Способ определения формы силового импульса при уплотнении грунта трамбованием и вибротрамбованием

 

Изобретение относится к технологии уплотнения материалов и позволяет повысить производительность и качество уплотнения, а также снизить удельную энергоемкость процесса уплотнения . Способ определения формы силового импульса включает -определение зависимости максимального и минимального допустимого контактного давления рабочего органа на поверхность грунта от его плотности и измерение плотности. В процессе уплотнения не-; прерьгоно измеряют значения плотности грунта. По зависимости максимального допустимого контактного давления определяют расчетную величину контактного давления. Затем назначают импульсное воздействие. Длительность воздействия равна времени достижения , равенства между фактической плотностью грунта и расчетной. Расчетную плотность определяют по зависимости между минимально допустимым контактным давлением и плотностью грунта по фактической величине контактного давления. 13 ил. (Л

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСН ИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) А1 (5ц 4 Е 01 С 19 38

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 4184273/29-33 (22) 19 ° 01.87 (46) 07.08.88. Бюл. У 29 (72) В.А. Шилков и И.В. Золотухин (53) 625.085(088.8) (56) Хархута Н.Я., Васильев 10.М.

Прочность, устойчивость и .уплотнение грунтов земляного полотна автомобильных дорог.-М.: Транспорт, 1975, с. 153-154.

Крутов В.И., Данилов Ф.М.

Основы теории автоматического регулирования.-М.: Машиностроение, 1984, с ° 368.

Авторское свидетельство СССР

Р 669775, кл. Е 02 D 3/046, 1978. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФОРМЫ СИЛОВОГО ИМПУЛЬСА ПРИ УПЛОТНЕНИИ ГРУНТА

ТРАМБОВАНИЕМ И ВИБРОТРАМБОВАНИЕМ (57) Изобретение относится к технологии уплотнения материалов и позволяет повысить производительность и качество уплотнения, а также снизить удельную энергоемкость процесса уплотнения. Способ определения формы силоного импульса включает .определение зависимости максимального и минимального допустимого контактного дав" ления рабочего органа на поверхность грунта от его плотности и измерение плотности. В процессе уплотнения не прерывно измеряют значения плотности грунта. По зависимости максимального допустимого контактного давления определяют расчетную величину контактного давления. Затем назначают импульсное воздействие. Длительность воздействия равна времени достижения равенства между фактической плотностью грунта и расчетной. Расчетную плотность определяют по зависимости между минимально допустимым контакт- (, ным давлением и плотностью грунта по фактической величине контактного дав- E ления. 13 ил.

1414916

Изобретение относится к строительству, а именно к технологии уплотнения материалов, преимущественно грунтов, и может быть использовано при уплотнении обратных засыпок, земляных

5 сооружений типа. дамб и т.д.

Цель изобретения — повышение производительности и качества уплотнения, а также снижение удельной энергоемкости процесса уплотнения.

На фиг. 1 изображена зависимость предела прочности грунта от плотности; на фиг. 2 - зависимость измене" ния плотности грунта во времени; на

<риг, 3 — зависимость изменения формы . силового импульса во времени; на фиг. 4 — зависимость изменения плотности грунта во времени; на фиг.5-7— . зависимости изменения скорости прира- 20

Щения плотности грунта во времени для различных случаев изменения контактных давлений; на фиг. 8, 9 и 11— зависимости предела прочности грунта от плотности; на фиг. 10 и 12 — зависимости относительного уменьшения длительности процесса уплотнения грунта от минимального необходимого количества ступеней изменения конТактного давления и принимаемого ко-. личества ступеней изменения контактного давления; на фиг. 13 — расчетНая схема для определения высот падеНия грузов, оказывающих заданное контактное давление на уплотняемый грунт при уплотнении трамбованием..

Способ осуществляют следующим образом.

При уплотнении грунтов контактные давления не должны превосходить пределов прочности грунтов, так как в

40 противном случае грунт выжимается. из-под рабочих органов машин. В ре зультате верхняя часть уплотняемого слоя оказывается разрыхленной.

Во избежание снижения эффекта уп45 лотнения контактные давления не должны быть низкими. Лучший эффект получается в тех случаях, когда контактные давления под рабочими органами трамбующих машин по возможности близки к пределу прочности, т.е. составляют (0,9-1,0) 6, где G предел прочности. Каждому значению контактного давления соответствует своя предельная деформация, выше ко- 55 торой она не развивается и при очень большой продолжительности его действия е ПоэтОму каждой плотнОсти с9от ветствует минимальное значение ( ниже которого эта плотность достигнуР та быть не может.

Контактные давления должны быть близкими к пределу прочности в тече-. ние процесса уплотнения грунта. Пределы прочности зависят прямо пропорционально от плотности. Постепенным увеличением контактных давлений обеспечивают получение плотной и прочной структуры.

Назначают силовое воздействие такой формы, которая является оптималь-. ной для каждой конкретной стадии уплотнения.

Требуемую форму силового воздействия на грунт определяют следующим образом.

Для конкретного типа грунта (с учетом его влажности) устанавливают зависимость предела прочности грунта от плотности 6 = Е(8). Принимают максимальные дойустимые контактные давления б „ равными пределам прочности (7р при плотности грунта В, а минимальные допустимые контактные давления G ;„ равными <рб где р Э

<р = 0,9-0,75 — коэффициент, учитывающий возможность уменьшения контактного давления относительно предела прочности G, при котором предельная деформация превосходит расчетную.

Устанавливаются зависимости максимального 6 и минимального G допустимых контактных давлений от плотности грунта с (фиг. 1).

При определении формы силового воздействия сначала определяют фак.— тическую плотность грунта под рабочим органом в исходном состоянии <р = 5, .

Затем по графику зависимости б„, „

= f(8) определяют (фиг. 1) оптимальное при h, значение контактного давления G, = 6 „ „, уровень которого поддерживают (фиг. 3) в течение времени т = t, получая плотность грунта E (фиг. 2), при которой G (фиг. 1) становится равной 6 ;, т.е. в дальнейшем не может обеспечивать увеличение плотности. В этот момент времени увеличивают контактное давление до величины б = б, уровень которого поддержиаают в течение времени с = t — t, достигая плотность грунта Р, при которой б = б ;„, затем величину контактного давления

"Овышают д ь = G àõ з и т.д. з

141491

Таким обравом, производят постепенное повыщение контактного давления по мере уплотнения грунта с одновременным поддержанием его амплитудного .

5 значения в зоне оптимальных значений и требуемой длительности приложения.

Необходимые моменты времени изменения величины контактного давления практически определяют установлением време- 10 ни достижения фактической плотности уплотняемого грунта 3, измеряемой в процессе уплотнения специальными

/ датчиками, расчетного значения или с помощью расчетных формул с уче" 15 том достижения требуемых приращений плотности Ь О ; .

В тех случаях, когда не удает.ся обеспечить амплитудное значение контактного давления 8 близ- у ким к (>,„О„ при текущем значении о или зная фактическое значение

1 Э У величины g при этой плотности, если

6 входит в зону оптимальных значе9 ний определяют с помощью приведен9

1 ных на фиг. l зависимостей величину возможного приращения плотности при таком нагружении или необходимую длительность приложенного контактного давления G . Например, при о ()=

О и G(t)= 6,с,„ расчетное приращение, используемое для определения длительности нагружения, равно

= к,— з °

Для определения влияния увеличения числа ступеней приложения нагрузки на эффективность процесса уплотнения грунт рассматривают как упруговязкое тело, что характеризует его состояние на этапе достижения в процессе 4 деформирования предельного напряжения, при котором начинаются остаточные (пластические) деформации. Для каждого из постоянных. значений контактных давлений 6; = const зависи- 45 мость деформации С, или достигнутой плотности грунта о ; (поскольку реологическов уравнение упруговязкой среды соответствует уравнению последействия

Кельвина) может быть отображена экспоненциальными кривыми, описываемыми выражением t

l т

g(t) - K(l-1 ) G(t.), (1)

1 где К = — — коэффициент, характериG 55 ризующий величину максимальной (предельной) степени уплотнения, которая может быть достиг-. нута при контактном давлении 6 (t);

Т = — — постоянная времени (вреG мя последействия);

Ь вЂ” коэффициент вязкости;

G — модуль упругости сдвига. или коэффициент жесткости грунта.

Необходимо отметить, что хотя значения G и Ь претерпевают изменения по мере уплотнения грунта, величина

Т остается близкой к постоянному значению, а величина К изменяется незначительно. В связи с этим для упрощения определения влияния числа ступеней приложения нагрузки на эффективность процесса уплотнения грунта величины К и Т принимают одинаковыми при всех вариациях величин прикладываемых нагрузок, что позволяет.использовать при исследованиях применимый для однородной изотропной среды закон наложения деформаций Больцмана, который обосновывает возможность . определения суммарной деформации грунта (или приращение его плотности) от действия некоторой переменной во времени нагрузки путем суммирования деформаций, вызванных действием элементарных приращений напряжений.

Характер влияния увеличения числа ступеней изменения контактного давления на эффективность процесса уплотнения грунта определяют следующим образом.

Область рациональных величин контактных давлений ограничивают графиками6 „= Г,(о) и G (В), имеющими вид, показанный на фиг. 1, обеспечивая дополнительное уплотнение грунта от плотности о, до плотности Р, т.е. на величину суммарного приращения плотности h Pо = Р—, Определяют минимальное необходимое число и ступеней изменения контактГП ного давления и величины их амплитудного значения. Как видно из фиг, 1, в рассматриваемом случае (линии 1-2-3-4-5-6) n,; = 3, из которых первое — с амплитудным значением контакт" ного давления G, = G, которое поддерживают в интервале изменения плотности грунта от 8, до о, второе - с Gz = 6 „, которое поддерживают в интервал изменения плотно-. сти грунта от ог до Ы, и третье— с б ъ G à х, длительность деиствия которого определяют временем прираще14)4916

35 ния плотности грунта от Е до ||4

Таким образом, для обеспечения необходимого суммарного приращения плотности Ьо = S — о, обеспечивают обо 4

5 щее изменение контактного давления от 6, = б, до б -" б „ . При этом в апериодических звеньях первого по,рядка, к которым относится принятая

,нами для рассмотрения реологическая модель грунта, изменение выходной величины при скачкообразном изменении входной величины практически прекращается за время t, приблизительно равное трем постоянным времени звена, т.е. при каждом ступенчатом увеличении контактного давления максимальное время приращения плотности | 9; имеет ,,продолжительность d ЗТ, Тогда (график 3 на фиг. 3) длительности нагружения 6, = 1,, Г = t — t u с контактными давленияМи 5,, G,,б соответственно равны

ЗТ, а суммарное время процесса уплот"нения составляет t = и = 9Т. График 25 происходящего при этом суммарного изменения плотности грунта, полученный из выражения (1), обозначен на фиг.2 цифрой 3. В то же время, если бы не существовало ограничения на максималь- 0 ную величину контактного давления, обусловленного зависимостью предела прочности грунта от его плотности при воздействии на грунт сразу с максимальным контактным давлением, равным G> (график 1 на фиг. 3), при1 ращение плотности dо = о 4- о, (график 1 на фиг, 2) произошло бы за минимальное время tI = ЗТ.

Увеличение числа ступеней приложе- 40 ния нагрузки значительно сокращает необходимое время уплотнения. При разделении приращения величины кон,тактного давления в интервале значе3 — (|ЪО 3 три ступени (график 2 на фиг. 2 и ломаную линчю 1-7-8-9-10-11-5-6 на фиг. 1) достигают сокращение времени выполнения рассматриваемой операции на 1/3 при обеспечении той же степени уплотнения. При дальнейшем увеличении числа приложения нагрузки процесс все более приближается к оптимальному. При увеличении контактных давлений в моменты, когда процес- 55 сы развития деформаций еще не затухли, т.е. плотность еще продолжает изменяться с определенной скоростью, при прочих равных условиях достигают сокращения времени уплотнения грунта до требуемой плотности. Скорость b (t) изменения плотности грунта при изменениях величины контактного давления, полученная из выражения (1), имеет вид

Б у r

h (t) - — 1 6 (t) . (2) Из (2) видно, что при каждом ступенчатом изменении g(t) производят уменьшение о(t.) (при изменении времени t от 0 до с ;) ) в диапазоне от ее максимального значения, равного

К б, „= — 6,, до нуля. При ступенчатом изменении нагрузки от б до б, и от G, до б в моменты времени t -= -0 и t „ = ЗТ (фиг. 3) соответственно скорости приращения плотности на каждом этапе изменяются от своих максиГ,-3, мальных значений, равных ||, = о ь-4 и О =, до нулевого значения, не суммируясь друг с другом. В то же время, если осуществляют ступенчатое изменение контактного давления в том же диапазоне значений от б до б в моменты времени t4 < ЗТ, то (фиг. 6) начальная скорость F(t) приращения плотности на этом этапе равна сумме р «1 значений скорости II,(t) = 1 имеющей место в связи с продолжением протекания переходного процесса, и максимальному значению скорости обусловленного скачкообразным приращением контактного давления от G до Gz

В связи с этим график изменения плотности грунта Е = f(t), обозначенный на фиг. 4 цифрой 2, после приложения дополнительной нагрузки в момент времени t имеет большую крутизну по сравнению с графиком 3 (на этапе после приложения нагрузки б в момент времени t = 3T, когда < = О), приближаясь к графику 1 для случая ступенчатого изменения контактного дав- ления сразу на величину, равную Gz а начальная скорость изменения плот- . ности тем больше стремится к максимально (фиг. 5) возможному в этом случае его значению, равному о =

Ii,= 1, чем меньше интервал времеТ (14) 20

У, КО,. (4) (16) 8г

Кг

Ку и п 1n (g (5) что

0 = ЗТп ° (17) 8, = 1,2. IO

g = 0,9; б, =3.10 Па;

Допус тим, ч то

40 (! = 6 IP тр з!

-9 с

К= 4 5"10 м (7) что ни между смежными ступенчатыми пере . ключениями и чем больше при этом величина приращения контактного давления 5;

Пример 1. Определение минимального необходимого числа п ступеней изменения контактного давления.для обеспечения дополнительного уплотнения грунта от плотности S до плотности О на величину суммарного приращения плотности 58 = 8 — в случае, когда коэффициент К йостоянен при всех вариациях величин прикладываеяах нагрузок.

График, иллюстрирующий пример 1, представлен на фиг. 8.

Если зависимость достигнутой плотности о от контактных. давлений описывают выражением (1), то максимальное значение плотности 6, достигаемое при контактном давлении 6 равно

6 - Кб.

Учитывая (3), получают

Из геометрических построений получают

Из выражений (4) и (5) следует, б, (6) при этом плотность 8г може быть вы- . числена по формуле

Из выражений (6) и (7) следует, 6, 8, + (1 -(P)K6, . (8)

Аналогично вычисляют. плотность 8р

4 8г+ К(бг б, ) ° (9)

Иэ выражений (6), (8) и (9) следует:

8, - 4+ (1- q )KG, + -(— — "4сг, . (10)

Преобразуя (!0), получают выражение з F, + (1 Ч "(! + >)Kof ° (11)

I49 I 6 8

Аналогично для плотности 8; получают выражение

g - Р, +(I- (I )(I+ — +...+,)К(,.

I 1 (12)

Если плотность b 8;, то увеличение плотности от исходной о, до конечной, определяют по формуле

Р; — S, -(1- q ) (I+ — +. ° . + —,,) Кб, .

1 1 (! З)

Преобразуют выражение 1+ — +...+

Ч

1я + как сумму геометрической

Ц прогрессии:

I 1 (— 1! Ф вЂ” +...+ *

cf (-г !

Иэ выражений (13) и (14) следует:

1-

8; -8, =CP (— ) — 1 Кб,. (15) Если и — число ступеней изменения контактного давления-, то n i — 1.

Преобразуя выражение (15), полуОбщая длительность процесса уплот" нения грунта при этом равна

Определяют и,„;„.

Из выражения (16) следует, что и;„= 2,7.

Пример 2, Определение рациональных параметров нагружения, если. минимальное необходимое число ступе- 0 ней изменения контактного давления для обеспечения дополнительного уплотнения грунта от плотности b, до плотности g равно n ., количество тр Вry принимаемых ступеней изменения кон56 тактного давления равно N(N и„„;,„) при условии, что контактные давления

G в последней (N) ступени изменения контактного давления равны контакт9 14149 ным давлениям (3 н последней (и ;„ ) ступени изменения контактного давления.

График, иллюстрирующий пример 2, представлен на фиг. 9.

Вводят параметр р;, характеризующий относительное увеличение плот. ности о, при действии i-й ступени изменения контактного давления и вы- 1р, числяемый по формуле

8„„;„-S„„, 11 з (18)

k> H1 где н,, — начальная плотность в

15 (i+I)-й ступени изменения контактного давления; — начальная плотность в х-й ступени изменения контактного давления; 20

8»; — максимально возможная плотность от действия -й ступени изменения контактного давления.

Из графика (фиг. 9) следует: 25 н нз нт

Р вЬ 6,, 1 . 6«6 (19) на - н3 . оз - .Ф

6кз -6н, бка -6 н

В результате решения (промежуточ-. ные вычисления которого не приводятр ц а ° (" н-i (23) Тп,„;

4р ная длительность процесса уплотнения грунта.

График, иллюстрирующий пример 3, представлен на фиг. 11

Выражение для определения парамет45 ра р имеет вид

Длительность поддержания контакт-, ного давления 5; для обеспечения относительного увеличения плотности при действии i-й ступени изменения

55 контактного давления на величину И вычисляют по формуле

Графически зависимость II, =f (ï, N) приведена на фиг. 10. Допустим, что и ;„ = 3, N = 5, (= 0,9.

Из выражений (20) следует, что р = 0,487.

Из выражения (22) следует, что

Г = 5,7 Т, а " = 97.

Из выражения (23) следует, что = О,37.

Пример 3. Определение рациональных параметров нагружения, если минимальное необходимое число ступеней изменения контактного давления для обеспечения дополнительного уплотнения грунта от плотности о, до плотности т равно и, количество

win принимаемых ступеней изменения контактного давления равно N (Nr п in) при условии, что необходима минималь!

6 1О ся) следует, что наименьшую длительность процесса уплотнения грунта получают в случае, когда

Формула для определения параметра р принимает вид

1 -ц () н- (20) Длительность поддержания контактного давления G для обеспечения относи1 тельного увеличения плотности при действии i-й ступени изменения контактного давления на величину р; вычисляют по формуле: и, в- f

-Т 1п 1-- — (— ) -1 . (21)

4 1 н i

1-q Ч

Общая длительность процесса уплотнения грунта для увеличения плотности от g до E равна

И

1 Ч 1 -ЖФ— с, -Т(11-1)1п 1- — (— ) -1 +ЗТ °

1-( (22)

Относительное уменьшение длительности процесса уплотнения грунта от плотности S, до плотности 3, равно

ПIÄ (— ) " — 1 . (24) 1

Ч 1 nein с -Т 1п 1- — (-) н -1 . (25)

l-q

4916 (P 1 ."в

3Tn ° + TNln 1- — (— ) — 1 4 л!Л

1» 1l

1-

1 (27) 4 3Tn „„;„ ь = — — кД

2 (28) 45 где

ht = с (3 — 1) )4 для примера 2; (29) (30) д - с"." (З вЂ” 1) 1

11 14I

Общая длительность процесса уплотнения грунта для увеличения плотности от 3, до 3, равна

М 1 МФ1»

7 -TNln 1 (— ) -1 . (26) 1-Ч Ч

Графическая зависимость t f (n

У2 Фщ»

N) приведена на фиг. 12 ° Дойустим, Определяют р, ", Г"

Из выражения (24) следует, что

0,587.

Из выражения (26) следует, что 2р

4,425 Т, à (, = 9Т.

Иэ выражения (27) следует, что

= 0 508.

Как следует иэ графиков на фиг.10 и 12, рациональное количество прини- 25 маемых ступеней изменения контактного давления N должно превосходить необходимое число ступеней изменения контактного давления и,„ на величину 2-3. Отсюда N n ;„ + ; + 30

+ 3, так как в этом диапазоне наблю", дают наибольший рост показателей /, и

Расчет высот падения грузов, оказывающих заданное контактное давление на уплотняемый грунт,. приведен на фиг. 13, Если в момент касания первого груза скорости второго и последующих ()) дополнительных грузов равны нулю, 40 то высоту их падения определяют по формуле для примера 3;

g = 9,81 м/с — ускорение свободного падения.

Если к моменту падения первого груза второй и последующие грузы имели скорости V то высоту их падения определяют по формуле

Относительное уменьшение длительности процесса уплотнения грунта от плотности р, до плотности 3 равно ь. -v zt +g . (з ) ht

1 2

Допустим, что n „ 3, N 4, Т 0,3 с, V" О. Высоту падения дополнительных грузов определяют для примера 2: gt > 0,32 с; g t > 0,64 с;

\ дй 096 с; h 05 м, h 2 м, h„4,5 м

Высоту падения дополнительных грузов определяют для примера Э:

0,404 с, дй = 0,808 с; Ьй4

0 8 м; 11 32 м;

44= 7,2 м.

Формула изобретения

Способ определения формы силового импульса при уплотнении грунта трамбованием и вибротрамбованием, включающий определение зависимости максимального и минимального допустимого контактного давления рабочего органа на поверхность данного грунта от его плотности и измерение плотности, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности и качества уплотнения, а также снижения удельной энергоемкости процесса уплотнения, плотность грунта под рабочим органом в процессе уплотнения измеряют непрерывно по значению ее в моменты приложения каждого силово го воздействия, по зависимости максимального допустимого контактного давления определяют расчетную величину контактного давления и назначают им.пульсное воздействие с контактным давлением, равным расчетной величине, и длительностью, равной времени достижения равенства между фактической плотностью грунта и расчетной, определяемой по зависимости между мини малько допустимым контактным давлением и плотностью грунта по фактической величине контактного давления.

1414916 а,3

1414916 й,=37 фиг.7

1 414916

1$ Ф

Ю 0

8f

Ор

1 ф с +pl gy(elf

4 4е Ь,

УИ8. f0

1414916

14l 491 6

Составитель Т. Калинина

Техред Л.Олийнык Корректор С. Шекмар

Редактор И.Петраш;

Заказ 3853/30

Тираж 517 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул. Проектная, 4