Расчет оптимальной толщины слоя при уплотнении грунта

В параграфе 9.2 «Сущность уплотнения и влияние различных факторов» дан общий подход к определению оптимальных параметров уплотнения грунтов, включая толщину слоя. Обычно она назначается по аналогам. Затем ее уточняют на опытном полигоне на реальных грунтах и фактических машинах.

На предварительной стадии проектирования оптимальную толщину слоя грунта можно определить расчетом, основные принципы которого изложены ниже.

За оптимальную толщину слоя принимаем ту, при которой получим максимум производительности уплотнения грунта.

Понятно, что имеется оптимальная толщина уплотненного слоя , при которой производительность всего процесса возведения насыпи будет максимальной.

Для решения задачи предлагаем воспользоваться обобщенной производительностью возведения насыпи в следующем виде

П^э_н=П^э_упл*К_в.пер, м³ /ч, (1)

где П_эупл - эксплутационная производительность грунтоуплотняющей

машины на карте уплотнения (рассмотрена в параграфе 9.2);

Кв.пер - дополнительный коэффициент использования рабочего времени

уплотнения, учитывающий переходы грунтоуплотняющих

машин с одной карты на другую.

В свою очередь запишем

, (1а)

где T_кар - расчетный период (цикл) обработки одной карты, например,

отсыпки грунта (обычно принимается кратным длительности

рабочей смены:1/8; 1/4;1/2;1;2;3 и т.д.);

t_пер - время перехода грунтоуплотняющих машин с одной карты на

другую;

W_к - площадь одной карты в плане;

h_сл - толщина уплотненного слоя грунта;

Jн - интенсивность поступления грунта на карту отсыпки.

Из выражения (1а) видно, что уменьшение толщины слоя по сравнению с оптимальной приводит к уменьшению объема грунта, обрабатываемого на одной карте. Это, в свою очередь, требует большей частоты переходов машин с одной карты на другую и, соответственно, большего общего времени на их осуществление, снижая тем самым дополнительный коэффициент использования рабочего времени и эксплутационную производительность возведения насыпи.

Завышение же толщины слоя приводит к увеличению числа проходов грунтоуплотняющей машины по одному следу. Это увеличивает продолжительность рабочего цикла уплотнения и, соответственно, снижает техническую и эксплуатационную производительности уплотнения.

Зависимость производительности возведения насыпи от толщины слоя представлена на рисунке.

Здесь hкр- критическая толщина слоя грунта, для уплотнения которого необходимо бесконечное число ходок по одному следу, и hопт - оптимальная толщина слоя, соответствующая максимуму производительности отсыпки.

Однако, для расчета производительности операции уплотнения грунтового слоя некоторой толщины (hсл) нужно поставить ёей в соответствие определенное число (n) проходов катка по одному следу.

Для построения графика такой связи воспользуемся компрессионными кривыми остаточной деформации, которые можно получить на основании серии стандартных лабораторных испытаний компрессионных свойств грунтов при многократных воздействиях.

В качестве критерия достаточности уплотнения грунта принимаем расчетное условие

, (2)

которое соответствует задаваемым условиям

, или , (2а)

где и - коэффициент остаточной (после снятия уплотняющей нагрузки) пористости и его требуемая величина в насыпи; и - удельный вес сухого грунта и его требуемая величина в насыпи после уплотнения, - то же, плотность грунта; - то же, сжимающее вертикальное напряжение, создаваемое катком.

При этом имеют место зависимости

и , (2б)

где - удельный вес твердых частиц грунта, и - объемы пор и твердых частиц в грунте.

Задаваясь числом нагружений грунта n, будем получать по графикам компрессионных кривых требуемые величины сжимающих напряжений в грунте .

Напряжение сжатия на глубине Z от поверхности грунта в соответствии с простейшей моделью распределения напряжений представим в виде

, (3)

где - - вес вальца катка; - ширина зоны контакта вальца с грунтом вдоль хода; - угол рассеивания напряжений ( ); - удельный вес грунта в насыпи ; степень концентрации напряжений (в первом приближении – 2-4);.

По результатам вычислений построим график зависимости напряжений от глубины грунта.

По этому графику при условии определяем толщину уплотненного слоя .

Разумеется, здесь можно использовать более точный (одновременно существенно более сложный) вид модели распределения напряжений в грунте, что, однако, не изменит существа общей методики расчета.

Ширина зоны контакта по формуле Беляева-Герца

, (4)

где - линейная (погонная) нагрузка на валец; - диаметр вальца; - модуль деформации грунта (5-50 МПа).

При использовании модели Фусса-Винклера ширину зоны контакта можно определить через площадь и глубину вдавливания вальца в грунт.

Здесь, по аналогии с погружением тела в жидкость, вес вальца можем представить как водоизмещение

, (5)

где - длина вальца; - площадь сегмента, погруженного в грунт; - коэффициент жесткости постели (3-9 ).

Ориентировочно

. (5а)

Площадь сегмента

, (6)

где и - соответственно диаметр вальца и половина центрального угла его контакта с грунтом.

Глубина погружения вальца в грунт

.

При этом

или . (6б)