-63.

14. Носов, C.B. Математическая модель процесса уплотнения грунта пнев-моколесом дорожно-строительной машины /С.В.Носов //Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г.Шухова. 2013,-№3,- С. 31-34.

15. Носов, C.B. Математическое моделирование процесса уплотнения дорожно-строительных материалов жестким вальцом дорожного катка /С.В.Носов //Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г.Шухова. 2013.- №4,- С. 31 - 35.

16. Носов, C.B. Интенсивная технология уплотнения дорожных асфальтобетонных смесей при изменении их реологических свойств /С.В.Носов //Известия вузов. Строительство.- Новосибирск,- 2013,- №5.- С. 81-89.

Монографии, учебные пособия и патенты, научные статьи:

17. Носов, C.B. Мобильные энергетические средства: выбор параметров и режимов работы через реологические свойства опорного основания: монография /С.В.Носов.- Липецк: ЛГТУ, 2006.- 228 с.

18. Носов, C.B. Современные методы исследований: учебное пособие /C.B.Носов, В.В.Носов.- Липецк: ЛГТУ, 2000,- 83 с.

19. Пат. 1832784 Рос. Федерация. Дорожный каток /С.В.Носов, В.В.Носов; № 4748518/33; заявл. 16,10.89; опубл. 16.06.93. Бюл. №29,- 5 с.

20. Пат. 2086545 Рос. Федерация. Способ уплотнения слоя асфальтобетонной смеси /С.В.Носов, В.В.Носов, А.А.Шестопалов, Э.И.Деникин; № 4883530/33; заявл. 21.11.90; опубл. 30.01 94. Бюл. № 2,- 5с.

2¡.Пат. 2011728 Рос. Федерация. Дорожный каток /С.В.Носов, В.В.Носов, ВЛ.Ложечко; №4940717/33; заявл.03.06.91; опубл. 30.04.94. Бюл. №8.-5с.

22. Пат. 2192006 Рос. Федерация. Способ определения физико-механических характеристик слоя почвогрунта, преимущественно имеющего низкую и среднюю плотность, и устройство для его осуществления /С.В.Носов, М.В.Рощупкин, А.Л.Кононов, А.Г.Каплун; № 99126270; заявл. 14.12.99; опубл. 27.10.02. Бюл. № 30 (II ч.).- 13 с.

23. Пат. 2236673 Рос. Федерация. Устройство для исследования физико-механических характеристик слоя почвогрунта /С.В.Носов, Н.Н.Азовцев, П.А.Бондаренко, Б.А.Маслов; № 2003109005; заявл. 31.03.2003; опубл. 20.09.04. Бюл. № 26 (III ч.).- 13 с.

24. Пат. 2237239 Рос. Федерация. Способ определения физико-механических характеристик слоя почвогрунта /С.В.Носов, М.В.Рощупкин, П.А.Бондаоенко, Б.А.Маслов; № 2002132346; заявл. 02.12.02; опубл. 27.09.04. Бюл. К?. 27 (II ч.).- 16 с.

25. Пат. 2365916 Рос. Федерация. Устройство для исследования физико-механических характеристик слоя почвогрунта /С. В.Носов, Н.Е.Перегудов, Ю.Ю.Киндюхин ; № 2008112526/28; заявл. 31.03.2008; опубл. 27.08.2009. БИПМ № 24.

26. Пат. 2366944 Рос. Федерация. Способ определения физико-механических характеристик слоя почвогрунта /С.В.Носов, Н.Е.Перегудов, Ю.Ю.Киндюхин ; № 2003109671/03; заявл. 11.03.2008; опубл. 10.09.2009. БИПМ № 25.

27. Носов, C.B. Концептуальная модель процесса выбора параметров и режимов работы МЭС через реологические свойства опорного основания //Современные наукоемкие технологии.- М.: Академия естествознания,-2004,- №2,- С. 19-22.

2S. Носов, C.B. Обобщенная динамическая модель мобильных энергетических средств /С.В.Носов // Вибрационные машины и технологии: сборник докладов IV Международной научно-технической конференции,- Курск КГТУ, 1999,- С.172-178.

29. Носов, C.B. Синтез вибрации и вакуумирования в новой технологии строительства автомобильных дорог /С.В.Носов // Вибрационные машины и технологии: Сборник докладов IV Международной научно-технической конференции /Курский государственный технический университет.- Курск, 1999.- С. 168-172.

30.Носов, C.B. Особенности выбора параметров строительно-дорожных .машин для уплотнения различных материалов //Актуальные проблемы современного строительства.- Ч.З. Технология строительного производства, машины и механизмы. Естественные и прикладные науки: Материалы Всероссийской XXXI научно-технической конференции 25-27 апреля 2001г. - Пенза, 2001,- С.31.

31.Носов, C.B. К вопросу оценки коэффициента Пуассона опорного основания МЭС с ярко выраженными реологическими свойствами /С.В.Носов, П.А.Бондаренко //Прогресс транспортных средств и систем - 2002. Материалы международной научно-практической конференции (S-11 октября 2002г.): Часть 1,- Волгоград, 2002,- С.311-313.

32. Носов, С'.В. Классификационные признаки нагружения опорного основания элементами ходовых систем мобильных энергетических средств //Прогресс транспортных средств и систем - 2002. Материалы международной научно-практической конференции (8-11 октября 2002г.): Часть 1.- Волгоград, 2002,- С.314-316.

33.Носов, C.B. Концепция выбора параметров и режимов работы МЭС при разработке к применении математических моделей взаимодействия МЭС с опорным основанием //Современные проблемы проектирования и эксплуатации транспортных и технологических систем: Труды Междунар. науч.-техн. конф. СПб: Изд-во Политехи, ун-та, 2006.- С. 131-136.

34. Носов, C.B. Оценка энергоемкости процессов взаимодействия мобильных энергетических средств с деформируемым опорным основанием в рамках четырехмерного подхода /С.В.Носов //Проблемы и достижения автотранспортного комплекса: сборник материалов V Всероссийской на-учно-техннч. конференции,- Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2007,- С. 107108.

35.Носов, C.B. Концепщгя совершенствования технологий уплотнения дорожных фунтов и асфальтобетонных смесей на основе развития их реологии /С.В.Носов // Вестник ЛГГУ.- 2012,- lû 1 (20).- С. 86-94.

НОСОВ СЕРГЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЙ УПЛОТНЕНИЯ ДОРОЖНЫХ АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ СМЕСЕЙ И ГРУНТОВ НА ОСНОВЕ РАЗВИТИЯ ИХ РЕОЛОГИИ

05.23.11 - Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Подписано в печать 31.10.2013 г. Формат 60x84 1/16. Бумага писчая. Усл. печ. л. 2,2. Тираж 100 экз. Заказ № 473.

Отпечатало: отдел оперативной полиграфии Издательства учебной литературы и учебно-методических пособий Воронежского государственного архитектурно-строительного университета 394006, г. Воронеж, ул. 20-лет Октября, 84

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Воронежский государственный архитектурно-строительный университет»

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЙ УПЛОТНЕНИЯ ДОРОЖНЫХ АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ СМЕСЕЙ И ГРУНТОВ НА ОСНОВЕ

РАЗВИТИЯ ИХ РЕОЛОГИИ

Специальность 05.23.11 - Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей

На правах рукописи

НОСОВ Сергей Владимирович

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант:

Рябова Ольга Викторовна, д.т.н., профессор

Воронеж - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Лист

ВВЕДЕНИЕ............................................................................... 6

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ, НАПРАВЛЕНИЕ И ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ..................................................... 17

1.1. Анализ и обобщение результатов проведенных исследований

по взаимодействию земляного полотна и дорожных одежд с различными уплотнителями.......................................................................... 17

1.1.1. Анализ исследований по вопросу взаимодействия земляного полотна с колесными и гусеничными движителями землеройно-транспортных машин............................................................ 18

1.1.2. Анализ исследований по вопросу взаимодействия земляного полотна и дорожных одежд с дорожными катками........................ 28

1.2. Анализ существующих подходов к оценке реологических свойств дорожных асфальтобетонных смесей и грунтов................................... 39

1.2.1. Применение расчетных моделей грунтов земляного полотна и дорожных асфальтобетонных смесей при оценке их физико-механических свойств................................................. 39

1.2.2. Применение методов теории ползучести при исследовании реологических свойств грунтов земляного полотна и

дорожных асфальтобетонных смесей........................................ 45

1.3. Цель и задачи исследования..................................................... 55

ГЛАВА 2. ПРИНЦИПЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЙ

УПЛОТНЕНИЯ ДОРОЖНЫХ АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ СМЕСЕЙ И ГРУНТОВ ................................................... 58

2.1. Классификационные признаки уплотняющих воздействий

на дорожные асфальтобетонные смеси и грунты................................ 58

2.2. Принципы построения реологических моделей грунтов земляного полотна и дорожных асфальтобетонных смесей с выбором вида

функции влияния........................................................................ 62

2.3. Методологический подход к оценке деформационных характеристик грунтов земляного полотна и дорожных

асфальтобетонных смесей................................................................70

2.4. Система критериев эффективности уплотнения грунтов земляного полотна и дорожных асфальтобетонных смесей

различными уплотнителями..............................................................90

2.5. Концепция совершенствования технологий уплотнения

грунтов земляного полотна и дорожных асфальтобетонных смесей..........99

Выводы и результаты.................................................................. 114

ГЛАВА 3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА И ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД С УПЛОТНЯЮЩИМИ ЭЛЕМЕНТАМИ МАШИН................. 119

3.1. Теоретические исследования взаимодействия уплотняемых слоев дорожно-строительных материалов с жестким вальцом катка............... 119

3.2. Теоретические исследования взаимодействия уплотняемых слоев дорожно-строительных материалов с пневматическим колесом............. 133

3.2.1. Взаимодействие уплотняемого слоя с пневмоколесом................ 133

3.2.2. Упрощенная математическая модель взаимодействия уплотняемого слоя грунта с пневмоколесом................................. 142

3.3. Теоретические исследования взаимодействия земляного полотна с гусеничным движителем.............................................................. 148

3.3.1. Влияние на уплотнение грунта положения центра давления гусеничного движителя.......................................................... 148

3.3.2. Влияние на степень уплотнения слоя грунта технологических режимов и параметров гусеничного движителя............................ 154

Выводы и результаты................................................................... 165

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГРУНТОВ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА И ДОРОЖНЫХ

АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ СМЕСЕЙ................................. 170

4.1. Реологические свойства горячей асфальтобетонной смеси

верхних слоев дорожных одежд..................................................... 170

4.2. Определение прочностных характеристик слоев

горячих асфальтобетонных смесей................................................. 185

4.3. Реологические свойства грунтов и устройства

для их определения..................................................................... 189

4.4. Влияние параметров функции скорости ползучести на интенсивность уплотнения дорожных асфальтобетонных смесей

и грунтов................................................................................. 199

Выводы и результаты.................................................................. 203

ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНО ЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ УПЛОТНЕНИЯ ГРУНТОВ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА И ДОРОЖНЫХ АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ СМЕСЕЙ............ 206

5.1. Обобщенная динамическая модель взаимодействия уплотнителей с дорожными асфальтобетонными смесями

и грунтами.................................................................................206

5.2. Моделирование рабочих процессов вибрационных дорожных катков при уплотнении дорожных асфальтобетонных

смесей и грунтов....................................................................... 210

5.3. Определение рациональных значений контактных давлений

под вальцом катка..................................................................... 222

5.4. Исследование интенсивности уплотнения дорожными гладковальцовыми катками горячих асфальтобетонных смесей

с оценкой качества производства работ.......................................... 228

5.5. Экспериментальные исследования процесса уплотнения

грунта колесным и гусеничным движителями................................. 242

Выводы и результаты...................................................................255

ГЛАВА 6. МЕТОДЫ РАЗРАБОТКИ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЙ УПЛОТНЕНИЯ ДОРОЖНЫХ АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ СМЕСЕЙ.................................259

6.1. Метод совершенствования технологии уплотнения асфальтобетонных дорожных покрытий на основе анализа результатов расчета

параметров и режимов работы дорожных катков................................ 261

6.2. Технология уплотнения асфальтобетонных смесей

вибрационным катком с вакуумным устройством...............................274

6.3. Рекомендации по разработке и совершенствованию технологических

процессов уплотнения дорожных асфальтобетонных смесей...................294

Выводы и результаты................................................................... 299

ГЛАВА 7. МЕТОДЫ РАЗРАБОТКИ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ

ТЕХНОЛОГИЙ УПЛОТНЕНИЯ ГРУНТОВ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА.....................................................................301

7.1. Метод совершенствования технологии уплотнения грунтов земляного полотна на основе анализа результатов расчета параметров

и режимов работы колесных уплотнителей........................................301

7.2. Метод совершенствования технологии уплотнения грунтов земляного полотна на основе анализа результатов расчета параметров

и режимов работы гусеничных уплотнителей.....................................312

7.3. Рекомендации по разработке и совершенствованию технологических

процессов уплотнения грунтов земляного полотна..............................315

Выводы и результаты.................................................................. 322

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ........................................ 324

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК............................................... 330

ПРИЛОЖЕНИЯ......................................................................... 355

ВВЕДЕНИЕ

Уплотнение грунтов земляного полотна и дорожных асфальтобетонных смесей как одна из основных операций в технологическом процессе строительства автомобильных дорог, определяет несущую способность, характеризующую прочность, жесткость и устойчивость к сдвигу, и долговечность возводимой дорожной конструкции автомобильной дороги. В зависимости от параметров состояния уплотняемых материалов, таких как текущая плотность, влажность, толщина уплотняемого слоя грунта, температура асфальтобетонной смеси и др., в зависимости от вида грунта, марки и типа асфальтобетонной смеси дорожных одежд, а также в зависимости от применяемых способов уплотнения по-разному проявляется их уплотняющая способность.

Развитие и накопление необратимых деформаций грунтов земляного полотна и асфальтобетонных смесей дорожных одежд при их уплотнении, ведущих к увеличению плотности, зависит, в первую очередь, от величины модуля деформации уплотняемого материала, который, являясь относительной величиной, условным показателем, определяет уплотняющую способность материала. Например, при двух одинаковых значениях модулей деформации одного и того же грунта, определяющихся его разными значениями влажности и плотности, интенсивность накопления необратимой деформации при одном и том же способе и режиме уплотнения будет одинаковой только в том случае, если грунт обладает линейными свойствами.

В связи с тем, что 60-70% затрат от общей стоимости дороги составляют затраты на строительство земляного полотна и дорожных одежд [219], то выбор дорожной конструкции, технологии строительства и организации работ при их сооружении имеет решающее значение. А так как основные затраты приходятся на дорожно-строительные материалы, то наиважнейшее значение приобретает технология строительства автодорог, которая должна обеспечить их заданные свойства и эффективное использование. Выбранная при

строительстве дорог технология также существенно влияет и на затраты, связанные с эксплуатацией дорожно-строительных машин и транспорта.

При этом стоимость уплотнения грунтов, в зависимости от применяемых для этой цели средств, составляет около одного процента от общей стоимости строительства автомобильной дороги, или 4...6% от стоимости земляных работ [249]. Чуть большие соотношения можно привести и для случая уплотнения других дорожно-строительных материалов. Следовательно, небольшое увеличение затрат, направленных на существенное повышение качества уплотнения грунтов земляного полотна и дорожных асфальтобетонных смесей, не отразится заметным образом на стоимости строительства. Однако, повышенные затраты по их уплотнению до требуемой плотности окупаются теми выгодами, которые появляются благодаря значительному снижению деформаций и разрушений дорожных покрытий в процессе эксплуатации дорог.

Также следует учитывать, что стоимость работ по восстановлению деформированных участков только путем укладки верхнего слоя асфальтобетона в 3-4 раза превышает стоимость уплотнения грунтов на этих же участках [249]. Появление деформаций на дорогах не только повышает затраты на их устранение, но и приводит к увеличению стоимости автомобильных перевозок. К примеру, стоимость автомобильных перевозок на дорогах с усовершенствованными покрытиями, которые нуждаются в капитальном ремонте, повышаются примерно на 15%.

Таким образом, надлежащее уплотнение грунтов земляного полотна и асфальтобетонных смесей дорожных одежд, как один из самых важных элементов технологического процесса строительства дорог, одновременно и выгодно и экономически оправдано. Это связано с тем, что затраты на эту операцию не только быстро окупаются, но и начинают приносить значительную прибыль, обусловленную увеличением срока службы всей дорожной конструкции, а также повышением эксплуатационных качеств дорог, в том числе ровности дорожных покрытий и отсутствием выбоин на их поверхности.

Вместе с тем следует отметить, что в последнее время, как показала практика, в связи с повышением интенсивности дорожного движения и увеличением нагрузки на ось автомобилей, долговечность земляного полотна и дорожных одежд, обеспечивающаяся существующими подходами к усовершенствованию технологий уплотнения, не отвечает требуемым нормам.

Дальнейшее развитие теории уплотнения дорожно-строительных материалов, обладающих ярко выраженными упруго-вязко-пластичными свойствами, а также совершенствование на этой основе технологий уплотнения грунтов земляного полотна и дорожных асфальтобетонных смесей, в обязательном порядке должны привести к повышению качества строительства и эксплуатации дорог.

Анализ работ, связанных с изучением вопросов повышения качества и эффективности уплотнения грунтов земляного полотна и дорожных асфальтобетонных смесей, позволил выделить основные направления решения этой проблемы, к числу которых относятся:

- изучение связей и закономерностей уплотнения дорожно-строительных материалов с целью оптимизации процессов уплотнения;

- совершенствование существующих и создание новых эффективных уплотняющих машин, а также средств контроля степени уплотнения;

- обеспечение оптимальных технологических режимов работы существующих уплотняющих средств на основе исследования и учета климатических, организационных и технологических факторов, включающих исследования напряженно-деформированного состояния уплотняемого материала с учетом его физико-механических свойств.

Проблема повышения качества и эффективности уплотнения грунтов земляного полотна и дорожных асфальтобетонных смесей может быть решена путем совершенствования технологий их уплотнения на основе применения новых прогрессивных методов изучения физико-механических свойств дорожно-строительных материалов, например, использованием одного из традиционных подходов к исследованию реологических свойств деформируе-

мых сред с применением теории наследственной ползучести упруго-вязко-пластичных материалов. Без этого невозможно объективно оценить характеристики общей взаимоувязанной динамической системы "человек - машина - рабочий орган - объект воздействия - окружающая среда" и выйти на оптимальные технологические параметры и режимы уплотнения.

Реология, как известно, - наука, которая рассматривает образование и изменение во времени напряженно-деформированного состояния материала. Существует реология грунтов, реология асфальтобетона, реология горного массива и т.п. Анализируя специфику уплотнения грунтов земляного полотна и дорожных асфальтобетонных смесей, обладающих реологическими свойствами, необходимо создавать предпосылки для построения расчетных моделей с учетом фактора времени, особенностей уплотняемого материала и характера действующих на него нагрузок со стороны уплотняющих элементов машин.

Основное внимание диссертации уделено исследованию динамики процессов уплотнения и взаимодействия земляного полотна и дорожных одежд с уплотняющими элементами машин, поскольку реологические характеристики деформируемого опорного основания (уплотняемого материала) имеют прямую связь с характером силового воздействия на него. В свою очередь, характер силового воздействия на уплотняемый материал (воздействия статических и динамических потенциальных и массовых сил) определяется техническими и эксплуатационными характеристиками уплотняющих машин. При этом необходимо учитывать нелинейность реологических свойств дорожно-строительных материалов, а также наличие фактора времени, определяющего продолжительность действия и интенсивность изменения нагрузок на уплотняемый материал со стороны уплотняющих элементов машин.

Вышеотмеченное подтверждает, что тема диссертационного исследования является актуальной и направлена на решение важной научной проблемы повышения качества и эффективности уплотнения грунтов земляного полот-

на и дорожных асфальтобетонных смесей путем совершенствования технологий уплотнения.

Представленная диссертационная работа выполнена в соответствии с Федеральной целевой программой «Дороги России» и научно-технической программой Министерства образования и науки Российской Федерации «Вузовская наука - регионам».

Основная идея работы состоит в использовании реологического подхода к описанию и исследованию изменений физико-механических характеристик материалов земляного полотна и дорожных асфальтобетонных покрытий при их уплотнении в процессе строительства автомобильных дорог.

Объект исследования: сложные физические процессы уплотнения грунтов земляного полотна и асфальтобетонных смесей дорожных одежд, методы совершенствования технологических процессов их уплотнения.

Предмет исследования: особенности совершенствования технологий уплотнения грунтов земляного полотна и дорожных асфальтобетонных смесей на основе развития их реологии и оценки взаимодействия с различными уплотняющими элементами машин и технологическим оборудованием.

Цель работы: разработка методологических основ совершенствования технологических процессов уплотнения грунтов земляного полотна и дорожных асфальтобетонных смесей на основе развития их реологии, учета несущей способности, времени и характера действующих нагрузок и обеспечивающих обоснованный выбор средств уплотнения и рациональных технологических режимов их работы на этапе строительства автомобильных дорог.

Научная новизна работы заключается в следующем: 1. в разработке концептуальной модели совершенствования технологий уплотнения грунтов земляного полотна и дорожных асфальтобетонн