Для катка ДУ-47Б с ВУ в рамках предложенного блочноиерархического описания представлений о выборе параметров и режимов работы произведен расчет оптимальных параметров и режимов работы по проходам катка в процессе уплотнения асфальтобетонной смеси в различных вариантах.
Установлено, что максимальная производительность виброкатка с ВУ лежит в интервале значений скоростей от 0,4 до 0,85 м/с. Этот интервал скоростей соответствует увеличенному значению массы виброкатка с ВУ, что отвечает общей тенденции увеличения массы виброкатков в дорожном строительстве.
Установлено, что коэффициенты эффективности на первом этапе процесса уплотнения составляют у виброкатка с ВУ 1,3...1,5, у виброкатка - 1,7...2,0 по отношению к статическому катку с ВУ и обыкновенному статическому катку соответственно. На завершающем этапе уплотнения (при Ку = 0,98) коэффициент эффективности в обоих случаях составляет 2,5...3,0.
Расчетным путем подтверждена возможность применения вибрационных катков с постоянными параметрами вибрации только на промежуточном этапе процесса уплотнения.
Разработаны и защищены патентами РФ конструкции вакуумных камер бесконтактного типа (БВК) к дорожному катку, как устройства или технические средства, повышающие эффективность и качество уплотнения асфальтобетонной смеси катками путем изменения реологических и эксплуатационных свойств асфальтобетона. При испытаниях макетного и экспериментального образцов БВК подтверждена работоспособность предложенной конструкции и исследованы ее основные технические характеристики.
Разработаны технологические схемы уплотнения горячих асфальтобетонных смесей укаткой с применением статических, вибрационных, пневмоколесных, трехвальцовых катков, а также катков в ВУ (БВК). Некоторые из них апробированы на объектах дорожного строительства Ленинградской области.
Даны рекомендации по разработке и совершенствованию технологических процессов уплотнения дорожных асфальтобетонных смесей, основанные на развитии их реологии.
В седьмой главе представлены методы разработки и совершенствования технологий уплотнения грунтов земляного полотна.
Установлено, что при уплотнении грунтов земляного полотна колесными и гусеничными технологическими средствами, работающими при различных условиях и в различных составах, следует рассматривать различные подходы к выбору технологических режимов работы уплотняющих средств с соответствующими параметрами в зависимости от поставленной задачи, учитывая их конструктивные особенности. Интенсивность уплотнения грунтов колесными уплотнителями определяется, помимо известных факторов, колесной формулой применяемой машины и типом межмостового дифференциала. При уплотнении грунтов гусеничными уплотнителями
26
эффективность уплотнения определяется типом подвески машины и формой распределения давлений гусеничного движителя на грунт.
Установлено, что на уплотняющую способность колесной дорожной машины оказывает влияние распределение ее массы по осям, причем экстремум функции плотности грунта (её максимальное значение) приходится на симметричное распределение веса по осям. При развесовке 0,4/0,6 (передний мост/задний мост) и 0,6/0,4 происходит снижение плотности грунта относительно симметричного распределения веса.
На основе полученной математической модели взаимодействия пневмоколеса с деформируемым опорным основанием разработана методика расчета показателей взаимодействия колесного уплотняющего средства с деформируемым грунтом земляного полотна, которая позволяет определить значения объёмной, вертикальной и горизонтальной деформаций грунта, его плотность после прохода переднего и заднего колес, сопротивление движению и величину буксования. Для колесных уплотняющих машин с колесной формулой 4К4 необходимо дополнительно проводить корректировку по распределению величин силы тяги на передних и задних колесах из условия равенства величин буксования.
Установлено, что с увеличением скорости движения колесной уплотняющей машины грунт под движителем расширяется в стороны на меньшую величину, что влечет за собой более интенсивное увеличение объёмной деформации и, как следствие, увеличение плотности грунта, по сравнению с ростом вертикальной деформации. Величины буксования также обратно пропорционально зависимы от скорости движения машины.
Разработан метод совершенствования технологий уплотнения грунтов земляного полотна гусеничными технологическими средствами. Установлено, что выход на оптимальные режимы движения гусеничных дорожных машин в технологическом процессе разработки и уплотнения грунтов можно осуществить, применяя математическую модель взаимодействия гусеничного движителя с грунтом, учитывающую его реологические свойства, а также учитывая исследования в области определения оптимальных тяговых характеристик гусеничной уплотняющей машины.
На основе разработанных математической модели и программ расчета на ЭВМ установлено, что с увеличением скорости движения гусеничного трактора горизонтальная и вертикальная деформации слоя грунта, при всех других равных условиях, уменьшаются. Наблюдается закономерность увеличения глубины колеи при увеличении смещения центра давления гусеничного уплотнителя вперед.
Разработаны рекомендации по совершенствованию технологических процессов уплотнения грунтов на основе развития их реологии. Построены номограммы для определения деформации и плотности грунта, буксования и коэффициента сопротивления движению колесных и гусеничных уплотняющих машин при выполнении различных технологических операций при сооружении земляного полотна. Разработаны программы для ЭВМ, позволяющие более точно определить указанные показатели.
27
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
1.Разработано новое научное направление в области строительства автодорог при исследовании технологических процессов уплотнения грунтов земляного полотна и дорожных асфальтобетонных смесей, предусматривающее комплексное решение задач развития теории уплотнения на основе развития их реологии и базирующееся на аналитическом описании процессов взаимодействия дорожно-строительных материалов с различными уплотнителями. Эффективность этого направления состоит в том, что оно предполагает более глубокое проникновение в физическую сущность процессов уплотнения, способствует лучшему пониманию этой сущности и позволяет определять пути воздействия на процессы с целью повышения качества и эффективности уплотнения грунтов земляного полотна и дорожных асфальтобетонных смесей путем совершенствования технологий уплотнения.
2.Разработаны методологические основы совершенствования технологий уплотнения грунтов земляного полотна и дорожных асфальтобетонных смесей, являющиеся одним из основных направлений развития и совершенствования технологий дорожного строительства, с разработкой и применением математических моделей взаимодействия различных уплотнителей с дорожно-строительными материалами на основе дальнейшего развития их реологии с применением теории наследственной ползучести упру- го-вязко-пластичных материалов и с использованием экспоненциальностепенных функций скоростей ползучести и релаксации напряжений. При этом на основе проведенных исследований установлено, что точность в расчетах показателей процесса уплотнения может быть повышена в 3…8 раз, в зависимости от времени взаимодействия уплотнителя с уплотняемым материалом.
3.Установлено, что методология совершенствования технологий уплотнения грунтов земляного полотна и дорожных асфальтобетонных смесей должна строиться с учетом режимов движения уплотнителей (ведущего, ведомого и др.), а при расчете напряженно-деформированного состояния дорожно-строительных материалов компоненты девиаторов напряжений и деформаций должны рассчитываться с учетом особенностей взаимодействия уплотнителей с уплотняемой средой, включающих время взаимодействия, скорость изменения напряженно-деформируемого состояния,
атакже с учетом функций подобия, учитывающих неизвестные закономерности структурных изменений в уплотняемом слое материала, и выраженных через уравнения регрессии, полученные экспериментальным путем.
4.Выполненное аналитическое описание процессов уплотнения дало возможность разработать методологию совершенствования технологий уплотнения дорожно-строительных материалов, которая включает: математические модели, отражающие сущность и динамику процессов; показатели оценки последствий взаимодействия уплотнителей с уплотняемой
28
средой и методы их определения для различных уплотнителей и условий производства работ; рекомендации, направленные на решение проблемы повышения качества и эффективности уплотнения грунтов земляного полотна и дорожных асфальтобетонных смесей. Важная особенность аналитического описания процессов уплотнения грунтов и асфальтобетонных смесей состоит в его универсальности, когда решение общей задачи теории уплотнения пригодно для описания частных случаев уплотнения путем подстановки соответствующих значений параметров моделей. Это служит методической основой использования частных случаев для достоверной оценки показателей технологических процессов уплотнения грунтов земляного полотна и дорожных асфальтобетонных смесей.
5.На основе выполненной конкретизации классификационных признаков уплотняющих воздействий на дорожные асфальтобетонные смеси и грунты, сформулированных принципов построения их реологических моделей, а также системы критериев эффективности их уплотнения разработана концептуальная модель совершенствования технологий уплотнения грунтов земляного полотна и дорожных асфальтобетонных смесей на основе развития их реологии. Установлено, что одним из путей выбора технологических режимов работы применяемых уплотнителей и технологических параметров процессов уплотнения является использование развития реологии дорожно-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
иусловий производства работ.
6.Предложен методологический подход к оценке деформационных характеристик грунтов земляного полотна и дорожных асфальтобетонных смесей, основанный на теории деформирования нелинейных упруго-вязко- пластичных материалов с применением теории наследственной ползучести
иэкспоненциально-степенных ядер и базирующийся на исследовании реологических характеристик через отдельные простейшие стороны их взаимодействия с уплотнителями. При этом физическая суть этого взаимодействия основывается на общих законах физики и лежит в основе больших групп сложных задач, решаемых современной прикладной механикой. Показано, что, моделируя процесс нагружения слоя дорожной асфальтобетонной смеси или грунта посредством плоского штампа, имеется реальная возможность перехода к описанию процесса деформирования при взаимодействии его с различными уплотнителями выбранных средств уплотнения. При этом расчетные значения параметров материала уплотняемого слоя – модули сдвиговой и линейной деформации, а также коэффициент поперечной деформации,- инвариантны методам их определения для получения универсальной модели, пригодной для моделирования процессов взаимодействия земляного полотна и дорожных одежд с уплотняющими элементами машин.
29
7.Найдены приемы корректирования определяемых показателей эффективности технологических процессов уплотнения дорожно-строитель- ных материалов путем учета дополнительных факторов: влияния скорости изменения и времени действия нагрузок со стороны традиционных уплотнителей через интегральные уравнения связей между развивающимися деформациями и действующими напряжениями в уплотняемом материале; влияния реологических особенностей уплотняемого материала через параметры функций скоростей ползучести и релаксации, представленных в виде экспоненциально-степенных выражений; влияния параметров состояния слоя уплотняемого материала, параметров грунтозацепов колесных и гусеничных уплотнителей и параметров вибрации дорожных катков, представленного через функции подобия в виде уравнений регрессии, полученных экспериментальным путем.
Расчетным путем установлено, что интенсивность уплотнения грунтов колесными уплотнителями определяется, помимо указанных факторов, колесной формулой и типом межмостового дифференциала применяемой машины. При уплотнении грунтов гусеничными уплотнителями эффективность уплотнения определяется типом подвески машины и формой распределения давлений гусеничного движителя на грунт.
8.Установлено, что интенсифицировать процесс уплотнения с одновременным повышением качества уплотнения дорожно-строительных материалов возможно по двум направлениям:
- изменяя их реологические характеристики (параметры функций скоростей ползучести и модули деформации) и повышая прочностные свойства уплотняемых материалов путем подбора составов уплотняемых материалов или применения новых физических эффектов (технологий) в строительстве;
- варьируя величинами технологических параметров процесса уплотнения с учетом условий производства работ, режимами работы и параметрами применяемых средств уплотнения с учетом соответствия напряжен- но-деформированного состояния уплотняемых материалов их несущей способности, а также с учетом закономерностей его изменения под действием нагрузок, развивающихся со стороны уплотнителей, на основе использования функций подобия и применяемых критериев эффективности.
При этом наибольший эффект уплотнения может быть получен при совмещении этих двух направлений, что приведет к развитию и созданию конкурентно-способных технологий уплотнения дорожных асфальтобетонных смесей и грунтов, обеспечивающих интенсификацию процессов уплотнения, повышение качества возведения земляного полотна и дорожных одежд при снижении трудовых, материально-технических и топливноэнергетических ресурсов.
9.Проведено расчетно-теоретическое обоснование методов разработки
исовершенствования технологий уплотнения грунтов земляного полотна и дорожных асфальтобетонных смесей. Разработанные математические модели взаимодействия жесткого вальца, пневматического колеса и гусенич-
30