Моделирование процесса уплотнения щебеночно-песчаной смеси методом укатки

8. Патент на изобретение 2440781 РФ МПК7 А 23 N 5/00. Устройство для извлечения семян из кедровых шишек и их очистки / Е.И. Максимов, В.Н. Невзоров, Н.И. Куриленко [и др.]; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «СибГТУ». - № 2010122113/13; заявл. 31.05.2010; опубл. 27.01.2012, Бюл. № 3.

УДК: 625.056/086:678.842.1 Р.Т. Емельянов, Е.С. Турышева,

С.В. Шилкин, Т.Н. Поляков МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА УПЛОТНЕНИЯ ЩЕБЕНОЧНО-ПЕСЧАНОЙ СМЕСИ МЕТОДОМ УКАТКИ

Разработана модель состояния щебеночно-песчаной смеси. Составлены блок-схемы уравнений динамического равновесия системы в программе MATLAB SIMULINK. Приведены результаты моделирования процесса уплотнения щебеночно-песчаной смеси методом укатки.

Ключевые слова: уплотнение, щебеночно-песчаная смесь, вибрация, динамическая модель, модуль деформации, дифференциальные уравнения, коэффициент уплотнения, релаксация напряжений.

R.T. Yemelyanov, E.S. Turysheva, S.V. Shilkin, T.N. Polyakov MODELING THE PROCESS OF THE CRUSHED-STONE-SAND MIX CONSOLIDATION BY ROLLING METHOD

The condition model of the crushed-stone-sand mix is developed. The equation block schemes of the system dynamic balance in the MATLAB SIMULINK program are made. The results of consolidation process modeling of the crushed-stone-sand mix by rolling method are given.

Key words: consolidation, crushed-stone-sand mix, vibration, dynamic model, deformation module, differential equations, consolidation coefficient, tension relaxation.

Введение. Обязательное уплотнение грунта, щебня является не только составной частью технологического процесса устройства земляного полотна, основания и покрытия, но и служит фактически главной операцией по обеспечению их прочности, устойчивости и долговечности. Степень плотности грунта, которая должна быть достигнута в результате машинного уплотнения, - это такая плотность, при которой прекращаются дальнейшие осадки земляного полотна от нагрузок и увлажнения. Уплотнение катками - наиболее простой и достаточно производительный способ, стоимость его значительно ниже, чем другими машинами. Ввиду этого он является наиболее распространенным способом уплотнения грунта. К числу его недостатков надо отнести невозможность в ряде случаев уплотнить грунты слоями большой толщины, а также необходимость в достаточном фронте работ.

Цель работы. Обеспечение равномерного уплотнения грунтов, гравий- но-щебеночных материалов методом укатки.

В связных грунтах, в которых силы внутреннего трения незначительны, а физико-механические, электрохимические и водно-коллоидные сцепления между мелкими частицами существенно выше и являются преобладающими, главным действующим фактором служит сила давления или напряжения сжатия и сдвига, а роль первого фактора становится второстепенной.

Динамическая модель напряженно-деформированного состояния щебеночно-песчаной смеси приведена на рисунке 1 [1, 2].

Техника.

г/к

Е,

Е

м

%

Рис. 1. Реологическая модель процесса уплотнения щебеночно-песчаной смеси:

Ем ,Цм - модуль деформации и вязкость смеси (максвелловская); Ек ,г\к- модуль деформации и вязкость смеси (кельвиновская); сг ^ - повышение предела текучести смеси; <тх, сг2 - напряжения Элемент жесткого трения <7^ ^ характеризует повышение предела текучести смеси с ростом ее плотности.

Уплотняющее давление сг определяется суммой напряжений в вязких элементах в моделях Фойгта-Кельвина и Максвелла

сг = о-! + сг2 .

Напряженное состояние щебеночно-песчаной смеси создается в результате деформирования уплотняющими нагрузками. Поведение реологической модели процесса уплотнения (рис. 1) описывается дифференциальными уравнениями [1]

_ 1 <І(Т1 (71 ~ С (ІЄ

УкС 2, т, +ЕК +<Т\ - г/к +Ек,є

сг, tg(p Л

(7&<р

&

пм с/а-, сіє

-------+СГ2 =г/м —:

Е„ Л Ж

'м

<71+<У2= СГ.

где Ек ,Пк— модуль деформации и вязкость смеси (кельвиновская); Ем ,Пм - модуль деформации и вязкость смеси (максвелловская); ст1,а2 - напряжения смеси: С - сопротивление сдвигу смеси; ср - угол внутреннего трения материала; £ - деформация смеси.

Непосредственный анализ системы (2) представляет определенную сложность. В связи с этим решение дифференциальных уравнений можно реализовать при известных параметрах т]м, г/к , Ем , Ек, <р, С на ЭВМ программой МАНАВ 51МШ1\1К и построить графические зависимости: е = / С<У\ = /2

Приведем систему дифференциальных уравнений (2) к виду Коши

йст, «л \<рГ сіє „ „ сг,-С п

---1 =----IX. —+Екє-Е —---------------с^]

(іі т]кС к сіі к а^ср

2

ёсг2 Ет ёе

т стт т Л

Модель динамического равновесия системы, набранная в системе «Matlab+ Simulink», приведена на рисунке 2.

Рис. 2. Модель динамического равновесия системы Блок-схемы уравнений динамического равновесия системы приведены на рисунках 3 и 4.

Рис. 3. Блок-схема уравнения (1) динамического равновесия системы

Техника

Рис. 4. Блок-схема уравнения (2) динамического равновесия системы Начальными условиями рассматриваемой системы являются параметры, приведенные в таблице. Начальные условия рассматриваемой системы

Тип смеси Ек Пк Ем Пм СТ1 а2 С Ф

Для покрытий (ГОСТ 25607-94 3789 0,04 7056 1,1 28 42 0,09 45

Для оснований (ГОСТ 25607-94 4267 0,05 8345 1,2 29 46 0,10 43

Из шлаков (ГОСТ 3344-83 4589 0,06 9753 1,3 30 47 0,11 42

Примечание. Ек ,цк- модуль деформации и вязкость смеси (кельвиновская); Ем ,цм - модуль деформации и вязкость смеси (максвелловская); сг1,(т2- напряжения смеси: С - сопротивление сдвигу смеси; <р - угол внутреннего трения материала; е - деформация смеси.

Результаты исследования напряженно-деформированного состояния щебеночно-песчаной смеси приведены на рисунке 5.

г,М

1а

1 II III IV

С

Рис. 5. Графическая зависимости напряжения щебеночно-песчаной смеси, без учета остаточной деформации

Процесс уплотнения щебеночно-песчаной смеси состоит из четырех стадий. В первом периоде происходит его деформирование и равномерное распределение прочности. Во второй период происходит набор прочности смеси. Дальнейшее уплотнение смеси в третьем периоде протекает в равномерном режиме. При снятии нагрузки происходит релаксация напряжений в четвертом периоде, что определяет необходимость дополнительного уплотнения смеси.

Выводы. Продолжительность периода, зависит от частоты колебаний ТБ, оказывает влияние на скорость деформирования материала и соответствующее ей реактивное сопротивление, а также определяет время, в течение которого происходит релаксация напряжений. Для повышения качества уплотнения щебеночно-песчаной смеси необходимо дополнительное уплотнение.

Литература

1. Исследование реологических параметров адаптивного рабочего оборудования дорожного катка / В.Б. Пермяков [и др.] // Строительнеые и дорожные машины. - 2011. - № 12. - С. 51-53.

2. Модель системы автоматического управления дорожного катка на основе нечеткой логики / В.И. Иван-чура [и др.] // Изв. вузов. Сер. Строительство. - 2011. - № 11. - С. 45-53.

--------♦'-----------