Имитационное моделирование нагружения лесных почво-грунтов конструктивными элементами сборно-разборных дорожных покрытий

ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО

ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ НАГРУЖЕНИЯ ЛЕСНЫХ ПОЧВО-ГРУНТОВ КОНСТРУКТИВНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ СБОРНО-РАЗБОРНЫХ дОрОжНЫХ ПОКрЫТИЙ

Д.Н. АФОНИЧЕВ, проф. каф. транспорта леса и инженерной геодезии ВГЛТА, д-р техн. наук

Одной из наиболее важных проблем развития транспортных сетей в лесных массивах является влияние дорог на изменение водного режима лесных почв и грунтов [1, 2]. Серьезный ущерб окружающей среде наносят выведенные из эксплуатации временные дороги: ветки и усы [3]. Элементы заброшенных дорожных конструкций портят лесной ландшафт, а почво-грунты в местах проло-жения использованных дорог уплотнены и на них не произрастают растения в течение нескольких лет по причине нарушения водно-физических свойств и теплового режима [4]. Причиной высокого уплотнения грунтов при эксплуатации временных дорог является применение примитивных низших типов конструкций покрытий или грунтовых дорог

[5].

Сборно-разборные дорожные покрытия в виду особенностей их конструкции дают возможность создания экологически безопасных временных путей в лесных массивах. Их применение при условии минимизации давления, передаваемого на основание, позволит исключить или существенно снизить экологические последствия строительства и эксплуатации временных дорог.

При движении автопоездов динамические нагрузки от колес воспринимаются плитами покрытия и передаются на основание. Величина максимального давления p , воспринимаемая основанием, характеризует степень уплотнения грунта подстилающего слоя и позволяет установить требуемую толщину h усиливающего слоя основания, необходимую для обеспечения достаточной несущей способности.

На стадии разработки конструкций покрытий оценку создаваемого ими давления на основание можно произвести посредством имитационного моделирования взаимодействия автопоездов с элементами сборных до-

dmafonichev@yandex.ru

рожных покрытий. Для снижения негативного воздействия на лесные почво-грунты необходимо производить подбор таких конструктивных параметров элементов сборноразборного покрытия (дорожных плит или щитов), которые обеспечивали бы наименьшее давление на основание. Целевая функция модели выглядит следующим образом

p = XX / Bc ^ min,

где кПЖ - коэффициент, учитывающий жесткость элемента сборно-разборного покрытия в поперечном направлении; X - максимальное значение реакции основания, Н;

B - ширина плиты или щита, м; c - длина элементарного участка, на которые разбивается элемент покрытия в продольном направлении, м.

X = max{X , X ,..., XF },

max ^ 1max 2max7 7 Emax-' 7 v '

где X , X ,..., X - ряд максимальных значений реакции основания соответствующих определенным положениям внешних (колесных) нагрузок, Н;

E - количество вариантов расположения внешних нагрузок, принятых при моделировании, определяемое в зависимости от межосевых расстояний, количества осей автопоезда и длины элемента покрытия.

XEmax = max{Xr A,... ^

где X1, X2,..., Xv - ряд значений реакции основания в продольном направлении элемента покрытия, приложенных в центрах элементарных участков длиной c при некотором e-м положении внешних нагрузок, Н;

U - количество элементарных участков длиной c, на которые разбивается элемент покрытия в продольном направлении.

Реакции X1, X2,..., Xv определяются путем составления и решения системы кано-

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2011

89

ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО

нических уравнений смешеного метода. Расчетные схемы к составлению уравнений приведены в работе [6].

Система канонических уравнений имеет вид матрицы, свободные члены которой А.р определяются через интеграл Максвела-Мора [7], а коэффициенты 5. включают в себя сумму прогиба балки по направлению единичной силы X от действия единичной силы X', определяемого интегралом Максвела-Мора, и осадки основания, зависящей от расстояния z между точками, где она определяется и где приложена единичная сила (z = c - c., c, c. - координаты точек приложения единичных сил X и X). Общий вид мат-

i.

рицы канонических уравнений следующий

fs„ 512 • •A j • 51U c1 1 А1Р 1

521 5 22 • •A j • 52U c2 1 А 2 Р

5.1 5.2 • А • 5 U c 1 Ар

5U1 5U 2 • А • ••5UU cU 1 Aup

c1 c2 • ••c • •• cu 0 0 L n P0T + У P X 2 у=1

n

1 1 • .. 1 • 1 0 0 P0 L + У P,

V Y=1 J

где Р0 - собственный вес элемента покрытия, распределенный по его длине, Н/м. Применительно к элементу сборноразборного покрытия автодороги 5.. определяются по формуле

5j =

(1 -А) F

ncK0 E0

+ -

EJ

3

c

2

2 Л

f c3 _

— + — z

J

где д0 - коэффициент Пуассона материала основания;

E, Е0 - соответственно модули упругости материалов элемента покрытия и основания, Па;

KQ - коэффициент перехода к модулю упругости материала основания под покрытием;

J - момент инерции поперечного сечения элемента покрытия, м4;

F - функция, характеризующая условия осадки основания [7].

1

Свободный член А.р для произвольного случая нагружения элемента сборно-разборного покрытия с учетом его собственного веса в виде равномерно распределенной по длине нагрузки P0 = gyBH (у - удельная масса материала элемента покрытия, кг/м3) определяется по формуле [6]

f f e-1 Л _2 „3 Л

А . = — \ У

гр Г/

e=J+1

P

У a -

\\i=J

Л a2 a ------1--

J 2 3

a

+

+P

f a4

f

V +

L - c

2a

3 Л Л

a +---

4 3

+

j-i

+У

k=1

n f j-1 Л

У Pe a + У a,

e=k+1 V i=k+1 j

JJ

e-1 f e-1

ak У a +1 У a

=k+1

=k+1

J-1

+ У a +a

=k+1 J

23

a + a±_

(

23

f k

f a4 f J-1 Л a2

+

L-У

a

V .=1

L-У

+P

a

8

+

a

+У

a

ak

—— +

V .=k+1 J

6

Л

.=1 aK + a

V 4

fk k

f J-1 Л

+

a

+ У

a

3 J

L-У

a

V .=1 J

L-У

j=1

V 2

V .=k+1 J

y~'

a

ak +

a

2 JJ

x

x

a = c. - XJ,

где J - номер внешней силы P. после, которой приложена единичная .-ая сила X то есть х < c < х ,.

Плотность почво-грунтов в местах проложения временных дорог также зависит от количества циклов нагружения, которое можно рассчитать для лесовозной дороги по формуле

n = Q / k Q

где Q - грузооборот дороги, м3;

kисп - коэффициент использования полезной нагрузки;

Qn - полезная нагрузка на автопоезд, м3.

Для реализации модели (1) на ЭВМ разработана программа, которая позволяет установить для элементов сборно-разборного дорожного покрытия определенной конструкции с известными размерами (толщина, длина, ширина) максимальное значение давления на основание. Использование модели и разработанной ЭВМ-программы дает возможность в системе автоматизированного проек-

90

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2011