3826

Научный журнал строительства и архитектуры

а)

б)

Рис. 6. Распределение основных параметров снеговетрового потока при скорости ветра 20м/с: а) скорость дисперсной фазы; б) распределение доли дисперсной фазы

При подходе к насыпи и на наветренной обочине скорость дисперсной фазы составляет 20 м/с, за первым рядом ограждений с наветренной стороны наблюдается понижение скорости до 15 м/с, после разделительной полосы и второго ряда ограждений на подветренной проезжей части скорость падает до 8 м/с, и после третьего рада ограждений на подветренной обочине скорость составляет 5 м/с. Снижение скорости вызывает выпадение снега на дорожное покрытие.

Распределение дисперсной фазы показывает количество снега, которое откладывается в расчетном сечении. Графическое изображение на рис. 6б показывает количество дисперсной фазы в виде цветовой индикации от синего цвета (отсутствие отложений) до красного (количество отложений 100 %). Анализ результатов моделирования позволяет сделать вывод, что на наветренной обочине насыпи может откладываться до 50 % дисперсной фазы, на подветренной проезжей части до 40 % от оставшейся доли дисперсной фазы после расчетного сечения I, на подветренной проезжей части до 80 % от оставшейся доли после расчетного сечения III, и на подветренной обочине до 100 % от оставшейся доли после расчетного сечения IV. Результаты моделирования подтверждают правильность гипотезы о заносимости насыпей с барьерными ограждениями [2] и в дальнейшем помимо качественных показателей позволят получить количественную оценку снегозаносимости автомагистралей.

Анализ распределения основных параметров снеговетрового потока показал, что при высоте насыпи выше руководящей рабочей отметки по условию снегонезаносимости отложение снега во время метелей будет происходить вследствие наличия барьерных ограждений. Положение зон аккумуляции снега зависит от схемы их расстановки. И если на снегозаносимых насыпях начальные отложения снега наблюдаются на наветренном откосе и обочине, то на насыпях с барьерными ограждениями отложения начнут формироваться на подвет-

80

ренной проезжей части и обочине. Такая схема формирования снежных отложений характерна для начальной стадии формирования снежных заносов, пока барьерные ограждения работают как снеговыдувающие устройства.

Для определения объема снега используется формула:

где Vsnow — объем снега, м3; V% — объемная доля дисперсной фазы, %; Vcell — объем расчет-

ной ячейки, м3, Vcell = 0,016079 м3.

В результате расчета получены объемы снега, отложившегося за метель продолжительностью 20 и 60 минут в расчетных сечениях насыпи. Для упрощения модели и ускорения расчета испарение снега в данной работе при моделировании снеговетрового потока не учитывалось.

Результат расчета объема снега, отложившегося на опытном участке автомагистрали за метель продолжительностью 20 минут в пяти расчетных сечениях, приведен в табл. 7.

Анализ результатов моделирования показывает, что реализация расчетов в программе FlowVision позволяет получить необходимую информацию для исследования динамики снежных накоплений на участке дороги, которая может использоваться для формирования рекомендаций о защите участка дороги от снега или для проведения снегоуборочных работ при зимнем содержании автомобильных дорог.

Выводы

1.Впервые проведено моделирование процесса снегонакопления на участке автомагистрали с барьерными ограждениями с использованием программного комплекса FlowVision.

2.Теоретически обосновано применение программного комплекса для исследования процессов снегозаносимости и определены этапы создания геометрической модели опытного участка. Созданная модель может использоваться в постпроцессоре FlowVision для моделирования процесса снегонакопления на земляном полотне автомагистрали с барьерными ограждениями во время метелей и его визуального анализа.

3.Впервые обоснованы информационные ресурсы для создания гидродинамической модели обтекания насыпи автомагистрали с барьерными ограждениями снеговетровым потоком во время метелей, учитывающие геометрические особенности автомагистралей и физические свойства снеговетрового потока как двухфазной среды.

4.Доказано, что результаты моделирования снегоотложений при различных параметрах метелей в программном комплексе FlowVision позволяют получить количественные показатели снегонакопления и могут использоваться для определения параметров снегоочистки при зимнем содержании автомобильных дорог.

Библиографический список

1. Васильев, А. П. Анализ современного зарубежного опыта зимнего содержания дорог и разработка предложений по его использованию в условиях России / А. П. Васильев, В. В. Ушаков. — М: ФГУП «Инфор-

мавтодор», 2003. — 60 с.

81

Научный журнал строительства и архитектуры

2.Гладышева, И. А. Снегозаносимость автомагистралей с барьерными ограждениями / И. А. Гладышева, Т. В. Самодурова, О. В. Гладышева // Наука и техника в дорожной отрасли. — 2003. — № 3. — С. 30—32.

3.Гладышева, О. В. Снегозаносимость насыпей автомобильных дорог / О. В. Гладышева, С. М. Ширяева // Дороги и мосты. — 2013. —№ 29/1. — С. 125—137.

4.Грей, Д. М. Справочник. Снег / Д. М. Грей, Д. Х. Мэйл. — Ленинград: Гидрометеоиздат, 1986. —

751 с.

5.Дюнин, А. К. В царстве снега / А. К. Дюнин. — Новосибирск: Наука, 1983. — 161 c.

6.Дюнин, А. К. Зимнее содержание дорог / А. К. Дюнин. — М.: Транспорт, 1966. — 244 c.

7.Дюнин, А. К. Механика метелей / А. К. Дюнин. — Новосибирск: Изд. Сибирского отделения АН СССР, 1963. — 388 с.

8.Корнеева, Д. Ю. Совершенствование конструкций временных снегозадерживающих устройств для применения на скоростных дорогах и автомагистралях: дис. … канд. техн. наук: 05.23.11 / Корнеева Дарья Юрьевна. — М., 2016. — 135 с.

9.Методические рекомендации по определению климатических характеристик при проектировании автомобильных дорог и мостовых переходов. — М.: Гипродорнии, 1988. — 54 с.

10.Руководство пользователя. FlowVision. — М.: ООО «ТЕСИС», 2017. — 1395 с.

11.Самодурова, Т. В. Оперативное управление зимним содержанием дорог / Т. В. Самодурова. — Воронеж: Изд-во Воронеж. гос. ун-та, 2003. — 168 с.

12.Alhajraf, S. Numerical simulation of sand and snow drift at porous fences / S. Alhajraf // Proceedings of ICAR5/GCTE-SEN Joint Conference, Texas, USA, 2002. — P. 208—213.

13.Cermak, J. E. Wind-tunnel development and trends in applications to civil engineering / J. E. Cermak //

Jornal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2003. —№ 91/3. — P. 355—370.

14. Chen, S. S. Computer-aided design of passive snow control measures / S. S. Chen, M. F. Lamanna, R. D. Tabler, D. F. Kaminski // Transportation Research Record Journal of the Transportation Research Board, 2009. —

№2107/1. — P. 111—120.

15.Duan, Zh. Effect of porosity on the flow characteristics behind planar and non-planar porous fences / Zh. Duan, W. Yang, P. Li // CISME, 2011. — № 10. — P. 15—21.

M.Kaneko, T. Watabe, M. Matsuzawa // Transportation research circular, 2012., — №E-C162. — P. 143—153.

18.Lu, X. N. Wind tunnel experiments on natural snow drift / X. N. Lu, N. Huang, D. Tong // Science China Technological Sciences. — 2012. — № 55. — P. 927—938.

19.Moonen, P. Numerical modeling of the conditions in a closed-circuit low-speed wind tunnel / P. Moonen,

B. Blocken, S. Roels, J. Carmiliet // International journal of wind engineering and industrial aerodynamics, 2006. —

№94. — P. 699—723.

20.Niaam-Bouvet, F. Snowdrift modeling in a wind tunnel: vertical and horizontal variation of the snow flux / F. Niaam-Bouvet, M. Niaam // Annals of Glaciology. — 1998. — № 26. — P. 212—216.

21. Ring, S. L. Wind tunnel analysis of the effects of planting at highway grade separation structures / S. L. Ring, J. D. Iversen, J. B. Sinatra, J. D. Benson // Iowa Highway Research Board HR202, Iowa Transportation Department, 1979. — 214 p.

References

1.Vasil'ev, A. P. Analiz sovremennogo zarubezhnogo opyta zimnego soderzhaniya dorog i razrabotka predlozhenii po ego ispol'zovaniyu v usloviyakh Rossii / A. P. Vasil'ev, V. V. Ushakov. — M: FGUP «Informavtodor», 2003. — 60 s.

2.Gladysheva, I. A. Snegozanosimost' avtomagistralei s bar'ernymi ograzhdeniyami / I. A. Gladysheva, T. V. Samodurova, O. V. Gladysheva // Nauka i tekhnika v dorozhnoi otrasli. — 2003. — № 3. — S. 30—32.

3.Gladysheva, O. V. Snegozanosimost' nasypei avtomobil'nykh dorog / O. V. Gladysheva, S. M. Shiryaeva // Dorogi i mosty. — 2013. —№ 29/1. — S. 125—137.

4.Grei, D. M. Spravochnik. Sneg / D. M. Grei, D. Kh. Meil. — Leningrad: Gidrometeoizdat, 1986. — 751 s.

5.Dyunin, A. K. V tsarstve snega / A. K. Dyunin. — Novosibirsk: Nauka, 1983. — 161 c.

6.Dyunin, A. K. Zimnee soderzhanie dorog / A. K. Dyunin. — M.: Transport, 1966. — 244 c.

7.Dyunin, A. K. Mekhanika metelei / A. K. Dyunin. — Novosibirsk: Izd. Sibirskogo otdeleniya AN SSSR, 1963. — 388 s.

8.Korneeva, D. Yu. Sovershenstvovanie konstruktsii vremennykh snegozaderzhivayushchikh ustroistv dlya primeneniya na skorostnykh dorogakh i avtomagistralyakh: dis. … kand. tekhn. nauk: 05.23.11 / Korneeva Dar'ya Yur'evna. — M., 2016. — 135 s.

9.Metodicheskie rekomendatsii po opredeleniyu klimaticheskikh kharakteristik pri proektirovanii avtomobil'nykh dorog i mostovykh perekhodov. — M.: Giprodornii, 1988. — 54 s.

82

10.Rukovodstvo pol'zovatelya. FlowVision. — M.: OOO «TESIS», 2017. — 1395 s.

11.Samodurova, T. V. Operativnoe upravlenie zimnim soderzhaniem dorog / T. V. Samodurova. — Voronezh: Izd-vo Voronezh. gos. un-ta, 2003. — 168 s.

12.Alhajraf, S. Numerical simulation of sand and snow drift at porous fences / S. Alhajraf // Proceedings of ICAR5/GCTE-SEN Joint Conference, Texas, USA, 2002. — P. 208—213.

13.Cermak, J. E. Wind-tunnel development and trends in applications to civil engineering / J. E. Cermak // Jornal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2003. —№ 91/3. — P. 355—370.

14. Chen, S. S. Computer-aided design of passive snow control measures / S. S. Chen, M. F. Lamanna, R. D. Tabler, D. F. Kaminski // Transportation Research Record Journal of the Transportation Research Board, 2009. —

№2107/1. — P. 111—120.

15.Duan, Zh. Effect of porosity on the flow characteristics behind planar and non-planar porous fences / Zh. Duan, W. Yang, P. Li // CISME, 2011. — № 10. — P. 15—21.

M.Kaneko, T. Watabe, M. Matsuzawa // Transportation research circular, 2012., — №E-C162. — P. 143—153.

18.Lu, X. N. Wind tunnel experiments on natural snow drift / X. N. Lu, N. Huang, D. Tong // Science China Technological Sciences. — 2012. — № 55. — P. 927—938.

19.Moonen, P. Numerical modeling of the conditions in a closed-circuit low-speed wind tunnel / P. Moonen,

B. Blocken, S. Roels, J. Carmiliet // International journal of wind engineering and industrial aerodynamics, 2006. —

№94. — P. 699—723.

20.Niaam-Bouvet, F. Snowdrift modeling in a wind tunnel: vertical and horizontal variation of the snow flux / F. Niaam-Bouvet, M. Niaam // Annals of Glaciology. — 1998. — № 26. — P. 212—216.

21. Ring, S. L. Wind tunnel analysis of the effects of planting at highway grade separation structures / S. L. Ring, J. D. Iversen, J. B. Sinatra, J. D. Benson // Iowa Highway Research Board HR202, Iowa Transportation Department, 1979. — 214 p.

MODELING THE SNOW DEPOSIT PROCESS

ON THE HIGHWAYS IN THE FLOWVISION SOFTWARE

T. V. Samodurova 1, O. V. Gladysheva 2, N. Yu. Alimova 3, E. A. Boncheva 4

Voronezh State Technical University 1, 2 ,3 ,4

Russia, Voronezh

1D. Sc. in Engineering, Prof. of the Dept. of Design of Highways and Bridges, tel.: (743)271-52-02, e-mail: samodurova@vgasu.vrn.ru

2Ph. D. in Engineering, Assoc. Prof. of the Dept. of Design of Highways and Bridges, e-mail: ov-glad@ya.ru

3Ph. D. in Engineering, Assoc. Prof. of the Dept. of Design of Highways and Bridges,

e-mail: natalimowa@ya.ru

4 PhD student of the Dept. of Design of Highways and Bridges, e-mail: evgesha3581@rambler.ru

Statement of the problem. The problems of snow deposit modeling on the highways with crash barriers during blizzards in the FlowVision was discussed.

Results. The highwaysection passing in the embankment as an experimental section has been considered. The geometric model of the highway section was created. The information resources for designing a hydrodynamic model of a snowflow stream of highway embankment with barriers during blizzard were identified. The modeling of the snow deposit process in the experimental section using the FlowVision software during blizzards with different parameters was carried out.

Conclusions. It was concluded that it is possible to use the FlowVision software to improve the methodology for snow protection designing and determining snow removal parameters for winter road maintenance.

Keywords: winter roadmaintenance, highway, snow deposit, modeling, blizzard.

83

Научный журнал строительства и архитектуры

DOI 10.36622/VSTU.2020.58.2.007

УДК625.7/8

МЕТОДИКА РАЗРАБОТКИ ТЕХНОЛОГИИ УСТРОЙСТВА ДОРОЖНЫХ КОНСТРУКЦИЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ АСФАЛЬТОГРАНУЛЯТА

С. А. Сенибабнов 1, К. А. Андрианов 2, А. Ф. Зубков 3

Тамбовский государственный технический университет 1, 2, 3 Россия, г. Тамбов

1Аспирант кафедры городского строительства и автомобильных дорог

2Канд. техн. наук, доц., зав. кафедрой городского строительства и автомобильных дорог, e-mail: konst-68@yandex.ru

3Д-р техн. наук, проф. кафедры городского строительства и автомобильных дорог,

e-mail: afzubkov2013@yandex.ru

Постановка задачи. Используемые в настоящее время отходы (асфальтогранулят) при фрезеровании покрытий нежесткого типа отличаются по своим характеристикам от горячих и холодных асфальтобетонных смесей, а также щебня. Применяемый парк машин для уплотнения слоя материала характеризуется широким диапазоном массы катков и параметрами вальцов, что влияет на эффект уплотнения. Обеспечение качества уплотнения зависит от соответствия технологических режимов механизированного звена машин свойствам применяемых материалов. Необходима разработка технологии устройства слоев с применением асфальтогранулята с учетом его свойств, толщины, а также параметров уплотняющих машин.

Результаты. Рассмотрена методика разработки технологии устройства дорожных конструкций при реконструкции и ремонте автомобильных дорог с применением асфальтогранулята. На основе экспериментальных исследований установлены зависимости между нагрузкой и деформацией слоя материала, деформацией и коэффициентом уплотнения, а также значения углов контакта вальца с поверхностью слоя уплотняемого материалом с учетом его гранулометрического состава и толщины укладываемого слоя.

Выводы. Получена аналитическая зависимость для расчета напряжений в зоне контакта вальца со слоем асфальтогранулята, позволяющая назначать параметры катков в зависимости от свойств укладываемого материала. Предложенная методика разработки технологии устройства слоев с применением асфальтогранулята позволяет обеспечить требуемое качество уплотнения с учетом свойств материала, толщины укладываемого слоя и параметров уплотняющих машин.

Ключевые слова: асфальтогранулят, уплотнение, напряжение, деформация, угол контакта вальца.

Введение. Для выполнения работ по строительству, реконструкции и ремонту автомобильных дорог требуется значительный объем дорожно-строительных материалов, стоимость которых влияет на общие затраты при производстве работ. С целью уменьшения затрат, связанных со стоимостью материалов, широко используют отходы промышленности. В настоящее время до 97 % общей протяженности автомобильных дорог с твердым покрытием приходится на покрытия нежесткого типа. На подготовительном этапе при капитальном ремонте и реконструкции автомобильных дорог выполняют работы по фрезерованию существующих слоев дорожной одежды. Установлено, что при холодном фрезеровании старого асфальтобетонного покрытия при ширине полосы движения 7,0 м и толщине фрезерованного слоя 0,05 м с одного километра дорожного покрытия получают 500—600 т отходов. Получаемый материал называется асфальтогранулятом. Отработанный материал направляется для дальнейшего использования местными дорожными организациями для укрепления обочин, устройства подъездных дорог и временных объездов.

© Сенибабнов С. А., Андрианов К. А., Зубков А. Ф., 2020

84

В зарубежных странах (США, Англия, Германия и Франция) весь полученный материал применяется повторно при выполнении дорожных работ после переработки отходов. В таких странах, как Япония, Чехия и Словакия, асфальтовый лом перерабатывается до 80 %, в Венгрии — до 60 % и Польше — до 50 %. По оценкам специалистов применение асфальтогранулята позволяет уменьшить потребность в вяжущем до 3,8 млн т и более чем на 72 млн т в заполнителе. Общая экономия оценена в сумму более 2,1 млрд долларов США.

Нормативными документами ОДН 218.3.039-2003 «Укрепление обочин автомобильных дорог» и СП 78.13330.2012 «Автомобильные дороги» определены области применения асфальтогранулята для автомобильных дорог. При соответствующей переработке асфальтогранулята его можно использовать в слоях основания и нижних слоях покрытия при условии соответствия требованиям ГОСТ 8267 по прочности к щебню. Добавление вяжущего при повторном применении асфальтогранулята позволяет повысить предел прочности слоя от 0,5 до 2,0 МПа. Асфальтогранулят без добавления вяжущего рекомендуется применять при строительстве автомобильных дорог IV категории с пределом прочности на сжатие 0,7 МПа, а также для расклинцовки верхнего слоя щебеночного основания. При укреплении обочин дорожных покрытий, устройстве промышленных площадок, щебеночных оснований и покрытий методом заклинки применяется асфальтогранулят, который укладывается слоями разной толщины и гранулометрического состава (в зависимости от этих параметров меняются прочностные характеристики материала, что влияет на процесс уплотнения и выбор параметров машин для уплотнения).

Исследованиями [1—3, 15] доказано, что для достижения требуемой прочности при уплотнении необходимо обеспечить соответствие параметров уплотняющих машин свойствам уплотняемого материала. В соответствии с СП 78.13330.2012 достижение требуемой плотности и прочности укладываемого слоя асфальтогранулята обеспечивается катками на пневматических шинах массой не менее 16 т при давлении воздуха в шинах 0,6—0,8 МПа, прицепными вибрационными — массой не менее 6 т, решетчатыми — не менее 15 т, самоходными гладковальцовыми — не менее 10 т и комбинированными —массой более 16 т. Анализ рекомендуемых параметров катков показал, что они относятся к группе тяжелых катков, применяемых на заключительной стадии уплотнения материала. На начальном этапе уплотнения слоя необходимо применять катки с меньшей массой, зависящей от характеристик уплотняемого слоя материала [6, 7, 10, 16—20].

Анализ практики использования асфальтогранулята у нас в стране показал, что получаемый материал при фрезеровании дорожных покрытий расходуется по остаточному принципу, т. е. не совсем рационально. Таким образом, целью исследования является выбор параметров катков для обеспечения качества уплотнения слоя асфальтогранулята с учетом влияния гранулометрического состава и его толщины, что позволит повысить качество производства работ при укладке и уплотнении данного материала.

1. Влияние свойств уплотняемого материала на прочностные характеристики по-

крытия. Достижение требуемой прочности дорожной конструкции с применением асфальтогранулята зависит от прочностных характеристик применяемого материала, технологии укладки и уплотнения. В зависимости от способа распределения при укладке слоя материала объемная масса асфальтогранулята находится в пределах от 1,4 до 1,8 т/м3. Наиболее широко при устройстве слоев дорожной одежды используется асфальтогранулят фракции 5—20 мм, объемная масса которого при укладке составляет 1450 т/м3, максимальная плотность — 2450 кг/м3. При укладке материала происходит частичное уплотнение, которое характеризуется коэффициентом предварительного уплотнения. Величина предварительного уплотнения зависит от свойств материала и средств механизации, которые применяются при устройстве слоя. Использование землеройно-транспортных машин обеспечивает коэффициент предварительного уплотнения слоя асфальтогранулята в пределах 0,76—0,87. При работе уплотняющих машин за счет возникновения деформации материала плотность увеличивается, что

85

Научный журнал строительства и архитектуры

способствует повышению прочности уплотняемого слоя. По результатам экспериментальных исследований установлена зависимость плотности уплотняемого материала ρ от деформации слоя:

гдеλ— деформация слоя материала, мм. Коэффициент корреляции уравнения составляет 0,97. Образование деформации в слое материала происходит под действием напряжений, возникающих в зоне контакта рабочего органа машины с уплотняемой поверхностью мате-

риала. Зависимость деформации от напряжения представлена на рис. 1.

Рис. 1. Зависимость деформации материала от напряжения под вальцом катка

Величина деформации от напряжения для слоя асфальтогранулята фракции 5—20 мм при толщине слоя 0,22 м определяется зависимостью:

где σ — контактные напряжения, МПа. Коэффициент корреляции уравнения равен 0,98.

С изменением толщины слоя меняется величина деформации. На рис. 2 представлена зависимость деформации слоя асфальтогранулята фракции 5—20 мм при разной толщине.

Рис. 2. Зависимость деформации уплотняемого слоя от напряжения при разной его толщине, м:

1 — 0,05; 2 — 0,10; 3 — 0,15

Из представленных данных на рис. 2 видно, что величина деформации зависит от нагрузки и толщины слоя. С повышением напряжения выше определенного значения возникает пластическая деформация. Деформация материала под действием нагрузки от вальца катка характеризуется углом контакта вальца с поверхностью слоя материала, зависящим от нагрузки на валец и его радиуса, а также свойств уплотняемого материала. Обобщенной характеристикой деформируемости материала под действием внешней нагрузки согласно ГОСТ Р 54477 является модуль деформации Ед, характеризующий линейную связь между приращением давления в зоне контакта штампа на материал и его деформацией. Численное значение модуля деформации определяется по формуле:

где dш — диметр штампа, м; λп — полная деформация слоя материала, м.

Зависимость модуля деформации уплотняемого материала от напряжения в зоне контакта вальца с материалом представлена на рис. 3.

Известно, что на величину деформации слоя материала влияет время действии нагрузки, что определяется числом циклов приложения нагрузки (числом проходов катка). На рис. 4 представлено изменение угла контакта вальца с поверхностью уплотняемого слоя от числа проходов и модуля деформации асфальтогранулята.

86

Рис. 3. Зависимость модуля деформации уплотняемого материала

от напряжения

Из представленных на рис. 4 данных видно, что угол дуги контакта вальца с материалом зависит от числа проходов катка и свойств уплотняемого материала, что необходимо учитывать при моделировании процесса уплотнения материала.

Рис. 4. Зависимость угла контакта вальца катка:

а) от числа проходов; б) от модуля деформации материала

По результатам реологических исследований установлены зависимости модуля деформации асфальтогранулята от толщины слоя при укладке, которые характеризуются линейными зависимостями:

при толщине слоя 0,05 м: Ед 2,99 1,03, МПа;

при толщине слоя 0,15 м: Ед 23,66 3,21, МПа.

Коэффициент корреляции уравнений равен 0,99.

Для установления общей закономерности влияния толщины слоя на модуль деформации представим полученные данные в относительных величинах, принимая за единицу модуль деформации слоя 0,1 м. Обозначим принятую величину коэффициентом влияния толщины слоя асфальтогранулята Кн на модуль деформации (рис. 5).

Численное значение коэффициента влияния толщины слоя на модуль деформации определяется из уравнения:

где h — толщина слоя, м. Коэффициент корреляции уравнения равен 0,98.

Значение модуля деформации уплотняемого материала при разной толщине слоя определяется по формуле:

87

Научный журнал строительства и архитектуры

Установлено, что эффективность уплотняющих машин зависит от соответствия напряжений под рабочим органом машины пределу прочности уплотняемого материала. Предел прочности слоя асфальтогранулята зависит от гранулометрического состава материала и толщины слоя при укладке. Экспериментально установлено, что увеличение толщины слоя при укладке способствует снижению предела прочности на сжатие независимо от гранулометрического состава (рис. 6). Полученная закономерность подтверждается исследованиями других авторов [4—6].

Рис. 6. Зависимость предела прочности от толщины слоя при разных фракциях асфальтогранулята:

1фракция — 5—10 мм; 2 — 5—20 мм; 3 — 10—20 мм; 4 — 20—40 мм

Сувеличением числа приложений нагрузки к поверхности уплотняемого слоя общая деформация его возрастает, что способствует повышению плотности материала и, следовательно, росту коэффициента уплотнения.

Установлено, что зависимость коэффициента уплотнения от деформации при толщине слоя 0,05 м не зависит от фракционного состава асфальтогранулята и характеризуется линейной зависимостью (рис. 7). Аналогичные результаты получены в работах [4—6].

Рис. 7. Зависимость коэффициента Купл от деформации при толщине слоя 0,05 м и различном гранулометрическом составе:

а) фракция 5—20мм; б) фракция 20—40 мм

Численное значение коэффициента уплотнения от деформации слоя определяется уравнениями:

где λ — деформация слоя материала, мм. Коэффициент корреляции уравнений равен 0,97. С увеличением толщины слоя выше 0,1 м зависимость между коэффициентом уплотне-

ния и деформацией характеризуется экспоненциальной зависимостью. Численное значение коэффициента уплотнения от деформации при толщине слоя 0,1 м и выше определяется уравнениями:

88

Коэффициент корреляции уравнений равен 0,97.

На основании представленных результатов можно сделать вывод, что свойства применяемого материала и конструктивные параметры слоев влияют на зону контакта вальца катка при уплотнении слоев с применением асфальтогранулята.

2. Обоснование параметров контакта вальца катка с уплотняемым материалом.

Процесс уплотнения слоя материала осуществляется катками с жестким металлическим вальцом, параметры которого находятся в широком диапазоне как по массе катка, так и по геометрическим параметрам вальцов. Передача усилия на уплотняемую поверхность слоя материала происходит через площадь контакта вальца с ним, которая характеризует напряжения в зоне контакта. Установлено, что максимальный эффект при уплотнении обеспечивается при условии, когда величина контактных напряжений близка пределу прочности уплотняемого материала [4, 5, 7—9, 11, 12, 14]. На рис. 8 представлена схема взаимодействия жесткого вальца катка с уплотняемым материалом.

Q —сила тяжестикатка, приходящаясяна валец, кН; M — крутящий момент, приложенный к ведущему вальцукатка, кН м;

R — радиус вальца, м;

E1 и Е2 — модули деформации уплотняемого материала до прохода вальца и после него, МПа; F — сила, передаваемая от ведущего вальца

на рамукатка, кН;

hп, hн, hо — полная, необратимая и упругая деформации материала, м;— угол контакта вальца катка с материалом,

характеризующий необратимую деформацию, град;—угол междуосьюдвижениявальца иточкой, характеризующийконецконтакта вальца сматериалом (характеризует упругуюдеформацию), град.;

z — угол междуточкой начала контакта вальца

с уплотняемым материалом и осью движениявальца, характеризующий полную деформациюматериала, м

Рис. 8. Схема взаимодействия жесткого вальца катка с уплотняемым материалом

Из представленной схемы видно, что контактная площадь вальца катка характеризуется длиной дуги контакта вальца с поверхностью материала, которая зависит от параметров вальца и свойств уплотняемого материала. С изменением свойств материала при его уплотнении длина дуги контакта вальца будет разной, что влияет на величину контактных напряжений под вальцом. Следовательно, для моделирования процесса уплотнения слоя материала необходимо знать зависимость углов контакта вальца от параметров катка и свойств уплотняемого материала. Деформация уплотняемого материала определяется как сумма необратимой и обратимой деформаций, т. е.

где hп, hн, hо — полная, необратимая и остаточная деформации соответственно.

При постоянной ширине вальца длина дуги его поверхности определяется углами z, α и β, которые характеризуют полную, остаточную и упругую деформации уплотняемого материала соответственно. Численное значение деформаций с учетом углов контакта вальца с материалом можно определить по формулам:

89