Главная
Новости
Ремонт
Каркасный дом
Несущие конструкции
Металлические конструкции
Прочность дорог
Дорожные материалы
Стальные конструкции
Воздухоопорные сооружения
Грунтовые основания




14.12.2017


14.12.2017


14.12.2017


14.12.2017


14.12.2017


13.12.2017


13.12.2017


13.12.2017


13.12.2017


13.12.2017





Яндекс.Метрика
         » » Уплотнение грунтов катками с гладкими и кулачковыми вальцами

Уплотнение грунтов катками с гладкими и кулачковыми вальцами

02.12.2015

Катки с гладкими вальцами относятся к числу самых старых средств уплотнения. Для послойного уплотнения насыпных грунтов применяют в основном прицепные типы, которые соединяют в агрегат, состоящий из двух-трех и более катков. Движение по рыхлым грунтам самоходных катков практически невозможно, поэтому их применяют только для укатки поверхности грунтовых оснований перед устройством дорожной одежды. В настоящее время эти катки унифицируют с кулачковыми, поэтому путем поставки на них бандажей с кулачками они легко могут быть превращены в кулачковые и, наоборот, кулачковые катки в гладкие.
Уплотнение грунтов катками с гладкими и кулачковыми вальцами

Для того, чтобы применительно к данным конкретным условиям правильно выбрать каток, необходимо определить давления, которые развиваются на поверхности контакта его с грунтом, а также найти оптимальную толщину уплотняемого слоя.
Это можно сделать лишь в результате анализа взаимодействия катка с грунтом.
Исследования взаимодействия недеформирующегося, т. е. абсолютно жесткого, колеса с грунтом были начаты в самом начале XIX в. Однако до настоящего времени этот вопрос еще не исследован в достаточной мере и в основу предлагаемых расчетных формул положены не столько опытные данные, сколько различного рода гипотезы.
При неподвижном колесе эпюра распределения контактных давлений симметрична относительно вертикальной оси колеса (рис. 71) и поэтому максимальные давления σmах совпадают с этой осью. Когда колесо движется, то кроме вертикальной нагрузки P на него действует еще тяговое усилие Т. Под действием этого усилия давление смещается от вертикальной оси в сторону движения колеса на величину Δа. Ввиду вязких свойств грунта изменение деформации отстает от соответствующего изменения напряжения и возникает явление последействия нагружения, проявляющееся в том, что деформация продолжает развиваться еще некоторое время и после того, как напряжение после достижения максимума начнет снижаться. Это хорошо проверенное опытом положение с полным основанием позволяет предполагать, что поверхность контакта, расположенная позади вертикальной оси колеса, нагружена весьма незначительно и поэтому можно приближенно считать, что нагрузка распределяется только на передней половине поверхности контакта, определяемой полудугой той части окружности колеса, которая погружена в грунт. Таким образом, под катящимся колесом эпюра давлений асимметрична.
Уплотнение грунтов катками с гладкими и кулачковыми вальцами

Полную глубину колеи h можно разделить на обратимую ho и необратимую hн ее части.
Уравнение равновесия для неподвижного колеса может быть представлено в виде
Уплотнение грунтов катками с гладкими и кулачковыми вальцами

где В — ширина колеса.
Правая часть уравнения представляет собой суммарную реакцию грунта. Если знать зависимость контактного давления σ от глубины расположения z любой рассматриваемой точки А (см. рис. 71, а), т. е. если известна закономерность распределения контактных давлений по поверхности контакта, то решение этого уравнения становится возможным. Однако нет надежных экспериментальных данных, которые позволили бы судить о такой закономерности. Поэтому при решении контактной задачи в такой постановке делаются различного рода допущения, из которых получило распространение следующее предположение:
Уплотнение грунтов катками с гладкими и кулачковыми вальцами

где С и v — соответственно коэффициент пропорциональности и показатель степени, которые часто полагают константами грунта, зависящими от его вида и состояния.
Самым простым является предположение, что v=1, тогда С имеет размерность кгс/см2 и представляет собой то контактное давление, которое необходимо для заглубления точки, расположенной на поверхности колеса, на глубину 2 см. Таким образом, в этом случае коэффициент приобретает вполне определенный физический смысл. Однако следствия, вытекающие из теории, развитой на основе такого предположения, не подтверждаются опытами и потому предполагают, что 0<v<1, связывая этот показатель степени с влажностью грунта и полагая, что при оптимальной влажности v=0,5. Однако если v≠1, то коэффициент С лишен физического смысла.
Решение уравнения (53) на основе предположения (54) позволяет получить следующие формулы:
Уплотнение грунтов катками с гладкими и кулачковыми вальцами

где q — P/B — линейное давление; P — нагрузка на колесо; В — ширина колеса; K1 — безразмерный коэффициент.
Если предположить, что v = 0,5, то из формулы (56) следует, что глубина погружения в грунт колеса прямо пропорциональна оказываемой на него нагрузке, что хорошо согласуется с опытными данными. Максимальное контактное давление можно вычислить, пользуясь формулой (54), положив z=h и определяя h из формулы (56). Несмотря на то что этот метод может дать удовлетворительную сходимость с опытом, пользоваться им затруднительно в связи с некоторой неопределенностью констант грунта С и V. Поэтому развивающиеся при укатке грунтов контактные давления лучше всего находить на основе теории Герца—Беляева.
Герцем рассматривалась задача сдавливания двух криволинейных упругих тел. Н. М. Беляевым теория Герца применена для расчета контактных давлений, возникающих при качении колеса по рельсу. В результате для расчета максимального контактного давления σmax, возникающего при сдавливании цилиндра (колеса) с плоскостью, получена формула
Уплотнение грунтов катками с гладкими и кулачковыми вальцами

где q — линейное давление, кгс/см2, q= P/B; P — общая нагрузка на колесо; В — ширина колеса; R — радиус колеса, см;
υ1 и υ2 — коэффициенты упругости колеса и плоскости, см2/кгс.
В общем виде коэффициент упругости определяется:
Уплотнение грунтов катками с гладкими и кулачковыми вальцами

где μ — коэффициент Пуассона; E — модуль Юнга.
Формулу (58) можно интерпретировать к случаю сдавливания жесткого колеса с грунтовой поверхностью. При этом по сравнению с жесткостью грунта жесткость колеса может быть принята бесконечно большой и потому υ1=0. Тогда из формулы (57) можно получить
Уплотнение грунтов катками с гладкими и кулачковыми вальцами

Аналогичная формула может быть выведена непосредственно из опыта. Выше упоминалось, что погружение в грунт колеса прямо пропорционально оказываемому на него усилию. Такая закономерность хорошо проверена опытом и справедлива не только для колесных, но и для сферических штампов. Поэтому для случая колеса имеет место следующее равенство:
Уплотнение грунтов катками с гладкими и кулачковыми вальцами

Если учесть, что стягивающая хорда
Уплотнение грунтов катками с гладкими и кулачковыми вальцами

и что линейное давление может быть выражено через среднее контактное давление σср как
Уплотнение грунтов катками с гладкими и кулачковыми вальцами

то можно получить
Уплотнение грунтов катками с гладкими и кулачковыми вальцами

Максимальное контактное давление может быть найдено:
Уплотнение грунтов катками с гладкими и кулачковыми вальцами

где β — коэффициент перехода от среднего контактного давления к максимальному, который зависит от характера эпюры распределения давлений под колесом.
Формула (64) аналогична формуле (59), полученной на основе теории Герца—Беляева.
Опыты по вдавливанию криволинейных штампов в грунт позволили на основе формулы (59) получить выражение для расчета максимального давления σmах, развивающегося под катящимся жестким колесом или вальцом катка. После замены модуля Юнга E на модуль деформации E0, учитывающим не только обратимые, но и необратимые деформации, оказалось, что формула (59) принимает вид:
Уплотнение грунтов катками с гладкими и кулачковыми вальцами

Величина хорды, стягивающей часть погруженной в грунт окружности вальца катка, может быть найдена на основе выражений (62) и (65) в виде:
Уплотнение грунтов катками с гладкими и кулачковыми вальцами

Удовлетворительная сходимость с опытом получается при β = 4.
Максимальное контактное давление не должно превышать пределов прочности, поэтому должно соблюдаться неравенство
Уплотнение грунтов катками с гладкими и кулачковыми вальцами

При расчетах можно полагать, что в конце уплотнения связные грунты оптимальной влажности имеют модуль Eо=150—200 кгс/см2, а несвязные E0=100—150 кгс/см2. Лучший эффект достигается, когда σmax= (0,8—0,9) σр.
Конструкция катков обычно предусматривает возможность загрузки их балластом, что позволяет, хотя и в ограниченных пределах, но все же регулировать их массу, а следовательно, и контактные давления.
Глубина активной зоны при укатке равна примерно двум диаметрам штампа или удвоенному минимальному поперечному размеру поверхности контакта катка с грунтом. Ввиду значительной ширины вальца минимальным размером всегда является длина хорды, стягивающей погруженную в грунт часть окружности вальца. Поэтому для определения глубины активной зоны может быть использовано выражение (66). Подставляя в это выражение названные выше численные значения модулей деформации, для определения глубины активной зоны можно получить следующие простые формулы:
- для связных грунтов
Уплотнение грунтов катками с гладкими и кулачковыми вальцами

- для несвязных грунтов
Уплотнение грунтов катками с гладкими и кулачковыми вальцами

Из формул видно, что глубина активной зоны, а следовательно, и оптимальная толщина уплотняемого слоя грунта в равной мере зависят от линейного давления и радиуса вальца катка. Поэтому выгодны катки с большими диаметрами вальцов.
Приведенные выше зависимости позволяют применительно к данным конкретным условиям правильно подобрать тип катка и назначить режим его работы. Для этого по табл. 43 следует найти предел прочности грунта и, пользуясь выражением (67), определить возможность применения для укатки имеющегося конкретного катка. При такой проверке выявляется также необходимость в балластировке катка. Далее, пользуясь формулами (68) или (69), можно найти оптимальную толщину уплотняемого слоя грунта. Необходимое число проходов определяется методом пробной укатки непосредственно на месте работ. Обычно оно составляет 4—6 при уплотнении малосвязных грунтов и 10—12 при уплотнении связных грунтов. Тягач выбирают по необходимому тяговому усилию Т, которое может быть найдено по формуле
Уплотнение грунтов катками с гладкими и кулачковыми вальцами

где Q — сила тяжести катка или сцепки катков, кгс; f — коэффициент сопротивления перекатыванию, учитывающий сопротивления, связанные с деформированием грунта и с потерями на трение в цапфах; в начале укатки, т. е. при рыхлых грунтах, f=0,15—0,20, в конце укатки f=0,05—0,08; i — уклон местности, по которой движется каток; при расчетах можно принимать, что максимальный уклон i=0,06—0,08; v — скорость движения катка, м/с; g — ускорение свободного падения (g = 9,81 м/с2).
Первые два члена формулы учитывают тяговое усилие, необходимое для преодоления сопротивлений, связанных с перекатыванием катка по грунту и преодолением уклонов местности, а последний член учитывает инерционные потери, которые возникают при трогании агрегата с места.
Кулачковые катки могут иметь кулачки различной формы (рис. 72). Типы кулачков а—г относятся к реверсивным, т. е. работают одинаково при перекатывании вальца как в одну, так и в другую сторону. Нереверсивные кулачки (тип д) при перемене направления вращения оказывают на поверхность грунта различное действие. Очень часто применяют реверсивные кулачки, представляющие собой усеченные конус или пирамиду (тип а), а также кулачки формы в. Разработан профиль кулачка, который при выходе из грунта не производит дополнительно рыхления грунта выбрасыванием его на поверхность, что наблюдается при обычных реверсивных и нереверсивных кулачках. Профиль такого кулачка очерчен по сложной кривой (см. рис. 72, г) или эвольвенте. Каток, снабженный такими кулачками, меньше рыхлит грунт, что особенно важно при высоких скоростях движения, приближающихся к 10—12 км/ч, когда на отбрасывание грунта назад затрачивается уже значительная работа.
Уплотнение грунтов катками с гладкими и кулачковыми вальцами

Одним из основных парам кулачковых катков — расчетные контактные давления, развивающиеся на торцовых поверхностях кулачков в предположении контакта с поверхностью только одного ряда кулачков, расположенного по образующей вальца. По расчетным контактным давлениям кулачковые катки разделяются на легкие с расчетным контактным давлением 4—20 кгс/см2; средние — 20—40 кгс/см2; тяжелые — 40—100 кгс/см2.
На основании опытных данных применительно к уплотнению разных грунтов оптимальной или близкой к ней влажности можно рекомендовать следующие расчетные значения контактных давлений (в кгс/см2):
Уплотнение грунтов катками с гладкими и кулачковыми вальцами

Таким образом, для уплотнения грунтов в основном используются легкие, средние и часть тяжелых катков с расчетным контактным давлением до 60 кгс/см2. Катки, где расчетные контактные давления превышают этот предел, могут быть использованы для уплотнения средних и тяжелых суглинков, влажность которых менее оптимальных значений. Расчетные контактные давления условны. В действительности в передаче давления на грунт участвует не один ряд кулачков, а несколько рядов, а при рыхлых грунтах в контакт с грунтом входит также и цилиндрическая поверхность вальца. Поэтому фактические давления, как правило, будут ниже расчетных не менее чем в 1,5—2 раза.
Переувлажненные связные грунты вообще не уплотняют, а кулачковыми катками в особенности, так как происходит налипание грунта на поверхность вальца. Налипший в пространстве между кулачками грунт уже не может быть очищен скребками, которые устанавливают на раме катка. В итоге происходит заклинивание вальца, и он перестает вращаться.
К основным параметрам катка, от которых зависит эффект уплотнения, относится также опорная поверхность кулачка и его длина. Опорную поверхность кулачка обычно выполняют круглой, квадратной или удлиненной. В последнем случае она эллипсовидная или прямоугольная с отношениями осей или сторон 1:1,3-1:1,5. Более длинная сторона располагается в плоскости движения кулачка. Опорная поверхность кулачка, а также ее поперечные размеры определяют размеры ядер вдавливания. При наличии более жесткого основания, которым служит поверхность уплотненного слоя грунта, уплотнение распространяется на глубину 2,5 b, где b — минимальный размер опорной поверхности кулачка. Далее происходит «наращивание» этого плотного слоя грунта, полученного в результате первых проходов. Такое «наращивание» обычно происходит до величины, примерно равной 4и. Поэтому минимальный поперечный размер опорной поверхности и связан с толщиной уплотняемого слоя грунта в плотном теле hо следующей зависимостью:
Уплотнение грунтов катками с гладкими и кулачковыми вальцами

Поэтому чем больше минимальный поперечный размер опорной поверхности кулачка, тем выше возможная толщина уплотняемого слоя грунта. Однако увеличение поперечных размеров опорных поверхностей кулачков влечет за собой повышение массы катка (рис. 73) ввиду необходимости обеспечения определенных контактных давлений.
Уплотнение грунтов катками с гладкими и кулачковыми вальцами

Длина кулачка определяет ту глубину, на которую он может погружаться в грунт, а следовательно, в известной мере и верхний предел контактных давлений, который может быть реализован в данных условиях. После погружения кулачков на полную длину каток начинает опираться на грунт поверхностью вальца, что и ограничивает величину контактных давлений. Этот верхний предел определяется не только длиной кулачков, но и свойствами грунтов, так как в зависимости от сопротивляемости деформированию один и тот же уровень напряженного состояния грунта устанавливается при разном погружении.
Если длина кулачков излишне большая, при первых проходах, когда грунт находится еще в рыхлом состоянии, развиваются слишком большие напряжения, которые влекут за собой пластические течения грунта в стороны, что снижает эффект уплотнения и повышает необходимое тяговое усилие и, что главное, затрудняет наращивание слоя при последующих проходах катка. Подобная картина наблюдается, например, при работе катка Д-220, у которого длина кулачков равна 400 мм. Вместе с тем короткие кулачки не могут погружаться в грунт на необходимую глубину, и потому нижняя часть слоя грунта может остаться неуплотненной. Кулачки должны иметь такую длину, чтобы после полного погружения в грунт расстояние от их опорной плоскости до подошвы слоя не превышало 2,5b. Это расстояние и определяет ту толщину слоя грунта, которая может быть уплотнена до требуемой плотности.
Очевидно, должно соблюдаться равенство
Уплотнение грунтов катками с гладкими и кулачковыми вальцами

где L — длина кулачка; hp —оптимальная толщина слоя уплотняемого грунта в рыхлом теле; hp' — глубина, до которой уплотненный слой грунта в верхней части остается разрыхленным.
Пользуясь данными табл. 44, можно установить соотношение между плотностями совершенно рыхлого грунта, для уплотнения которого и предназначены кулачковые катки, и грунта плотного, за который можно принять грунт, имеющий плотность 0,95δmах. Это соотношение позволяет установить, что оптимальная толщина слоя грунта в плотном теле
Уплотнение грунтов катками с гладкими и кулачковыми вальцами

тогда на основании формулы (72) можно получить формулу для расчета оптимальной толщины уплотняемого слоя грунта в виде:
Уплотнение грунтов катками с гладкими и кулачковыми вальцами

Практикой проектирования и эксплуатации кулачковых катков выработаны соотношения между параметрами и, в частности, между диаметром вальца D и длиной кулачка L:
Уплотнение грунтов катками с гладкими и кулачковыми вальцами

В итоге длительной эксплуатации кулачковых катков равных типов в зависимости от их парам установлена оптимальная толщина слоя грунта (табл. 52). Таблица позволяет оценить влияние на массу катка толщины уплотняемого слоя. Так, увеличение толщины слоя в 1,5—2 раза приводит к повышению контактного давления в 4—5 раз.
Уплотнение грунтов катками с гладкими и кулачковыми вальцами

Наличие значительных пластических течений грунта из-под кулачков в стороны, обусловливающее повышение плотности грунта, расположенного не только под кулачками, но и между ними, сокращает необходимое число проходов. Практика эксплуатации катков показывает, что для достижения плотности, равной 0,95δmах, достаточным является такое число проходов, которое эквивалентно однократному перекрытию поверхности уплотняемого слоя грунта кулачками. Это условие выполняется при числе проходов
Уплотнение грунтов катками с гладкими и кулачковыми вальцами

где S — поверхность вальца; F — опорная поверхность одного кулачка; m — общее число кулачков; k — коэффициент, учитывающий неравномерность перекрытия поверхности кулачками; в среднем k=1,3.
Число кулачков, приходящихся на 1 м2 поверхности вальца, обычно составляет 20—25 у легких и средних моделей катков и 15—20 у тяжелых. Некоторое уменьшение числа кулачков у тяжелых моделей катков объясняется увеличением опорной поверхности кулачков, которая в этом случае находится в пределах 100—140 см2, тогда как у легких и средних катков она равна 20—40 см2.
В тех случаях, когда требуемая плотность составляет (0,98—1) δmах. рассчитанное по формуле (76) число проходов должно быть увеличено в 2—3 раза. При сцепке катков в один агрегат типа тандем рассчитанное по этой формуле значение числа проходов может быть уменьшено в 2 раза.
Необходимую силу тяги можно найти, пользуясь формулой (70). Коэффициент сопротивления перекатыванию здесь несколько выше, чем у катков с гладкими вальцами, и может быть принят f=0,25—0,3. Поэтому для работы с кулачковыми катками применяют более мощные тягачи.
Пo результатам испытаний существующих конструкций катков можно видеть, что с повышением массы катка оптимальная толщина слоя, а следовательно, и производительность растут, но этот рост происходит по затухающей кривой (рис. 74). Кривая, отображающая стоимость уплотнения единицы объема грунта, имеет минимум, который соответствует массе катка 18—20 т. Снижение стоимости до достижения минимума объясняется повышением производительности катка с увеличением его массы, а последующее повышение стоимости после достижения минимума является следствием роста тягового усилия, а следовательно, и необходимости перехода на работу с более мощным и дорогим тягачом, при этом излишние затраты не окупаются медленно растущей за этим минимумом производительностью машины. Эти кривые указывают на целесообразность увеличения массы катков только до определенного предела, соответствующего минимуму стоимости. В заграничной практике строительства выпускаются и более тяжелые катки, однако выпуск их незначителен, а сверхтяжелые модели массой свыше 50 т выпускаются малыми сериями, иногда и единичными экземплярами. Из сверхтяжелых моделей некоторое распространение имеют катки с массой 30—35 т, которые применяют не столько для уплотнения более толстых слоев грунта, сколько для достижения более высокой конечной плотности грунта при недостаточной его влажности.
Уплотнение грунтов катками с гладкими и кулачковыми вальцами