Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса в области уплотнения грунтов 14
1.1. Анализ процессов уплотнения грунтов различными способами 14
1.1.1. Анализ процесса статического уплотнения 16
1.1.2. Анализ процесса вибрационного уплотнения 30
1.1.3. Анализ процесса трамбования 36
1.1.4. Анализ процесса комбинированного уплотнения 39
1.2. Выводы по главе 41
2. Анализ теоретических предпосылок интенсификации процесса уплотнения грунтов дорожными катками 44
2.1. Анализ влияния характеристик грунтов на интенсивность процесса уплотнения 44
2.1.1. Анализ влияния структурного состояния грунтов на интенсивность процесса уплотнения 45
2.1.2. Анализ влияния физико-механических свойств грунтов на интенсивность процесса уплотнения 49
2.1.3. Анализ влияния минералогического состава грунтов на интенсивность процесса уплотнения 63
2.1.4. Анализ влияния гранулометрического состава грунтов на интенсивность процесса уплотнения 66
2.2. Факторы, влияющие на интенсивность уплотнения грунтов 69
2.2.1. Величина контактных напряжений 69
2.2.2. Скорость деформирования уплотняемой среды 76
2.2.3. Влажность грунтов 84
2.2.4. Количество проходов по одному следу 91
2.2.5. Толщина уплотняемого слоя 96
2.3. Выводы по главе 109
3. Математическое моделирование процесса динамического деформирования уплотняемой среды вибрационными катками с пневмошинными рабочими органами 112
3.1. Математическая модель элементарного упруговязкопластичного столба грунтовой среды, деформируемой внешней периодической силой... 112
3.2. Математическая модель нескольких последовательно соединнных элементарных упруговязкопластичных столбов грунтовой среды, деформируемых внешней периодической силой 122
3.3. Математическая модель взаимодействия нескольких последовательно соединнных элементарных упруговязкопластичных столбов среды с пневмошинным рабочим органом катка посредством внешней
периодической силы 124
3.4. Выводы по главе 133
4. Экспериментальные исследования параметров пневмошинных рабочих органов вибрационных катков для уплотнения грунтов 135
4.1. Общая методика проведения экспериментальных исследований 136
4.1.1. Планирование эксперимента для определения показателей жсткости и вязкости пневмошинных рабочих органов 138
4.1.2. Планирование эксперимента для определения степени влияния жсткости рабочего органа на интенсивность процесса уплотнения 134
4.1.3. Методика обработки экспериментальных данных 139
4.2 Экспериментальные исследования показателей жсткости и вязкости
пневмошинных рабочих органов вибрационных катков 141
4.2.1. Исследования жсткости и коэффициента вязкого трения шины, заполненной жидкостью 143
4.2.2. Исследования жсткости и коэффициента вязкого трения пневматической шины, оборудованной сменными металлическими бандажами 147
4.2.3. Исследования параметров пятна контакта пневмошинных рабочих органов с опорной поверхностью 157
4.3. Выводы по главе 170
5. Исследования влияния пневмошинных рабочих органов катков на интенсивность процесса вибрационного уплотнения грунтов 171
5.1. Анализ результатов теоретических исследований 171
5.2. Оптимизация параметров вибрационных катков с пневмошинными рабочими органами для уплотнения грунтов 186
5.3. Сравнительный анализ теоретических и экспериментальных данных процесса уплотнения грунтов вибрационными катками 192
5.4. Исследования влияния жсткости рабочих органов катков на значения виброускорений в виброуплотняемых грунтах 203
5.5. Анализ энергоэффективности вибрационных катков с пневмошинными рабочими органами 212
5.5.1 Анализ энергоэффективности передачи вибрации уплотняемой грунтовой среде 212
5.5.2 Сравнительный анализ эффективности уплотнения грунтов вибрационными катками с пневмошинными рабочими органами 214
5.6. Выводы по главе 218
6. Реализация результатов исследований 221
6.1. Методика выбора параметров вибрационных катков
с пневмошинными рабочими органами 221
6.1.1. Методика определения жсткости пневмошинных рабочих органов вибрационных катков 221
6.1.2. Обоснование величины контактных напряжений при уплотнении грунтов катками с пневмошинными рабочими органами 225
6.1.3. Обоснование параметров вибрации катков с пневмошинными рабочими органами 227
6.1.4. Обоснование рациональной скорости вибрационных катков
с пневмошинными рабочими органами 232
6.2. Разработка перспективных конструкций пневмошинных рабочих органов вибрационных катков 233
6.2.1. Вибрационный гидрошинный рабочий орган катка 234
6.2.2. Пневмошинный рабочий орган катка с металлическими бандажами 240
6.2.3. Виброимпульсный пневмошинный рабочий орган катка 245
6.2.4. Кулачковый пневмошинный рабочий орган дорожного катка 248
6.3. Технологические рекомендации по уплотнению грунтов вибрационными катками с пневмошинными рабочими органами 251
6.4. Выводы по главе 257
Заключение 258
Условные обозначения 262
Список литературы
- Анализ процесса комбинированного уплотнения
- Анализ влияния физико-механических свойств грунтов на интенсивность процесса уплотнения
- Математическая модель нескольких последовательно соединнных элементарных упруговязкопластичных столбов грунтовой среды, деформируемых внешней периодической силой
- Планирование эксперимента для определения показателей жсткости и вязкости пневмошинных рабочих органов
Анализ процесса комбинированного уплотнения
Гладковальцовые статические катки вс меньше и меньше используются в строительстве. Основная причина заключается в том, что они обладают невысокой производительностью и для достижения нормативной плотности, согласно СНиПу [128], необходимо применять как минимум два типоразмера таких катков (средние, тяжлые). Статические катки не могут создать необходимые напряжения для уплотнения материала в диапазоне от свежеосыпанного состояния до значений нормативной плотности. В начале укатки прочность материала невысока, и контактные напряжения не должны превышать предел его прочности. Необходимо использовать более лгкие катки. По мере того, как в процессе уплотнения прочность материала повышается, каток перестат создавать соответствующее напряжения, и возникает необходимость применять более тяжлые модели катков. Это увеличивает энергомкость строительства, усложняет состав специализированного комплекта машин (СКМ) и, в конечном итоге, применение только статических катков значительно снижает эффективность технологического процесса и увеличивает себестоимость работ [128, 147].
Основное преимущество таких катков - простота конструкции. Пневмошинные катки. При статическом уплотнении достаточно эффективными являются катки на пневматических шинах (рисунок 1.4). Преимущество их в том, что они обладают возможностью регулировки контактных напряжений. Это достигается изменением давления внутри пневматических шин, при этом изменя 19 ется площадь пятна контакта, а значит и контактные напряжения. Ещ одним преимуществом пневматических шин является большая площадь пятна контакта, по сравнению с металлическими вальцами, что позволяет при одной и той же скорости движения увеличивать время контакта. Увеличивается время материала в НДС, что положительно сказывается на накоплении необратимых деформаций, т. е. на интенсивности процесса уплотнения, увеличивается толщина уплотняемого слоя, уменьшается количество проходов катка по одному следу [5, 147]. Статические катки на пневматических шинах Эффект уплотнения зависит от величины контактных напряжений, приложенных уплотнителем к поверхности слоя, и времени их действия [5, 8, 15, 16, 23, 29, 63, 68, 72, 133, 137, 144, 158].
Контактные напряжения могут быть вычислены по формулам контактной теории упругости [24, 97, 135] либо по эмпирическим формулам. Отметим, что авторами изучались не только максимальные контактные напряжения, но также и закономерности их распределения по площади отпечатка [16, 17, 24, 34, 35, 45, 84], так как от характера распределения зависит процесс уплотнения материалов. Согласно исследованиям О. Т. Батракова, Н. А. Ульянова и др. [15, 16, 137, 158] было установлено, что, с увеличением давления воздуха в пневматической шине до рwмax, эпюра контактных напряжений близка к эллиптической (рисунок 1.5) и имеет максимум в центре площадки нагружения и максимумы на краях отпечатка, т.е. давление в шинах непосредственно влияет на распределение напряжений в уплотняемом грунте.
Для полноценной оценки НДС среды при уплотнении пневмокатками необходимо знать не только свойства среды, но и свойства шин. Свойства пневматических шин изучались рядом авторов, из которых следует отметить: В. А. Анфимова [5], А. К. Бирулю [30 35], В. Ф. Бабкова [6 –9], О. Т. Батракова [15 – 23], В. А. Бидермана [29], В. И. Кнороза [64], В. И. Гребенщикова [45, 46], А. А. Ма 21 лышева [75], В. Н. Тарасова [132, 134], Н. А. Ульянова [137], Р. Хедекеля [155] и др. Экспериментальные исследования ряда авторов показали, что радиальная деформация шины растт несколько медленнее нагрузки и закон деформирования может быть представлен в виде [46] Fст = c-Aхроl, (1.3) где Fст - сила тяжести; хро - радиальная деформация шины; с - жсткость шины; і - постоянная характеристика для данного типа пневматической шины. Для определения радиальной деформации пневматической шины часто используется формула Р. Хедекеля [155]: Ах = F ст (1.4) pw27i /R-Rпр где рw давление воздуха в шине; R - наружный радиус колеса (шины); Rпр - радиус протектора.
Радиальная деформация пневматической шины существенно зависит от жсткости опорной поверхности, однако в настоящее время формул, учитывающих это обстоятельство, не имеется, за исключением приближнной зависимости, предложенной А. К. Бирулей и О. Т. Батраковым [33].
При уменьшении давления воздуха радиальная деформация пневматической шины возрастает [47, 64, 46, 75, 155]. Площадь отпечатка пневматической шины при сжатии на жсткой поверхности растт с увеличением нагрузки и имеет форму, близкую к овалу или эллипсу [8, 68, 83, 131, 132]. Так как уплотняющие машины передвигаются по поверхности различной жсткости, то при описании взаимодействия пневматических колс с уплотняемым слоем необходимо более полно учитывать механические свойства этого слоя. В рыхлом слое грунта силы трения и сцепления между частицами материала малы, и поэтому слой оказывает малое сопротивление деформированию. В этом случае площадь контакта велика, а значения напряжений малы. При последующих проходах слой уплотняется, что ведт к увеличению его сопротивления деформированию, уменьшению площади контакта и увеличению напряжений, т.е. у пневмошинных катков проявляется способность адаптироваться по контактным напряжениям.
В работе В. Н. Тарасова [132] выполнено отсечение пятна контакта от оболочки шины (рисунок 1.6), рассмотрена физическая сущность взаимодействия пневматической шины с опорной поверхностью. В поверхности сечения для плоского контакта на рисунке 1.6,б показаны силы реакции в виде распределенных удельных сил а и т (напряжений). Нормальные распределенные удельные силы в поверхности сечения по периметру контакта и распределенные моменты МІ оказываются взаимно уравновешенными и не имеют равнодействующей [132]. Для гладкой шины без протектора средние контактные напряжения являются практически равномерно распределнными по площади пятна контакта. Для шины, имеющей протектор, площадью пятна контакта является площадь фигуры, ограниченной огибающей по внешнему периметру контакта.
Анализ влияния физико-механических свойств грунтов на интенсивность процесса уплотнения
Очевидно, что для интенсификации процесса уплотнения грунтов, особенно связанных, необходимо снижать вязкую составляющую силы сопротивления деформированию. Как показал вышеприведенный анализ, этого можно достичь, уменьшая скорость деформирования грунта (и) или увеличивая время действия на него, что также позволяет преодолеть вязкие сопротивления.
Пневмошинные катки способны увеличивать время действия на грунт увеличивая пятно контакта, уменьшая внутреннее давление в шинах, не снижая скоростного режима обработки. Для вибрационных катков с металлическими вальцами единственный путь увеличения времени уплотнения – это снижение скорости катка, что по понятным причинам (снижается производительность) нежелательно. Тем не менее, именно увеличение времени действия контактных напряжений, при динамическом нагружении уплотняемого грунта, позволит добиться решения поставленных задач по интенсификации процесса уплотнения.
Ориентировочные данные по пределам прочности грунтов с коэффициентом плотности 0,95 при статическом и динамическом их нагружении установлены профессором Н.Я. Хархутой (таблица 2.10) [147].
Следует отметить, что с повышением плотности до 1,0 (100 %) динамическая прочность на сжатие некоторых высокосвязных глин оптимальной влажности возрастет до 3,5–3,8 МПа [72, 79]. При снижении влажности до 80% от оптимальной, что может быть в теплых, жарких или засушливых местах ряда стран, их прочность может достигать еще больших значений: 3,5–4,5 МПа (плотность 95%) и даже 6,0–7,0 МПа (100%). Таблица 2.10 – Значения пределов прочности грунтов
Cпособ уплотнения несвязный и малосвязный (песчаный, супесчаный, в т.ч. пылеватые), МПа среднесвязный (суглинок легкий), МПа связный (суглинок тяжелый), МПа высоко-связный(глина),МПа
При динамическом (вибрационном) воздействии на грунт его поведение несколько отличается от поведения при статическом уплотнении (укатке). Рядом отечественных и зарубежных авторов было доказано [11, 14, 65, 134, 140, 163], что сопротивление сдвигу некоторых материалов в момент их вибрирования может снижаться на 80-98%, это объясняется тем, что частицы среды приводятся в колебательные движения, силы внутреннего трения между ними снижаются, а значит, существенно снижается сопротивление деформированию. Это говорит о том, что при вибрационной обработке значительно повышается интенсивность процесса уплотнения.
Для решения практических задач по уплотнению грунтов необходимо также знать значения показателей жсткости и вязкости грунтов. Эти показатели исследовались рядом авторов: Н. А. Азюковым Д. Д. Барканом, С. В. Вяловым, П. Ф. Овчинниковым, В. Н. Сорокиным, Б. И. Филипповым и др. [3, 11, 19, 42, 130, 154, 161, 168], наиболее существенные из них жсткость и коэффициент вязкого трения, которые зависят не только от физико-механических свойств, но и от состояния грунта, который деформируется в процессе уплотнения. с = —, (2.1) где с - жсткость деформируемой среды, Н/м; Е - динамический модуль деформации, Па; S - площадь контакта, м2; ho - толщина деформируемого слоя, м. TIS b = T-, (2-2) где b - коэффициент вязкого трения деформируемой среды, Нс/м; - вязкость деформируемой среды, Нс/м2.
Одним из критериев энергоэффективности протекания процесса вибрационного уплотнения грунтов, могут служить значения амплитуд виброускорений частиц обрабатываемого грунта. Профессор Д.Д. Баркан [12, 13] доказал, что эффективность виброуплотнения в наибольшей степени зависит от величины ускорения частиц грунта. Увеличение значений виброускорений приводит к снижению диссипации энергии и интенсификации процесса уплотнения.
Экспериментальные исследования тенденций изменения виброускорений в грунтах при вибрационном силовом воздействии проводились С. А. Варгановым, С. В. Жирковичем, Л. Форссбладом, М. П. Костельовым [40, 54, 65, 141] и др. На рисунке 2.8 показаны две кривые затухания нормальных ускорений колебаний частиц грунта, при его уплотнении прицепным виброкатком ДУ-14 на двух рабочих скоростях. Критическое ускорение внутри грунтового массива составляло (0,4-0,5)g, (около 4-5 м/с2). Из полученных графиков вытекает, что толщина прорабатываемого слоя легким виброкатком согласно исследованиям М.П. Костельо-ва [65 - 67], составляет 35-45 см (рисунок 2.8).
На основании исследований [134] были построены две кривые - изменения критических ускорений и их затухания, действующих от виброплиты или вибровальца, ускорений грунтовых частиц с удалением от поверхности, где располагается источник колебаний. Точка пересечения этих кривых дат интересующую глубину эффективного уплотнения для песка или гравия.
Математическая модель нескольких последовательно соединнных элементарных упруговязкопластичных столбов грунтовой среды, деформируемых внешней периодической силой
Оптимальная влажность зависит от объема пор и от предельно возможной пептизации, т.е. от вида грунта. Очевидно, что на величину оптимальной влажности будеут влиять гранулометрический и минералогический составы грунтов, состав обменных катионов, а также наличие в грунтовой влаге и грунте солей и других примесей.
Очевидно, что не всякое повышение влажности облегчает процесс уплотнения. Повышение влагосодержания обычно эффективно лишь при увлажнениях грунтов до такой степени, при которой вся вода еще находится в связанном состоянии.
Оптимальная влажность зависит от величины действующей нагрузки лишь постольку, поскольку последнюю определяет требуемая плотность. В практике уплотнения грунтов оптимальную влажность приходится отыскивать именно по отношению к параметрам нагрузки. Для определения оптимальной влажности при уплотнении грунтов катками с гладкими вальцами удобно пользоваться опытной зависимостью (рисунок 2.16.), построенной по данным В. Льюиса [157]. Этот график, будучи построен по результатам работ различных исследователей, показывает, что с известным приближением эта зависимость может быть принята линейной.
Исследователями [31, 43, 62, 132, 145, 147, 161] было установлено, что размеры контактов рабочих органов машин с уплотняемым грунтом, а также скорость изменения напряженного состояния практически не оказывают влияния на оптимальную влажность. Так, при повышении диаметра штампа (dш), которым деформируют грунт при уплотнении, в 2 раза и снижении скорости изменения напряженного состояния в 22 раза весовая влажность соответственно увеличилась всего на 0,2 и 0,4%. Повторность приложения нагрузки, также оказывает влияние на оптимальную влажность лишь постольку, поскольку от нее зависит получаемая в итоге плотность грунта. Это является существенным фактором, позволяющим интенсифицировать процесс уплотнения.
Рассматривая влияние влажности грунтов на протекание процесса уплотнения можно сделать вывод, что при повышении влажности грунтов уменьшается их внутреннее сопротивление деформированию. Это происходит за счт того, что влага облегчает относительное «проскальзывание» частиц грунта относительно друг друга и снижает коэффициент внутреннего трения при его уплотнении. Однако такая тенденция наблюдается до определнного момента влагонасыщения, т. е. до состояния оптимальной влажности, при котором грунт меньше всего сопротивляется деформации. Дальнейшее повышение влажности снижает эффективность процесса уплотнения, жидкая фаза начинает в большей степени проявлять свои «несжимаемые» свойства, увеличивается вязкая составляющая сопротивления деформированию. Дальнейшее увеличение влажности может привести к снижению пределов прочности и пластичности, что особенно характерно для связанных глинистых грунтов.
Таким образом, влажность грунтов оказывает существенное влияние на снижение их сопротивления деформированию. Уплотнение грунтов необходимо проводить не только при значении оптимальной влажности, но и определнной частоте приложения внешней силы, при которой колебательное движение частиц виброуплотняемого грунта вызывает тиксотропные эффекты, резко снижающие сопротивляемость грунта уплотнению даже при невысоких контактных напряжениях.
Количество проходов по одному следу
Необходимое число проходов катка является важнейшим параметром, характеризующим интенсивность уплотнения. Достаточно отметить, что отклонение от него в ту или иную сторону способно вызвать недоуплотнение грунта или обеспечить напрасные затраты энергии на непродуктивных проходы катка. Деформирование грунта вальцами катка описывается диаграммой напряжение - деформация, представленной на рисунке 2.17 в обобщенном виде. a к o деформация На диаграмме (площадка В-С) прослеживается близкое к разрушению состояние уплотняемого материала, которое энергетически выгодно использовать для повышения эффективности уплотнения. Материал при этом достаточно легко накапливает необратимые деформации и по состоянию приближается к пределу возможной плотности [147].
По современным представлениям контактные напряжения катка должны быть больше предела текучести ст уплотняемого материала, не превосходя одновременно значения его предела прочности апр
Планирование эксперимента для определения показателей жсткости и вязкости пневмошинных рабочих органов
Проф. Д. Д. Барканом было установлено, что критерием энергоэффективности процесса вибрационного уплотнения грунтов могут служить значения виброускорений в грунтах [13], что было подтверждено Н. Я. Хархутой [147], М. П. Костельовым [65, 67]. Установлено, что амплитуда колебаний влияет на эффективность виброуплотнения поскольку она пропорциональна значениям виброускорений. Изучением виброускорений в колебательных системах занимались многие отечественные и зарубежные учные: Н. А. Азюков, Д. Д. Баркан, В. И. Баловнев, И. И. Блехман, А. А. Борщевский, В. Г. Зедгенизов, П. А. Корчагин, П.Ф. Овчинников, К. П. Севров, С. П. Тимошенко, В. С. Щербаков, А. А. Яблонский, H. Amick, D. Pietzsch, Yoo, T-S. Selig и др. [3, 10 – 14, 28, 39, 41, 51 – 58, 66, 67, 69, 81, 82, 91, 95, 136, 149, 151, 156, 161 –164]. Было доказано, что виброускорения являются не только критерием энергоэффективности процесса уплотнения [55, 85, 166], но и показателем развития НДС виброуплотняемой среды [12, 13, 169].
Разработанная математическая модель позволяет провести всесторонние исследования деформирования упруговязкопластичной среды пневмошинными рабочими органами с изменяемой жсткостью, определить рациональный диапазон жсткости РО, величину и частоту приложения внешней силы с учтом деформа-тивных свойств уплотняемой среды.
1. Построена математическая модель грунтовой среды в виде элементарного упруговязкопластичного столба, деформируемого внешней периодической силой, позволяющая исследовать напряжнно-деформируемое состояние и тенденции изменения виброускорений в уплотняемой среде.
2. Разработана расчтная схема взаимодействия пневмошинного рабочего органа катка с упруговязкопластичной средой в виде нескольких последовательно соединнных элементарных упруговязкопластичных столбов, позволяющая про 134 вести математическое моделирование процесса уплотнения грунтовой среды вибрационным катком с пневмошинным рабочим органом изменяемой жсткости.
3. Математическая модель взаимодействия нескольких последовательно со-единнных элементарных упруговязкопластичных столбов среды с пневмошин-ным рабочим органом катка дат возможность провести полномасштабные теоретические исследования уплотнения грунтов вибрационным катком с пневмошин-ными рабочими органами. Анализ результатов математического моделирования позволяет определить рациональный диапазон жсткости РО, величину внешней периодической силы и частоту е приложения, с учтом свойств среды и параметров уплотнителя.
4. Результаты реализации представленной математической модели являются областью допустимого решения (ОДР) для задач по оптимизации параметров вибрационных катков с пневмошинными рабочими органами при уплотнении грунтовых сред.
Общая методика проведения экспериментальных исследований Процесс взаимодействия пневмошинных рабочих органов с упруговязкопла-стичными грунтовыми средами является сложным процессом, зависящим от большого количества различных факторов, как со стороны грунтового массива, так и со стороны РО катков. Для пневмошинных рабочих органов с изменяемым диапазоном жсткости необходимо провести экспериментальные исследования для установления зависимостей жсткости РО от его конструктивных особенностей и внутреннего давления в шинах. Следующим шагом должны стать исследования влияния ряда факторов, в том числе и жсткости РО, на эффективность протекания процесса уплотнения.
В качестве показателей эффективности процесса виброуплотнения могут служить значения виброускорений и коэффициент уплотнения грунтов, которые в свою очередь зависят от влажности грунта, его гранулометрического состава, толщины прорабатываемого слоя, режимов работы и конструктивных особенностей уплотнителя.
Предельная толщина уплотняемого слоя, прорабатываемая до требуемой степени уплотнения (предельная глубина активной зоны), определяется следующими факторами (по О. Т. Батракову, Н. Я Хархуте, В. Б. Пермякову, Yoo T-S, Selig Е. Т. и др. [19 -23, 84 -88, 143 -147, 156, 171, 172]):
