Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ состояния вопроса. факторы, влияющие на процесс уплотнения грунтов вибрационными катками 12
1.1 Анализ уплотнения грунтов дорожными катками 12
1.1.1 Анализ уплотнения статическими катками 12
1.1.2 Анализ уплотнения вибрационными катками 15
1.1.3 Анализ уплотнения комбинированными катками 18
1.2 Факторы, влияющие на эффективность уплотнения грунтов вибрационными катками .20
1.2.1 Контактные давления 20
1.2.2 Влажность уплотняемых грунтов 23
1.2.3 Количество проходов катка по одному следу .24
1.2.4 Толщина уплотняемого грунта .27
1.2.5 Значения критических виброускорений в уплотняемом грунте .31
1.2.6 Физико-механические свойства грунта, уплотняемого вибрационными катками 33
1.2.6.1 Деформационные свойства грунтов 33
1.2.6.2 Реологические свойства грунтов 35
1.2.7 Анализ исследований по изменению массы уплотняемого грунта .36
1.3 Выводы по главе 41
2 Математическая модель взаимодействия вибрационных катков с грунтом 42
2.1 Принятые допущения при составлении математической модели 42
2.2 Математическая модель процесса уплотнения грунта вибрационным катком 43
2.3 Выводы по главе 55
3 Экспериментальные исследования зоны активного действия вибрации при уплотнении грунтов вибрационными катками 56
3.1 Устройство для измерения значений виброускорений в грунте 57
3.2 Характеристики прибора в качестве виброметра 59
3.3 Общая методика экспериментальных исследований .60
3.4 Планирование экспериментальных исследований 62
3.5 Зависимости виброускорений в грунте от частоты колебаний вибровозбудителя, коэффициента уплотнения грунта, толщины слоя грунта .65
3.6 Уравнения множественной регрессии виброускорений в грунте от частоты колебаний вибровозбудителя, коэффициента уплотнения грунта, толщины слоя грунта 88
3.7 Выводы по главе 89
4 Практическое использование результатов исследований .90
4.1 Расчет массы уплотняемого грунта вибрационными катками в зоне активного действия вибрации 90
4.1.1 Определение зависимости массы уплотняемого грунта в зоне активного действия вибрации от параметров грунта и катка 90
4.1.2 Определение толщины грунта в зоне активного действия вибрации 91
4.1.2.1 Определение коэффициента, учитывающего понижение значений виброускорений по толщине слоя грунта Кз .92
4.1.2.2 Определение виброускорений на пятне контакта вальца с грунтом 92
4.1.2.3 Определение критических значений виброускорений .94
4.2 Вибрационный каток с устройством непрерывного контроля качества уплотнения грунта 95
4.3 Определение параметров массы уплотненного грунта вибрационным катком 97
4.4 Методика обоснования режимных параметров вибрационных катков для уплотнения грунтов
4.4.1 Определение вынуждающей силы вибровозбудителя .100
4.4.2 Определение рабочей скорости вибрационного катка .100
4.4.3 Определение толщины уплотняемого слоя грунта 102
4.4.4 Определение массы уплотняемого грунта 104
4.4.5 Определение значений виброускорений массы уплотняемого грунта 105
4.5 Анализ адекватности математической модели 107
4.6 Подтверждение применимости полученной методики к каткам различных типоразмеров 109
4.7 Реализация методики обоснования режимных параметров вибрационных катков в программном продукте Microsoft Visual Basic 114
4.8 Сравнительный анализ результатов проведенных исследова ний .118
4.9 Выводы по главе .119
Заключение 120
Список использованных источников
- Факторы, влияющие на эффективность уплотнения грунтов вибрационными катками
- Математическая модель процесса уплотнения грунта вибрационным катком
- Планирование экспериментальных исследований
- Определение зависимости массы уплотняемого грунта в зоне активного действия вибрации от параметров грунта и катка
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Необходимость развития
дорожно-транспортной сети требует улучшения эксплуатационных характеристик земляного полотна автомобильных дорог и других насыпей инженерного назначения. Улучшение характеристик для таких сооружений во многом определяется тщательностью уплотнения грунтов. Это один из важнейших факторов, влияющих на долговечность и работоспособность самого земляного полотна, а также возведённых на нём инженерных сооружений: зданий, одежд автомобильных дорог и аэродромов, верхнего строения пути железнодорожных насыпей. Поэтому одной из ключевых операций в общем технологическом процессе строительства является уплотнение грунтов – это наиболее дешевый и распространенный метод придания им необходимой устойчивости и прочности. Основными дорожными машинами, применяемыми для уплотнения грунтов земляного полотна, являются дорожные катки. По сравнению со статическими катками наибольшее распространение получили вибрационные катки из-за их большей производительности. Повышение эффективности работы и производительности дорожных катков в транспортном строительстве несомненно актуальная и важная задача.
Степень разработанности темы исследования. В исследование процесса уплотнения грунта вибрационными катками неоценимый вклад внесли такие ученые, как Баркан Д.Д., Батраков О.Т., Веригин Ю.А., Вялов С.С., Доценко А.И., Иванов Н.Н., Калужский Я. А., Костельов М. П., Кустарев Г.В., Пермяков В. Б., Савельев С.В, Сорокин В.Н., Тарасов В.Н., Хархута Н.Я. и др. За рубежом уплотнение грунтов изучали L Forssblad, K. Terzaghi, Michael A. Mooney, W. A. Lewis, W. V. Ping, М. Novak и др.
Признавая бесспорные заслуги названных ученых, необходимо отметить, что выбор режимных параметров вибрационных катков зависит от разных факторов, в том числе от величины соколеблющейся массы уплотняемого грунта под вибровальцом. На сегодняшний день при определении рекомендуемых режимных параметров вибрационных катков, масса уплотняемого грунта под вибровальцом принимается приближенно, ограничивается только толщиной слоя грунта и углом его внутреннего трения. Эта масса колеблется под воздействием вальца в так называемой зоне активного действия вибрации. Величина этой массы, а также ее изменение в процессе уплотнения до настоящего времени является до конца не решенной научной задачей. От величины этой массы зависит выбор рациональных режимных параметров вибрационных катков и, как следствие, производительность вибрационных катков и эффективность процесса виброуплотнения.
Цель диссертационной работы - повышение эффективности процесса уплотнения грунтов вибрационными катками.
Объект исследований - процесс уплотнения слоев земляного полотна вибрационными катками.
Предмет исследований - зависимости процесса взаимодействия вальца вибрационного катка с уплотняемым слоем грунта.
Поставленная цель определила следующие задачи:
-
Усовершенствовать математическую модель взаимодействия вальца вибрационного катка с массой уплотняемого грунта, учитывая зону активного действия вибрации;
-
Получить зависимости значений виброускорений в грунте от частоты колебаний вибровозбудителя, коэффициента уплотнения грунта, толщины слоя грунта для определения толщины и угла распространения зоны активного действия вибрации от пятна контакта вальца с грунтом;
-
Установить зависимость массы уплотняемого грунта вибрационными катками в зоне активного действия вибрации от физико-механических свойств грунта и режимных параметров катка;
-
Обосновать методику выбора рациональных режимных параметров вибрационных катков: частоту колебаний и вынуждающую силу вибровозбудителя, рабочую скорость.
Содержание рассматриваемых в работе вопросов отвечает формуле паспорта научной специальности 05.05.04 – «Дорожные, строительные и подъемно-транспортные машины», п. 2 - Методы моделирования, прогнозирования, исследований, расчета технологических параметров, проектирования, испытаний машин, комплектов и систем, исходя из условий их применения; п. 3 - Совершенствование технологических процессов на основе новых технических решений конструкций машин; п. 4 - Методы управления машинами, машинными комплектами и системами контроля качества технологических процессов, выполняемых машинами.
Научная новизна работы:
1) Усовершенствована математическая модель «валец вибрационного
катка - грунт», в которой учитывается масса уплотняемого грунта в зоне
активного действия вибрации в зависимости от физико-механических
свойств грунта и режимных параметров катка;
-
Определена зависимость массы уплотняемого грунта в зоне активного действия вибрации от физико-механических свойств грунта и режимных параметров катка;
-
Установлены зависимости значений виброускорений в грунте от частоты колебаний вибровозбудителя, коэффициента уплотнения грунта, толщины слоя грунта.
Теоретическая и практическая значимость результатов работы:
1) Разработана методика обоснования рациональной частоты колебаний
вибровозбудителя, вынуждающей силы вибровозбудителя, рабочей скорости вибрационных катков, толщины уплотняемого слоя, уплотняемой массы грунта от физико-механических свойств грунта, учитывающая изменение массы уплотняемого грунта в зоне активного действия вибрации;
-
Повышена производительность вибрационных катков за счет определения их рациональных режимных параметров: частоты колебаний и вынуждающей силы вибровозбудителя, рабочей скорости;
-
Определена зависимость изменения массы уплотняемого грунта в зоне активного действия вибрации от физико-механических свойств грунта и режимных параметров катка, а также геометрические размеры этой зоны;
-
Разработана программа, позволяющая определять режимные параметры вибрационных катков с учетом массы уплотняемого грунта в зоне активного действия вибрации;
-
Разработано устройство непрерывного контроля качества уплотнения грунта;
-
Результаты исследований использованы в учебном процессе на кафедре “Эксплуатация и сервис транспортно-технологических машин и комплексов в строительстве” ФГБОУ ВПО «СибАДИ», а также на производственных предприятиях и в организациях, занимающихся эксплуатацией уплотняющих машин.
Методология и методы исследования предусматривают совокупность экспериментальных и теоретических подходов к исследованию. Решение поставленных задач основано на анализе общепринятых теоретических положений в области уплотнения грунтов и экспериментальных исследованиях, проведенных в производственных и лабораторных условиях, на теории планирования и обработки экспериментальных данных и результатов математического моделирования. В расчетах и обоснованиях использовались программные обеспечения: Visual Basic, КОМПАС-3D, Microsoft Office.
Положения, выносимые на защиту:
- усовершенствованная математическая модель «валец вибрационного катка - грунт»;
– результаты экспериментальных исследований зоны активного действия вибрации;
– методика обоснования режимных параметров вибрационных катков с учетом массы уплотняемого грунта в зоне активного действия вибрации;
– рекомендации по режимным параметрам вибрационных катков.
Достоверность исследований обеспечена:
– использованием фундаментальных положений теории уплотнения грунта;
– достаточным объемом экспериментальных исследований,
проведенных в производственных и лабораторных условиях на сертифицированном оборудовании;
– использованием математического анализа в качестве главного инструмента исследования, методов современной обработки результатов исследований;
– проверкой адекватности теоретических исследований
экспериментальными исследованиями.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и
обсуждались: на Международной 66-й научно-практической конференции
«Ориентированные фундаментальные и прикладные исследования –
основа модернизации и инновационного развития архитектурно-
строительного и дорожно-транспортного комплексов России» (СибАДИ, г.
Омск, 2012 г.); II Межвузовской научной конференции студентов и
аспирантов «Природные и интеллектуальные ресурсы Омского региона
(Омскресурс-2-2012)», (ОмГТУ, г. Омск, 2012 г.); VII Всероссийской
научно-практической конференции (с международным участием)
«Развитие дорожно-транспортного комплекса и строительной
инфраструктуры на основе рационального природопользования»,
(СибАДИ, г. Омск, 2012 г.); Всероссийской научно-практической
конференции, посвященной Дню российской науки (с международным
участием) (СибАДИ, г. Омск, 2012 г.); на научно-практической
конференции, посвященной Дню российской науки (СибАДИ, г. Омск,
2013 г.); на ХIV Международной научно-практической конференции
аспирантов, студентов и молодых ученых “Теоретические знания – в
практические дела”, (ОФ ФГБОУ ВПО «МГУТУ им. К. Г. Разумовского»,
г. Омск, 2013 г.); на 67-й научно-практической конференции «Теория,
методы проектирования машин и процессов в строительстве» (СибАДИ, г.
Омск, 2013 г.); на Международном конгрессе “Архитектура.
Строительство. Транспорт. Технологии. Инновации” (СибАДИ, г. Омск, 2013 г.); III Межвузовской научной конференции студентов и аспирантов «Природные и интеллектуальные ресурсы Омского региона (Омскресурс-3-2013)» (ОмГТУ, г. Омск, 2013 г.); Международной научно-практической конференции «Современные научные исследования: актуальные проблемы и тенденции» (ОИВТ филиал ФГБОУ ВО «НГАВТ», г. Омск, 2014 г.); на заседаниях кафедры ЭСМиК ФГБОУ ВПО «СибАДИ».
Реализация результатов работы. Результаты исследований приняты к внедрению ООО «Стройтехника», ЗАО НПК «Дорожно-Строительные Технологии» (г. Омск) и применяются в учебном процессе в различных дисциплинах на кафедре «Эксплуатация и сервис транспортно-технологических машин и комплексов в строительстве» ФГБОУ ВПО «СибАДИ».
Публикации. По результатам исследований опубликовано 12 работ, в том числе 7 работ в материалах научных конференций, 5 статей в журналах, рекомендованных перечнем ВАК Минобрнауки РФ. Получены свидетельство о регистрации электронного ресурса и свидетельство о регистрации программы для ЭВМ. Получен патент на изобретение РФ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованных источников и приложений. Общий объём работы 169 страниц, включая 27 таблиц, 53 рисунка и 12 приложений. Библиографический список включает 161 наименование.
Факторы, влияющие на эффективность уплотнения грунтов вибрационными катками
Сущность способа – создание напряжения на пятне контакта катка с грунтом под действием уплотнения, связанного с перегруппировкой частиц грунта за счет их колебаний, вызванных вибрационными машинами.
Процесс вибрации значительно уменьшает коэффициенты внутреннего трения грунтов, что уменьшает сопротивление трению частиц. Наиболее эффективно уплотнение вибрированием несвязных грунтов, так как в связных грунтах помимо сил трения между частицами присутствуют силы сцепления [6,9,67,79,101,102,132]. Машины для вибрационного уплотнения делятся на вибрационные плиты и катки, причём катки получили гораздо большее распространение вследствие большей универсальности и разнообразия рабочих органов. Применяются гладкие (рис. 1.4), ребристые, кулачковые вибрационные вальцы. Также известны вибрационные катки с обрезиненными вальцами и вибропневмокатки [6,43,52,92,95,102,132,147]. Основная цель при создании вибрационных катков - это возможность повысить эффективность уплотнения при том же достигаемом Ку (коэффициенте уплотнения), снизить вес катка и потребляемую мощность, что позволяет перейти на использование менее мощных, а потому более дешёвых двигателей. Получаемый от создания вибрационных катков эффект может быть оценен коэффициентом эффективности кэ [6,98,102,112,128,132], который определяется по зависимости где q - линейное давление обычного гладковальцового катка, которое необходимо для доведения грунта до необходимой плотности в слое оптимальной толщины, Н/м; qв - линейное давление того же катка, определяемое при тех же условиях, но при наличии колебаний вальца, Н/м [6,101,102,128,132].
Вибрационные катки имеют большую производительность по сравнению со статическими за счет применения вибрации в процессе уплотнения, что ведет к сокращению количества проходов катка. Однако уплотнение вибрированием достаточно сложный процесс, в котором необходимо подбирать режимные параметры катка в зависимости от свойств грунта [98,107,111,139].
Вибрационные катки как прицепные, так и самоходные могут работать в ударном режиме. При этом в зависимости от относительного амплитудного значения возмущающей силы один удар вальца о грунт приходится на 2,3 и более оборотов дебалансов. Учитывая исследования Г. Н. Попова, можно сделать вывод, что переход к ударному режиму колебаний происходит при Р 2Q. Здесь размах колебаний вальца катка увеличивается прямо пропорционально относительной величине возмущающей силы. Такая закономерность имеет место до Р 8Q, после чего она приобретает экспоненциальный характер [6,64,66,95,101,102,128,132].
Исследования [1,52,60,70,95,101,102,128,132,148] показали, что переход к ударным колебаниям у вибрационных катков происходит при несколько большем отношении возмущающей силы к весу, чем в случае вибрационных плит. Уплотнение несвязных грунтов более эффективно в том случае, когда каток совершает квазигармонические колебания большой амплитуды. При таком режиме на уплотнение единицы объёма грунта расходуется минимальная работа. Этот режим при частотах 30-60 Гц достигается, когда Р«2Q. Вместе с тем, уплотнение связных грунтов должно производиться при ударных колебаниях катка, и потому при выборе относительной величины возмущающей силы возможно руководствоваться неравенством Р (3,5-4,0)Q [6,74,101,102,128,132].
По исследованиям НА. Цытовича, Д.Д. Баркана, Н.Я. Хархуты, А.И. Доценко, амплитуду колебаний по глубине уплотняемого слоя можно определить по зависимости а = а0-е \ (1.5) где ао - амплитуда колебаний вибратора, м; е - основание натуральных логарифмов; h - расстояние по вертикали от вибратора до рассматриваемой точки, м; - коэффициент, зависящий от свойств уплотняемого материала, учитывает уменьшения виброускорений по толщине слоя грунта, 1/м (значения составляют 0,07-0,1) [53,54,55,56,57,58,59,135,136].
В настоящее время вибрационным каткам отдается большее предпочтение, нежели статическим. Вибрационные катки обладают рядом преимуществ по сравнению со статическими катками, такими как меньшая металлоемкость, а за счет воздействия на грунт вибрационных колебаний достигается более равномерное уплотнение. Однако недостатком вибрационных катков является сложность выбора их режимных параметров в зависимости от свойств грунта. По исследованиям Д.Д. Баркана и Н.Я. Хархуты, одним из критериев эффективности процесса виброуплотнения могут являться значения виброускорений в уплотняемом грунте. Они являются второй производной от перемещений в грунте, т.е. пропорциональны деформации грунтовой среды. Следовательно, для анализа эффективности процесса виброуплотнения необходимо определять условия достижения максимальных значений виброускорений. Критические значения виброускорений (по Д.Д. Баркану) являются критерием, ограничивающим зону протекания деформаций при уплотнении грунтов, т.е. позволяют определять объем массы уплотняемого грунта, который характеризует активную зону действия вибрации. Масса оказывает существенное влияние на интенсивность уплотнения грунтов вибрационными катками.
Применение комбинированного уплотнения, в основу которого положен принцип совмещенного приложения вибрационных и повторяющихся нагрузок, привлекает все большее внимание исследователей в связи с возможностью получения повышенных значений необратимых деформаций в уплотняемой среде. Комбинированными катками являются катки с рабочими органами различных типов (рисунок 1.5). Существуют различные комбинации рабочих органов, например, кулачковый вибрационный валец и пневмоши-ны; гладкий вибровалец и пневмошины; несколько пневмошин на двух осях и статический или вибрационный валец на третьей оси; сдвоенные вибровальцы и пневмошины [92,126,128,132].
Одним из вариантов комбинированного уплотнения является вибро-пневмоукатка, заключающаяся в предварительной обработке уплотняемого грунта различными вибрационными рабочими органами (виброплитами, виброкатками) и в последующем приложении повторяющихся нагрузок значительной интенсивности, в частности, ряда проходов катка на пневматических шинах [92,126,128,132].
Комбинированное уплотнение с применением вибрации и повторяющихся (импульсных) нагрузок имеет теоретическое обоснование.
Согласно существующей теории [92,126,128,132], структурное сопротивление слоя грунта вдавливанию колеса на пневматической шине полностью определяется величиной угла внутреннего трения ф и сцепления С, что видно из следующих формул, предложенных Н.Н. Ивановым (1.6) и И. Симоном (1.7):
Математическая модель процесса уплотнения грунта вибрационным катком
Математическая модель «валец вибрационного катка - грунт» должна учитывать жесткость вальца, а грунт должен рассматриваться как упру-говязкопластичная среда [36,37,38,60,120,145,152]. Математическая модель была усовершенствована введением в нее функциональной зависимости изменения массы уплотняемого грунта в зоне активного действия вибрации от факторов, влияющих на интенсивность процесса виброуплотнения. Это позволяет оценить ее влияние на сам процесс, выбрать рациональные режимные параметры вибрационных катков и интенсифицировать процесс уплотнения. На рисунке 2.1 показана расчетная схема вибрационного катка, взаимодействующего с массой уплотняемого грунта. Подобное взаимодействие вибротрамбующей машины с уплотняемой массой грунта было рассмотрено А.И. Доценко, расчетная схема данного взаимодействия представлена на рисунке 2.2 [53,54,55,56,57,58,59]. Согласно этой схеме процесс силового взаимодействия виброударной машины с грунтом описывается следующим образом. Трамбовка весом Q наносит удар по грунту и движется совместно с ним некоторое время t от 0 до . Часть грунта m1, вступающая во взаимодействие с рабочим органом, движется с ним поступательно. При этом на движущую систему будут действовать инерционные силы, так как, согласно принятой схеме, присоединенная масса грунта мгновенно изменяет свою скорость от нуля до скорости системы [53,54,55,56,57,58,59]. Но данная схема не учитывает колеблющуюся недоуп Рисунок 2.2 – Расчетная схема силового взаимодействия вибротрамбующей машины кинематического возбуждения с уплотняемым грунтовым основанием лотненную массу грунта. На рисунке 2.2 Q – сила тяжести вибротрамбовки, Н; Gп – сила, при которой нарушаются упругие свойства уплотняемого слоя грунта, Н.
На рисунке 2.3 представлена усовершенствованная динамическая модель колебательной системы «валец вибрационного катка – грунт». Модель включает параллельно соединенные элементы жесткости и вязкости, где b1 – коэффициент вязкого трения грунта, Нс/м; с2 – коэффициент жесткости вальца (с2=109Н/м); с1у и с1пл – коэффициенты, учитывающие упругие и пластичные деформации грунта, Н/м. На модели показано взаимодействие колеблющихся масс: m2 – масса вальца с пригрузом от веса катка и m1 – масса уплотняемого грунта в зоне активного действия вибрации. Колебание масс m1 и m2 происходит под действием вынуждающей силы Р. Под воздействием колебаний массы получают относи 46 тельные перемещения zi и z2, которые прямо пропорциональны значениям виброускорений системы [36,37,38,60,120,145,152]. Коэффициент, учитывающий упругие и пластические деформации грунта, определим по зависимости сіу-с 1пп Е у-Е пл S с 1у+с 1пп Е у+Е пл h С2-1) где Еу - модуль упругой деформации грунта, МПа; Епл - модуль пластических деформаций, МПа; S - площадь пятна контакта вибрационного вальца с грунтом, м2; h - толщина массы уплотняемого грунта, м. Коэффициент вязкого трения грунта t i определим по зависимости bi=rl--, (2.2) где - динамическая вязкость грунта, П.
По исследованиям проф. Хархуты Н.Я. значения модулей общей деформации Е составили при оптимальной влажности для суглинка от 8 до 24МПа, для супеси - от 4 до 20МПа (с учетом динамической нагрузки). По исследованиям Баркана Д.Д., динамическая вязкость грунта может изменяться в зависимости от влажности и типа грунта и составлять для супеси от 0,5104П до 12104П, для суглинка - от 1,5104П до 18104П [15,40,121,132]. Для решения поставленных задач используем математическую модель, предложенную О.А. Савиновым, М. Новаком, Д.Д. Барканом, О.Я. Шехтером, которая описывает движение колеблющихся масс дифференциальными уравнениями второго порядка [36,96,146]: m2a2 + c2(z2 - zx) = Pcos cot + m2g (2-3) [ща1 + bj z j + CJZJ + c2 (Zj - z2) = nijg, (2.4) где nii - колеблющиеся массы системы, кг; со - угловая частота вынужденных колебаний, рад/с; t - время нахождения вальца на пятне контакта, с; сі - коэффициент, учитывающий упругие и пластичные деформации грунта, Н/м; с2 - коэффициент жесткости вальца, Н/м [36,37,38,41,99,103,135,136,153,154,155,156,157,158,159]. Вынуждающую силу вибровозбудителя Р определим по зависимости Р = тдгд-ю2, (2.5) где тдгд - маховой момент дебаланса, кгм. Угловую частоту колебаний вибровозбудителя определим по зависимости co = 27i-f, (2.6) где f - частота колебаний вибровозбудителя, Гц.
В данном модельном подходе необходимо ввести новую функциональную зависимость (2.7) для изменяющейся массы уплотняемого грунта в зоне активного действия вибрации от параметров грунта и параметров вибрационного катка, что будет являться новизной проведенных исследований: ni! =/(f, Р, В, R, т2, Ку, тип грунта), (2.7) где f - частота колебаний вибровозбудителя, Гц; Р - вынуждающая сила вибровозбудителя, Н; В - ширина вибрационного вальца, м; R - радиус вибрационного вальца, м; т2 - масса вибрационного вальца с пригрузом от веса катка, кг; Ку - коэффициент уплотнения грунта. Общим решением этой системы уравнений является сумма общего решения однородных уравнений и частного решения системы. В общее решение входит слагаемое, соответствующее свободным колебаниям с собственной частотой системы, и слагаемое, вызывающее только вынужденные колебания масс системы с частотой вынуждающей силы [99]. zi= zi(t), z2= z2(t), te (0, Т), где Т - период. Решения системы удовлетворяют начальным данным zi(0)=0, (0) = 0; (2.8) z2(0)=0, z2(0) = 0. (2.9) Решим задачу Коши при средних значениях параметров [24,48,97]. Почленно сложим уравнения системы (2.3) и (2.4) и выразим a2(t) через Zj(t) и производные этой функции.
Планирование экспериментальных исследований
Необходимо было знать коэффициент уплотнения в процессе уплотнения под вибровальцом, в местах закладывания датчиков. Для этого были проведены следующие экспериментальные исследования: грунт уплотнялся до нужной плотности в течение определенного времени t. Далее в точках, представленных на рисунке 3.6, определялся коэффициент уплотнения грунта. Для определения коэффициента уплотнения на глубине снимался верхний слой грунта до требуемой глубины.
Проведенные исследования позволили определить Ку в местах заложения датчиков в процессе уплотнения. Многофункциональным измерителем «ЭКОФИЗИКА» в процессе уплотнения мы измерили значения виброускорений в местах заложения датчиков. Зная коэффициент уплотнения грунта и значения виброускорений в процессе уплотнения, можно построить зависимости значений виброускорений от коэффициента уплотнения грунта.
В экспериментальных исследованиях поступательной скоростью катка можно пренебречь, потому что она мала по сравнению с виброскоростью в грунте от вальца вибрационного катка. Изначально проводились исследования распространения вибрации от пятна контакта вальца с грунтом. Исследования необходимы для определения углов распространения зоны активного действия вибрации от пятна контакта вальца с грунтом. Частота колебаний пластины совпадает с частотой колебаний вальца. Углы зоны действия вибрации определяются на поверхности с помощью датчика, который крепился на металлической пластине, толщиной 0,002м и размером 0,025м х 0,025м. Для определения углов распространения вибрации на глубине 0,15м датчик крепился на пластине тех же размеров, пренебрежимо малого веса (рисунок 3.8).
Для вибрационного катка ДУ-107 частота колебаний вибровозбудителя f больше частоты вращения вала двигателя fдв, т.е. (f=1,48fдв). Частота вращения вала двигателя измерялась тахометром (рисунок 3.7). На шкив вала двигателя наносилась белая полоса, ее попадание под лазер тахометра фиксировалось как один оборот вала двигателя. Подключение датчика осуществлялось по схеме 1 на рисунке 3.4 [26].
На рисунке 3.9 показано, что датчиком фиксировались виброускорения, распространяющиеся в трех направлениях: Х – перпендикулярно движению катка, Y – по направлению движения катка и Z – вертикально вниз. а) б) Рисунок 3.9 – Направления измеряемых значений виброускорений: а) измерения дат чиком на пятне контакта; б) измерения датчиком на глубине 0,15м под пятном контакта На рисунках 3.10, 3.11, 3.12 показаны зависимости значений виброускорений при измерении датчиком по схеме, представленной на рисунке 3.9а, в направлениях X,Y,Z от коэффициента уплотнения грунта Ку, при уплотнении вибрационным катком ДУ-107 суглинка влажностью 16% и супеси влажностью 14%. A
Зависимости значений виброускорений в направлениях Х, Y, Z от коэффициента уплотнения, при уплотнении с частотой колебаний вибровозбудителя 60Гц: а) суглинка влажностью 16%; б) супеси влажностью 14%
На рисунках 3.13, 3.14, 3.15 показаны зависимости значений виброускорений при измерении датчиком по схеме, представленной на рисунке 3.9б, в направлениях X,Y,Z от коэффициента уплотнения грунта Ку, при уплотнении вибрационным катком ДУ-107 суглинка влажностью 16% и супеси влажностью 14%.
Зависимости значений виброускорений в направлениях Х, Y, Z от коэффициента уплотнения, при уплотнении с частотой колебаний вибровозбудителя 30Гц: а) суглинка влажностью 16%; б) супеси влажностью 14% 9 7 5 3
Зависимости значений виброускорений в направлениях Х, Y, Z от коэффициента уплотнения, при уплотнении с частотой колебаний вибровозбудителя 60Гц: а) суглинка влажностью 16%; б) супеси влажностью 14% Из рисунков 3.13, 3.14, 3.15 видно, что наибольшие значения виброускорений наблюдаются в направлении Z, более низкие - в направлении Y и самые низкие - в направлении Х.
Исследования показали, что с ростом плотности значения виброускорений в грунте уменьшаются, следовательно, необходимо увеличивать вынуждающую силу вибровозбудителя. Как показали исследования, на несвязных грунтах наблюдаются большие значения виброускорений, чем на связных, следовательно, связные грунты необходимо уплотнять с большей вынуждающей силой. Значения виброускорений, полученные по трем направлениям, позволили установить угол распространения зоны активного действия вибрации в грунт от пятна контакта. Полученные значения виброускорений в направлении Z есть ничто иное как входные виброускорения на пятне контакта вальца с грунтом. На более связных и плотных грунтах необходимо увеличивать вынуждающую силу вибровозбудителя до достижения максимальных значений виброускорений в грунте, при этом не превышая предела прочности грунта [26,36].
Определение зависимости массы уплотняемого грунта в зоне активного действия вибрации от параметров грунта и катка
Для подтверждения адекватности математической модели использовались экспериментальные данные с применением вибрационного катка ДУ-107 при уплотнении суглинка и супеси оптимальной влажности.
Для сравнения результатов математической модели с результатами экспериментальных исследований были использованы средние значения виброускорений по толщине зоны активного действия вибрации в грунте.
На рисунке 4.4 представлены зависимости значений виброускорений от частотных режимов вибровозбудителя при уплотнении грунта с коэффициентом уплотнения Ку=0,85 вибрационным катком ДУ-107, полученные в результате экспериментальных исследований и математического моделирования.
На рисунке 4.5 представлены зависимости значений виброускорений от частотных режимов вибровозбудителя при уплотнении грунта с коэффициентом уплотнения Ку=0,9 вибрационным катком ДУ-107, полученные в результате экспериментальных исследований и математического моделирования.
На рисунке 4.6 представлены зависимости значений виброускорений от частотных режимов вибровозбудителя при уплотнении грунта с коэффициентом уплотнения Ку=0,95 вибрационным катком ДУ-107, полученные в результате экспериментальных исследований и математического моделирования.
Сравнительный анализ теоретических и экспериментальных исследований показал наличие расхождения не более, чем на 10%, что позволяет сделать вывод об адекватности математической модели и теоретических выкладок. С целью подтверждения универсальности разработанной методики для катков различных типоразмеров был проведен ряд экспериментальных ис 110 следований по уплотнению грунта катком Hamm 3518. Технические характеристики вибрационного катка Hamm 3518 представлены в таблице 4.3. Таблица 4.3 Технические характеристики вибрационного катка Hamm 35 Наименование показателей Значения
Цель исследований: подтверждение эффективности методики обоснования рациональных параметров для катков разных типоразмеров. Исследования были проведены на базе ЗАО НПК «ДорожноСтроительные Технологии», г. Омск (рисунок 4.7). Для определения плотности грунта использовался метод «режущих колец» по ГОСТ 5180-84 [45]. Рассматривалось виброуплотнение катком Hamm 3518 суглинка влажностью 16% и супеси влажностью 14%. Влажность грунта определялась методом высушивания до постоянной массы по ГОСТ 5180-84. Также измерялись значе 111 ния виброускорений в трех направлениях Х,Y,Z на пятне контакта вальца с грунтом трехкомпонентным пьезоэлектрическим датчиком. Результаты исследований представлены в таблице 4.4. Измерялись значения виброускорений в трех направлениях Х,Y,Z на глубине 0,15м трехкомпонентным пьезоэлектрическим датчиком, результаты исследований представлены в таблице 4.5.
Измерения виброускорений также проводились под пятном контакта на глубине однокомпонентными датчиками, результаты исследований пред 113 ставлены в таблице 4.6. Частота колебаний вибровозбудителя - 30Гц. Представленные в таблицах 4.4, 4.5, 4.6 исследования значений виброускорений в грунте, уплотняемом катком Hamm 3518, подтверждают положения, описанные в методике.
Порядок проведения исследований плотности грунта: вибрационный каток уплотняет грунт вибрированием и отъезжает; в грунт, уплотненный катком, вертикально вставляется в центр пятна контакта металлическая пластина, заостренная на конце (рисунок 4.8); с одной стороны от пластины грунт откидывается; пластина вынимается; в полученном уплотненном массиве грунта измеряется плотность методом «режущих колец» по ГОСТ 5180-84 [45].
Маховой момент дебаланса равен 14,23кгм. Уплотнение проводилось при частоте колебаний вибровозбудителя 30Гц. Начальная плотность составляла для суглинка о1бО0кг/м3, для супеси о1500кг/м3. Максимальная стандартная плотность для суглинка тах1900кг/м3, для супеси тах1750кг/м3. Максимальная стандартная плотность грунта была определена по ГОСТ 22733-2002. Требуемая плотность для суглинка 1800кг/м3, для супеси 1650кг/м3. Необходимую продолжительность t пребывания вибрационного вальца катка на пятне контакта с грунтом определим по зависимости где Пц - потребное число циклов нагрузки при уплотнении (для связного грунта пц =20000; для несвязного пц =5000); f - частота колебаний вибровозбудителя, Гц. Для связного грунта t12с, для несвязного грунта t3с [132].
С учетом разработанной методики обоснования режимных параметров вибрационных катков, толщина отсыпаемого слоя для катка Hamm 3518 составит на суглинке п=0,5м, на супеси п=0,7м. Необходимо определить, является ли коэффициент уплотнения грунта требуемым после уплотнения катком Hamm 3518 толщины уплотняемого слоя для суглинка п=0,5м, для супеси п=0,7м. Полученные значения коэффициента уплотнения грунта составили для суглинка Ку=0,952; для супеси Ку=0,955.
Исходя из полученных данных, можно сделать вывод, что на требуемой толщине уплотняемого слоя наблюдается требуемый коэффициент уплотнения грунта, что говорит об адекватности разработанной методики обоснования режимных параметров вибрационных катков с учетом массы уплотняемого грунта в зоне активного действия вибрации.