Методическое пособие 179

Таким образом, развитие реологии дорожных асфальтобетонных смесей и грунтов, представленное в главе 2 и главе 3, позволило выявить новые существенные закономерности в развитии деформации уплотняемых слоев дорожно-строительных материалов на пути разработки и совершенствования технологий их уплотнения.

В пятой главе проведены исследования технологических процессов уплотнения дорожных асфальтобетонных смесей и грунтов.

На основе известных методов формализации динамических систем разработаны обобщенные динамические модели различных процессов уплотнения, учитывающие как основные параметры самой машины, применяемой при уплотнении, так и реологические свойства уплотняемого материала, что позволило произвести не только качественную, но и количественную оценку динамики системы «уплотнитель – материал». Параметры уплотняемого дорожно-строительного материала представлены физикомеханическим параметром, являющимся отображением его модуля деформации на единицу толщины уплотняемого слоя. В зависимости от типов применяемых уплотнителей даны рекомендации по учету тех или иных элементов в динамической модели.

Математическое моделирование рабочего процесса вибрационных дорожных катков показало, что первая половина процесса уплотнения асфальтобетонной смеси требует незначительного расхода мощности на поддержание колебаний вибровальцов. Начиная с коэффициента уплотнения 0,96, указанная мощность постепенно растет от прохода к проходу катков. На начальном этапе процесса уплотнения указанная мощность у виброкатка в 2,5…3 раза выше, чем у виброкатка с вакуумным устройством (ВУ). На завершающем этапе процесса уплотнения соотношение увеличивается до 10…12. Таким образом, при уплотнении вакуумированных слоев асфальтобетонных смесей виброкатками значительно экономится мощность на привод вибратора, повышая энергоэффективность процесса уплотнения.

В лабораторных условиях установлено, а при полевых испытаниях подтверждено, что рациональные значения контактных давлений под вальцом катка зависят от текущей плотности асфальтобетонной смеси. С увеличением плотности смеси контактные давления приближаются к пределу прочности материала. Рациональные значения относительных контактных давлений при уплотнении вакуумированных слоев асфальтобетонных смесей в 1,5…2,0 раза ниже, чем при уплотнении невакуумированных слоев за счет повышенных пределов прочности вакуумированных слоев асфальтобетонной смеси по сравнению с невакуумированными и за счет снижения внутренних остаточных напряжений в уплотняемом слое, а, следовательно, и модуля деформации слоя при его вакуумировании, что требует меньших контактных нагрузок со стороны рабочих органов уплотняющих машин.

Многочисленными исследованиями установлено, что применение новой технологии, включающей виброуплотнение с вакуумированием, позволяет сократить количество проходов катков по одному следу в 1,5...2 раза, повышая производительность катков. При этом существенно улуч-

21

шаются такие показатели качества, как водонасыщение, водостойкость и длительная водостойкость, сдвигоустойчивость, предел прочности, морозоустойчивость асфальтобетона и др., что ведет к увеличению срока службы асфальтобетонных дорожных покрытий в 1,5...2 раза. Так, совместное действие вибрации и вакуумирования на одном катке ДУ-54 позволило достичь при 8 проходах катка коэффициент уплотнения Ку=0,97 и водонасыщение W=2,1%, что превышает соответствующие показатели, достигнутые по сравнению с укаткой катками: статическим с ВУ - на 1% и на 45%; вибрационным - на 2% и на 64%; статическим - на 3% и на 74%.

Прочность асфальтобетона, полученного при уплотнении виброкатком с ВУ, выше по сравнению с уплотнением: вибрационным катком - на 4,9%; статическим катком с ВУ – на 6,1%; статическим катком - на 13,9% при коэффициенте уплотнения образцов, равном 0,96. Причем эта разница увеличивается с повышением плотности образцов.

При требуемой нормируемой плотности прочность асфальтобетона при уплотнении его виброкатком с ВУ повышается как минимум на 10…15%; повышенные показатели длительной прочности свидетельствуют о создании наиболее оптимальной структуры у асфальтобетона, уплотненного виброкатком с ВУ; уплотнение виброкатком с ВУ повышает устойчивость адгезионных связей между компонентами битума и каменным материалом, что обеспечивает повышенные значения показателей водостойкости и длительной водостойкости.

Сопоставление коэффициентов интенсивности накопления деформаций уплотняемого слоя по проходам катков ДУ-54 и ДУ-47А, полученных при полевых испытаниях и расчетным путем, дает расхождение в большинстве случаев в пределах 10…15%, что является удовлетворительным и подтверждает правомерность теоретических разработок.

Полевые имитационные исследования процесса уплотнения грунта автогрейдером ДЗ-201 на базе колесного трактора ЛТЗ-55А позволили получить экспериментальные данные по влиянию сопротивления грунта разработке, скорости движения и давления воздуха в шинах колес на величину колеи и плотность грунта после прохода передних и задних колес. В частности установлено, что с увеличением скорости движения трактора с 1,3 м/с до 2,1 м/с глубина колеи слегка уменьшается, а плотность грунта после прохода передних и задних колес трактора увеличивается, что можно объяснить только с позиций предложенного методологического подхода к оценке параметров деформируемого опорного основания.

Исследована и проанализирована кинематика шарниров гусеничной цепи, как уплотнителя, в лабораторных условиях на специально изготовленном стенде. Установлено, что с увеличением силы натяжения гусеницы и скорости движения опорного катка и с уменьшением толщины уплотняемого слоя вертикальные перемещения шарниров цепи уменьшаются. При этом изменение траектории вертикальных перемещений шарниров гусеничной цепи во времени можно описать треугольным законом. Предложен критерий физического моделирования взаимодействия гусеничного движи-

22

теля с деформируемым опорным основанием, учитывающий величины нагрузок в движителе и свойства опорного основания.

Полевые исследования процесса уплотнения грунта гусеничным бульдозером на базе трактора ДТ-75 показали, что при увеличении тяговой нагрузки и уменьшении скорости бульдозера глубина колеи и плотность грунта увеличиваются. Увеличение тяговой нагрузки изменяет эпюру нормальных и касательных напряжений под движителем, увеличивая их максимальные значения. Уменьшение скорости бульдозера ведет к увеличению времени действия на слой грунта действующих нагрузок. Как в первом, так и во втором случаях это подтверждает результаты проведенных теоретических исследований, основанных на применении теории наследственной ползучести упруго-вязко-пластических сред.

В шестой главе представлены методы разработки и совершенствования технологий уплотнения дорожных асфальтобетонных смесей.

На основе анализа результатов расчета параметров и технологических режимов работы дорожных гладковальцовых катков разработан метод совершенствования технологии уплотнения асфальтобетонных дорожных покрытий, учитывающий изменение реологических свойств при их уплотнении, а также условия производства работ. Учитывая влияние на процесс уплотнения асфальтобетонной смеси ее температуры, плотности и толщины слоя, радиуса и ширины вальцов катка, а также технологических режимов работы катков: частоты колебаний вибровальца, относительной вынуждающей силы и скорости движения катка, метод позволяет определить:

- требуемое линейное давление применяемого статического катка, которое находится в определенной зависимости от текущего значения предела прочности слоя асфальтобетонной смеси и соотношения последнего с рациональными контактными давлениями под вальцами;

-коэффициент эффективности виброкатка по отношению к статическому катку с аналогичными значениями конструктивных параметров катка;

-комплексный параметр q/R виброкатка, где q - линейное давление катка при выключенном вибровозбудителе колебаний, R - радиус вальца катка;

-необратимую часть деформации εн после каждого прохода n катка.

На основании проведенных теоретических исследований и предложенного алгоритма расчета разработаны соответствующие программы расчета на ЭВМ.

На рис. 4 представлены примеры расчетов в виде зависимостей оценочных показателей процесса уплотнения асфальтобетонной смеси при начальных значениях температуры смеси 120оС, коэффициенте уплотнения слоя 0,96, толщине слоя 5 см, частоте колебаний вибровальцов 50 Гц, относительной вынуждающей силе Р/Q = 2, радиусе вальцов 0,5м, скорости движения катка 0,5 м с-1.

Связывая производительность дорожного катка со скоростью его движения, числом проходов по одному следу и степенью уплотнения материала за один проход, необходимо дополнительно учитывать и такие технологические особенности рассматриваемой операции, как изменение пре-

23

дела прочности и параметров состояния уплотняемого материала, режимы работы и параметры дорожных катков.

Выбор технологических параметров процессов уплотнения асфальтобетонных смесей производился на основе разработанных методов оценки их взаимодействия с различными уплотнителями путем имитационного моделирования с применением метода перебора и метода циклического покоординатного спуска в соответствии с выбранными критериями эффективности.

Установлено, что при уплотнении песчаной и мелкозернистой асфальтобетонных смесей расхождение в оценочных показателях находится в пределах 5…8%, что позволяет применять дорожные катки с одинаковыми параметрами для их уплотнения, но с разными технологическими режимами работы, включающими скорость укатки, параметры вибрации, температурные режимы укатки, число проходов катков и т.д.

На основании выполненных исследований предложена и апробирована на объектах дорожного строительства технология уплотнения асфальтобетонных дорожных покрытий при использовании виброкатка с ВУ. Даны рекомендации по использованию существующих у нас в стране виброкатков для уплотнения дорожных асфальтобетонных покрытий при использовании на них вакуумного устройства.

Установлено, что рациональная масса виброкатка с ВУ составляет 4...4,2 т, линейное давление 17...18 кН м-1 при диаметре вальцов, равном 1000 мм. Интервал изменения частоты колебаний вибровальца составляет 40...60 Гц, относительная вынуждающая сила находится в интервале 1…2,3, при этом величина статического момента дебалансов составляет 0,16 кг м. Величина разрежения в вакуумной камере составляет 5...10 кПа. Определен температурный интервал использования виброкатка с ВУ, который равен 120...80°С. Необходимое количество проходов виброкатка с ВУ для достижения требуемой плотности асфальтобетонного покрытия назначается 6....8. Скорость виброкатка с ВУ меняется в пределах 0,5...0,8 м с-1. Разработана технология уплотнения смесей таким катком (рис. 5).

Рис. 5. Технологические режимы работы и параметры рекомендуемого виброкатка с вакуумным устройством:

f – частота колебаний вальца;

Р/Q – относительная вынуждающая сила вибровозбудителя колебаний; Vк – скорость движения катка;

εн – относительная необратимая деформация слоя на соответствующем

проходе n катка.

25

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