Материал: Разработка технологий уплотнения дорожных асфальтобетонных смесей и грунтов на основе развития их реологии. Носов С.В., Рябова О.В

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

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

Резольвента этого ядра (функция скорости ползучести)

где А, α, β - параметры ядер ползучести и релаксации; Г(α) - гаммафункция Эйлера; t - текущее время.

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

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

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

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

11

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

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

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

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

12

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

где ε11 – вертикальная относительная деформация слоя; ε(t) – вертикальная относительная деформация слоя при любом времени t и ступенчатом законе нагружения (законе Хевисайда); σ11 – максимальное давление под уплотнителем; К11(t-τ) – функция скорости вертикальной ползучести; t1, t2 , t3 и t4 – моменты времени, при которых происходит скачок скорости на-

r

гружения слоя грунта; τ - текущее значение времени; χ к[ х] - функция по-

добия базовой и любой другой кривой ползучести.

Для наиболее общего случая, когда уплотняемый материал работает в условиях сложного напряженного состояния, компоненты εij(t) тензора деформаций еij(t) определяются каждая в отдельности в соответствии с осо-

бенностями развития деформаций (α, β, А и χк ) в каждом направлении и

закономерностями изменения соответствующей составляющей нагрузки со стороны уплотнителей. Это основное отличие представленного подхода от известных ранее, которое определяет его универсальность.

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

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

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

13

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

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

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

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

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

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

14

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

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

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

15