Лабораторна робота 4

Визначення продуктивності та дослідження енергоємності процесів ущільнення ґрунтів

Мета роботи: вивчення особливостей конструкцій машин для ущільнення ґрунтів та засобів визначення їх продуктивності; експериментальні дослідження енергоємності процесу ущільнення ґрунтів.

4.1 Загальні відомості

Насипи та інші ґрунтові споруди будуються з ґрунтів, які мають невелику міцність унаслідок попередньої розробки. Тому для забезпечення довговічності інженерних споруд, які зводяться на цих ґрунтових спорудах, ґрунти піддаються ущільненню – найдешевшому засобу підвищення їхніх міцності та щільності [1-3].

Процес ущільнення ґрунтів складається з двох операцій: з руйнування існуючої структури ґрунту та зі створення нової, більш стійкої проти різних механічних дій.

Створення нової структури зумовлюється відносним зміщенням частинок ґрунту, що потрібне для їх компактного вкладання й витискання газоподібної та рідинної фаз.

Структуру ґрунту, як правило, оцінюють одним показником – щільністю, якої треба досягти в процесі його ущільнення. Для визначення ступеня ущільнення застосовують метод стандартного ущільнення, а вимоги до щільності ґрунтів у споруді виражаються коефіцієнтом ущільнення (в частках максимальної стандартної щільності). Коефіцієнт ущільнення m – це відношення фактичної щільності ґрунту при заданій вологості до стандартної щільності. Наприклад, для автодорожніх насипів коефіцієнт ущільнення дорівнює 95-98 %, для гідротехнічних споруд – 98-100 %.

Велике значення при ущільненні має вологість ґрунту. Вологість, при якій потрібна щільність, досягається з найменшими затратами механічної роботи, називається оптимальною.

За умови однакового загального часу дії навантажень зростання необоротних деформацій швидше відбувається в разі періодичного навантаження. У зв’язку з цим машини для ущільнення ґрунтів працюють за принципом періодичних (циклічних) місцевих навантажень із наступним розвантаженням.

Залежно від виду навантаження розрізняють статичну і динамічну дії на грунт. Статична дія характеризується порівняно невеликими швидкостями зміни напруженого стану, динамічна – різкою зміною (ударні чи вібраційні хвилі).

Ґрунти ущільнюють такими засобами: вкочуванням, трамбуванням, вібрацією, вібротрамбуванням та вібровкочуванням.

У разі вкочування ущільнення відбувається в результаті тиску, створюваного вальцем чи колесом на поверхні шару ґрунту.

У разі трамбування грунт ущільнюється падаючою масою, яка в момент зіткнення з поверхнею ґрунту має певну швидкість.

У разі вібрування шарові ґрунту передаються коливальні рухи, а сам вібраційний орган машини не відривається від ґрунту.

У разі вібротрамбування ущільнення також відбувається за рахунок коливань робочого органа, але в цьому разі робочий орган відривається від поверхні ґрунту.

Технічна продуктивність машини для ущільнення ґрунту визначається за формулою

, (1)

де Н_ш – товщина ущільнюваного шару ґрунту в щільному тілі;

В – ширина ущільнюваної смуги ґрунту;

b=0,1…0,3 м – перекриття смуги попереднього проходу;

v – швидкість руху машини;

η=0,8…0,95 – коефіцієнт, що враховує втрати часу, пов’язані з поворотом чи реверсуванням машини наприкінці ділянки;

n – кількість проходів машини, потрібна для досягнення заданої щільності.

Котки (рис.4.1) – найпростіші та найекономічніші грунтоущільнювані машини. За робочі органи котків правлять вальці або колеса, що перекочуються по поверхні ґрунту.

Для ущільнення ґрунту застосовуються причіпні, напівпричіпні й самохідні котки з гладенькими, кулачковими та гратчастими вальцями чи колесами на пневматичних шинах.

Котки з гладенькими вальцями й на пневматичних шинах застосовують для ущільнення як зв’язних, так і незв’язних ґрунтів. Кулачковими котками ущільнюють тільки зв’язні ґрунти, гратчастими –гравійовані, мерзлі ґрунти.

Котки з вбудованими в них вібраторами називають віброкотками. При тому самому ущільнювальному ефекті вони мають набагато меншу масу й габаритні розміри, ніж звичайні завдяки суміщенню принципів вібраційної і статичної дії на ґрунт.

а – загальний вигляд; б – несучі елементи

Рисунок 4.1 – Ущільнювальні котки

Вібраційні котки бувають з вальцями (гладенькими, кулачковими і гратчастими), причіпні й самохідні.

Трамбувальні машини діють за принципом удару й бувають причіпними, навісними, самохідними й ручними (трамбівки).

До причіпних трамбувальних машин належать котки з падаючими вантажами. Під час обертання котка вантажі по черзі піднімаються, а потім скидаються на поверхню ґрунту.

До навісних трамбувальних машин належать трамбувальні плити (табл. 4.1), які підвішуються до екскаваторів або кранів, дизель-трамбувальні машини та ін. Одну з таких машин показано на рис 2, а. За її робочі органи правлять дві плити, які по черзі піднімаються й скидаються кривошипно-поліспастовим механізмом. Маса кожної плити – 1300 кг, висота падіння – 1,3 м. Швидкість пересування трактора обмежується ходозменшувачем і забезпечує 4-6 ударів у кожній точці поверхні ґрунту.

Таблиця 4.1 – Технічна характеристика трамбувальних машин

ударної дії (робочий орган – навісна плита, що вільно падає)

Параметри	ДУ-12Б	ДУ-12В
Базовий трактор
Т-100М	Т-130
Маса, т
Навісного обладнання	6,5	6,5
Ударної плити	1,3	1,3
Площа плити, м^2	1,0	1,0
Висота підйому плити, мм
Частота ударів, уд./хв
Ширина смуги ущільнення, м	2,5	2,5
Глибина ущільнення, м	До 1,2	До 1,2
Габаритні розміри, м
Довжина	5,9	6,5
Ширина	2,5	2,5
Висота	3,0	3,0

Вібраційні й вібротрамбувальні машини – це причіпні й самохідні вібраційні плити та віброкотки, в яких за збуджувача коливань править відцентровий вібратор.

Амплітуда й характер коливань вібраційних машин залежать від відношення збурювальної сили Q до сили ваги вібратора G. Збурювальна сила – це сила, яка намагається відірвати вібратор від поверхні ґрунту й створюється вібраційним механізмом. За певним відношенням Q/G=k₀, що називається критичним, змінюється характер коливань. Якщо k>k₀, вібраційна плита відривається від поверхні ґрунту й починає підскакувати. У результаті цього грунт ущільнюється не тільки за рахунок інерційних сил, а й унаслідок напружень, що виникають під час удару плити по ґрунту. Машини, що працюють в режимі k<k₀, називаються вібраційними, а ті, що в режимі k>k₀ – вібротрамбувальними. Загальний вигляд віброплити й схему її дії показано на рисунку 4.2, б.

До вібраційних ґрунтоущільнювальних машин належить спеціальне обладнання для ущільнення ґрунту між шпалами під час будівництва підкранових, трамвайних та залізничних шляхів (шпалопідбійки) (рис. 4.2, в, г, табл. 4.2). Особливість цього обладнання полягає в тому, що ґрунт ущільнюється не з поверхні масиву, а за всією його глибиною за допомогою клиноподібних робочих органів, які занурюються в ґрунт на потрібну глибину.

Навісні трамбувальні машини можна застосовувати не тільки для ущільнення ґрунту, а й для створення різних котлованів під фундаменти способом втрамбовування їх у масиві скиданням спеціальних снарядів (табл. 4.3, рис. 4.3). Конфігурація снаряду відповідає конфігурації фундаменту. Цей метод використовується також для втрамбовування глибоких свердловин із наступним заповненням їх бетоном.

а – ударна ДУ-12Б (1 - редуктор; 2 – кривошипно-полиспастовий механізм; 3 – передня підвіска; 4 – задня підвіска; 5 – плита;

6 – ходозменшувач); б – віброплита (1 – плита; 2 – дебаланси вібратора); в – однониткова шпалопідбійна машина (з ручних електропідбійок);

г – однониткова шпалобідбійна машина ОШМ-4

Рисунок 4.2 – Ударні й віброударні ущільнювальні машини

Таблиця 4.2 – Характеристика шпалопідбійних машин

Параметри	ОШМ-1	ОШМ-2	ОШМ-3	ОШМ-4
Продуктивність, шт./год
Кількість підбійок
Максимальне заглиблення підбійок, мм
Швидкість пересування, (робоча), км/год
Потужність двигуна, кВт	5,6	11,1	11,1	6,5
Габаритні розміри, м:
Довжина	2,2	2,4	2,2	2,1
Ширина	1,5	1,5	1,5	1,5
Висота	2,1	2,0	1,8	1,7
Маса, т	0,85	1,90	1,10	1,05

Таблиця 4.3 – Характеристика трамбувальних машин

Параметри	Базова машина
ДЗ-27С	Э-5111	Э-2503
Маса трамбівки, т
Розміри трамбівки, м:
Верхній	1,0 1,0	1,2 1,0	Æ1,5
Нижній	0,80 0,80	0,60 0,35	Æ1,3
Висота	1,8	2,5	5,0
Максимальна висота підйому, м
Маса обладнання, т

а – на базі екскаватора Э-2503 (1 – підвіска; 2 – обойма; 3,5 – блоки;

4 – стояк; 6,7 – відповідно верхня і нижня траверси; 8 – захватні важелі; 9 – ущільнювач; 10 – витрамбівка); б – на базі трактора Т-130 (1 – опорна щогла; 2 – робоче обладнання; 3 – гідроопори; 4 – привод; 5 – опорна рама; 6 – стріла; 7 - трактор)

Рисунок 4.3 – Трамбувальне обладнання

4.2 Методика досліджень

Проведення експерименту містить у собі розрівнювання поверхні ґрунту й ущільнення його до заданої щільності. Експериментальні дослідження опору ущільненню ґрунту котком ущільнювача проводяться на фізичній моделі, встановленій в ґрунтовому каналі. Схему лабораторної установки подано на рисунку 4.4.

1 – тяговий канат; 2 – тензоелемент на тягових канатах; 3 – напрямні;

4 – візок; 5 – гвинт регулювання товщини ущільнення;
6 – тензоелемент котка; 7 – коток; 8 – колесо візка;

9 – ґрунтовий канал; 10 – ґрунт

Рисунок 4.4 – Схема лабораторної установки

Коток ущільнювача встановлюється у вихідне положення 0, включається вимірювальна апаратура і на відстані 1 м виконується процес ущільнення ґрунту із фіксацією зусилля, що витрачається на процес.

Під час експерименту контролюються параметри, необхідні для розрахунків продуктивності та енергоємності процесу ущільнення.

Контроль міцності виконується за допомогою ударника ДорНДІ (рис. 4.5).

Рисунок 4.5 – Схема обладнання для дослідження щільності ґрунтів

(ударник ДорНДІ)

Плотномер являє собою стрижень, по якому між двома закріпленими шайбами розташовується вантаж масою 2,5 кг. Стрижень встановлюють одним кінцем на поверхню ґрунту, піднімають вантаж у верхнє положення, і відпускають його. Падаючи, вантаж ударяє по нижній шайбі, при цьому робота одного удару складає 10 Нм. Під дією сили удару стрижень занурюється в ґрунт. У залежності від властивостей ґрунту для впровадження на глибину 100 мм потрібна різна кількість ударів.

Між кількістю ударів і опором ґрунтів різанню є наступна залежність (табл. 4.4).

Таблиця 4.4 – Залежність між кількістю ударів плотномера

і категорією гранта

Кількість ударів	1…4	5…8	9…16	16...34
Категорія ґрунтів	I	II	III	IV

Витрати потужності на привід ущільнювача визначають за формулою

, (2)

де W_к – опір руху котка (визначається за осцилограмою експерименту);

– швидкість руху котка;

– ККД приводу ущільнювача, =0,8…0,85.

Дата добавления: 2015-12-07