Разработка методики расчета параметров процесса гидроструйной цементации в дорожном строительстве Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 622.257.15.026:622.232.522.24

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА ГИДРОСТРУЙНОЙ ЦЕМЕНТАЦИИ В ДОРОЖНОМ

СТРОИТЕЛЬСТВЕ

И.В. Афонский, К. А. Головин, Р. А. Ковалев, Ю.Н. Пушилина

Изложены основные подходы к разработке инженерной методики расчета основных параметров процесса ГСЦ при укреплении дорожного основания.

Ключевые слова: грунт, рациональная скорость перемещения инструмента, диаметр струеформирующей насадки, глубина цементации.

На сегодняшний день известно несколько методов укрепления грунтов для дорожного строительства, каждый из которых имеет свою рациональную область применения и технологические особенности использования.

Дорожная одежда является одним из важнейших составных элементов автомобильной дороги. Затраты на её устройство в ряде случаев достигают 60.. .70 % от общей стоимости строительства, а состояние дорожной одежды в значительной степени влияет на скорость и безопасность движения.

Различают следующие элементы дорожной одежды.

Покрытие - верхняя часть дорожной одежды, состоящая из одного или нескольких единообразных по материалу слоев, воспринимающая усилия от колес транспортных средств и подвергающаяся непосредственному воздействию атмосферных факторов.

По поверхности покрытия могут быть устроены слои поверхностных обработок различного назначения (слои для повышения шероховатости, защитные слои и т.п.).

Основание - часть конструкции дорожной одежды, расположенная под покрытием и обеспечивающая совместно с покрытием перераспределение напряжений в конструкции и снижение их величины в грунте рабочего слоя земляного полотна (подстилающем грунте), а также морозоустойчивость и осушение конструкции.

Следует различать несущую часть основания (несущее основание) и дополнительные слои основания. Несущая часть основания должна обеспечивать прочность дорожной одежды и быть морозоустойчивой.

Дополнительные слои основания - слои между несущим основанием и подстилающим грунтом, предусматриваемые при наличии неблагоприятных погодно-климатических и грунтово-гидрологических условий. Эти слои совместно с покрытием и основанием должны обеспечивать необходимые морозоустойчивость и дренирование конструкции и создавать условия для снижения толщины вышележащих слоев из дорогостоящих материалов. В соответ-

111

Известия ТулГУ. Технические науки. 2015. Вып. 8. Ч. 1

ствии с основной функцией, которую выполняет дополнительный слой, его называют морозозащитным, теплоизолирующим, дренирующим. К дополнительным слоям и прослойкам относят также гидро- и пароизолирующие, ка-пилляропрерывающие, противозаиливающие и др.

Известные методы укрепления грунтов относятся, прежде всего, к укреплению основания и его дополнительных слоев.

Применение метода ГСЦ для закрепления дорожного основания при своей очевидной перспективности сдерживается (несмотря на то, что вопрос получения водоцементного раствора, рецептуры его состава достаточно полно изучен) отсутствием обоснованной методики расчета основных параметров процесса формирования закрепленного дорожного полотна.

Неслучайно поэтому в Институте горного дела и строительства ТулГУ, на основе анализа результатов комплексных исследований процесса ГСЦ была предпринята попытка разработки оригинальной методики расчета основных параметров работы ГСЦ инструмента, характеристик насосного оборудования.

Предполагается, что исходные данные для расчета должны включать:

- гидравлическую мощность насосной установки Иг, Вт (выбирается из параметрического ряда серийно выпускаемого насосного оборудования);

- давление водоцементного раствора Р0, МПа (для обеспечения максимальной производительности процесса принимается максимальное значение ГСЦ для применяемого насосного блока);

- коэффициент сцепления горной породыС, МПа.

При расчетах принимается плотность водоцементной суспензии

3

р = 2000 кг/м , соответствующая массовому соотношению воды и цемента 1:1.

Число струеформирующих насадок в гребенке^ = 5.

Основные параметры ГСЦ инструмента и процесса закрепления дорожного полотна, определяемые в результате расчета:

- диаметр струеформирующей насадки ё0, м;

- рациональная скорость перемещения инструмента (скорость движения машины) V, м/с, соответствующая максимальной скорости приращения объема закрепляемого массива G0,и минимальной удельной энергоемкости процесса Е0;

- глубина закрепления массива И, м.

Для определения трех неизвестных параметров (<Л0, И, V) необходимо решить три уравнения, а именно:

- уравнение расчета рациональной скорости перемещения инструмента с точки зрения максимальной скорости приращения объема закрепляемого массива и минимальной удельной энергоемкости процесса ГСЦ горных пород;

- уравнение расчета глубины закрепляемого массива;

- уравнение расчета гидравлической мощности, потребляемой ГСЦ инструментом.

Прядок расчета:

1. Определяем диаметр струеформируещей насадки, которую может запитать принятый к рассмотрению насосный блок.

Из выражения N = 1,11кР<1о /л после преобразования и подста-

2. Округляем полученное значение (]0 до ближайшего меньшего из стандартного ряда значений: (0,0010; 0,0015; 0,0020; 0,0025; 0,0030; 0,0035; 0,0040; 0,0045; 0,0050; 0,0055; 0,0060; 0,0065; 0,0070) м.

3. Определяем рациональную скорость перемещения инструмента

р0,05^0,03

^ = (2)

4. Определяем фактическую глубину цементации

5. В случае, если проектом задается минимальная глубина закрепления дорожного полотна кпр, то необходимо произвести сравнение этой величины с фактической глубиной цементации, рассчитанной в п. 4 на-

стоящей методики.

Если Ъпр< Ифакт, то расчеты следует считать выполненными и проводить закрепление дорожного полотна с полученным в п. 3 настоящей методики значением скорости перемещения инструмента.

Если Ипр>Ифакт, то необходимо выбрать следующее значение гидравлической мощности насосной установки из параметрического ряда оборудования для ГСЦ и повторить расчет с п. 1.

Для расчета конструктивных параметров ГСЦ инструмента, режимных параметров процесса ГСЦ горных пород и энергетических характеристик насосного оборудования разработана прикладная программа для персонального компьютера. Блок-схема программы представлена на рис.

Таким образом, разработанная инженерная методика позволяет расширить область применения хорошо зарекомендовавшего себя метода ГСЦ на дорожное строительство.

новки известных данных получим

(1)

(3)

Известия ТулГУ. Технические пауки. 2015. Вып. 8. Ч. 1

Блок-схема расчетной программы

Статья подготовлена в рамках гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых-кандидатов наук (№14.756.14.1983-МК) на 2014 - 2015 гг.

Список литературы

1. Струйнаяцементациягрунтоввгородскомстроительстве. Транс-портноестроительство/ И.В.Афонский, К.А.Головин, Р.А.Ковалев, Ю.Н. Пушилина // Транспортноестроительство.2014№ 11. С. 15 -18.

2. Development of equipment for reinforcement of road surfaces by means of hydrojet cementation / K.A. Golovin, R.A. Kovalev, J.N. Pushilina, I.V. Afonskij // Modern Applied Science. 2015. Vol. 9.№ 2. P. 62 - 78.

Афонский Игорь Владимирович, ведущий инженер, er-igor89@mail.ru, Россия, Тула, ООО «Газпром межрегионгаз Тула»,

Головин Константин Александрович, д-р техн. наук, проф., заместитель ди-ректораИнститута горного дела, kagolovin@inbox.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Ковалев Роман Анатольевич, д-р техн. наук, проф., директор Института горного дела, kovalevdekanamail. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Пушилина Юлия Николаевна, канд. техн. наук, доц., Pushilina. tsua mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

DEVELOPMENT OF TECHNIQUES OF CALCULA TION OF PARAMETERS OF HYDRO CEMENTA TION PROCESS IN ROAD CONSTRUCTION

I. V. Afonskij, K.A. Golovin, R.A. Kovalev, Yu.N. Pushilina

The basic approaches to the development of engineering methods of calculating the basic parameters of GSOs at strengthening the road base.

Key words: ground, rational speed of the tool, the diameter of the jet forming nozzle, the depth of cementation.

Afonskij Igor Vladimirovich, lead engineer, er-igor89amail. ru, Russia, Tula, Gazprom Mezhregiongaz Tula LLC,

Golovin Konstantin Aleksandrovich, doctor of technical sciences, professor, Deputy Director of the Institute of Mining, kagolovinainbox. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Kovalev Roman Anatolevich, doctor of technical sciences, professor, Director of the Institute of Mining, kovalevdekana mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Pushilina Julija Nikolaevna, candidate of technical sciences, docent, Pushili-na.tsu@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University