Исследования процесса вибрационного деформирования грунта

УДК 629.084

ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ВИБРАЦИОННОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ ГРУНТА © С.В. Савельев1, Г.Г. Бурый2

Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия, 644080, Россия, г. Омск, пр. Мира, 5.

Рассмотрен процесс деформирования грунта рабочим органом вибрационного катка. Цель работы заключается в определении рациональных параметров процесса вибрационной обработки грунтов и повышении энергоэффективности процесса уплотнения. Проанализирована область активного взаимодействия массива грунта и рабочего органа вибрационного катка. На основе экспериментальных исследований и математического моделирования процесса вибрационного деформирования грунта рабочим органом получены данные, позволяющие установить тенденцию изменения «активной» массы грунта в зоне вибрации в зависимости от параметров уплотняющей машины и свойств грунта. Ил. 3. Библиогр. 4 назв.

Ключевые слова: деформирование грунта; вибрационное деформирование; уплотнение; вибрационный каток.

STUDYING SOIL VIBRATION DEFORMATION S.V.Savelyev, G.G. Buryi

Siberian State Automobile and Highway Academy, 5 Mir Av., Omsk, Russia, 644080.

The article considers the process of soil deformation by the working element of a vibratory roller. The goal of the paper is to determine the rational parameters of vibratory soil treatment and to increase energy efficiency of the densification process. The area of active interaction of the soil massif and a vibratory roller working element is analyzed. The data allowing to establish the tendency of changing the "active" soil mass in the area of vibration, depending on the compacting roller parameters and the sealing properties of the soil have been obtained on the basis of experimental studies and mathematical modeling of soil vibration deformation by a working element. 3 figures. 4 sources.

Key words: soil deformation; vibration deformation; soil densification; vibratory roller.

Уплотнение - это самый дешёвый и распространённый способ придания необходимой прочности грунтовым инженерным сооружениям. В процессе уплотнения грунт деформируется, повышается его прочность и устойчивость к внешним воздействиям. Многообразие грунтов заставляет использовать различные виды уплотнителей, поскольку для эффективного уплотнения той или иной среды необходимы различные способы приложения внешней нагрузки. Именно этим и обусловлена такая номенклатура различной уплотняющей техники и дорожных катков в частности.

В настоящее время наиболее производительной является вибрационная уплотняющая техника. Вибрация позволяет значительно интенсифицировать процесс уплотнения за счёт снижения сил трения между частицами деформируемого грунта, этот эффект наиболее ярко выражен на несвязных песчаных и супесчаных грунтах. Проблема осуществления эффективного уплотнения различных сред ограничивается не только правильным выбором конструкции уплотняющего средства, необходимо правильно выбирать характеристики и режимы его работы, причём при

вибрационном уплотнении их выбор зависит не только от свойств материала, но и от объёма и массы грунта, обрабатываемых вибрационным рабочим органом. Значение «активной» массы грунта является важным параметром с точки зрения настройки колебательной системы на энергоэффективные режимы работы.

Известна методика определения объёма и как следствие массы уплотняемого грунта под рабочим органом виброкатка, предложенная Н.Я. Хархутой, Л.И. Белоусовым и др. [4]. Суть методики заключается в том, что грунт представляется в виде усечённого конуса, площадь верхнего основания которого равновелика площади отпечатка контакта грунта с вальцом. Угол наклона касательной конуса соответствует углу внутреннего трения уплотняемого грунта.

Как показали представленные далее исследования, данная методика является лишь приближённым способом определения массы грунта, который не обеспечивает в полной мере достаточную точность результатов.

С целью уточнения значений величины объёма и массы грунта, «присоединённой» к рабочему органу, а также изучения тенденций распространения вибро-

1Савельев Сергей Валерьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры эксплуатации и сервиса транспортно-

технологических машин и комплексов в строительстве, тел.: 89659800091, e-mail: saveliev_sergval@mail.ru

Savelyev Sergey, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Operation and Service of Transport and

Technological Machines and Systems in Civil Engineering, tel.: 89659800091, e-mail: saveliev_sergval@mail.ru

2Бурый Григорий Геннадьевич, аспирант кафедры эксплуатации и сервиса транспортно-технологических машин и комплексов

в строительстве, тел.: 89136219233, e-mail: coshperovsky@mail.ru

Buryi Grigory, Postgraduate of the Department of Operation and Service of Transport and Technological Machines and Systems in Civil Engineering, tel.: 89136219233, e-mail: coshperovsky@mail.ru

ускорений в обрабатываемом грунте, в ФГБОУ ВПО «СибАДИ» был проведен ряд экспериментальных исследований. Исследовались направление и интенсивность распространения виброволн по поверхности и глубине обрабатываемого грунта (рис. 1 и 2). Регистрировались вибрационные возмущения, проводились измерения значений виброускорений в грунте. Показатели процесса рассматривались на различных частотах, при различной влажности.

Рис. 1. Исследования на суглинистом и супесчаных грунтах

В результате проведенных экспериментов были получены данные по зависимостям изменения «активной» массы, присоединенной к рабочему органу катка, от количества проходов по одному следу и плотности уплотняемого грунта. На рис. 2 показаны зависимости «активной» массы от количества проходов по одному следу и коэффициента уплотнения грунта для вибро-пневмошинного рабочего органа катка [2] на суглинке при влажности 14%, с давлением в шинах 0,5 МПа.

Использование полученных зависимостей позволит правильно обосновывать параметры вибрационных уплотняющих машин с точки зрения повышения производительности и энергоэффективности протекания процесса уплотнения.

Практическое применение результатов исследований реализовано в моделировании процесса вибрационного деформирования грунта рабочим органом, к которому приложена гармоническая вынуждающая сила. Использовался программный продукт MathWorks MATLAB 2010 с пакетом расширения для моделирования физических процессов SimMechanics. В основу моделирования было положено математическое описание двухмассовой колебательной системы «рабочий орган - уплотняемая среда».

Используемая модель позволяет обосновывать параметры не только классических виброкатков с металлическими вальцами, но и перспективных катков с изменяемой реологией рабочих органов (в СибАДИ имеется ряд патентов на рабочие органы катков с изменяемой реологией [1,2]). Рабочие органы таких катков способны адаптироваться по параметрам жёсткости и вязкости вальца с2 и Ь2, регулируя которые можно интенсифицировать процесс уплотнения.

Критерием энергоэффективности протекания процесса вибрационного уплотнения грунтов могут слу-

жить значения амплитуд виброускорений частиц обрабатываемого грунта. Профессор Д.Д. Баркан доказал, что эффективность виброуплотнения в наибольшей степени зависит от величины ускорения частиц грунта. Увеличение значений виброускорений приводит к снижению диссипации энергии и увеличению эффекта уплотнения. Позже исследования Н.Я. Хар-хуты подтвердили эти положения, было установлено, что амплитуда колебаний влияет на эффективность виброуплотнения, поскольку она пропорциональна значениям виброускорений.

Максимальные виброускорения в грунте должны быть ограничены по силовому воздействию условием протекания процесса уплотнения грунта при приложении внешней нагрузки [3]:

О

X^(О <епр(Х

-300

253

где оТ - предел текучести материала; ак - контактные напряжения; о - предел прочности материала.

350 300

¡с

« 250 200 150 100 50

0

о. ^

Г5 О О Г5

217

190

2 4 6

Число проходов катка

а)

га

IX

>

а

I.

га о о га

350 300 250 200 150 100 ^ 50 0

0,92 0,93 0,94 0,95 0,96 0,97 0,98 Коэффицие нт уплотнения б)

Рис. 2. Зависимости изменения активной присоединенной массы грунта к вибрационному рабочему органу: а - от числа проходов катка по одному следу; б - от коэффициента уплотнения

Задаваясь начальными характеристиками среды и параметрами уплотнителя, можно исследовать изменение состояния деформируемого материала, подстраивать параметры работы катка с точки зрения максимально эффективного протекания процесса уплотнения.

0

8

обработка данных

Рис. 3. Модель взаимодействия рабочего органа вибрационного катка с уплотняемой средой

В качестве примера рассмотрим процесс уплотнения суглинка, плотность которого варьировалась от 1700 до 1950 кг/м3; Ь = 4,771011 ...2,42-Ю11 Пас (при влажности 15%) и Ь, = 4,88-1011...0,50-1011 Па-с (при влажности 30%); т1 = 300 кг (согласно полученным зависимостям на рис. 2). Жёсткость и коэффициент вязкого трения с2 = 338 ... 5400 кН/м; Ь2 = 2950.540 Н-с/м; т2 = 500 кг.

При проведении расчётов были приняты определённые допущения: уплотняемый материал является упруго-вязкой средой, значения виброускорений различных частиц в объёме массы т1 считаются усреднёнными. В результате математического моделирования могут быть получены значения виброускорений и построены зависимости виброускорений от частоты

колебаний вибровозбудителя. На данных зависимостях можно выделить значения частот, при которых наблюдаются максимальные значения виброускорений среды, а это значит, что именно при таких условиях ее частицам передаются максимальные относительные скорости, максимально снижаются силы трения, интенсифицируется процесс уплотнения.

Немаловажным фактором при этом являются значения «активной» массы грунта, которая была получена экспериментальным путём. При этом при каждом последующем расчёте необходимо учитывать изменения массы от плотности в соответствии с зависимостями, полученными на рис. 2.

В нашем случае можно сделать вывод, что, когда материал находится в недоуплотнённом состоянии

(плотность 1700 кг/м ), уплотнение целесообразно проводить при сниженной жесткости рабочего органа (увеличивается пятно контакта и время воздействия на материал), при частотном режиме вибровозбудителя около 30 с-1. По мере деформирования материала необходимо соответствующим образом изменять параметры уплотнителя, в частности, на финальной

стадии уплотнения (плотность 1950 кг/м ) жёсткость рабочего органа должна быть максимальной, а частотный режим соответствовать значению 40 с-1.

Проведённые исследования дают возможность определить рациональные параметры вибрационной обработки грунтов, повысить энергоэффективность процесса уплотнения.

Библиографический список

1. Пат. 2341609 на изобретение. Российская Федерация, МПК: Е01 С 19/28, 19./28. Валец дорожного катка / Савельев С.В.; заявитель и патентонаблюдатель Сибирская гос. автомобильно-дорожная академия. 20061395450; заявл. 07.11.2006; опубл. 20.12.2008 г.

2. Пат. № 93090 на полезную модель Российская Федерация, МПК: Е01 С 19/28, 19./28. Валец дорожного катка / Савельев С.В.; Лашко А.Г.; заявитель и патентонаблюдатель Сибирская гос. автомобильно-дорожная академия.

2009146463/22; заявл. 14.12.2009; опубл. 24.04.2010 г.

3. Пермяков В.Б. Совершенствование теории, методов расчёта и конструкций машин для уплотнения асфальтобетонных смесей: дис. ... докт. техн. наук / Сибирский автомоб.-дорож. ин-т. Омск, 1990. 485 с.

4. Белоусов Л.И., Капустин М.И., Хархута Н.Я. Динамические параметры колебательной системы катков на пневматических шинах // Тр. СоюздорНИИ. М., 1975. Вып. 44. С.71-75.