Введение к работе
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 дорож-но-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 тех
нологических 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 технологий уплотнения на основе применения новых прогрессивных методов изучения физико-механических свойств дорожностроительных 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 свою 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 дорожностроительных 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 грунтов 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.
Указанная цель определила перечень основных задач исследований:
-
Определить критерии эффективности уплотнения грунтов земляного полотна и дорожных асфальтобетонных смесей.
-
Разработать теоретические положения совершенствования технологий уплотнения грунтов земляного полотна и дорожных асфальтобетонных смесей и их взаимодействия с элементами машин при их уплотнении.
-
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.
-
Разработать способы и методики оценки основных характеристик грунтов земляного полотна и дорожных асфальтобетонных смесей как функционалов от временного фактора, определяющих их деформационную способность.
-
Произвести эксплуатационную оценку физико-механических характеристик грунтов земляного полотна и дорожных асфальтобетонных смесей.
-
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.
-
Теоретически и экспериментально обосновать выбор средств и режимов уплотнения на основе анализа физической картины и особенностей взаимодействия грунтов и асфальтобетонных смесей с уплотнителями.
-
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 новизна работы заключается:
-
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 до-рожно-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;
-
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;
-
В развитии общей теории уплотнения грунтов 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;
-
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 технологий 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, устройствах 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 грунтов путем применения существующих средств уплотнения с уточненными режимами работы или технических средств, позволяющих повышать эффективность
функционирования применяемых уплотнителей в соответствии с основными критериями, определяющими эффективность и качество выполнения работ на основе методологии и теории описания процессов уплотнения слоев дорожно-строительных материалов с учетом их реологических свойств;
в развитии теории и создании ряда новых моделей и методов по оценке эффективности уплотнения грунтов 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 грунтов 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 программ 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 грунтов 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" для изготовления опытной партии катков;
переданы в виде сборочных и рабочих чертежей бесконтактной вакуумной 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-
мым 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 по профилю «САПР специализированных мобильных машин» и магистров по профилю «Автомобили и тракторы» направления подготовки 190100 «Наземные транспортно-технологические комплексы», специалистов по специализации «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные средства и оборудование» и специализации «Автомобили и тракторы» направления подготовки 190109 «Наземные транспортно-технологические средства» и аспирантов 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, 2000г.).
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 и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, основных результатов и выводов, библиографического списка из 279 наименований, двух приложений. Общий объем работы 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.
