Методическое пособие 810

23.Nosov S. V. Metodologiya sovershenstvovaniya tekhnologii uplotneniya dorozhno-stroitel'nykh materialov / S. V. Nosov, M. A. Goncharova. — Lipetsk: LGTU, 2015. — 166 s.

24.Nosov S. V. Razrabotka tekhnologii uplotneniya dorozhnykh asfal'tobetonnykh smesei i gruntov na osnove razvitiya ikh reologii: dis. … d-ra tekhn. nauk / S. V. Nosov. — Voronezh, 2014. — 366 s.

25.Nosov, S. V. Mobil'nye energeticheskie sredstva: vybor parametrov i rezhimov raboty cherez reologicheskie svoistva opornogo osnovaniya / S. V. Nosov. — Lipetsk: LGTU, 2006. — 228 s.

26.Nosov, S. V. Uplotnenie asfal'tobetonnykh smesei s vakuumirovaniem / S. V. Nosov // Nauka i tekhnika v dorozhnoi otrasli. — 2010. — № 3. — S. 36—39.

27.Perspektivy razvitiya i primeneniya samokhodnykh katkov / N. Ya. Kharkhuta, A. A. Shestopalov, V. P. Lozhechko [i dr.] // Povyshenie effektivnosti ispol'zovaniya mashin v stroitel'stve: mezhvuz. temat. sb. tr. LISI. — L., 1986. — S. 66—72.

28.Podol'skii, Vl. P. Tekhnologiya i organizatsiya stroitel'stva avtomobil'nykh dorog: v 2 ch. Ch. 1. Zemlyanoe polotno. — Voronezh: VGU, 2005. — 528 s.

29.Popov, G. N. Analiz parametrov sovremennykh vibratsionnykh katkov / G. N. Popov, E. K. Chabutkin, P. I. Markov // Povyshenie effektivnosti ispol'zovaniya mashin v stroitel'stve: sb. tr. LISI. — L., 1986. — S. 112— 119.

30.Potapenko, S. A. K rezul'tatam ispytanii katka, prednaznachennogo dlya uplotneniya asfal'tobetonnoi smesi v intervale temperatur 130—160 °S / S. A. Potapenko, S. V. Nosov. — Leningr. politekhn. in-t. — L., 1988. — 7 s. — Dep. vTsNIITEstroimashe 30.03.88, № 37-sd88.

31.Stroitel'stvo i rekonstruktsiya avtomobil'nykh dorog: spravochnaya entsiklopediya dorozhnika (SED). T. 1 /

M. I. Kapustin, V. P. Semenov, I. M. Eventov; pod obshch. red. N. Ya. Kharkhuta. — L.: Mashinostroenie, 1976. — 472 s.

34. Kharkhuta, N. Ya. Izmenenie svoistv asfal'tobetonnykh smesei pri vysokikh temperaturakh / N. Ya. Kharkhuta, A. A. Shestopalov // Tezisy dokl. respublikanskogo soveshchaniya po fiziko-khimicheskoi mekhanike dispersnykh sistem i materialov. — Kiev, 1983. — 225 s.

35.Kharkhuta, N. Ya. Mashiny dlya uplotneniya gruntov / N. Ya. Kharkhuta. — M. — L.: Mashinostroenie, 1973. — 176 s.

36.Kharkhuta, N. Ya. Metody i sredstva uplotneniya asfal'tobetonnykh dorozhnykh pokrytii // Issledovanie rabochikh protsessov stroitel'nykh i dorozhnykh mashin: mezhvuz. sb. tr. YaPI. — Yaroslavl', 1983. — S. 12—15.

37.Chabutkin, E. K. Issledovanie dinamiki shin samokhodnykh katkov: avtoref. dis…. kand. tekhn. nauk / E. K. Chabutkin. — L., 1978. — 15 s.

38.Sheremet'ev, B. M. Tyazhelye dorozhnye katki. Obzor / B. M. Sheremet'ev. — M.: TsNIITE-stroimash, 1980. — 49 s.

39.Angst, Ch. Der Einflu der Vtrdichtung auf die mechanischen Eigen-Schaften bituminöser Schichten / Ch. Angst. — Bitumen 2, 1982. — S. 75—84.

40.Compactors for Road Making Materials. — Technology Steers Market Towards End Result Standard // Contract J. — 1985. — 328, № 5534. — Р. 25—28, 30, 34, 35, 37.

41.Development of Machines for Compacting Soil and Pavement. — A Decade of Developments // Constr. Plant and Equip. — 1979. — 7, № 5. — Р. 29—30.

42.European Standard for Road Rollers and Soil Compactors. European Standard for Vibrating Plates and Tampers / Committee for European Construction Eguipment (CECE), VDMA. — Frankfurt, West Germany, 1975, 1976.

43.Hay, J. Vibroroller with Rubber Covered Roller. Softsoled Roller Plays down Posses / John Hay // Contract J. — 1980. — 296, № 5261. — 23 р.

44.Nosov, S. Methodology of Ensuring Road Traffic Safety with Respect to Road-Building Materials Compaction Efficiency Factor / S. Nosov, V. Kuzmichev, S. Repin, S. Maksimov // Transportation Research Procedia: 12th International Conference «Organization and Traffic Safety Management in Large Cities», SPbOTSIC—2016. — Elsevier B. V., 2017. — S. 450—454. — DOI: 10.1016/j.trpro.2017.01.073.

45.Nosov, S. V. Determination of Rational Contact Pressure Under a Roller When Compacting Asphalt Concrete Mixes / S. V. Nosov // Russian Journal of Building Construction and Architecture. — 2017. — № 2 (34). — S. 45—53.

81

Научный журнал строительства и архитектуры

46.Nosov, S. V. Generalized Dynamic Model of the Interaction of Compactors with Road Construction Materials / S. V. Nosov // Russian Journal of Building Construction and Architecture. — 2017. — № 2 (34). — S. 35—44.

47.Statical and Vibrating Compacting Machines. Vibratoryand static Compactors // Constr. lnd. lnt. — 1985. — 11, № 10. — P. 51—54, 58—70, 73—74, 76—78, 80—81, 85—86, 88.

ANALYSIS OF THE RESEARCH ON THE INTERACTION

OF THE BASE STRENGTH AND ROAD SURFACING WITH ROAD ROTORS

S. V. Nosov1

Lipetsk State Technical University 1

Russia, Lipetsk

1 D. Sc. in Engineering, Prof. of the Dept. of Building Materials Science and Road Technologies, tel.: 8-903-699-3180, e-mail: nosovsegej@mail.ru

Statement of the problem. The correct choice of road rollers and their operating modes as the fundamental factor of high-quality compaction of road-building materials requires a thorough analysis of existing publications. Various approaches and methods that exist in this direction show ambiguity and inconsistency of some data, which is explained by lack of consideration of the factors that were not previously given due attention.

Results. A large number of works has been analyzed, which are based on numerous experimental data and various approaches to assessing the quality of compaction of road building materials with road rollers. The work on the specifics of the interaction of the soils of the roadbed and asphalt mixes with various types of road rollers is separatelyanalyzed. A new technology of compaction ofasphalt-concrete mixtures with a vibration device with a vacuum device is analyzed.

Conclusions. The analysis of the retrospective of the use of road rollers in compaction of road-building materials showed that today there are practically no scientific works related to quantitative evaluation of the effectiveness of their compaction. The most promising one is the methodology of compaction of roadbuilding materials with road rollers based on the use of the development of rheology of road asphalt mixtures and soils.

Keywords: soils, asphalt-concrete mixtures, roadrollers, compaction efficiency.

КОНКУРС РФФИНА ЛУЧШИЕ НАУЧНЫЕ ПРОЕКТЫ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,

ВЫПОЛНЯЕМЫЕ СОВМЕСТНО КОЛЛЕКТИВАМИ МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ ИЗ РФ И РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

Заявки принимаются до 01.10.2018 23:59

Срок реализации проекта — 2 года.

Максимальный размер гранта — 700 000, минимальный — 500 000 рублей.

В конкурсе могут участвовать коллективы численностью не менее 2 и не более 5 человек, состоящие из граждан России. Возраст членов коллектива на 1 января 2019 г. не должен превышать 35 лет (для докторов наук — 39 лет).

На конкурс могут быть представлены проекты фундаментальных научных исследований по следующим научным направлениям: математика, механика, химия и науки о материалах, фундаментальные основы инженерных наук и др.

Подробнее см. на официальном сайте фонда: http://www.rfbr.ru/rffi/ru/contest.

82

УДК 625.7/.8(075.8)

АНАЛИЗ ИССЛЕДОВАНИЙ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ГРУНТОВ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА С КОЛЕСНЫМИ И ГУСЕНИЧНЫМИ ДВИЖИТЕЛЯМИ

ЗЕМЛЕРОЙНО-ТРАНСПОРТНЫХ МАШИН

С. В. Носов 1

Липецкий государственный технический университет 1 Россия, г. Липецк

1 Д-р техн. наук, проф. кафедры строительного материаловедения и дорожных технологий,

тел.: 8-903-699-3180, e-mail: nosovsergej@mail.ru

Постановка задачи. Существующие публикации по вопросу эффективности уплотнения грунтов земляного полотна автомобильных дорог создают проблемную ситуацию, связанную с многообразием противоречивых сведений. Поэтому назрела острая необходимость в их глубоком анализе и выявлении новых факторов, влияющих на рассматриваемый процесс.

Результаты. Проанализирована большая масса работ, которые основываются на различных гипотезах о деформировании грунта элементами движителей машин. Среди них выделяются исследования с применением реологических моделей. Отдельно проанализированы работы по особенностям взаимодействия грунтов земляного полотна с колесными и гусеничными движителями транспортно-технологических машин. Представлена новая методология совершенствования технологий уплотнения грунтов земляного полотна. Показано, что необходимо учитывать фактор времени и закономерности изменения напряженно-деформированного состояния грунта в уплотняемом слое земляного полотна. При этом наиболее точное моделирование рассматриваемых процессов представляется возможным на основе применения теории наследственной ползучести уп- руго-вязко-пластичных материалов, к которым, несомненно, также относятся грунты.

Выводы. Результаты исследования позволяют сделать вывод о том, что задача по увязке реологических свойств грунтов земляного полотна с вопросами технологии производства земляных работ в дорожном строительстве на сегодняшний день приобретает первостепенное значение.

Ключевые слова: грунты, земляное полотно автомобильной дороги, землеройно-транспортные машины, колесные и гусеничные движители.

Введение. При выполнении различных операций, увязанных в общий технологический процесс возведения земляного полотна, применяют разнообразную технику: бульдозеры, скреперы, автогрейдеры, погрузчики, экскаваторы, автосамосвалы, дорожные катки, трамбующие машины, и т. д.

Все эти машины в той или иной степени обеспечивают уплотнение дорожностроительных материалов. Так, частично грунты уплотняются под воздействием движителей землеройных и транспортных машин в процессе отсыпки и разравнивания грунта. Требуемое уплотнение грунтов земляного полотна достигается путем применения специальных машин — прицепных и самоходных катков, виброплит, трамбующих машин.

Воздействие уплотняющих нагрузок со стороны движителей и рабочих органов машин на грунты земляного полотна происходит по различным законам. При этом закономерности таких воздействий характеризуются сложными процессами, которые существенно отличаются друг от друга в зависимости от применяемого уплотнителя: гусеничного движителя, колесного движителя, металлического вальца и т. д. Существует множество работ, относящихся кисследованию различных особенностей взаимодействия дорожно-строительных мате-

© Носов С. В., 2018

83

Научный журнал строительства и архитектуры

риалов с разнообразными уплотнителями. Однако, как показывает практика и общая тенденция в развитии теории уплотнения, на сегодняшний день сохраняется необходимость совершенствования технологий уплотнения грунтов земляного полотна.

1. Общие сведения. Большое разнообразие применяемых грунтов при возведении земляного полотна, изменчивость их параметров состояния, условия выполнения земляных работ требуют в каждом конкретном случае использование определенной техники, как по количеству задействованных единиц, так и по ее техническим характеристикам. При возведении земляного полотна бульдозерами, скреперами, экскаваторами, автогрейдерами с привлечением транспортных средств в определенной степени происходит уплотнение грунтов их ходовыми системами в процессе отсыпки и разравнивания грунта. Как правило, такое уплотнение является предварительным, обеспечивающим послойное уплотнение грунта, причем неоднократными проходами. И чем лучше при этом грунт будет уплотнен, тем в дальнейшем потребуется меньше энергии для специального уплотнения грунтов земляного полотна.

Так, при возведении насыпи грейдер-элеваторами или экскаваторами коэффициент уплотнения грунта составляет 0,65 — 0,67 от стандартного. При возведении насыпи бульдозерами коэффициент уплотнения может достигать 0,70 — 0,80. При использовании скреперов, тракторных прицепов и автосамосвалов коэффициент уплотнения может дос-

тигать 0,85 — 0,90 [24].

При доставке грунта, его отсыпке и разравнивании под ходовыми системами землерой- но-транспортных машин колесного или гусеничного типа развиваются значительные уплотняющие и сдвиговые нагрузки. При этом в зависимости от сочетания их количественных значений и закономерностей их изменения во времени по-разному происходит процесс уплотнения грунта и формирование его первоначальной структуры в теле насыпи.

Большой вклад в области исследования изменений под воздействием движителей машин характеристик грунта, определения допустимых давлений на грунт, разработки методов оценки характера взаимодействия движителей с деформируемым опорным основанием в разные времена внесли Я. С. Агейкин, А. С. Аникин, Н. И. Афанасьев, В. Ф. Бабков, А. К. Бируля, А. Г. Бондарев, П. У. Бахтин, В. Н. Белковский, В. П. Бойков, А. В. Важнов, А. П. Васильев, Ю. М. Васильев, Н. Б. Веселов, И. И. Водяник, Ю. А. Ганькин, В. С. Гапоненко, Е. Н. Докучаева, В. Г. Евтенко, С. Б. Ешеев, В. М. Забродский, Д. И. Золотаревская, Н. Н. Иванов, В. В. Кацыгин, Н. А. Качинский, А. М. Кононов, А. В. Королев, М. Б. Корсун-

Э. Ю. Нугис, Н. В. Орнатский, В. В. Охотин, М. Х. Пигулевский, А. Ф. Полетаев, А. И. Пупонин, В. А. Русанов, А. Н. Садовников, П. М. Сапожников, В. А. Скотников, А. П. Софиян, М. Я. Телегин, А. Я. Тулаев, О. Л. Уткин-Любовцов, А. М. Файнлейб, М. М. Филатов, Н. Я. Хархута, В. Г. Цыбулько, М. П. Чистов, В. Н. Шептунов, О. В. Яблонский и другие.

W. B. Voorhees, Van Wilk, J. Y. Wong и другие.

Основная масса работ посвящена решению проблемы улучшения показателей взаимодействия грунтов с ходовыми системами транспортно-технологических машин по двум направлениям: повышению тягово-сцепных качеств машин и исследованию процессов уплотнения грунтов под воздействием уплотнителей — ходовых систем машин.

Исследования взаимодействия земляного полотна с колесными и гусеничными движителями землеройно-транспортных машин производятся на основе применения теории качения колеса или движения гусеничного движителя по деформируемому грунту.

84

Обзор литературных источников показал, что в различные периоды развития теории разрабатывались и усовершенствовались различные методы оценки взаимодействия грунтов земляного полотна с ходовыми системами транспортно-технологических машин.

Большая масса работ основывается на различных гипотезах о деформировании грунта элементами движителей машин, исходным положением которых является использование подобия действия поступательно перемещающегося деформатора. При этом подразумевается, что грунт в местах соприкосновения с движителем состоит из отдельных изолированных столбиков, причем смятие одного из них не влияет на другие, а распределение давлений по линии контакта не увязано со скоростью воздействия элементов движителей на грунт. Хотя в литературе имеется большое количество экспериментальных данных, указывающих, что скорости движения машин оказывают существенное влияние на сопротивляемость деформированию и образование колеи в опорном основании (грунте), на изменение плотности грунта и сопротивление передвижению транспортно-технологических машин.

До сих пор вопрос о влиянии на степень уплотнения грунтов скорости движения транс- портно-технологических машин, включая землеройно-транспортные, изучен не полностью. Результаты теоретических и экспериментальных исследований существенно различаются, а известные сведения ограничиваются данными о влиянии скорости на давление в пятне контакта движителей и вертикальную деформацию слоя уплотняемого грунта.

Так, Н. И. Клениным [13] в результате теоретических и экспериментальных исследований установлено, что с ростом скорости качения колеса глубина колеи и сила сопротивления качению уменьшаются, а коэффициент объемного смятия, пропорциональный плотности грунта, возрастает.

В. В. Гуськов и Е. С. Мельников [7] установили экспериментальным путем, что с увеличением скорости максимальные давления в грунте снижаются.

Вработах [1, 38] на основании многолетних исследований по проходимости машин распространена и подтверждается точка зрения, что с увеличением скорости движения напряжения в грунте и деформации его уменьшаются.

Экспериментальными и теоретическими исследованиями ЦНИИМЭСХ [35, 36] установлено, что с увеличением скорости движения машин по суглинистому грунту давление под гусеницами возрастает.

Результаты проведенных в НАТИ исследований [18] показывают, что нормальные давления на грунт гусеничных тракторов с увеличением скорости их движения возрастают во всех режимах нагружения, а нормальные давления на грунт колесных тракторов с увеличением скорости их движения практически не изменяются.

Вработе [10] приводятся результаты экспериментальных исследований по оценке деформации слоя торфа. Установлено, что увеличение скорости движения приводит к росту деформации грунта.

Расчетным путем в работе [36] установлено увеличение деформации грунта при проходе гусеничной машины на повышенных скоростях.

Гуськов В. В. расчетным путем установил, что с увеличением скорости движения гусеничного трактора деформация грунта под движителями уменьшается [8].

Подобных примеров, отражающих различные взгляды на особенности процесса взаимодействия грунта с движителями машин, можно привести довольно много. В рамках рассматриваемой проблемы противоречия просматриваются и по другим параметрам, таким, например, как давление воздуха в шинах колес, распределение эпюр давления, тяговое сопротивление, распределение ведущих моментов по осям и т. д. Кроме того, величина максимального давления еще не определяет развитие максимальной деформации под движителем, напрямую связанной с изменением плотности слоя, и тому есть множество подтверждающих фактов экспериментального характера.

85

Научный журнал строительства и архитектуры

2. Исследования с применением реологических моделей. Исследования взаимодей-

ствия с грунтом колесных и гусеничных движителей на основе применения реологических моделей с использованием фактора времени для определения соотношений между нагрузка-

И. И. Водяник [5] исследовал взаимодействие колесного движителя с грунтом, когда свойства эластичного колеса моделируются параллельным соединением идеальных тел — упругого, вязкого и пластичного, а свойства грунта описаны моделью Кельвина-Фойгта, т. е. параллельным соединением упругого и вязкого элементов. При этом принятая модель дает грубые ошибки при расчете деформаций за достаточно короткий промежуток времени. Кроме того, предложенный подход не позволяет точно определить углы расположения радиусов колеса, определяющие начало и конец контактирующей поверхности слоя грунта с колесом. Поэтому предложенная модель скорее приемлема для описания качественной стороны процесса, но никак не количественной.

У В. А. Русанова [29] также в предложенной модели взаимодействия движителя с грунтом представлено разделение упругой, пластичной и вязкой составляющих, не зависящих друг от друга, хотя, как известно, изменение упруго-вязко-пластических свойств во времени под действием нагрузок происходит по нелинейным законам, определяющим их непосредственную взаимосвязь. Модель основана на использовании многочисленных эмпирических данных, выраженных в корреляционных коэффициентах и уравнениях, при этом наблюдается некорректность перехода от результатов штамповых испытаний к описанию процесса взаимодействия движителя с грунтом.

В. И. Кузьминым [14] проведены исследования реологических свойств глинистых грунтов и обосновано преимущество принятия в качестве уравнения состояния для грунта интегрального уравнения Вольтерра второго рода вместо часто применяемых дифференциальных уравнений. Тем не менее автор в качестве ядра интегрального уравнения применяет степенную функцию, а после его дифференцирования приходит к модели Максвелла, что приводит к значительным погрешностям при вычислениях.

Наиболее полное описание упруго-вязко-пластических свойств деформируемого опорного основания может быть произведено на основе использования теории наследственной вязкоупругости Больцмана-Вольтерра [41], в соответствии с которой закономерности деформирования во времени различных деформируемых сред описываются интегральными уравнениями Вольтерра второго рода.

3. Особенности взаимодействия земляного полотна с колесным движителем. Осно-

вой развития теории качения колеса по деформируемому опорному основанию являются работы Я. С. Агейкина, В. Ф. Бабкова, М. Г. Беккера, В. П. Бойкова, В. П. Горячкина, В. В. Гуськова, В. В. Кацыгина, А. Ф. Полетаева, Н. Я. Хархуты и других. Продолжение развития теории качения колеса нашло в работах И. И. Водяника, Д. И. Золотаревской, Н. И. Кленина, А. М. Кононова, А. С. Кушнарева, В. А. Маслова, В. А. Русанова, В. Н. Сиротюка, В. Т. Ходыкина, М. П. Чистова и других.

Численное решение пространственной контактной задачи взаимодействия колеса с деформируемым опорным основанием с применением метода конечных элементов было проведено Г. С. Гориным [10]. Тангенциальные силы были приняты пропорциональными нормальным, а эпюры нормальных нагрузок и размеры контактных отпечатков шин были заданы по экспериментальным данным. Свойства грунта описывались зависимостью гиперболического тангенса. Однако связи между напряжениями и деформациями, развивающимися в грунте и колесе, не учитывают фактора времени, что не позволяет получить решения, учитывающие изменение во времени контактных нормальных и касательных напряжений, скорость трактора, время и характер действующих нагрузок.

86

В. Н. Сиротюк [31] исследовал взаимодействие колеса с грунтом, при этом при оценке деформаций формоизменения и напряжениях, не превосходящих длительный предел прочности, использовалось уравнение Больцмана-Вольтерра; при напряжениях, больших этого предела, — уравнение М. И. Розовского [28]; при оценке деформации изменения объема — уравнение Ю. Н. Роботнова [27]. Недостатком такого подхода является сложность и неопределенность в переходе от одного уравнения к другому в зависимости от действующих напряжений. Кроме этого, в качестве ядер подынтегральных выражений принимаются степенная или экспоненциальная функции, приводящие к погрешностям вычислений при малых величинах времени взаимодействия движителей машин с опорным основанием.

А. С. Кушнарев [17] в реологической модели грунта в подынтегральном выражении использовал гиперболическую функцию ядра. При этом в последующих математических преобразованиях вообще отбрасывается интегральная часть со ссылкой на то, что при малых промежутках времени воздействия рабочих органов на грунт (порядка 10−2…10−3 с) она несоизмеримо мала. Принятое интегральное реологическое уравнение для описания напряжен- но-деформированного состояния грунта заменяется в связи с этим дифференциальным уравнением, описывающим деформационные свойства моделью Максвелла с переменной вязкостью. Для моделирования процесса взаимодействия опорного основания с движителями машин, при котором время взаимодействия составляет от десятых долей до нескольких секунд, такой подход неприемлем.

В. Т. Ходыкин [40] рассматривал уплотняющее воздействие на грунт колесных движителей. Как и в предыдущем случае, уплотнение грунта колесом определялось с учетом влияния его вязкоупругих свойств, описываемых дифференциальным уравнением, связывающим напряжения и деформации, изменяющиеся во времени. При этом механические характеристики грунта, входящие в дифференциальное уравнение, при различных проходах колеса принимаются в виде линейных корреляционных зависимостей как функции от скорости качения колеса, нагрузки на него, начальной плотности и влажности грунта, реологические характеристики которого при сдвиге не рассматривались и не учитывались при рассмотрении общего процесса взаимодействия колеса с грунтом. Данные обстоятельства послужили предпосылкой к ошибочному выводу о том, что скорость движения колеса в пределах от 0,47 до 3,7 м/с на уплотнение влияет несущественно, а при ее увеличении наблюдается некоторая качественная зависимость снижения плотности грунта, попадающая в пределы ошибки измерений.

Д. Д. Прокопенко [25] исследованы физико-механические свойства грунтов с позиций теории наследственной вязкоупругости Больцмана-Вольтерра и на этой основе изучено влияние колесных ходовых систем машинно-тракторных агрегатов на колееобразование. Рассматривая грунт как квазиоднофазную и квазиизотропную среду, методом исследования свободных затухающих колебаний на образцах в двух взаимно перпендикулярных направлениях получены выражения для определения мгновенных модулей упругости и сдвига. Применительно к образцам низкой плотности и достаточно высокой влажности использование такого метода вызывает большие сомнения. При этом ядра интегральных уравнений представлены также в виде степенных или экспоненциальных функций, параметры которых являются переменными в зависимости от начальной плотности и текущей влажности грунта, а влияние на величины этих параметров действующих нормальных и касательных напряжений не учитывается.

Взаимодействие с уплотняемым грунтом пневматической шины заменяется условным взаимодействием жесткого колеса увеличенного диаметра, а линия контакта колеса и грунта принята в виде отрезка прямой. Поставленная контактная задача решена как плоская упругая с последующим переходом к вязкоупругому решению. Приближенное решение упругой задачи найдено по методу, предложенному Н. И. Мусхелишвили [20], при этом составлена

87

Научный журнал строительства и архитектуры

система двух интегральных уравнений для определения нормальных и касательных напряжений на границе контакта колеса с грунтом и найдено ее приближенное решение.

Исследование сложного процесса взаимодействия уплотняемого грунта с колесными движителями должно учитывать вязкоупругие свойства как самого грунта, так и колес [15, 34]. Поэтому, как и у И. И. Водяника [5], в работе Д. И. Золотаревской [12] это учтено, при этом как свойства эластичного колеса, так и свойства грунта у Д. И. Золотаревской выражены через интегральные соотношения Больцмана-Вольтерра. Однако, переходя на путь упрощения интегральных соотношений, в работе [12] произведена аппроксимация функции скорости ползучести в подынтегральном выражении линейной функцией, что предопределяет постоянную скорость деформирования грунта при любых условиях нагружения. В результате дифференцирования выражений произведен переход от интегральных соотношений к дифференциальному уравнению, характеризующему модель Максвелла, что определяет постоянную скорость деформирования слоя грунта при постоянном напряжении и существенно искажает действительный процесс взаимодействия опорного основания с колесными движителями. Параметры реологических уравнений грунтов являются переменными в зависимости от скорости деформирования и других факторов, что говорит о неинвариантности их определения. Также учитываются только нормальные напряжения, а касательные нет.

4. Особенности взаимодействия земляного полотна с гусеничным движителем.

Взаимодействие земляного полотна с гусеничным движителем, в отличие от колесного, представляет собой еще более сложную систему, которая может проявлять себя далеко не однозначно. Это связано с тем, что отдельные элементы гусеничного движителя, а также элементы системы подвески машины единовременно испытывают различные возмущающие силовые и кинематические воздействия — как внешние, так и внутренние, причем асинхронность и взаимозависимость этих воздействий вызывает сложные движения отдельных элементов, количественные характеристики и характер изменения которых значительно зависят от реологических свойств грунта.

Воздействие гусеничного движителя на грунт обусловливается еще более достаточно малыми временными промежутками со стороны отдельных элементов движителя, хотя в целом воздействие гусеничного движителя может достигать и нескольких секунд. Поэтому фактор времени в оговоренном процессе в совокупности с другими факторами, определяющими конструктивные, технологические и силовые характеристики гусеничного движителя, на сегодняшний день по значимости выходит на одно из первых мест при изучении особенностей взаимодействия грунта с гусеничным движителем.

Большое количество работ посвящено теоретическому и экспериментальному исследованию сопротивления движению гусеничного движителя вследствие вертикального прессования грунта. Отмечалось, что это сопротивление движению зависит от свойств грунта. В работе [3] обобщен многолетний опыт исследований, проводимых в НАТИ в области взаимодействия грунтов с гусеничными движителями. При этом рассмотрено влияние неравномерности распределения удельного давления по длине опорной поверхности гусеницы, зависящей от отношения расстояния между осями катков к шагу гусеницы, на уплотнение грунта и сопротивление движению гусеничной машины. Также исследовано влияние на уплотнение грунта и рассматриваемый вид потерь положения центра давления по длине опорной поверхности, высоты зацепов гусеницы и углов наклона переднего и заднего участков гусеницы.

Впоследствии изучением вопросов, касающихся процесса взаимодействия деформируемого грунта с ходовой системой гусеничного типа, занимались многие известные ученые и их последователи [2, 4, 6, 9, 11, 15, 16, 19, 26, 30, 32—34, 37, 39 и др.].

Большинством авторов указанных работ отмечается, что в действительности давление гусениц на грунт часто распределяется неравномерно. При этом величина, вид и форма этих

88

нагрузок могут меняться во время прохождения опорного катка по гусенице. В этом случае описание процесса взаимодействия грунта с гусеничным движителем достаточно сложно.

Если опорные катки расставлены в гусеничном обводе настолько часто, что почти каждое звено гусеницы, лежащее на опорном основании, находится под их непосредственным воздействием, то активно-опорной поверхностью является вся опорная поверхность гусеницы. В этом случае допускается принимать линейный характер эпюры давлений.

При указанном допущении в зависимости от положения центра давления трактора эпюры давления на грунт могут принимать различные, часто рассматриваемые формы: прямоугольную, трапециевидную, треугольные с вершиной в передней или задней кромках опорной поверхности гусениц, треугольную с вершинами в средней части опорной поверхности.

5. Методология совершенствования технологии уплотнения грунтов земляного полотна. На основании проведенного анализа значительного многообразия научноисследовательских работ было установлено, что при исследовании процесса взаимодействия грунтов земляного полотна с колесными и гусеничными уплотнителями (движителями транспортно-технологических машин) необходимо учитывать фактор времени и закономерности изменения напряженно-деформированного состояния грунта в уплотняемом слое земляного полотна. При этом наиболее точное моделирование рассматриваемых процессов представляется возможным на основе применения теории наследственной ползучести упру- го-вязко-пластичных материалов, к которым, несомненно, также относятся грунты.

В работах последнего поколения [21—23, 42—44] разработана методология совершенствования существующих технологий уплотнения грунтов земляного полотна различными уплотнителями, применяемыми в настоящее время при строительстве и реконструкции автомобильных дорог.

Данная методология устраняет основные трудности и недостатки в ранее предлагаемых подходах к решению общей проблемы повышения качества и эффективности уплотнения грунтов земляного полотна, в которых:

во-первых, просматривается явная неинвариантность известных методов определения реологических свойств грунтов земляного полотна и дорожных асфальтобетонных смесей и применения различных деформаторов для этих целей, включая криволинейные штампы

ввиде элементов ходовой части;

во-вторых, отсутствует одновременный учет времени и характера изменения действующих нагрузок со стороны различных уплотнителей в предлагаемых методах совершенствования технологий уплотнения;

в-третьих, как правило, рассматриваются упрощенные модели деформируемой среды — линейные или плоские. Объемные модели не рассматриваются;

в-четвертых, для исследования взаимодействия земляного полотна и дорожных одежд с уплотнителями выбираются упрощенные закономерности, определяющие реологические особенности различных материалов, которые при моделировании вносят существенные погрешности не только количественного, но, порой, и качественного характера;

в-пятых, при взаимодействии грунта с колесными и гусеничными движителями не учитывается одновременное влияние на процесс уплотнения параметров грунтозацепов и реологических свойств опорного основания;

в-шестых, часто используемые сдвиговые характеристики уплотняемого материала, полученные при постоянной скорости деформирования, и коэффициенты объемного смятия не могут в полной мере описать особенности переходных процессов, возникающих при взаимодействии земляного полотна и дорожных одежд с различными уплотнителями.

Выводы. Взаимодействие земляного полотна с движителями колесных и гусеничных транспортно-технологических машин, в первую очередь землеройно-транспортных, происходит по сложным законам, определяемым технологическими и конструктивными парамет-

89

Научный журнал строительства и архитектуры

рами машин, а также состоянием уплотняемого слоя. В общем виде модули деформации слоя грунта, коэффициенты сцепления, сопротивления передвижению и буксования движителей машин являются функционалами от указанных параметров, а также от времени. В связи с этим задача по увязке реологических свойств грунтов земляного полотна с вопросами технологии производства земляных работ в дорожном строительстве на сегодняшний день приобретает первостепенное значение.

Разработаны методологические основы совершенствования технологических процессов уплотнения грунтов земляного полотна на основе развития их реологии, учета несущей способности, времени и характера действующих нагрузок, обеспечивающих обоснованный выбор средств уплотнения и рациональных технологических режимов их работы на этапе строительства автомобильных дорог. При этом:

1.Определены критерии эффективности уплотнения грунтов земляного полотна;

2.Разработаны теоретические положения совершенствования технологий уплотнения грунтов земляного полотна и их взаимодействия с элементами машин при их уплотнении;

3.Разработаны модели процессов взаимодействия земляного полотна с уплотняющими элементами машин, позволяющие произвести качественную и количественную оценку изменения их напряженно-деформированного состояния, оценить кинетику развития деформаций при различных законах нагружения;

4.Разработаны способы и методики оценки основных характеристик грунтов земляного полотна как функционалов от временного фактора, определяющих их деформационную способность;

5.Произведена эксплуатационная оценка физико-механических характеристик грунтов земляного полотна;

6.Разработаны технические средства, позволяющие оперативно производить оценку физико-механических характеристик грунтов земляного полотна;

7.Теоретически и экспериментально обоснован выбор средств и режимов уплотнения на основе анализа физической картины и особенностей взаимодействия грунтов с уплотнителями;

8.Разработаны методы и рекомендации по совершенствованию и разработке технологических процессов уплотнения при учете реологических свойств грунтов земляного полотна, времени и характера действующих на них нагрузок.

Библиографический список

2.Альберт, И. У. Теоретические основы динамических методов поверхностного уплотнения грунтов / И. У. Альберт. — Л.: ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева, 1974. — 67 с.

3.Васильев, А. В. Влияние конструктивных параметров гусеничного трактора на его тягово-сцепные свойства / А. В. Васильев, Е. Н. Докучаева, О. Л. Уткин-Любовцов. — М.: Машиностроение, 1969. — 192 с.

4.Водяник, И. И. Несовершенство методик определения нормированных показателей воздействия движителей на почву/ И. И. Водяник // Тракторы и сельскохозяйственные машины. — 1989. — № 5. — С. 18.

5.Водяник, И. И. Прикладная теория и методы расчета взаимодействия колес с грунтом: автореф. дис. … д-ра техн. наук / И. И. Водяник. — Л.: ЛСХИ, 1986. — 33 с.

6.Гинзбург, Ю. В. Промышленные тракторы / Ю. В. Гинзбург, А. И. Швед, А. П. Парфенов. — М.: Машиностроение, 1986. — 296 с.

7.Гуськов, В. В. Влияние скорости движения гусеничного трактора на тягово-сцепные качества / В. В. Гуськов, Е. С. Мельников // Механизация и электрификация социалистического сельского хозяйства. — 1968. — № 11. — С. 1—4.

8.Гуськов, В. В. Оптимальные параметры сельскохозяйственных тракторов / В. В. Гуськов. — М.: Машиностроение, 1966. — 196 с.

9.Гуськов, В. В. Тракторы: в 2 ч. Ч. II / В. В. Гуськов. — Минск: Вышейша школа, 1977. — 284 с.

90