CC BY
30
ПРОГРАММА ДЛЯ РАСЧЕТА ИЗМЕНЕНИЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КАМЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ УПЛОТНЕНИИ ОСНОВАНИЙ ЛЕСОВОЗНЫХ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ
© Ращектаев В.А.*, Кручинин И.Н.*
Уральский государственный лесотехнический университет, г. Екатеринбург
В данной статье пойдет речь о разработке комплекса программного обеспечения, позволяющего учитывать изменение физико-механических свойств щебеночных материалов при их уплотнении вибрационной техникой, подбирать оптимальное количество циклов уплотнения каменного материала и использовать оценочный параметр прочности структуры оснований и покрытий лесовозных автомобильных дорог при их проектировании и строительстве.
Ключевые слова: Программное обеспечение, физико-механические свойства, основание дорожной одежды, малопрочные каменные материалы, транспортно-эксплуатационные качества.
На сегодняшний день при строительстве лесовозных автомобильных дорог (ЛАД) конструктивные слои дорожных одежд закладываются по формальным нормативным признакам без учета особенностей их уплотнения и вида используемого материала. Упругая деформация слоя зависит от его толщины и прочности и совсем не учитывает изменение физико-механических свойств при уплотнении, которые оказывает значительное влияние на транспортно-эксплуатационные характеристики ЛАД.
Целью данной работы является разработка комплекса программного обеспечения, позволяющего учитывать изменение физико-механических свойств щебеночных материалов при уплотнении и прогнозирование запаса структурной прочности оснований и покрытий дорожных одежд с целью повышения транспортно-эксплуатационных характеристик ЛАД.
Основания из каменных материалов являются наиболее распространенным типом оснований дорожных конструкций. Технологические преимущества оснований из щебня по сравнению со смесями, обработанными вяжущими, обусловлены простотой производства работ и возможностью проведения их в самых сложных погодных условиях, в том числе зимой. Наряду с этим, технико-экономическая эффективность дорожных конструкций с щебеночными основаниями зачастую снижается из-за неудовлетворительного качества их проектирования и строительства [1]. Так при использова-
* Аспирант, инженер II категории ОАО «УралГИПРОДОРНИИ».
* Доцент кафедры Транспорта и дорожного строительства, кандидат технических наук.
нии местных малопрочных каменных материалов для строительства оснований дорожных одежд выбор уплотняющей техники и назначение проходов основывается на личном опыте строителей, а существующие нормы и правила устройства щебеночных оснований не дают четкого понимания о требуемых нагрузках и их связи с характеристиками уплотняемых материалов и техники. СНиП 3.06.03-85 [2] устанавливает число проходов катка по одному следу в зависимости от типа уплотняющей техники. При этом регламентируется только скорость уплотнения на начальной стадии и то только в том случае, если нет особых указаний по уплотнению. Изменение физико-механических свойств щебня при уплотнении и дальнейшей работе в конструкции не учитывается.
Основание автомобильной дороги - это несущая часть конструкции дорожной одежды, от прочности и устойчивости которой напрямую зависят ее транспортно-эксплуатационные характеристики в целом. Поэтому учет изменения физико-механических свойств материалов при выборе уплотняющей техники и интенсивности уплотнения, которые оказывают существенное влияние на структуру и прочность щебеночным слоев, является актуальной задачей.
Одной из особенностей всех каменных материалов является их дискретная структура. Составные частицы таких материалов не связаны между собой и в отличие от укрепленных грунтов, для них отсутствуют лабораторные методы определения стандартной плотности, обеспечивающей требуемую несущую способность конструкции.
Известные на сегодняшний день теоретические модели поведения дискретных материалов при уплотнении основываются на системе сфер одного или нескольких различных размеров. При исследовании таких систем сделан вывод о том, что межзерновая пустотность уменьшается при наличии в смеси зерен более мелкой фракции и ее минимальное значение достигается при объемной доле крупных зерен 0,73 [3]. Учитывая это можно предположить, что при измельчении щебня до состояния когда мелкого заполнителя становится 30 % дальнейшее уплотнение не требуется. Под межзерновой пустотностью (МП) будем понимать характеристику материала, как совокупную меру размеров и количества пор в твёрдом теле. Она зависит от типа горной породы и размера ее частиц.
Измельчение слабых каменных материалов в процессе уплотнения и последующих нагрузках от движения является достаточно существенным. Вместе с частицами материала изменяется и величина контактных усилий между ними, а также размеры пространственной решетки материала. Согласно классической теории подобия В.Л. Кирпичева и статической теории прочности с уменьшением объема образца удельная работа разрушения (работа на ед. объема) увеличивается. Следовательно, с уменьшением размеров частиц сопротивление нагрузкам должно возрастать. Но при уменьшении
размера частиц контактные усилия распределяются и становятся меньше по величине и при этом жесткость и сопротивление постоянной деформации основания уменьшается.
Прочность щебня является его механической характеристикой, которая зависит от размера и формы частиц, плотности материала и устойчивости к проникновению влаги. Для определения идеального зернового состава при классификации базового щебня обычно проводится на основе формулы, первоначально связанной с Тэлботом [4], но затем доработанной Фуллером, которая выглядит следующим образом:
где P - содержание частиц меньших, чем размер d;
d - крупность зерен той фракции, для которой вычисляется ее содержание в смеси, мм; D - максимальный (номинальный) размер частиц, мм; n - степень кривой максимальной плотности Фуллера (n = 0.5).
Для исследований физико-механических особенностей слабых каменных материалов при уплотнении использовался известняковый щебень марки 400 производства ЗАО «Известь Сысерти» и легкоуплотняемый гранитный щебень марки 800 ООО «Строй-Гранит».
В процессе уплотнения щебеночных оснований ЛАД, на материал воздействуют статическая и динамическая составляющие нагрузки. При этом время импульса, с учетом деформации уплотняемого материала, зависит от периода колебаний вибровозбудителя, а время контакта материала с вальцом от размеров контактной хорды и скорости движения катка. Для повышения адекватности лабораторной модели величина нагрузки, передаваемая на материал, учитывает предшествующие ей воздействие и скорость движения катка [5].
На базе проведенных исследований каменных материалов фракции 2040 мм разработана программа с названием «Compaction of crushed rocks», работающая под операционной системой Windows. Исходя из начальных условий о типе материала и уплотняющей нагрузке, данная программа позволяет произвести расчет числа проходов катка по одному следу, которые потребуются для достижения нормативной плотности материала в конструкции. В исходных данных можно задать параметры динамической уплотняющей техники, такие как статическая нагрузка на валец, сила вибрации и ширина вальца, которые оказывают прямое воздействие на уплотняющую нагрузку и интенсивность уплотнения. Программа ориентирована в основном на расчет нагрузок, требуемых для уплотнения малопрочных каменных материалов, но она может также использоваться и применяться для щебня более высоких марок по прочности. Для этого необходимо использовать поправочные коэффициентов по прочности материала.
(1)
База данных программы может дополняться новыми видами материалов, но для этого необходимо получить зависимости по изменению физико-механических свойств каменных материалов при уплотнении по разработанной авторами методике [5-6]. Она является трудоемкой, но позволяет достаточно точно прогнозировать изменение зернового состава и МП в структуре щебеночных слоев.
Программа «Compaction of crushed rocks» делится на несколько блоков: исходные данные, расчет проходов катка и изменение зернового состава.
Блок по расчету необходимого количества проходов катка опирается на уравнения регрессии, построенные по зависимостям МП от циклов нагрузки. На рис. 1 и 2 представлены результаты лабораторных исследований изменение МП щебня марки 400 и 800 фракции 20-40 мм.
При этом рекомендованное значение остаточной пористости основания из малопрочного щебня должно составлять быть не более 14 % [1]. Полученные данные можно сравнивать с работами автора [7], в которых рассматривается изменение МП в зависимости от числа проходов катка с использованием щебня крупных фракций по дробимости - «800». По мнению авторов, несмотря на пониженную прочность, выполненные из этих гранитов конструкции весьма долговечны. В табл. 1 приведены результаты определения показателей после 4, 8, 16 и 32 проходов катка «DYNAPAC» массой 9 тонн.
Рис. 1. Изменение МП щебня марки 400 фракции 20-40 мм ЗАО «Известь Сысерти»
Рис. 2. Изменение МП щебня марки 400 фракции 20-40 мм ООО «Строй-Гранит»
Таблица 1
Изменение МП щебня марки 800 ЗАО «Выборгское карьероуправление»
Число проходов виброкатков МП, %
4 22
8 18
16 15
32 13
В табл. 2 представлены данные полученные при помощи программы «Compaction of crushed rocks», при моделировании уплотнения вибрационным катком DYNAPAC CA152D массой 14 тонн и катком DYNAPAC CA302D массой 9 тонн.
В блоке программы по расчету зернового состава, в зависимости от полученного числа проходов катка, выводятся данные по измельчению материала в процентах для каждой отдельной фракции материала. Также отдельно можно рассчитать, как именно изменится зерновой состав при произвольно заданном количестве проходов катка. Это может быть полезным для подбора оптимального числа проходов, в особенности при использовании материалов с низкими показателями прочности.
Таблица 2
Изменение МП щебня марки 800 ООО «Строй-Гранит» по программе «Compaction of crushed rocks»
Число проходов виброкатков |МП, %
DYNAPAC CA152D 9 тонн
4 22
10 18
18 15
26 13
DYNAPAC CA302D, 15 тонн
3 22
7 18
13 15
18 13
В ходе экспериментов построены кривые изменения зернового состава каменных материалов в зависимости от циклов нагружения. Данные по измельчению материала принято считать наиболее достоверными по результатам первых просеиваний через сита, поэтому для построения кривых зернового состава были приняты только значения, соответствующие этому условию. Полученные данные приведены в табл. 3 и на рис. 3.
Таблица 3
Данные по изменению зернового состава при моделировании уплотнения вибрационным катком массой 14 т [5]
Цикл нагрузки Количество частиц меньше фракции, мм
40 | 20 | 10 | 5 | 0
Известняковый щебень марки 400
11 100 39,5 20,4 12,6 0
13 100 44,1 23,7 15,3 0
15 100 49,4 27,5 18,0 0
18 100 56,3 31,4 21,2 0
23 100 61,2 37,3 25,3 0
28 100 63,7 39,9 28,1 0
38 100 68,8 49,3 35,8 0
58 100 74,0 53,4 40,6 0
108 100 79,9 58,1 45,5 0
Гранитный щебень марки 800
11 100 37,9 16,8 10,5 0
13 100 46,0 18,4 11,7 0
15 100 47,7 18,4 11,2 0
18 100 54,7 23,0 14,8 0
23 100 55,2 26,5 17,0 0
28 100 56,1 29,2 18,2 0
58 101 68,3 46,1 35,3 0
108 102 71,4 53,0 39,4 0
Для понимания значимости изменения зернового состава и влияния, которое оказывает измельчение частиц на прочность конструкции, введен индикатор нарушения структурной прочности, основанный на кривых оптимального зернового состава и коэффициентах сбега, подобранных специально для легкоуплотняемых каменных материалов [8-9], системах сфер [3] и уравнении оптимального зернового состава Фуллера [4]. При расчете изменения зерна в конструкции при заданных условиях программа возвращает значение запаса до нарушения структурной прочности в %, который является частным максимального возможного содержания измельченного материала, при условии сохранения оптимальности зернового состава, и текущего содержания мелких частиц.
Рис. 3. Кривые зернового состава известнякового щебня марки 400 ЗАО «Известь Сысерти»
На рис. 4 и 5 изображены кривые логарифмических зависимостей изменения содержания некоторых фракций щебня при его уплотнении в лабораторных условиях. При построении кривых использован метод аппроксимации Левенберга-Маркордта:
/(X,р) = Ро • 1п(х + Д) +Д.
(1)
—- - от/1
согг (/ (ух 1, ¡31), уу 1) = 0.996 7{их1 ,/31)
0 1(1 20 ЗА 40 50 60 7(1 80 УХ 1 90 100
чх1 - вектор данных циклических нагрузок; уу1 - вектор данных МП; Д1 = чу, vg); vg- трехэлементный вектор вещественных начальных приближений
для параметров Д0, р1 и Д
Рис. 4. Изменение фракции 0-5 мм щебня марки 400
1 уу4 ¡{ух 4, /34)
0 1 20 30 40 50 60 70 80 ух 4 90 100
чх4 - вектор данных циклических нагрузок; чу4 - вектор данных МП; Д4 = ^Й(ух уу, у§); vg - трехэлементный вектор вещественных начальных приближений
для параметров Д0, Д и Д
Рис. 5. Изменение фракции 20-40 мм щебня марки 400
Данные по изменению зернового состава в щебеночном слое можно сравнить с данными полученными несколько десятилетий назад [10].
Таблица 4
Изменение зернового состава известнякового щебня при уплотнении катком 5 т
Размер щебня, мм При уплотнении катком 5 т за число проходов, %
3 5 10
Крупные частицы (20-40 мм) 81.5 79.0 72.3
Мелкие частицы (0-20 мм) 18.5 21.0 27.7
Таблица 5
Изменение зернового состава щебня марки 800 при уплотнении катком 5 т по данным программы «Compaction of crushed rocks»
Размер щебня, мм При уплотнении катком 5 т за число проходов, %
3 5 10
Крупные частицы (20-40 мм) 82.0 77.0 72.0
Мелкие частицы (0-20 мм) 12.0 23.0 28.0
Для расчета изменения зернового состава при уплотнении катком 5 тонн были приняты данные современного катка DYNAPAC CA152D с заниженными параметрами: статическая нагрузка на валец 30 кг/см2, центробежная сила вальца 105 кН и ширина вальца 1,7 м.
Выводы:
1. Ряд проведенных экспериментов подтверждает значимость выбора уплотняющей техники на изменение физико-механических свойств каменных материалов в конструкциях оснований и покрытий дорожных одежд ЛАД.
2. Выбранная методика исследований позволяет получить достаточно правдоподобные данные по изменению межзерновой пустотности и зернового состава каменных материалов при их уплотнении вибрационной техникой.
3. Прогноз по изменению этих физико-механических свойств каменных материалов в структуре щебеночных слоев позволяет подбирать параметры уплотняющей техники и необходимое количество проходов катка при проектировании и строительстве оснований и покрытий дорожных одежд ЛАД.
4. Индикатор структурной прочности можно использовать в роли оценочного параметра, который позволяет закладывать в проект некоторый запас прочности для эксплуатации конструкции под воздействием нагрузок от автомобильного транспорта после завершения строительства, не прибегая к уточнению прочности покрытий на контрольных участках.
Список литературы:
1. Салль А.О., Васильев Ю.М., Юмашев В.М., Методические рекомендации по повышению качества дорожных оснований из щебня различных пород. - М.: Минтрансстрой, СОЮЗДОРНИИ, 1980.
2. СНиП 3.06.03-85*. Автомобильные дороги. - М.: Госстрой СССР, 1986.
3. Cumberland D.J., Crawford R.J. The packing of particles. Handbook of Powder Technology. - New York: Elsevier, 1987. - Vol. 6.
4. Midgley. Ingredients of an unbound granular pavement for a successful sprayed seal, Technical Report No. TR207. - VicRoads, Australia, 2009.
5. Кручинин И.Н., Ращектаев В.А. Особенности взаимодействия уплотняющей техники с каменными материалами при строительстве щебеночных оснований автомобильных дорог // Сб. науч. тр. ОАО «ГИПРОДОРНИИ». -2013.
6. Кручинин И.Н., Ращектаев В.А. Изучение изменения физико -механических характеристик щебеночных покрытий лесовозных автомобильных дорог. - ПНИПУ 2013.
7. Салль А.О. Новая концепция применения щебеночных материалов для повышения несущей способности дорожных оснований, № 14, 15, 16. -2009.
8. Бируля А.К. Дороги из местных материалов. - М.: Автотрансиздат, 1955.
9. Бейшер Р.В. Местные материалы в дорожном строительстве. - Архангельск: Северо-Западное книжное издательство, 1978.
10. Мелеванский В.В. Дорожные основания и покрытия из малопрочных известняков. - М.: Транспорт, 1971.
