Способ определения формы силового импульса при уплотнении грунта трамбованием и вибротрамбованием Советский патент 1988 года по МПК E01C19/38 

4i СО

Oi

Изобретение относится к строительству, а именно к технологии уплотне- йия материалов, преимущественно гру тов, и может быть использовано при уплотнении обратных засыпок, земляны вооружений типа .дамб и т.д.

Цель изобретения - повьппение производительности и качества уплотнения, а также снижение удельной энергоемкости процесса уплотнения. На фиг. 1 изображена зависимость Дредела прочности грунта от плотности; на фиг. 2 - зависимость изменения плотности грунта во времени; на фиг. 3 - зависимость изменения формы С:илового импульса во времени; на фиг. 4 зависимость изменения плот- грунта во времени; на фиг.5-7 - з;ависимости изменения скорости прира Цения плотности грунта во времени 4пя различных случаев изменения контрактных давлений; на фиг. 8, 9 и 11 - зависимости предела прочности грунта QT плотности; на фиг. 10 и 12 - зависимости относительного уменьшения длительности процесса уплотнения грунта от минимального необходимого количества ступеней изменения контактного давления и принимаемого количества ступеней изменения контактного давления; на фиг. 13 - расчетная схема для определения высот паде Ния 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 противном случае грунт выжимается, из-под рабочих органов машин. В ре- ;|ультате верхняя часть уплотняемого слоя оказывается разрыхленной.

Во избежание снижения зффекта уплотнения контактные давления не должны быть низкими. Лучший эффект получается в тех случаях, когда контакт- }ше давления под рабочими органами трамбующих машин по возможности близки к пределу прочности, т.е. составляют (0,9-1 ,0) G p , где CJp - предел про чности. Каждому значению 1сонтактного давления соответствует своя предельная деформация, вьщ1е которой она не развивается и при очень большой продолжительности его действия. Поэтому каждой плотности С9от0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

ветствует минимальное значение С5 , ниже которого эта плотность достигнута быть не может.

Контактные давления должны быть близкими к пределу прочности в течение 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 Gp f(). Принимают максимальные допустимые контактные давления СГ равными пределам прочности GTp при плотности грунта S , а минимальные допустимые контактные давления ,„ равными tpG p , где Cf 0,9-0,75 - коэффициент, учитьша- ющий возможноать уменьшения контактного давления относительно предела прочности С„ , при котором предельная деформация превосходит расчетную. Устанавливаются зависимости максималь- KOToG и минимального допустимых контактных давлений от плотности грунта 5 (фиг. 1).

При определении формы силового воздействия сначала определяют фактическую плотность грунта под рабочим органом в исходном состоянии 5, Затем по графику зависимости f(S) определяют (фиг. 1) оптимальное при У, значение контактного давления G, , уровень которого поддерживают (фиг. 3) в течение времени 2Г t, получая плотность грунта S (фиг. 2)j при которой 6, (фиг. 1) становится равной Gniina т.е. в дальнейшем не может обеспечивать увеличение плотности. В этот момент времени увеличивают контактное давление до величины С уровень которого поддерживают в течение времени с t - t, , достигая плотность грунта

при которой G G „,;„,, затем величину контактного давления повьщ1ают до GT СГ 3 и т.д.

314

Таким образом, производят постепенное повышение контактного давления по мере уплотнения грунта с одновременным поддержанием его амплитудного значения в зоне оптимальных значений и требуемой длительности приложения. Необходимые моменты времени изменения величины контактного давления практически определяют установлением време- ни достижения фактической плотности уплотняемого грунта , измеряемой в процессе уплотнения специальными датчиками, расчетного значения Ор или с помощью расчетных формул с учетом достижения требуемых приращений

плотности U 5; .

в тех случаях, когда не удается обеспечить амплитудное значение контактного давления G близ- КИМ к G ,y,a РИ текущем значении 8; , или, зная фактическое значение

величины (J- при этой плотности, есл (j ц, входит в зону оптимальных значений, определяют с помощью приведен- ных на фиг. 1 зависимостей величину возможного приращения плотности при таком нагружении или необходимую длительность приложенного контактного давления G . Например, при §(t) 5 иG (t) CJtncDfi Расчетное приращение, используемое для определения длительности нагружения, равно uS 5 icj - S , .

Цу1Я 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 деформирования предельного напряжения, при котором начинаются остаточные (пластические) деформации. Для каждого из постоянных, значений контактных давлений С; const зависимость деформации 6 или достигнутой плотности грунта 8; (поскольку реологическое уравнение упруговязкой среды соответствует уравнению последействия Кельвина) может быть отображена экспоненциальными кривыми, описьшаемыми выражениемi

5(t) K(l-l) G(t), (1)

где К 7г - коэффициент, характери- Ь„

ризующии величину максимальной (предельной) степени уплотнения, которая может быть достиг

4

нута при контактном дав- , лении б(t);

- - постоянная времени (время последействия);

Q

5 О

5

5

Q

5

0

b - коэффициент вязкости; G - модуль упругости сдвига- или коэффициент жесткости грунта.

Необходимо отметить, что хотя зна- чения G и b 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 уплот- , нения грунта определяют следующим образом.

Область рациональных величин контактных давлений ограничивают графиками (7„д f, (S ) и f,(S), имеющими вид, показанный на фиг. 1, обеспечивая дополнительное уплотнение грунта от плотности 8, до плотности 0 , т.е. на величину суммарного приращения плотности uS g t - 8

Определяют минимальное необходимое число п.1 ступеней изменения контактного давления и величины их амплитудного значения. Как видно из фиг. 1, в рассматриваемом случае (линии 1-2- -3-4-5-6) 3, из которых первое - с амплитудным значением контактного давления G, которое поддерживают в интервале изменения плотности грунта от о, до о , второе - с (F,j , которое поддер- ; живают в интервале изменения плотно- ; сти грунта от 8 R° и третье - с G j (Jmax-i длительность действия которого определяют временем прираще-

51

ния плотности грунта от 5 до S Таким образом, для обеспечения необходимого суммарного приращения плотности лБ д S О, обеспечивают общее изменение контактного давления

|от СГ ,до CJ, 0 „д,з- Р fB апериодических звеньях первого по- |рядка, к которым относится принятая 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 рэремя приращения плотности ь8 ; имеет Продолжительность btj- isST. Тогда (график 3 на фиг. 3) длительности рагружения €, t, , г Т t t с контактными давления- Ыи G, , G j , О з соответственно равны J3T, а суммарное время пр9Цесса уплот- 1нения составляет t t, 9Т. График Ьроисходящего 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 йую величину контактного давления, обусловленного зависимостью предела прочности грунта от его плотности при воздействии на грунт сразу с максимальным контактным давлением, равным (график 1 на фиг. 3), приращение плотности Д(, &, (график 1 на фиг, 2) произошло бы за минимальное время t, ЗТ.

Увеличение числа ступеней приложе- ния нагрузки значительно сокращает необходимое время уплотнения. При разделении приращения величины кон- ,тактного давления в интервале значений от ег, G- до G, (5

глах 3

на

три ступени (график 2 на фиг. 2 и ломаную линию 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- сы развития деформаций еще не затухли, т.е. плотность еще-продолжает изменяться с определенной скоростью, при прочих равных условиях достигают

166

сокращения времени уплотнения грунта до требуемой плотности. Скорость ((t) изменения плотности грунта при изменениях величины контактного давления, полученная из выражения (1), имеет вид

К

Т

1 (T(t).

(2)

Из (2) видно, что при каждом ступенчатом изменении 6(t) производят уменьшение o(t.) (при изменении времени t от О до со ) в диапазоне от ее максимального значения, равного

К

1 max ° нуля. При ступенчатом изменении нагрузки от (JQ до (5, и от G, до ( в моменты времени t 0 и t , ЗТ (фиг. 3) соответственно скорости приращения плотности на каждом этапе изменяются от своих максил О г- О, мальных значении, равных О

S,

и S,

-, до нулевого значения.

не суммируясь друг с другом. В то же время, если осуществляют ступенчатое изменение контактного давления в том же диапазоне значений от G доб в моменты времени t ЗТ, то (фиг. 6) начальная скорость S (t) приращения плотности на зтом этапе равна сумме

К К значений скорости &,(t) 1

имеющей место в связи с продолжением протекания переходного процесса, и максимальному значению скорости i5 , , обусловленного скачкообразным приращением контактного давления от G , до Gi .

В связи с этим график изменения плотности грунта 6 f(t), обозначенный на фиг. Л 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 ЗТ, когда 5, 0), приближаясь к графику 1 для случая ступенчатого изменения контактного дав- ления сразу на величину, равную G а начальная скорость изменения плот- . ности тем больше стремится к максимально (фиг. 5) возможному в этом случае его значению, равному Ь

&,-S, чем меньше интервал време- ,

/4

ни между смежными ступенчатыми переключениями и чем больше при этом величина приращения контактного давления (5; .

Пример 1. Определение минимального необходимого числа ступеней изменения контактного давле ния для обеспечения дополнительного уплотнения грунта от плотности S, до плотности ST на величину суммарного приращения плотности u8 5„-, в случае, когда коэффициент К постоянен при всех вариациях величин при- кладьшаемых нагрузок.

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

Если зависимость достигнутой плотности 8 от контактных, давлений описывают выражением (1), то максимальное значение плотности S , достигаемое при контактном давлении (5 , равно

5 - KG .(3)

Учитьшая (3), получают (j « КСУ, .

(4)

Из геометрических построений получают

СГ

5г

(5)

Кср V

выражений (А) и (5) следует, СГ,

(6)

при этом плотность У может быть вы-. числена по формуле

, (((5, ). (7) Из выражений (6) и (7) следует

что

S i -5, + (I -Cp)KG, . (8) Аналогично вычисляют плотность 5 э :

, K((, ). (9)

Из вьфажений (6), (8) и (9) следует:

(i-4)KCj,,- -1Ц-У «ег,.

(10) Преобразуя (10), получают выражение

&,-«, -f (1-CfKl + )K(j,. (11)

I6

Аналогично для плотности 5; получают выражение

Sl , -(l-Cf)(Ui...4Y)KC..

(12)

Если плотность о,р о; , то увеличение плотности от исходной Si до конечной 0| определяют по формуле

&;-S, (1-С;)( +...4; )К(Т,.

1 (13) Преобразуют выражение 1+ -- +,.,

1

Ч

как сумму геометрической прогрессии:

-г

(1).

1 ,

(14)

5

0

Из выражений (13) и.(14) следует:

i-S, С| () - 1J KG..(15)

Если п - число ступеней изменения контактного давления, то п i - 1.

Преобразуя выражение (15), получают еи

(

п

, s-,-s,

ЧКб-;

min

1пц

(16)

Общая длительность процесса уплот- нения грунта при этом равна

«

ЗТп

тип

(17)

Л К Г

Допустим, что о, 1,210

f 1,640 5; If 0,9; СТ. 3-10 Па;

-.

К 4,5-40 .

м

Определяют . Из выражения (16) следует, что

Дт;п 2,7.

Пример 2. Определение рациональных параметров нагружения, если, минимальное необходимое число ступеней изменения контактного давления для обеспечения дополнительного уплотнения грунта от плотности ff, до плотности равно , количество принимаемых ступеней изменения контактного давления равно N(,-)

при условии, что контактные давления б к в последней (N) ступени изменения контактного давления равны контактным давлениям С5 в последней ( ) ступени изменения контактного давления .

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

Вводят параметр ; , характеризу- кнций относительное увеличение плот-- ности S( при действии i-й ступени изменения контактного давления и вычисляемый по формуле

- SHU, - н; (v

где

k;

(18)

Ht-i-i

.:

Н(

начальная плотность в (1+1)-й ступени изменения контактного давления; начальная плотность в -й ступени изменения контактного давления; максимально возможная плотность от действия i-й ступени изменения контактног давления. Из графика (фиг. 9) следует:

.i

нг 1 . - &1

5 н4 - 5цз

fU,

(U,

S- - Hq.

(19)

S HJ -fi Н4

результате решения (промежуточычисления которого не приводятf -r

е

ЗТ(п, -l)-H(N-l)ln

m,n

ся) следует, что наименьшую длительность процесса уплотнения.грунта получают в случае, когда

fW, |

0

|U

Формула для определения параметра принимает вид

TiiniJ , U.

(20)

Г 1 J 1

-.

tP

1 -cf

Длительность поддержания контактного давления для обеспечения относительного увеличения плотности при действии i-й ступени изменения контактного давления на величину /И; числяют по формуле:

выТ Infl TrS Т In 11- -nzr (TJ)

-1

(21)

i-tfL r

длительность процесса уплотне2025 ния грунта для увеличения плотности от §1 до равна

Г I, Г , rrin- -il

..-T(-oin,--(i),U3i.

X л, л х

(22)

Относительное уменьшение длительности процесса уплотнения грунта .от плотности о, до плотности STO равно

1

JL 1 f j

-

тр

Тп

lin

(23)

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 дав- ления. 13 ил. (Л

i Графически зависимость jf, f(n,t, N) приведена на фиг. 10. Допустим, что п„;„ 3, N 5, Cf 0,9.

Олределяют U , Г , , ,

Из выражений (20) следует, что |V 0,487.

Из выражения (22) следует, что f 5,7 I, at - 9Т.

Из выражения (23) следует, что У 0,37.

Пример 3. Определение рациональных параметров нагружения, если минимальное необходимое число ступеней изменения контактного давления для обеспечения дополнительного уплотнения грунта от плотности о, до плотности равно , количество принимаемых ступеней изменения контактного давления равно N (N ) при условии, что необходима минималь40 ная длительность процесса уплотнения грунта.

График, иллюстрирующий пример 3, представлен на фиг. П..

Выражение для определения парамет- 1

имеет вид

50

t. l triiji-I ,

ф - ij rV

Длительность поддержания контакт-. ного давления для обеспечения Относительного увеличения плотности при действии 1-й ступени изменения 55 контактного давления на величину ju вычисляют по формуле

; - ) -fl.«)

1414916

Общая длительность процесса уплотнения грунта для увеличения плотности

н

от

S. до 8

р

равна

пл

г fD г 1 -ТПп|1- ф -ijj. (26)

ЗТп,.,. TNlnfl- .(1) - - ,11

fLJj

ЗТп

min

Графическая зависимость Г «(п„;| N) приведена на фиг. 12. Допустим,

0,9.

(

W

+ 3, так как в этом диапазоне наблюту дают наибольший рост показателей у,

« Ц

Расчет высот падения грузов, оказьгоающих заданное контактное давление на уплотняемый грунт, приведен на фиг.13.

Если в момент касания первого груза скорости второго и. последзтощих (J) дополнительных грузов равны нулю, то высоту их падения определяют по формуле

что п„;„ 3, N 5,.Cf

Определяют |U , г , t , Jf

Из выражения (24) следует, что

.0,587.

Из выражения (26) следует, что

4,425 Т, а Т 9Т.

Из выражения (27) следует, что У2 0.508.

Как следует из графиков на фиг.10 и 12, рациональное количество прини- маемь1Х ступеней изменения контактного давления N должно превосходить необходимое число ступеней изменения контактного давления на величину 2-3. Отсюда N + 2 п ,;„ +

3

g

где

At

J

Г (J - 1)

для примера 2;

ut

J

/ч - 1 t (j I)

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

6

12

Относительное уменьшенности процесса уплотнения

плотности

S.

до плотности

fLJj

ЗТп

min

. (27)

15

Vj At- .

(31)

35

у

, JQ

45

50

55

20

25 30

Допустим, что 3, N 4,

т 0,3 с, V

J

О. Высоту падения дополнительных грузов определяют для примера 2: ь. 0,32 с; fit, 0,64 с;

ut 0,96 с; h-j 0,5 м; h, 2 м; h 4,5 N, .

Высоту падения дополнительных грузов определяют для примера 3: t 0,404 с; At, 0,808 с; ht/ 1,212 с; hi 0,8 м; h, - 3,2 м; Ьд 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, о тли чаю щи и с я тем, что, с целью повьшения .производительности и качества уплотнения, а также снижения удельной энергоемкости процесса уплотнения, плотность грунта под рабочим органом в процессе уплотнения изме;ряют непрерьгоно по значению ее в моменты приложения каждого силового 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 миниг мапьно допустимым контактным давлением и плотностью грунта по фактической величине контактного давления.

ti f,3r i

4- l f /L J

«J.l

;

r,r

A ti-3T

9иг.5

fPuz.6

t

t,5r t

Фиг. 7

tgoit Ky ; (

Jf нг 4,y/ ffut.9

f}--3 lt-4

ipui.iff

megi

#

4 rf

11 1}

1У N

,

sf

«

-

«

3

}

.0

«v

s.

iC

II и еч

«

ЧА SJ

f

a

a

П 0.

/fs

/T

0,3

3

Фи. 12

y/////////// /y//Y/////7//////7////////////7////

Редактор В.Петраш;

fpuz.i

Составитель Т. Калинина

Техред Л.Олийнык Корректор С. Шекмар

13

15