Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ теории и практики в области уплотнения грунтов при строительстве, реконструкции и восстановлении объектов инфраструктуры 11
1.1. Анализ объёмов земляных работ при строительстве и восстановлении объектов инфраструктуры 11
1.2. Обзор конструкций навесного сменного грунтоуплотняющего оборудования 22
1.3. Анализ результатов исследований в области уплотнения грунтов землеройной и дорожно-строительной техникой 33
1.4. Требования, предъявляемые к навесному оборудованию экскаваторов при организации уплотнения грунтов обратных засыпок 38
1.5. Постановка цели и задач исследования 44
Выводы по главе 45
Глава 2. Теоретические исследования влияния режимов работы навесного оборудования на процесс уплотнения грунтов обратных засыпок 47
2.1. Программа и общая методика исследования 47
2.2. Построение математической модели уплотнения грунтов 53
2.3. Физико-математическая модель процесса уплотнения комковатого грунта пневмошинами 2.4. Обоснование параметров и рациональных технических решений навесного грунтоуплотняющего оборудования 68
Выводы по главе 80
Глава 3. Методика, план и программа экспериментальных исследований
3.1. Цель, задачи лабораторных испытаний 81
3.2. Описание экспериментальной установки и контрольно-измерительного оборудования.. 82
3.3. Исходные данные для проведения экспериментальных исследований 83
3.4. Методика проведения экспериментов
3.5 План проведения многофакторного эксперимента 89
3.6 Определение количества повторных экспериментов 92
Выводы по главе 93
ГЛАВА 4. Исследование влияния конструктивно-технологических параметров работы грунтоуплотняющего оборудования 94
4.1. Результаты экспериментальных исследований определения коэффициента уплотнения грунта в зависимости от количества проходов, глубины уплотнения и ширины пневмошины
4.2. Результаты экспериментальных исследований определения эксплуатационной производительности пневмошин 100
4.3. Результаты экспериментальных исследований определения коэффициента уплотнения грунта в зависимости от скорости уплотнения 102
Выводы по главе 105
Глава 5. Использование результатов работы 106
5.1. Инженерная методика выбора параметров навесного сменного пневмошинного оборудования и режимов уплотнения грунта 107
5.2. Технико-экономическая эффективность внедрения навесного грунтоуплотняющего оборудования 118
5.3. Технология применения навесного грунтоуплотняющего оборудования при восстановлении объектов инфраструктуры 123
Выводы по главе 130
Заключение 131
Список литературы 135
- Анализ результатов исследований в области уплотнения грунтов землеройной и дорожно-строительной техникой
- Физико-математическая модель процесса уплотнения комковатого грунта пневмошинами
- Исходные данные для проведения экспериментальных исследований
- Результаты экспериментальных исследований определения эксплуатационной производительности пневмошин
Анализ результатов исследований в области уплотнения грунтов землеройной и дорожно-строительной техникой
К основным видам сменного рабочего оборудования относятся прямая и обратная лопаты, грейфер, погрузчик. Для разработки мёрзлых грунтов широко используются рыхлительное оборудование и гидромолоты. В качестве сменных рабочих органов гидравлических экскаваторов (рисунок 1.6) при выполнении обычных земляных работ используют ковши обратных 7, 2, 3 и прямых 4 лопат различной вместимости, ковши для дренажных работ 5 и рытья узких траншей б, ковши с зубьями и со сплошной режущей кромкой для планировочных 7 и зачистных 8 работ, двух- челюстные грейферы для рытья траншей и котлованов 9 и погрузки крупнокусковых материалов и камней 10. Погрузочные ковши большой вместимости для погрузочных работ 77, 72, 73, бульдозерные отвалы 14 для засыпки ям, траншей и небольших котлованов, захваты для погрузки труб и брёвен 75, крановую подвеску 16 для различных грузоподъёмных и монтажных работ, многозубые 77 и однозубые 18 рыхлители для рыхления мёрзлых и плотных грунтов и взламывания асфальтовых покрытий, пневматические, гидравлические 19 и гидропневматические 20 молоты многоцелевого назначения со сменными рабочими инструментами для разрушения скальных и мёрзлых грунтов, железобетонных конструкций, кирпичной кладки и фундаментов, дорожных покрытий, дробления негабаритов горных пород, трамбования грунтов, погружения свай и шпунта с бурами для бурения шпуров и скважин и т.д. [88].
Все основные механизмы, кроме привода ковшового конвейера, приводятся в действие с помощью гидроцилиндров двустороннего действия, работающих от гидросистемы экскаватора. Наличие управляемой стрелы и рукояти даёт возможность выносить грунтоуплотняющее оборудование на значительное расстояние от базового экскаватора, опускать или поднимать его, а также поворачивать. Копание грунта производят поворотом ковша относительно рукояти и поворотом рукояти относительно стрелы. Кроме того, копание можно осуществлять поворотом ковша относительно неподвижной рукояти. Это позволяет приспосабливать грунтоуплотняющее оборудование к различным условиям работы, уплотнять горизонтальные и наклонные поверхности, вести работы в стеснённых условиях и в непосредственной близости от подземных коммуникаций.
Анализ проекта организации строительства стартового сооружения космодрома «Восточный» показал, что для возведения объектов данного комплекса потребуется проведение земляных работ порядка 10,5 тыс. м , из них -около 5 тыс. м обратных засыпок, в т.ч. в стеснённых условиях - 1,5-2 тыс. м [59], т.е. объём земляных работ составил 10 и 12% соответственно от общего объёма. Из объёма земляных работ 20,5 тыс. м , приходится порядка 10 тыс. м грунтов обратных засыпок [7, 15, 39]. При этом максимальные темпы этих работ составляют до 1600 м /смену, что потребует от грунтоуплотняющей техники обеспечить эксплуатационную производительность около 200 м /ч для обеспечения технологической надёжности в процессе работы [54, 55, 86]. Исключение составил объём насыпей (из скальных грунтов - 6 %, нескальных - 9 %), возводимых без уплотнения с запасом по высоте на осадку.
В ходе исследовательских работ, проводимых на базе Военно-технического университета с 2011 по 2014 гг., анализировались вопросы выполнения производственных задач по возведению и оборудованию объектов специального назначения на космодроме «Восточный» с определением объёмов земляных работ [9, 62]. При этом работа землеройной и грунтоуплотняющей техники организована в три смены, согласно проекту организации строительства и часовым графикам выполнения объёмов работ для обеспечения непрерывного процесса по захваткам. Основными причинами низкой производительности работ является отсутствие универсальных средств уплотнения грунтов обратных засыпок в стеснённых условиях при наблюдаемом простое гидравлических экскаваторов как основного землеройного средства (рисунок 1.5, б, г). Для решения этих задач, в соответствии с рекомендациями В.И. Баловнева, Р.А. Иванова, А.Б. Ермилова, И.А. Недорезова, А.В. Точкина, Л.А. Сладковой, А. Ульмана и др. [11, 12, 14, 16, 17, 18, 19, 35, 43, 80, 86], необходимо применять сменное навесное грунтоуплотняющее оборудование на базовых универсальных машинах (рисунок 1.7).
Во-первых, одноковшовым экскаватором будут выполняться не только работы по копанию, но и уплотнению грунтов, в т.ч. обратных засыпок, увеличивая в 2-2,5 раза его эксплуатационную производительность и сокращая на 12-15% общие сроки выполнения земляных работ [20, 37].
Во-вторых, в траншеях нерационально будет использование других крупногабаритных машин для уплотнения. Однако грунтоушютняющий навесной рабочий орган с регулируемым давлением отсутствует [33].
В-третьих, имеется резерв повышения эксплуатационной производительности гидравлических экскаваторов по уплотнению комковатого свежеуложенного грунта обратных засыпок, в т.ч. смёрзшегося, который сложно уплотнить даже ручными вибротрамбовками. Экскаваторы на этих работах будут более производительны за счёт большего усилия, создаваемого при уплотнении.
В-четвертых, из-за отсутствия малогабаритного уплотнительного оборудования (шириной В 400 мм) не используются для прокладки узких и глубоких траншей высокопроизводительные экскаваторы непрерывного действия, которые практически в 3-5 раз производительнее одноковшовых.
Резюмируя анализ приведённых объёмов и темпов работ по уплотнению обратных засыпок, применение навесного сменного оборудования на экскаваторы целесообразно для увеличения их эксплуатационной производительности. При этом производительность уплотнительных работ приближается к производительности копания и обратных засыпок.
Физико-математическая модель процесса уплотнения комковатого грунта пневмошинами
Математическая модель уплотнения грунта гладкой поверхностью шины основана на взаимодействии одиночного эластичного колеса с грунтом (рисунок 2.2), базирующаяся на общеизвестном законе Кулона о соотношении касательных и нормальных напряжений в контакте колеса с грунтом, учёте влияния режима работы колеса через коэффициент снижения нормального удельного сопротивления грунта вдавливанию на глубину 0,01 м в зависимости от скольжения и изменении удельного давления в контакте колёс, следующих по проложенной колее, с учётом глубины погружения в грунт предыдущих колёс.
В этой модели учтены изменения жёсткостных характеристик шин через их радиальные прогибы и гистерезисные потери в шинах, вызванные старением резин в процессе длительной эксплуатации и хранения, а также ряд других контакт эластичного колеса с грунтом состоит из криволинейной и плоской зон; положение и величина плоской зоны контакта определяются хордой окружности шины с высотой сегмента, равной её радиальному прогибу; криволинейная зона располагается от входа беговой дорожки в контакт с грунтом до плоской зоны и принимается цилиндрической формы с радиусом, равным свободному радиусу колеса; - не учитывается влияние увеличения ширины профиля шины при её прогибе на показатели качения; - расстояние от поверхности недеформированного грунта до плоской зоны контакта соответствует глубине образуемой колеи. Распределение давлений в плоской зоне контакта qn может задаваться различными способами. При равномерном распределении можно считать qn = qk при h = zm, т.е. Яп = 102 кчРгШ-\ . (2.1) В расчётах были использованы исходные данные, включающие: вертикальную нагрузку на колесо (Gki); тип и размерные (rt и Bki) данные шины; давление воздуха в ней (Рв); коэффициенты насыщенности протектора (кн), шаг (г) и размеры грунтозацепов (высота /гтг, ширина ТГ); параметры грунта (рг, д); угол внутреннего трения ((РоХ удельное сопротивление грунта сдвигу (с0); коэффициент буксования пневмоколёс (5бмі), соответствующий максимальной
Необходимые показатели характеристик качения колеса можно считать в функции любого из этих показателей, задаваясь его значением. При этом очевидно, что целесообразнее пользоваться или задаваться коэффициентом пробуксовки колеса S6i, так как этот коэффициент является задающей функцией многих показателей, известны возможные пределы его изменения, и они всегда могут быть реализованы. В то же время, задаваясь, например, силой тяги на колесе Ра или крутящим моментом Мк, можно не попасть в область их значений и это, естественно, затрудняет решение задачи.
Итак, задачу определения показателей качения одиночного эластичного колеса решаем в функции задаваемых коэффициентов его пробуксовки.
Условие равновесия действующих на колесо вертикальных сил и реакций в контакте с грунтом в функции задаваемых коэффициентов его пробуксовки S6i можно записать в виде: Вертикальная реакция в криволинейной RZK и плоской Rzn зонах контакта составят соответственно:
Значения радиальной жёсткости для новых пневмошин регулируемого давления разных размеров определяются из уравнения регрессии через гиперболический тангенс в функции давления воздуха в них: Сш = КМК2(К3 + PJ], (2.8) где Къ К2, К3 - коэффициенты уравнения регрессии, значения которых для современных пневмошин регулируемого давления приведены в таблице 2.1. Значения радиальной жёсткости Сщ шин различных сроков службы (при GK = cons и Рв = ном) можно получить по регрессионным зависимостям в функции продолжительности хранения тх и климатических условий их эксплуатации Gx. С = 592,95 + 0,059 тхСх, (2.9) где Gx - жёсткость климата (принимается для умеренного климата - 180 ед., для жаркого климата - 250 ед.).
Для проведения расчётов по определению радиальной жёсткости шин различных сроков службы по формуле (2.10) разработан поправочный коэффициент Кт, учитывающий изменения, происходящие в пневмошинах от продолжительности их использования:
Таким образом, полученные уравнения (2.5) и (2.7) вместе с определяющими зависимостями (2.1)-(2.6), (2.8) и (2.10) позволяют по вертикальной нагрузке на колесо (Gk) определить глубину образуемой им колеи (На) и прогиб шины (Zm, Z ) с учётом влияния на них продольных сил (через пробуксовку колёс S6i) и давления воздуха в шинах (Рв).
Для определения продольных сил рассмотрим попарно составляющие элементарной равнодействующей реакции в криволинейной зоне контакта колеса DRZK и dRXK, а также dRr и dRT, которые можно выразить следующим образом: DRZK = dRrcosa + dRTsina, dRXK = dRTcosa — dRrsina, (2.11) и если известно соотношение dRT = 0{dRr), V2r/i — h2 = 102lxkqpsBkr1+IJ-( cos a — cos aH)M-cos ada, (2.12) тогда через выражения (2.11) и (2.12) можно определить элементарные значения продольной (dRXK), нормальной (dRr) и тангенциальной (dRT) реакций в криволинейной зоне контакта.
Определение максимального по сцеплению тангенциального напряжения ттах и соответствующего ему нормального напряжения о = q в грунте для криволинейной и плоской зоны контакта с учётом среза грунта торцевыми ребрами грунтозацепов производится по зависимостям вида: где кн (кнТ) и к0, кш - соответственно коэффициенты насыщенности (протектора по торцу пневмошины) и очищаемости протектора, трения пневмошины о грунт; FT и FJJ - площади торца (бокового кольца пневмошины) по высоте боковых рёбер грунтозацепов и беговой дорожки пневмошины в контакте с грунтом; к с= Кт « тг/о ; FT « 2nrhTr, FT = 2лгВк.
Таким образом, получена возможность определения развиваемой пневмоколёсами максимальной силы тяги Ратах через ттах, которая в свою очередь зависит от относительного сдвига элементов беговой дорожки колеса Хсд,выраженного экспоненциальной зависимостью или через гиперболический тангенс th. Для выражения текущих значений т через закон Кулона и соответствующий сдвиг получим максимальное приближение рассматриваемой функции к экспериментальной:
Исходные данные для проведения экспериментальных исследований
Перед проведением очередного опыта грунт отсыпался на определённую высоту на подстилающий слой (0,15, 0,2, 0,25, 0,3, 0,35 м) и выравнивался. При этом измерялись влажность, плотность и толщина уплотняемого материала в нескольких точках. Пневмошина (0,195, 0,295, 0395, 0,495, 0,595 м - табл. 3.1), смонтированная на рукоять лабораторной установки, устанавливалась на слой подготовленного грунта и производилось уплотнение грунта. На месте уплотнения измерялась величина остаточной деформации, и производились замеры плотности грунта в нескольких местах. Результаты проб и измерений заносились в журнал проведения лабораторных испытаний. Далее опыт повторялся при идентичных условиях в другом месте грунтового канала и на другом типе грунта.
Для проведения следующей серии испытаний управляемые факторы изменялись, для чего подготавливался новый слой уплотняемого грунта и навешиваемая масса. При этом время монтажа-демонтажа пневмошин на рукоять экскаватора tM и tA фиксировалось секундомером, и определялась средняя величина.
Уплотнение грунта при проведении опытов осуществлялось в следующей последовательности: 1. Взрыхлённый слой уплотнялся до требуемой плотности по всей ширине лотка {Ку = 0,60-0,92). 2. Грунт отсыпался на подстилающий слой оптимальной толщины и на всю ширину лотка для предотвращения его бокового сдвига. 3. С помощью грейдерного оборудования, расположенного на тензометрическои тележке, грунт выравнивался, а затем измерялась его толщина в нескольких точках. 4. Перед каждой серией опытов и после их проведения производился замер влажности и плотности грунта в нескольких точках грунтового лотка с помощью плотномера-влагомера системы Н.П. Ковалева мод. 4511-2.
Процедура измерений сходна на всех режимах (см. рис. 3.1). Процесс измерения заключается в определении сопротивления пенетрации. Для этого вручную с помощью рукояток плавно вдавливался рабочий наконечник на глубину 75 мм за 10-12 секунд. Установившиеся показания индикатора фиксировались не ранее 4-7 секунд после начала пенетрации. Испытание на данном участке повторялось в 5-10 точках (расстояние между точками не менее 10 см) с определением среднего значения показаний индикатора. Затем определяется сопротивление пенетрации Ew. При этом испытание начиналось с использованием рабочего наконечника с диаметром основания 11,3 мм.
Если сопротивление пенетрации превышает 500 Н/см , переходят на рабочий наконечник с меньшим диаметром основания (6; 8 мм). Если же сопротивление пенетрации достаточно мало (20-30 Н/см ), то переходят на наконечник с большим диаметром основания (16; 22 мм).
По найденной величине сопротивления пенетрации Ew находится модуль упругости Ед, а также удельное сцепление грунта земляного полотна Сд и угол внутреннего трения (рд. На неуплотненном грунте с помощью молотка с уширенной ударной частью уплотнялся грунт площадки до осадки её поверхности на 2,5-3 см.
Затем проводилась вторая серия опытов (измерений) с определением среднего значения показаний индикатора. По результатам измерений определялся коэффициент упрочнения грунта по формуле: где Ewl, Ew2 - значения сопротивлений пенетрации при первом и втором испытании соответственно. Используя степень (индекс) влажности грунта Iw, а также найденные значения сопротивления Ewl при первой пенетрации, определяют Ку по номограмме. Работоспособность грунтового покрытия, например траншеи, может оцениваться по показаниям статического пенетрометра Ew. 3.5 План проведения многофакторного эксперимента
На основании априорной информации о сложности процессов, протекающих при уплотнении грунтов, и результатов серии поисковых экспериментов в качестве плана для проведения эксперимента был выбран центральный композиционный ортогональный план полного факторного эксперимента ПФЭ ЦКОП 23. [10]
Выбранный план позволяет получить не смешанные друг с другом оценки коэффициентов при парных произведениях факторов, а также парные произведения в ядре плана не смешаны с линейными членами, что и свидетельствует о его ортогональности [98].
В соответствии с критерием ортогональности выбранный план обладает свойством, позволяющим получить одинаковую дисперсию предсказанных значений функции отклика во всех равноудаленных от центра плана эксперимента точках. где у - функция отклика; xt, xtXj, xf - переменные уравнения регрессии, характеризующие соответственно исследуемые факторы, их парные взаимодействия и квадраты исследуемых факторов, Ь0, Ьь Ъц, Ьц - коэффициенты уравнения регрессии при соответствующих переменных. Для исключения влияния на функцию отклика систематических ошибок, вызванных внешними условиями, эксперимент реализуется отдельными сериями. Каждая серия включает в себя N опытов, соответствующих строкам матрицы плана ПФЭ ЦКОП 2 . Внутри каждой серии порядок выполнения опытов определяется в соответствии с принципом рандомизации, что позволяет сделать влияние мешающих факторов случайными [98]. В качестве функции отклика на воздействие факторов, определяющих характер протекания процесса, выбран: Коэффициент уплотнения - Ку;
Эта функция отвечает ряду требований, предъявляемых к параметрам функции отклика: универсальность, возможность выражения одним членом и представления в количественном виде.
Результаты экспериментальных исследований определения эксплуатационной производительности пневмошин
При этом необходимо поверхность уплотнения определённым образом предварительно подготовить, т.е. отсыпать более или менее равномерную толщину слоя грунта, соответствующую уплотняющей способности колёс, разровнять и спланировать поверхность её перемещения. Последнее сделать бывает не так просто, особенно в глубоких траншеях, что создаёт определённые трудности и снижает эффективность работы.
Хорошее сцепление с грунтом и наилучшую проходимость имеют шипованные колеса или бандажи с кулачками, что способствует повышению качества уплотнения как несвязных (короткие кулачки-бобышки), так и связных грунтов (более длинные квадратные кулачки). Подобные специальные спаренные виброкатки с габаритной шириной от 40-50 см до 100-120 см могут управляться дистанционным кабельным управлением [87]..
3 стадия. Повышение эксплуатационной производительности экскаваторов за счёт дистанционного управления, где роль оператора-машиниста, помимо подготовки машины к работе, запуску и установке её, например, в траншею сводится к поддержанию направления движения, остановке и включению обратного хода навесных пневмошин с автоматическим управлением. Уплотнение откосов высоких насыпей и мостовых конусов является сложной технологической задачей по обеспечению их устойчивости. Здесь также могут быть применены навесные спаренные колеса, подвешиваемые к ковшу. При уплотнении откосов экскаватор располагается на насыпи и обеспечивает уплотнение грунта, направленное нормально к поверхности откоса любой крутизны. Количество проходов по одному месту составляет h = 4 (песок) и h = 6 (связный грунт). Толщина уплотняемого слоя может достигать 40-50 см, а производительность -около 80-100 м3/ч за смену или примерно 200-250 м2/ч. [101, 105, 106, 110, 111]
При производстве земляных работ в стеснённых и труднодоступных местах могут использоваться как связные, так и несвязные грунты. Возможно также применение гравийных и щебёночных материалов для отсыпки подушек и оснований. Все эти грунты и материалы обладают разной уплотняемостью при воздействии на них статических нагрузок и средств. Кроме того, средства разных марок гидравлических экскаваторов вследствие разнообразия своих параметров тоже имеют различную уплотняющую способность, которую следует оценивать нормативными значениями требуемого коэффициента уплотнения Ку и толщиной слоя h или глубиной проработки, на которой этот коэффициент гарантированно обеспечивается.
Таким образом, правильная оценка уплотняющей способности навесных грунтоуплотняющих машин, которые используются в стеснённых, неудобных и труднодоступных местах, применительно к типу грунта, его разновидности и состоянию, крайне важна и необходима.
Эффективность уплотнения грунтов и подобных материалов упомянутыми способами и средствами обусловлена в основном силовыми давлениями, возникающими на контакте рабочих органов машин с грунтом, временем действия таких давлений и количеством циклов приложения давлений к одному и тому же месту. Развиваемые при этом максимальные динамические давления могут достигать Рд = 4-6 кгс/см , что в несколько десятков раз превышает его статическое давление (Рд = 0,05-0,10 кгс/см2).
Анализ расчётов по определению массы, рационального количества грунтоуплотняющих пневмоколёс, а также тяговых усилий показал, что предложенное навесное пневмошинное оборудование полностью удовлетворяет требованиям по уплотнению грунтов обратных засыпок в стеснённых условиях. Новизна, научно-технический уровень и практическая ценность разработанного навесного сменного грунтоуплотняющего оборудования экскаваторов, эксплуатируемых в стеснённых, неудобных и труднодоступных местах, подтверждена патентами РФ на полезные модели [84, 85, 86] (приложение 5).
Практическая пригодность и эффективность предложенных разработок, а также сделанных на их основе рекомендаций и выводов, подтверждены актами реализации и внедрения в организациях и на предприятиях строительной и дорожной отрасли (приложение 6). При оценке результатов исследования учитывались технологические, организационные и технико-экономические факторы эффективности, позволившие получить значительную экономию материальных, энергетических и трудовых ресурсов за счёт повышения эксплуатационной производительности на 25-35% модернизированных экскаваторов, качества выполнения дорожных и земляных работ (себестоимость их проведения снижается в 3-3,5 раза), а также сокращения на 10-12% общих сроков восстановления объектов инфраструктуры. При этом ожидаемый годовой экономический эффект от внедрения и реализации результатов исследований составляет 0,83 млн. руб.
