Совершенствование методики расчета и проектных решений сборных покрытий лесовозных автомобильных дорог
На правах рукописи
ВИНОКУРОВА Татьяна Геннадьевна
Совершенствование методики расчета
и проектных решений сборных покрытий
лесовозных автомобильных дорог
05.21.01 «Технология и машины лесозаготовок
и лесного хозяйства»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Петрозаводск 2007
Работа выполнена в государственном образовательном
учреждении высшего профессионального образования
ПЕТРОЗАВОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
| Научный руководитель: | доктор технических наук, профессор Питухин Александр Васильевич |
| Официальные оппоненты: | доктор технических наук, профессор Шегельман Илья Романович кандидат технических наук Ломов Алексей Юрьевич |
| Ведущая организация: | Санкт-Петербургская государственная лесотехническая академия |
Защита состоится «____» _____________ 2007 г. в ____ часов на заседании диссертационного совета Д 212.190.03 при Петрозаводском государственном университете по адресу: 185910, г. Петрозаводск, пр. Ленина, 33.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Петрозаводского го-сударственного университета.
Автореферат разослан «___» ___________ 2007 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета В. В. Поляков
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Вывозка древесины является важной фазой технологического процесса лесозаготовительного производства, объемы которой в значительной степени определяются наличием и состоянием лесных дорог круглогодового действия. Совершенствование лесовозных дорог является одной из важнейших задач. В «Основных направлениях развития лесной промышленности», утвержденных распоряжением Правительства РФ от 1 ноября 2002 г. №1540-р, констатируется, что к основным факторам, сдерживающим ее развитие, относится недостаточное количество лесных дорог круглогодового действия, что особенно осложняет вывозку древесины в весенне-летний период.
Зарубежный опыт показывает, что оптимальная для лесов Европейского Севера протяженность лесных дорог составляет примерно 20 мет-
ров на 1 гектар. По данным Федерального агентства лесного хозяйства РФ, в России на 1 тыс. га леса приходится 1,2 км лесовозных дорог, однако строящиеся дороги редко бывают с твердым покрытием. Одним из возможных вариантов решения существующих проблем является применение сборных колейных покрытий из железобетонных плит. Данные покрытия применялись при строительстве лесовозных дорог в Архангельской, Вологодской, Ленинградской областях, республике Карелия. В случае использования сборных покрытий жесткость стыковых соединений должна быть достаточно большой, чтобы уменьшить величину взаимного смещения торцов плит при движении лесовозного автопо-
езда. Разработка надежного стыкового соединения железобетонных плит сборного покрытия представляет собой достаточно сложную проблему и, несмотря на работы предшественников, требует дальнейшего изучения.
Таким образом, актуальность темы исследования обусловлена необходимостью улучшения условий круглогодичной вывозки древесины путем совершенствования проектных решений сборных покрытий лесовозных дорог из железобетонных плит. Это решение невозможно без применения достаточно универсальных методик расчета в сочетании с современными информационными технологиями. Анализ публикаций показывает, что при исследовании сборных покрытий лесовозных автомобильных дорог не в полной мере используются возможности численных методов, прежде всего — метода конечных элементов. Поэтому, совершенствование методики расчета и разработка проектных решений колейных покрытий для улучшения условий круглогодичной вывозки древесины является актуальной проблемой и требует проведения в данной области дальнейших исследований.
Цель диссертационной работы. Повышение эффективности вывозки древесины по сборным колейным покрытиям лесовозных автомобильных дорог путем уменьшения взаимных смещений торцов плит при нагрузках от лесовозного автопоезда.
Объектом исследования является сборное колейное покрытие лесовозной автомобильной дороги, взаимодействующее с основанием зем-ляного полотна. Однако, в отличие от часто используемого предположения о том, что жесткость основания во всех точках контакта плиты
с основанием одна и та же, в данной работе учитывается, что материал основания неоднороден по площади контакта. Кроме этого модель объекта исследования усложняется и вследствие того, что при действии нагрузки на плиту возможен ее отрыв от основания. В зависимости от проектного решения жесткость стыков плит сборных покрытий лесовозных дорог также может быть различной.
Предмет исследования. Вертикальные перемещения плит и систем плит колейного покрытия на основании переменной жесткости с определением требуемой толщины подстилающего слоя при различной податливости стыковых соединений.
Методы исследования. В работе использованы элементы теории конструкций на упругом основании и конструкций с односторонними связями, а также методы математического моделирования, реализованные в программных комплексах конечно-элементного анализа.
Научная новизна:
- Впервые предложено локальное усиление области основания под стыковыми соединениями плит колейного покрытия, что ведет
к уменьшению взаимных смещений торцов плит при движении лесовозного автопоезда и, как следствие, к увеличению его скорости. - Разработана с использованием возможностей программного комп-лекса конечно-элементного анализа методика расчета сборных колейных покрытий лесовозных автомобильных дорог с учетом жесткости стыковых соединений плит, возможного их отрыва и переменной жесткости основания.
- Исследовано влияние размеров и жесткости локального усиления основания и жесткости стыковых соединений на взаимные смещения торцов плит при технологических нагрузках от лесовозного автопоезда.
- Установлены закономерности влияния податливости стыкового соединения и переменной жесткости основания на толщину и материал подстилающего слоя для колейных покрытий лесовозных автомобильных дорог.
Научные положения, выносимые на защиту:
- Результаты анализа исходной информации и расчетных схем взаимодействия плиты (системы плит) колейного покрытия с основанием земляного полотна.
- Методика и результаты расчета сборных колейных покрытий лесовозных автомобильных дорог с учетом жесткости стыковых соединений плит, возможного их отрыва и переменной жесткости основания.
- Результаты исследования влияния жесткости сварных стыковых соединений на толщину и модуль упругости материала подстилающего слоя колейного покрытия.
- Выводы и рекомендации по практическому использованию результатов исследования с целью улучшения работы колейных покрытий из железобетонных плит.
Достоверность результатов исследования подтверждена данными известных экспериментальных исследований и обусловлена корректным применением численных методов механики твердого деформируемого тела и математического моделирования, реализованных в программных комплексах конечно-элементного анализа.
Практическая значимость. Использование предлагаемой методики позволяет научно обосновывать размеры и материал локального укрепления грунта под стыковыми соединениями, жесткость стыков, требуемую толщину и модуль упругости материала подстилающего слоя колейных покрытий. Методика зарегистрирована в Отраслевом фонде ал-горитмов и программ (ОФАП) Государственного координационного цент-ра информационных технологий (свидетельство № 6859 от 18.09.2006).
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены на: ХХV Российской школе по проблемам науки
и технологий (Миасс, 2005); международной конференции «Новые технологии и устойчивое управление в лесах Северной Европы» (Петрозаводск, 2005); Республиканской научно-практической конференции «Струк-турная перестройка лесного комплекса в республике Карелия» (Петрозаводск, 2006); международной конференции «Новые информационные технологии в целлюлозно-бумажной промышленности и энергетике» (Петрозаводск, 2006); VII Всероссийском симпозиуме по прикладной
и промышленной математике (Кисловодск, 2006 г.); семинаре лесоинженерного факультета ПетрГУ (2006).
Публикации. Материалы диссертации отражены в семи работах, из них одна статья и тезисы одного доклада опубликованы в двух журналах, указанных в перечне ВАК (п. 2 и 3 в списке публикаций). Две работы выполнены в соавторстве, вклад соискателя составляет 30 %.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пя-
ти глав, основных выводов по работе и рекомендаций, 5 приложений, списка использованной литературы из 122 наименований. Общий объем работы 157 страниц машинописного текста, в том числе 44 рисунка, 10 таблиц.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследования, научные положения, выносимые на защиту, отмечена теоретическая и практическая значимость, научная новизна работы.
В первом разделе проанализированы работы по теме исследования. Совершенствование конструкций железобетонных плит, технических решений оснований и покрытий лесовозных дорог различных типов постоянно находятся в центре внимания многих авторов. Теоретические основы расчета плит на упругом основании разрабатывали А. Н Крылов, Б. Г. Коренев, М. И. Горбунов-Посадов, Н. М. Герсеванов, Б. Н. Же-мочкин, И. А. Симвулиди и другие авторы. Изучению работы плит, стыковых соединений и оснований в покрытиях лесовозных автомобильных дорог посвящены работы Б. Н. Ильина, Б. И. Кувалдина, В. К. Ку-рьянова, Э. О. Салминена, А. Н. Кочанова. Вклад в эту область исследований внесли также Б. В. Уваров, Л. В. Петровский, Б. Н. Смирнов, Н. Б. Васильев, В. А. Савельев, Д. Н. Афоничев, В. С. Морозов, Н. Н. Пуш-каренко, А. В. Скрыпников, О. Н. Бурмистрова и другие авторы.
Устойчивый интерес исследователей к этим вопросам обусловлен как их актуальностью, так и необходимостью повышения технико-эко-номических показателей вывозки древесины по лесовозным автомобильным дорогам.
Наличие связи между плитами значительно уменьшает величину отрицательного изгибающего момента, а при перемещении колеса автомобиля от шарнирно соединенной плиты к ее середине максимальные положительные изгибающие моменты смещаются к краю плиты, что исключает возможность возникновения максимальных знакопеременных напряжений в одном и том же сечении.
Таким образом, стыковые соединения облегчают условия работы плит в колейном покрытии. Однако известные методики расчета основаны на предположении о том, что под действием нагрузки от лесовозного автопоезда отрыва плиты от основания не происходит, а само основание имеет постоянную жесткость по всей площади контакта с плитой. Такие упрощения ограничивают возможности совершенствования сборных покрытий лесовозных автодорог. Вместе с тем, стыковые соединения плит, в зависимости от их конструктивного решения, могут быть различны, что не учитывается в ранее выполненных работах.
По мере компьютеризации развитие методов расчета конструкций на упругом основании осуществляется в направлении все большего применения численных методов. В настоящее время при разработке проектных решений используют стандартные программы конечно-элементного расчета. С появлением этих программ, как основание, так и опирающуюся на него конструкцию стало возможным представлять в виде конечно-элементных моделей, упрощая при этом методики расчета и делая их более универсальными, позволяющими, в частности, учесть вариации как податливости стыковых соединений плит, так и жесткости основания.
Задачи исследования:
1. Разработать с использованием возможностей программного комплекса конечно-элементного анализа методику расчета сборных колейных покрытий лесовозных автомобильных дорог с учетом жесткости стыковых соединений и переменной жесткости основания.
2. Исследовать влияние размеров и жесткости локального усиления основания под стыковыми соединениями и жесткости стыковых соединений на взаимные смещения торцов плит при технологических нагрузках от лесовозного автопоезда.
3. Исследовать закономерности влияния податливости стыкового соединения и переменной жесткости основания на толщину подстилающего слоя и область отрыва плит от основания колейных покрытий лесовозных автомобильных дорог.
4. Определить экономическую эффективность применения плит колейных покрытий с более жесткими стыковыми соединениями на основании переменной жесткости при строительстве магистральных лесовозных дорог.
Второй раздел посвящен построению расчетной модели взаимодействия плиты (системы плит) с основанием земляного полотна при действии подвижной нагрузки с учетом податливости стыковых соединений и переменной жесткости основания.
Грунтовое основание, на которое опирается плита, сопротивляется только надавливанию и не препятствует перемещениям точек плиты в противоположном направлении. При воздействии подвижной нагрузки различные участки дорожного покрытия получают неодинаковые деформации (на участках, примыкающих к швам, деформации больше, чем в средней части плит). Вследствие этого, давление, передаваемое на основание, также неодинаково. Неравномерное накопление остаточных деформаций основания может привести к образованию в отдельных зонах покрытия зазоров между плитой покрытия и основанием, т. е. к изменению расчетной схемы. Область контакта оказывается неизвестной. Это приводит к необходимости применения метода последовательных приближений, что сопряжено с большим объемом вычислений.
Метод конечных элементов позволяет выполнить расчет системы плит на упругом основании. Однако в инструкциях по использованию программ, реализующих метод конечных элементов, отсутствуют указания по расчету плит и систем плит при неполном контакте их с основанием.
Для изучения взаимодействия плит колейного покрытия лесовозной автомобильной дороги с основанием земляного полотна воспользуемся гипотезой Винклера, которая лучше отображает действительность для лесных районов севера-запада России, грунты которых характеризуются избыточным увлажнением и высоким уровнем стояния грунтовых вод. Представим основание совокупностью стержней, шарнирно присоединенных к плите и сопротивляющихся только сжатию. Жесткость каждого из стержней может быть произвольной, что позволяет моделировать взаимодействие плиты с основанием при неравномерном распределении его жесткости.
Нагрузка на плиты складывается от собственного веса плиты и нагрузки от колес лесовозного автопоезда (рис. 1), при этом действительные отпечатки спаренных колес автомобиля заменяются эквивалентным по площади кругом.
Рис. 1. Схема деформаций фрагмента колейного покрытия при нагрузке
от автопоезда (нагрузка, распределенная по каждому из пятен контакта колес
и плит условно показана в виде сосредоточенных сил 45, 95 и 90 кН)
Причина отсутствия методик конечно-элементного расчета плит и систем плит колейных покрытий лесовозных автомобильных дорог объясняется необходимостью учета так называемой конструктивной нелинейности, появляющейся в связи с тем, что основание колейного покрытия сопротивляется только сжатию в вертикальном направлении (если не принимать во внимание трение). Отрыв плиты в некоторой области при технологических нагрузках приводит к необходимости определения не только характеристик напряженно-деформированного состояния модели, но и самой области контактного взаимодействия плит с основанием.
Применяемый в данной работе относительно новый для темы исследования подход к решению задачи базируется на использовании метода конечных элементов в форме метода перемещений в сочетании с известными результатами теории расчета механических систем с односторонними связями. Исходная задача сводится к поиску минимума функции вида
, 
(1)
Здесь 
— потенциальная энергия упругой системы, моделирующей систему плит на упругом основании; 
— вектор перемещений узлов конечно-элементной модели; 
— вектор внешних воздействий; 
— матрица коэффициентов жесткости, симметричная и положительно определенная. Задача сводится к поиску таких векторов 
и 
, что
, 
, 
, 
. (2)
Элементы вектора 
по своему физическому смыслу являются реакциями фиктивных связей метода перемещений. Соотношения (2) могут быть получены, если записать уравнения метода перемещений строительной механики с учетом ограничений-неравенств, принимая во внимание, что реакция в любой точке контакта и соответствующее перемещение не могут быть одновременно отличны от нуля. Если все элементы вектора 
неотрицательны, то решение задачи 
. Заметим при этом, что в теории расчета конструкций с односторонними связями принимается правило знаков, согласно которому реакция и перемещение, совместные с односторонней связью, считаются неотрицательными.
Формулировка (2) известна как линейная задача дополнительности. Известен ряд схем ее решения. Физически «прозрачным» является метод последовательного выключения связей, сводящийся к определенной очередности жордановых исключений и предполагающий использование некоторых правил или критериев выбора разрешающего элемента
в матрице коэффициентов 
. В качестве разрешающего элемента на каждом шаге жордановых исключений выбирается диагональный элемент матрицы коэффициентов. При этом наибольший по модулю от-
рицательный элемент вектора 
может быть критерием разрешаю-
щей строки. Используется правило: на каждом шаге выключается связь с наибольшим по модулю отрицательным значением реакции. Соот-
ветственно, методика расчета может быть реализована по следующей схеме:
Шаг 1. Формирование конечно-элементной расчетной схемы плиты (или системы плит).
Шаг 2. Формирование конечно-элементной расчетной схемы основания.
Шаг 3. Формирование системы стержней, соединяющих те узлы конечно-элементных моделей плиты и основания, которые могут контактировать (взаимные перемещения этих узлов, а значит и реакции стерж-
ней, имеют односторонние ограничения). Назначение жесткости каждого стержня с учетом жесткости основания в данной точке.
Шаг 4. Приложение нагрузки от подвижного состава, приходящейся на колесо лесовозного автопоезда исходя из значения нагрузки на ось автомобиля.
Шаг 5. Линейный расчет модели «система плит — основание».
Шаг 6. Если есть стержни с растягивающими продольными силами, то переход к шагу 7. Иначе переход к шагу 8.
Шаг 7. Поиск стержня, в котором продольная сила является растягивающей и наибольшей по модулю. Удаление данного стержня из расчетной схемы. Переход к шагу 5.
Шаг 8. Задача решена.
Третий раздел посвящен исследованию характеристик взаимодействия плит колейного покрытия лесовозной автомобильной дороги с основанием земляного полотна под действием подвижной нагрузки.
По известным исследованиям наибольшее число дефектов (9,6 %) в плитах дорожных покрытий приходится на торцевые грани. В работе исследована возможность улучшения работы плиты дорожного покрытия при увеличении жесткости лишь краевых участков основания земляного полотна (0,65 м с каждой из сторон) в 2 и 4 раза (рис. 2).
На рис. 3 приведена зависимость наибольшей осадки (ось ординат) от относительной жесткости локальной области основания (ось абсцисс).
Анализ результатов применения предлагаемой конечно-элементной методики показывает, в частности, что увеличение жесткости основания в локальной области целесообразно до определенных пределов. Переход от основания постоянной жесткости к основанию переменной жесткости с усилением зон под стыковыми соединениями в 4 раза примерно вдвое уменьшает осадку. Дальнейшее увеличение жесткости неэффективно, т.к. не приводит к существенному изменению осадки.
Рис. 2. Плита на основании переменной жесткости:
L — длина плиты, м, a=(0,05…0,11), a — ширина области укрепления основания, 1 — плита колейного покрытия, 2 — локальное усиления основания.
Рис. 3. Зависимость наибольшей осадки 
от относительной жесткости усиленной области основания 
.
, где 
— жесткость основания в средней части плиты,
— жесткость основания под стыковым соединением.
График зависимости максимальной осадки при неблагоприятном расположении нагрузки (на торце плиты) от размеров области укрепления и распределения жесткости основания приведен на рис. 4.
На основе выполненных исследований установлена зависимость (полиномиальная третьей степени) между величиной осадки плиты Нос и шириной области укрепления основания а и его жесткости:
Нос= – А*а3 + В*а2 – С*а + D, (3)
где А, В, С, D — коэффициенты, равные: А=30,208; В=46,75; С=23,342; D=8,81 – для усиленной в два раза области под стыковыми соединениями. А=27,708; В=42,25; С=21,042; D=7,1 — для усиленной в три раза области под стыковыми соединениями. А=20,256; В=31,285; С=15,77; D=5,0846 — для усиленной в четыре раза области под стыковыми соединениями.
Рис. 4. Осадка плиты в зависимости от распределения жесткости основания 
и разметов области укрепления а.
Распределение жесткости основания также влияет на область контакта плиты с подстилающим слоем (рис. 5).
Рис. 5. Изменение области контакта плиты покрытия с основанием земляного полотна при различной жесткости материалов, используемых под стыковыми соединениями: А — однородное основание (суглинок с относительной влажностью Wотн = 0,75; модуль упругости Еупр= 28 МПа); В — укрепление подшовной зоны в два раза (мелкий песок) на ширину 0,6 м; С — укрепление подшовной зоны в четыре раза (щебеночно-гравийная смесь) на ширину 0,6 м.
При проходе колес автопоезда по области стыкового соединения плит по причине податливости основания и изгиба плит имеют место вертикальные перемещения и повороты торцов. Это приводит к образованию уступов, может сопровождаться соударениями торцевых граней плит и разрушением материала. В целях совершенствования дорожного покрытия необходимо уменьшать взаимные перемещения торцов плит или путем использования более жестких материалов в основании земляного полотна под стыковыми соединениями (рис. 6), или использова
нием жестких стыковых соединений.
Рис. 6. Система плит на основании переменной жесткости. a=(0,05…0,11)L.
L — длина плиты, 1 — плита колейного покрытия, 2 — стыковое соединение плит, 3 — основание, 4 — локальное усиления основания
Очевидно, что чем больше жесткость стыкового соединения, тем большая часть нагрузки передается на соседнюю плиту и меньше величина осадки.
Для уменьшения отрицательных моментов в плитах и реактивных давлений, возникающих от действия внешней нагрузки, а также улучшения эксплуатационных качеств покрытия, можно использовать сварные стыковые соединения, в которых П-образные скобы будут установлены не в горизонтальной плоскости, а под углом к ней, при этом будут крепиться своими концами к верхней и нижней рабочей арматуре.
Такое стыковое соединение обладает большей жесткостью и своим сечением передает с плиты на плиту как изгибающие моменты, так и всю вертикальную нагрузку. При проезде зоны стыка значительно уменьшаются реактивные давления в пристыковых зонах, обеспечивая их симметричное распределение. Зависимость максимальной осадки плит от угла поворота скобы стыкового соединения приведена на рис. 7. Связь между максимальной осадкой Нос и углом поворота скобы стыкового соединения описывается экспоненциальной зависимостью вида:
, (4)
где — угол поворота скобы сварного стыкового соединения относительно горизонтальной плоскости.
Рис. 7. График зависимости осадки плиты Нос от угла поворота скобы
сварного стыкового соединения.
Исследования показали, что наибольшие значения осадки плиты, лежащей на основании с увеличенной жесткостью по всей площади контакта, незначительно (10,9 %) отличаются от тех случаев, когда имеет место усиление лишь локальной области. Укрепление подшовной зоны более жесткими материалами позволяет уменьшить и величину отрыва плит. Изменение угла поворота скобы стыкового соединения до 45 ведет, согласно полученным данным, к уменьшению вертикальных перемещений торцов плит.
Полученные результаты по определению осадок плиты и системы плит были сравнены с имеющимися экспериментальными исследованиями, расхождение составляет от 3,18 % до 5,9 % (рис. 8).
Рис. 8. Эпюры осадок плит при действии технологической нагрузки Р = 46 кН:
1 — Система плит без стыковых соединении; 2 — Система плит со сварными стыковыми соединениями
_____ — экспериментальные данные;
- - - - - — результаты, полученные по предложенной методике
Четвертый раздел посвящен исследованию влияния типа стыкового соединения плит на требуемую толщину подстилающего слоя, наличие которого в колейном покрытии из железобетонных плит на лесовозных автомобильных дорогах является одним из важных условий для поддержания высоких эксплуатационных качеств покрытия дорог рассматриваемого типа.
Толщину указанного слоя, как правило, рекомендуется принимать
в зависимости от грунта основания земляного полотна и материала подстилающего слоя. Однако такой подход не учитывает типа подвижного состава (т. е. осевых нагрузок), а также конструкцию стыковых соединений.
Предлагаемая методика, в комплексе с известными, позволяет, принимая во внимание осевые нагрузки, уточнить указанную толщину.
Наибольшее напряжение в грунте на заданной глубине определяется формулой, известной по работам Н. А. Цытовича:
(5)
где 
— давление в грунте; 
— табличные коэффициенты, зависящие от глубины, на которой определяется напряжение, расположения нагрузки, разметов плиты;
Таким образом, можно определить напряжения на различной глубине для заданной нагрузки и определенных размеров плит (рис. 9).
Рис. 9. Распределение напряжений по глубине при положении нагрузки от колеса на краю плиты: 1 — железобетонные плиты со сварным стыковым соединением; 2 — плиты без стыковых соединений
Для определения требуемой толщины подстилающего слоя по но-
мограмме (рис. 9) с учетом напряжений в грунте земляного полотна оп-ределяется глубина их распределения, зная которую, толщину песча-
ного слоя, обеспечивающего заданную прочность, можно найти из выражения:
(6)
где 
— глубина распределения напряжения, описывается зависимостью 
, где 
,
— коэффициенты уравнения, равные 
= –20,128;
= 1,7313 — для плит, имеющих жесткое соединение между собой. 
= –7,8105;
= 1,6287 — для свободнолежащих плит; 
,
— модули упругости подстилающего слоя и грунта соответственно.
Выполненные исследования показали, что напряжение в грунте однородного основания зависит от угла поворота скобы стыкового соединения, что представлено на рис. 10.
Таким образом, было установлено, что для плит со сварными стыковыми соединениями, лежащими на однородном основании (суглинок с относительной влажностью Wотн =0,75; модуль упругости Еупр= 28 МПа), необходимая толщина песчаного подстилающего слоя (Еупр =120 МПа) составила 0,36 м. Изменение угла поворота скобы стыка до 900 ведет к уменьшению требуемой толщины до 31 %.
Рис. 10. Распределение напряжений в грунте однородного основания земляного полотна при изменении угла поворота скобы стыкового соединения
Однако, толщина данного слоя зависит не только от способа соединения плит между собой, но и от переменной жесткости основания.
В частности, толщина подстилающего песчаного слоя будет уменьшена для основания, имеющего укрепление подшовной зоны на 22 % при повороте скобы на 45 и на 31 % при вертикальном ее расположении. Т. е., уменьшение толщины слоя возможно при использовании более жестких материалов в области стыковых соединений плит.
Для свободнолежащих плит укрепление подшовной зоны в 4 раза позволяет уменьшить толщину песчаного слоя с 0,47 м до 0,37 м.
Поскольку толщина рассматриваемого слоя зависит от модуля уп-
ругости не только грунта основания, но и материала подстилающего слоя, исследована возможность замены песка на супесь (Еупр = 45 МПа,
Wотн =0,75). Согласно полученным результатам исследования, при горизонтальном расположении скоб минимальна толщина подстилающего супесчаного слоя должна составлять 0,6 м. При повороте скобы до 90 возможно ее уменьшение на 31 %.
В пятом разделе определена технико-экономическая эффективность предлагаемых уточнений проектного решения колейного покрытия лесовозных автомобильных дорог.
В расчете капитальных вложений по сравниваемым вариантам приняты во внимание лишь затраты, связанные с устройством подстилающего слоя, толщина которого зависит от переменной жесткости основания и податливости стыковых соединений. Прочие условия одинаковы для рассматриваемых вариантов.
При устройстве колейного покрытия из железобетонных плит, не имеющих надежной связи между собой, лежащих на основании постоянной жесткости, согласно выполненному расчету, на 1 км необходимо 2849 м3 песка (требуемая толщина подстилающего слоя 0,47 м), что
в денежном выражении составляет 940,17 тыс. руб. Усиление основания под стыковыми соединениями щебеночным материалом в объеме 101,8 м3 позволяет уменьшить требуемую толщину песка до 0,37 м, что составит 1889,8 м3 и, соответственно, общая стоимость материалов для устройства подстилающего слоя составит 694,89 тыс. руб. Таким образом, рассматриваемая статья капитальных вложений в этом случае может быть снижена на 26,2 %.
Капитальные вложения при устройстве подстилающего песчаного слоя плит колейного покрытия, соединенных сварными стыковыми соединениями будут также различны при изменении жесткости стыка (т. е. поворота скобы относительно горизонтальной плоскости). При изменении угла до 45 затраты уменьшаются на 10,9 %. Дальнейшее изменение угла приведет к уменьшению капитальных затрат на 9,7 %.
Если же будет иметь место как локальное укрепление основания под стыковыми соединениями, так и увеличение их жесткости, то можно добиться уменьшения толщины песчаного слоя с 0,248 м до 0,14 м.
Таким образом, себестоимость 1м3 древесины, вывозимой по колейным покрытиям, не имеющим надежных стыковых соединений между собой и укреплений основания под стыками, составляет 107,2 руб./м3. Использование в конструкции более жестких стыков позволяет снизить величину себестоимости до 26 % в зависимости от угла поворота скобы соединения.
Основные выводы и рекомендации
1. Разработана с использованием возможностей программного комплекса конечно-элементного анализа методика расчета сборных колейных покрытий лесовозных автомобильных дорог с учетом жесткости стыковых соединений, возможного отрыва плит от основания и его переменной жесткости.
2. Исследовано влияние размеров и жесткости локального усиления основания под стыковыми соединениями на взаимные смещения торцов плит под действием подвижной нагрузки от лесовозного автопоезда. Установлено, что значительное уменьшение вертикальных перемещений плит возможно при локальном укреплении основания (щебеночные материалы) на ширину 0,4—0,6 м. Кроме этого укрепление основания земляного полотна под стыковыми соединениями уменьшает площадь отрыва плиты.
3. Исследовано влияние жесткости стыковых соединений на взаимные смещения торцов плит при технологических нагрузках от лесовозного автопоезда. Выявлено, что изменение угла поворота скобы сварного стыкового соединения ведет к уменьшению взаимных смещений торцов плит: на 13,7 % при повороте скобы 30 и на 22 % при угле поворота 45.
4. Установлены закономерности влияния податливости стыкового соединения и переменной жесткости основания на толщину и модуль упругости материала подстилающего слоя для колейных покрытий лесовозных автомобильных дорог. Показано, что для свободнолежащих плит укрепление подшовной зоны в 4 раза позволяет уменьшить толщину, в частности, песчаного слоя на 21 % с 0,47 м до 0,37 м. Толщина подстилающего песчаного слоя будет уменьшена для основания, имеющего укрепление подшовной зоны на 22 % при повороте скобы на 45 и на 31 % — при вертикальном ее расположении.
5. Поскольку толщина подстилающего слоя зависит от модуля упругости не только грунта основания, но и материала подстилающего слоя, определена возможность замены песка на супесчаные грунты (Еупр = 45 МПа, Wотн = 0,75). При этом минимальна толщина подстилающего супесчаного слоя должна составлять 0,6 м. При повороте скобы сварного стыкового соединения до 90 возможно ее уменьшение на 31 %.
6. При устройстве колейного покрытия из железобетонных плит, не имеющих надежной связи между собой и лежащих на основании постоянной жесткости, капитальные вложения по устройству подстилающего песчаного слоя будут больше на 26,2 % по сравнению с основанием, имеющим укрепление подшовной зоны, в частности, щебеночным материалом.
7. Изменение угла поворота скобы соединения до 45 ведет к уменьшению затрат по устройству подстилающего песчаного слоя на 10,9 %. Дальнейшее изменение угла приведет к уменьшению капитальных затрат на 9,7 %.
8. Локальное укрепление основания под стыковыми соединениями и уве-личение их жесткости приведет к уменьшению толщины песчаного слоя с 0,248 м до 0,14 м. Таким образом, использование в конструкции колейного покрытия из железобетонных плит более жестких стыков позволяет снизить величину себестоимости 1 м3 древесины до 26% в зависимости от угла поворота скобы соединения.
Публикации по теме диссертации
1. Березина Т. Г. (Винокурова Т. Г.) К вопросу вывозки древесины по лесовозным дорогам с колейным покрытием / Т. Г. Березина (Т. Г. Ви-нокурова) // ХХV Всероссийская школа по проблемам науки и технологий (21—23 июня 2005 года, г. Миасс): Тез. докл. — Миасс: МСНТ, 2005. — С. 77—78.
2. Винокурова Т. Г. Моделирование и анализ влияния конструктивно-технологических параметров на характеристики взаимодействия основания и плит покрытия автомобильных дорог / Т. Г. Винокурова, А. Н. Кочанов, В. И. Марков // Обозрение прикладной и промышленной математики: Тез. докл. VII Всероссийского симпозиума по прикладной и промышленной математике. — Т. 13. — Вып. 4. — М.:
Редакция журнала «ОПиПМ», 2006. — С. 620.
3. Винокурова Т. Г. Математическое моделирование взаимодействия системы плит дорожного покрытия с основанием переменной жесткости при технологических нагрузках от лесовозных автомобилей / Т. Г. Винокурова // Системы управления и информационные технологии. — Вып. 3.1 (25). — М.; Воронеж: Научная книга, 2006. — С. 32—37.
4. Винокурова Т. Г. О некоторых направлениях совершенствования конструкций плит колейных покрытий лесовозных автомобильных дорог / Т. Г. Винокурова // Структурная перестройка лесного комплекса в республике Карелия: Материалы республиканской научно-практической конф. — Петрозаводск: КарНИИЛПК, 2006. — С. 45.
5. Винокурова Т. Г. О работе системы плит в колейном покрытии лесовозных автомобильных дорог с учетом жесткости стыковых соединений / Т. Г. Винокурова // Известия лесоинженерного факультета: Сб. науч. трудов. — Петрозаводск. Деп. в ВИНИТИ 21.07.06, № 984 — В2006. — С. 9—15.
6. Винокурова Т. Г. О совершенствовании проектных решений сборных покрытий лесовозных автомобильных дорог / Т. Г. Винокурова //
Новые информационные технологии в целлюлозно-бумажной промышленности и энергетике: Материалы VII Международной научно-технической конф. (Петрозаводск, 25—29 сент. 2006). — Петрозаводск: ПетрГУ, 2006. — С. 48—50.
7. Винокурова Т. Г. Методика моделирования и анализ влияния локальных изменений жесткости основания на характеристики его взаимодействия с плитой дорожного покрытия / Т. Г. Винокурова, Г. Н. Ко-лесников, М. И. Раковская // Информационные технологии моделирования и уп-равления. — Вып. 7 (32). — Воронеж: Научная книга, 2006. — С. 814—819.
Подписано в печать 19.04.07. Формат 60x84 1/16.
Бумага газетная. Уч.-изд. л. 1. Тираж 100 экз. Изд. № 116.
Государственное образовательное учреждение
Высшего профессионального образования
ПЕТРОЗАВОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Типография Издательства ПетрГУ
185910, Петрозаводск, пр. Ленина, 33
