Для строительства дорожного основания и дорожной одежды применяются укладчики с уплотняющим агрегатом, который обеспечивает распределение и предварительное уплотнение укладываемой дорожной смеси. Наличие неоднородности грунта ведет к неравномерности уплотнения слоя дорожного полотна, что ведет в процессе эксплуатации дороги к образованию дефектов типа гребенок вдоль дороги. Поэтому требуется совершенствование системы управления укладчика путем разработки стабилизирующего контура угла атаки уплотняющего агрегата.
В уплотнении щебеночно-песчаной смеси основная роль принадлежит вибрации. Изменение динамических сжимающих и сдвигающих усилий и напряжений служит лишь положительным дополнением к нему. В связных грунтах сцепления между мелкими частицами существенно выше и являются преобладающими поэтому главным действующим фактором служит сила давления или напряжения сжатия и сдвига, а роль вибраций становится второстепенной.
Напряженное состояние щебеночно-песчаной смеси создается в результате деформирования уплотняющими нагрузками. Цикл уплотнения состоит из двух периодов: периода деформирования (нагружения) и снятия нагрузки. Его продолжительность колеблется в широких пределах от 0,01 с. до нескольких минут. При достижении критического значения деформации происходит резкое уплотнение материала. При увеличении напряжения материал теряет способность деформироваться.
Уплотнение грунта, щебня и асфальтобетона в дорожной отрасли является не только составной частью технологического процесса устройства земляного полотна, основания и покрытия, но и служит фактически главной операцией по обеспечению их прочности, устойчивости и долговечности. Уплотнение методом укатки осуществляется пневматическими катками и как правило, происходит под воздействием двух факторов:
− вибраций (колебаний, сотрясений, шевелений), вызывающих снижение или даже разрушение сил внутреннего трения и небольшого сцепления и зацепления между частицами грунта и создающих благоприятные условия для эффективного смещения и более плотной переупаковки этих частиц под воздействием собственного веса и внешних сил;
− динамических сжимающих и сдвигающих усилий и напряжений, создаваемых в грунте кратковременными, но частоударными нагружениями.
В уплотнении сыпучих несвязных грунтов основная роль принадлежит первому фактору, второй служит лишь положительным дополнением к нему. В связных грунтах, в которых силы внутреннего трения незначительны, а физико-механические, электрохимические и водно-коллоидные сцепления между мелкими частицами существенно выше и являются преобладающими, главным действующим фактором служит сила давления или напряжения сжатия и сдвига, а роль первого фактора становится второстепенной.
Динамическая модель напряженно-деформированного состояния щебеночно-песчаной смеси приведена на (рис. 1).
Рис. 1. Реологическая модель процесса уплотнения щебеночно-песчаной смеси
EM, ηM — модуль деформации и вязкость смеси (Максвелловская); EК, ηК — модуль деформации и вязкость смеси (Кельвиновская); 
— повышение предела текучести смеси; 
, 
– напряжения;
Элемент жесткого трения 
характеризует повышение предела текучести смеси с ростом ее плотности.
Уплотняющее давление 
определяется суммой напряжений в вязких элементах в моделях Фойгта-Кельвина и Максвелла.
Таблица 1
|
|
(2.1) |
Напряженное состояние щебеночно-песчаной смеси создается в результате деформирования уплотняющими нагрузками. Цикл уплотнения состоит из двух периодов: периода деформирования (нагружения) и последействия. В зависимости от применяемого метода уплотнения его продолжительность колеблется в широких пределах от 0,01 с. до нескольких минут. При достижении критического значения деформации происходит резкое уплотнение материала. Материал теряет способность деформироваться при увеличении напряжения. Таким образом, появляется четвертый элемент, который описывает поведение только уплотняемых материалов.
Поведение реологической модели процесса уплотнения щебеночно-песчаной смеси описывается дифференциальными уравнениями [1]
Непосредственный анализ системы представляет определенную сложность. В связи с этим решение дифференциальных уравнений можно реализовать при известных параметрах 
, 
, 
, 
, 
, 
программой MATLAB SIMULINK и построить временные графические зависимости: 
; 
.
где EК, bК — модуль деформации и вязкость смеси (Кельвиновская); EM, kM — модуль деформации и вязкость смеси (Максвелловская); 
,
- напряжения смеси: С — сопротивление сдвигу смеси; φ — угол внутреннего трения материала; b — деформация смеси.
Система MATLAB является эмулятором векторных вычислений, и это отличает ее от других систем, таких, как Maple. MathCAD, Mathematica. Векторная обработка данных обеспечивает высокую скорость вычислений, избавляет пользователя от написания циклов и гарантирует непревзойденную точность. Другое достоинство системы MATLAB — это модульный принцип построения. Современное семейство продуктов MATLAB включает свыше 250 приложений, что существенно расширяет функциональные возможности системы [2].
Моделирование в системе MATLAB реализовано на основе системы моделирования Stateflow и генератора кодов StateflowCoder с учетом влияния среды окружения. Наличие инструментальных средств генерации кодов для микропроцессоров позволяет формировать коды на языке С, выполнять их аппаратную реализацию на различных типах микропроцессоров. Инструментальные средства MATLABLinkforCodeComposerStudio и EmbeddedTargetforTexasInstrument поддерживают разработку кодов для микропроцессоров фирмы TexasInstruments, а комплект EmbeddedTargetforMotorolaMPC555 — для микропроцессоров фирмы Motorola.
Рис. 2.
Литература:
- Емельянов Р. Т. Моделирование процесса уплотнения щебеночно-песчаной смеси методом укатки / Р. Т. Емельянов, Е. С. Турышева, С. В. Шилкин, Т. Н. Поляков. КрасГАУ, 2013. с. 206–211.
- Поляков Т. Н. Методы уплотнения щебеночных и гравийных покрытий / Т.Н Поляков. СФУ, Молодежь и наука: сборник материалов VIII Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, посвященной 155-летию со дня рождения К. Э. Циолковского — Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2012.
