CC BY
23
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-
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, (1)
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 }, (2)
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,... ^ (3)
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
(4)
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
(5)
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)
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
(6)
x
x
a = c. - XJ, (7)
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 (8)
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
