Совершенствование технологии строительства лесовозных дорог из некондиционных щебеночных материалов

Шакирзянов Дмитрий Игоревич
Бесплатно
В избранное
Работа доступна по лицензии Creative Commons:«Attribution» 4.0

ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………………………………………….. 4
ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТРАНСПОРТНОЙ
ИНФРАСТРУКТУРЫ ЛЕСОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА
СВЕРДЛОВСКОЙ ОБЛАСТИ И СЕВЕРНОГО У РА Л А …………………………… 10
1.1 Транспортно-эксплуатационные показатели лесовозных до р о г 10
1.2 Опыт применения каменных материалов для строительства
лесовозных дорог с низкой интенсивностью движ ения………………………… 23
1.3. Обзор производственной базы каменных материалов Свердловской
области и Северного У р а л а ……………………………………………………………………. 32
1.4 Обзор современных технологий строительства дорожных
покрытий лесовозных дорог …………………………………………………………………… 34
Выводы по главе и постановка цели и задач исследования…………………… 40
ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ СТРОИТЕЛЬСТВА
ПОКРЫТИЙ ЛЕСОВОЗНЫХ ДОРОГ ИЗ НЕКОНДИЦИОННЫХ
ЩЕБЕНОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ……………………………………………………………….. 42
2.1 Теоретические основы формирования структурных связей
в щебеночных покрытиях лесовозных д о р о г ………………………………………… 42
2.2 Математическое моделирование процесса строительства
щебеночного покрытия лесовозной дороги……………………………………………. 58
2.3. Результаты моделирования процесса строительства щебеночного
покрытия лесовозной д о р о ги …………………………………………………………………. 71
Выводы по г л а в е ……………………………………………………………………………………… 79
ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВА ЩЕБЕНОЧНЫХ ПОКРЫТИЙ ЛЕСОВОЗНЫХ
ДОРОГ………………………………………………………………………………………………………….. 81
3.1 Разработка методики проведения экспериментальных исследований
по строительству щебеночных покрытий лесовозных до р о г………………… 81
3.2. Лабораторные исследования по уплотнению щебеночных
материалов……………………………………………………………………………………………….. 85
3.3. Производственные исследования строительства щебеночных
покрытий лесовозных дорог……………………………………………………………………. 96
Выводы по г л а в е ……………………………………………………………………………………… 102
ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ И
ПРАКТИЧЕСКИХ РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО СТРОИТЕЛЬСТВУ
ЩЕБЕНОЧНЫХ ПОКРЫТИЙ ЛЕСОВОЗНЫХ ДОРОГ
ИЗ НЕКОНДИЦИОННЫХ КАМЕННЫХ М АТЕРИ А ЛО В………………………. 104
4.1 Совершенствование технологии строительства щебеночных
покрытий при строительстве лесовозных до р о г……………………………………. 104
4.2 Разработка рекомендаций на выполнение работ по устройству
щебеночных покрытий лесовозных дорог …………………………………………….. 117
4.3 Технология устройства дорожных одежд лесовозных дорог
из щебеночных м атериалов……………………………………………………………………. 121
4.4 Оценка эффективности строительства лесовозных до р о г……………….. 132
Выводы по г л а в е ……………………………………………………………………………………… 136
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМ ЕНДАЦИИ…………………………………………. 138
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ С П И С О К ………………………………………………………… 140
ПРИЛОЖЕНИЕ А ……………………………………………………………………………………….. 159
ПРИЛОЖЕНИЕ Б ……………………………………………………………………………………….. 170
ПРИЛОЖЕНИЕ В ……………………………………………………………………………………….. 177
ПРИЛОЖЕНИЕ Г ………………………………………………………………………………………… 181
ПРИЛОЖЕНИЕ Д ………………………………………………………………………………………… 188
ПРИЛОЖЕНИЕ Ж ……………………………………………………………………………………….. 212

Во введении изложено содержание диссертационной работы, обоснованы актуальность и научная новизна выполненных исследований, их практическая значимость, результаты внедрения, а также сформулированы основные поло- жения, выносимые на защиту.
В первой главе выполнен анализ работ, посвященных изучению транс- портной инфраструктуры лесов Свердловской области и Северного Урала.
Основные требования к лесным дорогам и лесовозным сетям были сфор- мулированы в исследованиях таких ученых как, В. И. Алябьева, Н. П. Вырко, Б. А. Ильина, И. И. Леоновича, Э. О. Салминена, А. П. Соколова и др.
Вопросами повышения транспортно-эксплуатационных показателей лесо- возных автомобильных дорог и их строительства занимались такие ученые, как О. Н. Бурмистрова, В. К. Курьянов, И. Н. Кручинин, М. Г. Салихов, М. Ю. Смирнов, С. И. Сушков, А. В. Скрыпников. Значительный вклад по строитель- ству временных лесных автомобильных дорог внесен в работах Б. П. Вейнбер- га, М. М. Корунова, И. В. Крагельского, С. И. Морозова.
В основу их исследований легли принципы повышения эффективности технологии строительства лесовозных дорог с применением только качествен- ных кондиционных дорожно-строительных материалов, а изменения их физи- ко-механических свойств в процессе строительства и их дальнейшей эксплуа- тации не рассматривались.
Становится очевидным, что для повышения эффективности лесотранс- портных операций необходимы дополнительные исследования по применению местных некондиционных щебеночных материалов в условиях Свердловской области и Северного Урала.
На основе анализа методов повышения эффективности строительства ще- беночных покрытий лесовозных дорог были сформулированы задачи исследо- ваний.
Во второй главе рассмотрены теоретические методы повышения эффек- тивности строительства покрытий лесовозных дорог из некондиционных щебе- ночных материалов.
Технологии строительства дорожных покрытий из щебеночных материа- лов неразрывна связана с процессом формирования прочного слоя дискретной структуры, когда элементы структуры не имеют жестких связей между собой или же, эти структурные связи являются слабыми.
Структурная прочность дискретных сред оценивается величинами взаимо- действия между его составными частицами. Это, или величина контактов меж- ду соседними зернами, или плотность зернистой среды, или угол внутреннего трения среды.
На сегодняшний день расчетные физико-механические модели дискрет- ного тела получены только для нескольких частых случаев. В их основе лежит взаимодействий между отдельными частицами, а связи между ними только ме- ханические.
Наиболее известна модель W.F. Murphy, по оценке числа контактов в зави- симости от пустотности дискретной среды
CC0 BV0 Vn, (1) где С0 – число контактов в неуплотненной дискретной среде; V0 – начальная межзерновая пустотность дискретной среды, %; V – межзерновая пустотность уплотненной дискретной среды, для случая V0 V,%; B – эмпирический коэф-
фициент; n – показатель степени.
В случае внешнего воздействия P на слой дискретного материала, удержи-
вающая сила F между частицами может быть оценена по модели Hertz-Mindlin: F4C1 D2p , (2)
где P – давление на слой материала, МПа; D – размер частицы, мм; C – кон- тактное число, или число контактов между частицами; V – межзерновая пус- тотность слоя дискретного материала, %.
Помимо числа контактов между частицами, любая дискретная среда бу- дет обладать прочностью, которая зависит не только от размера, формы частиц, но и от суммарного значения межзерновых пустот.
Наиболее известные исследования по оценке пустотности и зерновых со- ставов дискретных сред представлены в модели Фуллера и Андреасена:
D
где A – содержание частиц меньших, чем размер d; d – крупность зерен той
фракции, для которой вычисляется ее содержание в смеси, мм; D – максималь- 7
 1V
 d n
A100  , (3)

ный размер частиц, мм; n – степень кривой максимальной плотности по Фулле- ру n = 0,45, по Андреасену n = 0,37 (для пространственного распределения).
В то же время модель Cumberland D. J. and Crawford R. J., для оценки меж- зерновой пустотности идеализированной двуразмерной системы позволяет по- лучить значения максимальной пустотности в зависимости от крупности запол- нителя.
Для щебеночных покрытий лесовозных дорог характерна каркасная струк- тура заполнителя. Именно для них, модель Горелышева Н. В. позволила оцени- вать свойства щебеночной смеси, в зависимости от коэффициента упаковки:
Купк Ld, (4) d
где Купк – коэффициент упаковки, приКупк 0 возникает контактная структура
материала; L – расстояния между отдельными зернами смеси, мм; d – диаметр частиц в мм, для которых оценивается коэффициент упаковки.
Межзерновая пустотность и зерновой состав дискретного материала влия- ет не только на удерживающие усилия между частицами, но и на конструктив- ную прочность слоя. Модель, предложенная А. К. Бируля позволяет оценить прочность конструктивного щебеночного слоя выражением:
EK 0,7n0,7 51n960, (5) пр
где n – остаточная пористость щебеночного слоя, %;Kпр – коэффициент проч-
ности каменного материала:
Представленные исследования рассматривали только отдельные частные
случаи, чаще всего, для идеализированных сред и качественных, кондиционных каменных дорожно-строительных материалов.
С целью устранения отдельных противоречий в теории дискретных тел и учитывая неопределенность физико-механических характеристик некондици- онных материалов была разработана математическая модель строительства ле- совозных дорог с покрытиями из некондиционных щебеночных материалов (рисунок 1).
В основу математической модели положен блочно-функциональный прин- цип. Структурно, математическая модель состоит из следующих подсистем: подсистема формирования исходных данных; подсистема оценки физико- механических свойств щебеночного материала; подсистема адаптивной нейро- нечёткой сети; подсистема строительного контроля качества дорожного покры- тия. Особенностью математической модели стало использование для настройки нейронечеткой сети опытных, экспериментальных данных изменения физико- механических характеристик некондиционных материалов под действием внешних нагрузок.
Основными показателями качества строительства покрытия лесовозной дороги может служить модуль общей деформации, модуль упругости и дина- мический модуль упругости конструктивного слоя.
В наших исследованиях рассматривается обобщенный технологический показатель строительства лесовозных дорог – динамический модуль упругости
дорожного покрытия EVD:
Evd  f F,D,C,V,NC, (6) 8

где F – удерживающие усилия между частицами, F=f (D,C,p,n), кН; D – разме- ры частицы, D = f(k, p), мм; k – коэффициент прочности материала; С – коли- чество контактов между зернами, С=f(D,n); n – межзерновая пустотность слоя, n=f(D, p,W), %; W – влажность слоя; NС – количество циклов нагружения на покрытие.
Рисунок 1 – Структурная схема математической модели строительства лесовозной дороги с покрытиями из некондиционных щебеночных материалов
Для решения задачи, с учетом условий неопределенности использовались методы приложения теории нечетких множеств нечеткой логики. Нечеткий вы- вод выполнялся по методу функции Мамдани. Для практической реализации нечетких моделей использовалась система компьютерной математики Matlab, которая располагает средствами для этой цели – приложения Fuzzy Logic Toolbox, FIS Editor.
Постановка задачи в содержательном виде заключается в качественном описании основных зависимостей выходной величины от исходных данных.
В процедуре фаззификации обоснованы входные и выходные переменные в виде нечетких функций принадлежности (лингвистических переменных), а также определены терммножества лингвистических переменных.
В качестве входных величин принята крупность начального зернового со- става каменного материала К, количество циклов нагружения, NC. В качестве
9

выходного значения переменной, характеризующей несущую способность по- крытия, принято значение удерживающих сил F между частицами каменного материала.
Для лингвистических переменных определены терммножества со сле- дующими значениями:
– «Удерживающие силы, F» = {Мин, Мал, Срд, Бол, Макс};
– «Крупность фракционного состава, К» = {Мин, Мал, Срд, Бол, Макс};
– «Количество циклов нагружения, NC» = {Мин, Мал, Срд, Бол, Макс}.
В лингвистических переменных значения терммножеств представлены в
виде треугольных подмножеств, а по краям универсума приняты S-образные и Z-образные функции. Формализация нечетких функций была выполнена в среде Fuzzy Logic Toolbox.
Для вывода обобщающей функции F  f K , NC  сформулированы не- ij ij ij
четкие функции принадлежности, которые показаны на рисунке 2.
абв
а – «Крупность фракционного состава, К»; б – «Количество циклов нагружения, NC»; в – «Удерживающие силы, F»
Рисунок 2 – Нечеткие функции принадлежности
База правил нечеткой продукции приведена в таблице 1.
Таблица 1 – База правил нечеткого вывода моделирования величины удерживающих сил ме-
жду частицами каменного материала F  f K , NC  ij ij ij
Значения лингвистической переменной «Крупность фракционного состава К»
Значения выходных нечетких подмножеств «Удерживающие силы F» при изменении нечеткой функции
«Количество циклов нагружения NC»
Мал Срд Бол Макс Мал Мин Мин Мин Срд Мал Мин Мин
Бол Срд Мал Мин Макс Бол Срд Мал Макс Бол Срд Мал
Мин Мин Мин Мал Мал Срд Срд Бол Срд
Макс Бол
Создание новых методов оценки качества покрытий лесовозных дорог при строительстве их из некондиционных материалов с учетом условий неоп- ределенности привел к разработке адаптивной нейронечеткой продукционной сети типа ANFIS (Adaptive Network-based Fuzzy Inference System). Эта сеть имеет свойства продукционных нечетких систем на основе базы правил и свойства простых нейронных сетей поэтому относится к системам гибридного типа. Входные параметры: удерживающие усилия, F; усредненный размер частиц, наиболее преобладающих в составе смеси дорожного покрытия D; межзерновая
пустотность n; количество циклов нагружения на покрытие NC. Обучающие выборки со значениями принятых параметров приведены в таблице 2.
Таким образом, задача оценки технологической эффективности строитель- ства покрытия лесовозных дорог по значению динамического модуля упругости является чрезвычайно сложной, так как все взаимозависимые параметры харак- теризуются неопределенностью в данных.
Таблица 2 – Параметры обучающих выборок нейросети строительства покрытия лесовозных дорог
Удерживающие усилия между час- тицами, F кН
Усредненный размер частиц, D мм
Межзерновая пустотность, n
Количество циклов нагру- жения (сте- пень), NС
Динамический модуль упру- гости, ЕVD, МПа
No
1 2 3 4
6
8,6 18,2 4,2 7,2 2,3 6,3
0,25 0,14 0,11 0,10
10 (1) 100 (2) 1000 (3) 10000 (4)
от 1 до 10000
25,3 48,7 40,1 28,6
от 18,6 до 52,5
0,8
от 0,5 до 11,2
2,5
Обоснование переменных
Наибольшие заре- гистрированные значения наблю- даемого диапазона
По данным ситового ана- лиза
Наибольшее и наи- меньшее зарегист- рированное значе- ние пустотности дорожного покры- тия
Нормативные значения для лесных дорог
Диапазон зна- чений, полу- ченных при полевых испы- таниях
от 2,5 до 20 от 0,1 до 0,4
Построенная сеть относится к системам гибридного типа, т.к. имеет свой- ства продукционных нечетких систем на основе базы правил и свойства про- стых нейронных сетей. Система выполнена в среде MATLAB. Исходные данные формируются в виде матрицы с исходными данными. Схема методики форми- рования сети показана на рисунке 3.
Рисунок 3 – Схема метода нечеткого вывода (Сугено) в сети
В результате исследований установлено, что в процессе строительства ще- беночных покрытий лесовозных дорог в точках контакта зерен каменного мате- риала возникают усилия в виде удерживающих сил F между ними.
При внешнем воздействии на покрытия размеры частиц изменяются, про- исходит их измельчение и уменьшение давления между зернами каменного ма- териала до предела, когда рост числа контактов замедляется и происходит пе- рераспределение напряжений в покрытии. После достижения оптимального зернового состава будет происходить последовательное снижение прочности щебеночного покрытия.
11

Изменение удерживающих сил F происходит по-разному в различных диа- пазонах количества внешних циклов нагружения NC. На рисунке 4, а представ- лены зависимости изменения удерживающих сил в покрытии лесовозной доро- ги от количества циклов нагружения для кондиционного и некондиционного щебеночного материала.
График функции F  f (K, NC) в зависимости от крупности зернового со- става и количества циклов нагружения приведен на рисунке 4, б.
а – Изменения удерживающих сил между частицами в щебеночных покрытиях лесовозных дорог от количества циклов нагружения (1 – кондиционный материал; 2 – некондиционный материал.); б – График функции нечеткого вывода
Рисунок 4 – Изменение удерживающих сил F в различных
диапазонах количества внешних циклов нагружения NC
Усредненный размер частиц каменного материала при моделировании по- стоянно изменяется. Нами были рассмотрены выборки с размерами частиц от 2,5 до 20 мм.
Решение поставленной задачи с учетом условий неопределенности прово- дилось с помощью основных методов приложения теории нечетких множеств нечеткой логики.
Для оценки сдерживающего усилия, которое наиболее точно характеризует не- сущую способность покрытия, получена соответствующая функция по изло- женной выше методике.
Наличие разработанной адаптивной нейронечеткой продукционной сети типа ANFIS (Adaptive Network-based Fuzzy Inference System) позволило расши- рить область исследования повышения технологической эффективности строи- тельства лесовозных дорог. Выбор функций принадлежности проводился по параметрам: количество циклов нагружения, удерживающие усилия, усреднен- ный размер частиц, межзерновая пустотность.
Судя по результатам расчетов модель системы строительства лесовозных дорог является достаточно адекватной реальным объектам.
На рисунке 5 представлены результаты моделирования изменения техно- логических параметров щебеночных покрытий лесовозных дорог.
Изменения динамического модуля упругости в зависимости физико- механических свойств каменного материала позволил определить зоны опти- мального уплотнения, при условии сохранности структуры дискретных, щебе- ночных слоев.
12

аб
вг
а) E=f(p, F); б) E=f(D, F); в) E=f(NC, F); г) E=f(D, NC)
Рисунок 5 –Зависимости изменения технологического параметра (динамический модуль упругости) в зависимости от циклов нагружения и физико-механических свойств щебеночного материала
В третьей главе изложены материалы экспериментальных исследований по строительству лесовозных дорог из щебеночных материалов, выполненные в два этапа:
 исследования на лабораторной установке изменения физико- механических свойств некондиционных щебеночных материалов при их уплот- нении;
 исследования в производственных условиях участков лесовозных дорог, построенных из щебеночных материалов, с их инструментальным обследовани-
ем.
В лабораторных исследованиях имитировался процесс уплотнения щебе-
ночных некондиционных материалов при строительстве покрытий лесовозных дорог, с использованием вальцового уплотнителя (роллерный компактор) B039 (рисунок 6, а). Секторный вальцовый уплотнитель позволил оперативно созда- вать значительное количество циклов нагружения на слой исследуемого щебе- ночного материала. При лабораторных испытаниях были заданы значения уп- лотняющих нагрузок в 10000 циклов, что эквивалентно не более 200 проходов лесовозных автопоездов в сутки по лесной дороге в течение 20 лет.
Испытаниям были подвержены каменные материалы, наиболее доступные на территории Свердловской области и Северного Урала: смесь щебеночно- песчаная некондиционная (ЩПСН), ООО «Уральский щебень», карьер п. По- кров-Уральский; смесь вскрышных и вмещающих пород и некондиционных от- ходов Богословского рудоуправления, месторождение Воронцовское; смесь вскрышных пород Волчанский балластный карьер.
В результате проведенного комплекса испытаний по уплотнению получе- ны данные по изменению зерновых составов материала в зависимости от внеш- него нагружения и количества циклов приложения нагрузки (рисунок 6, б).
Выяснено, что зерновой состав смеси измельчается с различной интенсив- ностью. Так, впервые установлено, что наибольшему измельчению подверга-
13

ются частицы с размером от 5,0 до 70 мм. Именно они начинают увеличивать количество мелких частиц в смеси материала. Начиная с 100-го цикла нагруже- ния характер измельчения изменяется, что, видимо, связано с перераспределе- нием напряжений от уплотнения в смеси и изменениями между каркасообра- зующими и заполняющими фракциями
аб
а – Лабораторная установка (роллерный компактор B039);
б – Зерновые составы щебеночно-песчаной смеси, некондиционной, в зависимости от количества циклов приложения нагрузки. Рисунок 6 – Лабораторные исследования уплотнения щебеночных некондиционных материалов
На рисунке 7 представлены кривые зерновых составов в зависимости от количества циклов нагружения, полученные в лабораторных условиях.
1 – зерновой состав после 40 – го цикла приложения нагрузки; 2 – зерновой состав смеси максимальной плотности; 3 – зерно- вой состав после 10000 – го цикла приложения нагрузки;
4 – исходный зерновой состав; 5 – область ограниченного доступа (область структурной неустойчивости
для смесей фр. св. 0,315 до 2,5 мм).
Рисунок 7 – Изменения зерновых составов щебеночно-песчаной смеси некондиционной, в зависимости
от количества циклов приложения нагрузки
Анализ показал, что применение не- кондиционных ка- менных материалов при строительстве щебеночных покры- тий лесовозных дорог имеют свои особен- ности. Было выясне- но, что исходный со- став смесей не удов- летворяет основным требованиям, предъ- являемыми норма- тивно технической документацией по строительству авто- мобильных дорог (кривая 4) и даже проходит по области ограниченного досту- па.
В процессе уплотнения слоя из щебеночного материала происходит суще- ственное изменение зернового состава. В опытах было зафиксировано умень- шение крупной фракции состава. Зерновой состав после уплотнения, на 40-м
цикле, показал приемлемые показатели по структурной устойчивости, кривая 1. Однако по мере увеличения внешнего воздействия количество мелкого запол- нителя продолжает увеличиваться и достигает своего критических значений при значениях в диапазоне, близком к 10000-му циклу нагружения, кривая 3.
Частотный анализ зернового состава щебеночного материала показал, что структурная прочность слоя зависит от наличия мелкого заполнителя (рисунок
8).
Полученные опытно- экспериментальные зависимости использовались при настройке нейронечеткой сети в математи- ческой модели строительства ле- совозной дороги из некондици- онных щебеночных материалов.
На втором этапе исследова- ния, в производственных услови- ях были построены щебеночные покрытия лесных дорог, с прове- дением их инструментального обследования.
Рисунок 8 – Частотный анализ зернового состава некондиционной ЩПСН Покров-Уральский ООО «Уральский щебень» при его уплотнении
Было выяснено, что в процессе строительства щебеночного покрытия прочность слоя наиболее интенсивно возрастает при начальном уплотнении виброкатками.
В качестве основного технологического показателя был использован ди- намический модуль упругости конструктивного слоя щебеночного покрытия (рисунок 9).
аб
Рисунок 9 – Обследование дорожных конструкций из некондиционных материалов динами- ческим прогибометром ZFG. (Свердловская область, магистральная лесовозная дорога) и изменение динамического модуля упругости и коэффициента уплотнения щебёночного покрытия в зависимости от количества циклов нагружения (проходов виброкатка)
(1 – Участок No1; 2 – Участок No2; 3 – Участок No3)
В четвертой главе разработаны технические, технологические решения и практические рекомендации по строительству щебеночных покрытий лесовоз-
15

ных дорог из некондиционных каменных материалов в условиях Свердловской области и Северного Урала.
На рисунке 10 представлены основные положения разработанной последо- вательности работ при строительстве лесовозных дорог.
Рисунок 10 – Последовательность работ при строительстве лесовозных дорог
Учитывая, что основной технологической операцией является уплотнение дорожно-строительного материала, были проведены исследования по анализу парка уплотняющих машин, наиболее распространенных на территории Сверд- ловской области и Северного Урала. В таблице 3 представлены основные функционально-технологические параметры вибрационных катков и их обоб- щенные показатели.
Таблица 3 – Функционально-технологические параметры уплотняющей техники, применяемой в строительстве лесовозных дорог на территории Свердловской области
Вид производств а работ
Начало уплотнения Окончание уплотнения
Масса
Статическа катка, я линейная т
нагрузка на валец, кН/м
42-63 9,8 – 15,0
42-63 9,8 – 15,0
Уплотняющая способность катка, МПа
0,129 – 0,202 0,129 – 0,202
Давление в пятне контакта, с учетом динамической
нагрузки, P0 , МПа
4,7-6,8 9,6-15,9
Индекс уплотняющей способности виброкатков J к
Толщина уплотняемого слоя, см
8 12 15 20
1,1- 1,2- 1,3- 1,4- 1,2 1,4 1,4 1,6 0,24- 0,29- 0,38- 0,40- 0,47 0,50 0,52 0,56
16

На основании проведенных опытно-экспериментальных исследований, в качестве критерия производственной эффективности использований дорожно- строительной уплотняющей техники было введено понятие – индекс уплот- няющей способности виброкатка, как функционально-технологический пара- метр. Он учитывает степень накопления деформации в уплотняемом слое и за- висит от интенсивности воздействия виброкатка на уплотняемый материал, мо- дуля деформации уплотняемого слоя и его толщины.
Функционально-технологический параметр позволяет оценивать уплот- няющие возможности виброкатка и подбирать технологию строительства лесо- возных дорог. Индекс уплотняющей способности виброкатка Jк оценивается по выражению:
Jк Iв, (7) к техн NC
где ктехн – коэффициент технологичности, учитывающий вид материала и тол-
щину уплотняемого слоя, ктехн = 1,1…2,2; Iв – интенсивность воздействия от
виброкатка на уплотняемый материала, I  n P ; NC – количество циклов на- вц0
гружения на покрытие от вальца катка.
На рисунке 11 представлены зависимости изменения индекса
уплотняющей способности для виброкатка Bomag, BW 154 АD-4 с рабочей массой Q = 9,8 т и виброкатка Dynapac CA 3000 с рабочей массай Q = 13,8 т при уплотнении слоя ЩПСН толщиной 12, 15 и 25 см соответственно.
1, 2 -Dynapac CF 3000, при h = 15 см, при h= 25 см; 3, 4 – Bomag BW 154, при h = 12 см; при h = 25 см; Рисунок 11 – Индекс уплотняющей способности виброкатков
Установлено, что уплотняющее воздействие от виброкатка не должно превышать значение индекса более Jк = 0,38. В случае превышения значения индекса следует скорректировать типоразмер виброкатка, количество проходов при уплотнении или толщину уплотняемого слоя материала.
В результате техни- ко-экономического анали- за установлено, что наи- меньшей стоимостью
строительства щебеночных покрытий лесовозных дорог обладают грунтогра- вийные покрытия из вскрышных и вмещающих пород, однако их прочностные параметры существенно уступают базовому варианту из ЩПСН (динамический модуль упругости 42,2 и 49,7 МПа соответственно).
Наиболее затратным способом строительства следует считать конструк- цию дорожного покрытия из качественного щебня фракции 40-70 из извержен- ных пород, устраиваемой по способу заклинки (удорожание от базового до 27%). В этом случае динамический модуль упругости покрытия оказался даже ниже нормативного, что характерно для кондиционных трудноуплотняемых
щебней. Для достижения нормативных значений необходимо использование более мощные, дорогостоящие уплотняющие средства.
Дорожные покрытия из кондиционных щебней фракции 40-80 из извер- женных пород, устраиваемых по способу заклинки, так же показывают увели- чение эксплуатационных затрат в сравнении с базовым вариантом.
Основные выводы и рекомендации
1. Установлено, что существующие технологии строительства лесовозных дорог с покрытиями из щебеночных материалов применяются только с исполь- зованием качественных кондиционных каменных материалов, а изменения их физико-механических свойств в процессе строительства не рассматривались.
2. Разработана математическая модель строительства лесовозных дорог с покрытиями из некондиционных щебеночных материалов, построенная на основе теории нечетких множеств и нейронечеткой сети, с учетом неопределенности физико-механических свойств материалов.
3.Расчеты показали, что наибольшие удерживающие усилия в щебеночных покрытиях лесовозных дорог достигаются при усредненном размере частиц 8,22 мм, а наименьшие, при преобладании частиц с усредненным размером частиц менее 2, 23 мм.
4. Частотный анализ зерновых составов покрытий лесовозных дорог из некондиционных щебеночных материалов, показал, что при достижении среднего номинального максимального размера в диапазоне от 5 до 10 мм прочность слоя достигает наибольших значений.
5. На основе теоретических и экспериментальных исследований определены диапазоны рациональных зерновых составов покрытий лесовозных дорог из некондиционных щебеночных материалов. Установлено, что на сите 5 мм частные остатки должны соответствовать диапазону от 24 до 35%, на сите 10 мм диапазону от 12 до 18 %.
6. Установлено, что совмещение двух технологических операций уплотнения и измельчения, при строительстве щебеночных покрытий лесовозных дорог, возможно реализовать при индексе уплотняющей способности вибрационных катков в диапазоне от 0,38 МПа и ниже. В случае несоответствия функционально-технологических параметров вибрационного катка толщина уплотняемого слоя изменяется.
7. Расчетами установлено, что при строительстве покрытий лесовозных дорог из некондиционных щебеночных материалов, для повышения технологической эффективности строительства необходимо реализовать от 40 до 70 циклов приложения нагрузки на слой покрытия, что соответствует технологическим значениям от 8 до 10 проходов вибрационного катка по одному следу.
8. При строительстве лесовозных дорог из некондиционных материалов динамический модуль упругости щебеночного покрытия следует принимать равным 35 МПа и выше, при величине остаточной пустотности не более 18 %.

Актуальность темы исследования. В современных условиях ведение
лесопромышленной деятельности ограничено возможностью использования
качественных дорожно-строительных материалов для строительства и эксплу­
атации лесовозных дорог. В настоящее время на территории Свердловской об­
ласти реализуется свыше семи инвестиционных проектов по освоению лесов,
транспортная доступность которых составляет не более 60%. А степень обес­
печенности дорожно-строительными материалами, для создания транспорт­
ной инфраструктуры лесов еще меньше и не превышает 35 %. Актуальность
темы исследования совершенствование технологии строительства лесовозных
дорог из некондиционных щебеночных материалов исходит прежде всего из
возможности применения в качестве дорожно-строительных материалов неис­
пользуемых остатков переработки каменных материалов производственной
базы строительства Свердловской области и Северного Урала.
Следует отметить, что использование для строительства лесовозных лес­
ных дорог местных некондиционных щебеночных материалов сопряжено с ря­
дом технологических и эксплуатационных трудностей. Эти некондиционные
материалы являются либо отходами горнодобывающей промышленности,
либо низкосортными каменными материалами с нестабильными зерновыми
составами и не удовлетворяют требованиям нормативно технической доку­
ментации по строительству автомобильных дорог. При этом, ежегодно на тер­
ритории области образуется около 18 млн. тонн неиспользуемых остатков ка­
менных материалов и вскрышных пород. Такое количество отходов каменных
материалов оказывает серьезное негативное влияние на лесопользование в
Свердловской области и районах Северного Урала.
Таким образом, актуальность работы состоит в совершенствовании тех­
нологии строительства лесовозных автомобильных дорог из некондиционных
щебеночных материалов в условиях Свердловской области и Северного
Урала.
Работа выполнялась в соответствии со Стратегией развития лесного
комплекса Российской Федерации на период до 2030 года (распоряжение Пра­
вительства Российской Федерации от 11 февраля 2021 года .№312-р) и в рамках
фундаментальных научных исследований ФГБОУ ВО УГЛТУ FEUG-2020-
0013 «Экологические аспекты рационального природопользования» (номер
госрегистрации темы АААА-А20-120092390016-9).
Степень разработанности темы исследования. Проблемами повыше­
ния эффективности строительства лесовозных лесных автомобильных дорог и
элементов транспортной инфраструктуры занимались такие учреждения Выс­
шего Образования, как СПбГЛТУ, ВГЛТУ, УГЛТУ, УГТУ, ПГТУ. Разрабо­
таны вопросы проектирования и строительства лесовозных лесных автомо­
бильных дорог. Выполненные исследования направлены на оценку транспорт­
ных, эксплуатационных и экологических качеств лесовозных дорог. Значи­
тельное количество исследований посвящено анализу транспортной инфра­
структуры лесосырьевой базы Свердловской области и Северного Урала.
При этом требования, предъявляемые к обеспечению устойчивого раз­
витию лесотранспортной инфраструктуры и технологиям строительства лесо­
возных дорог, работающих на арендуемых лесных участках Северного реги­
она Свердловской области и Северного Урала до конца не сформулированы.
В диссертации обосновывается решение проблемы повышения техноло­
гической эффективности строительства лесовозных дорог из местных некон­
диционных щебеночных материалов в условиях Свердловской области и Се­
верного Урала.
Цель исследования. Совершенствование технологии строительства ле­
совозных дорог из некондиционных щебеночных материалов в условиях
Свердловской области и Северного Урала.
Задачи исследования:
1. Провести анализ современных технологий строительства лесовозных
дорог с покрытиями из щебеночных материалов;
2. Разработать математическую модель строительства лесовозных дорог
с покрытиями из некондиционных щебеночных материалов;
3. Исследовать изменения физико-механических свойств щебеночных
покрытий лесовозных дорог из некондиционных каменных материалов в про­
цессе строительства;
4. Разработать технологию строительства лесовозных дорог с покрыти­
ями из некондиционных щебеночных материалов и дать рекомендации по их
строительству.
Объект исследования: лесовозные дороги.
Предмет исследования: щебеночные покрытия лесовозных дорог, тех­
нологии и способы их строительства.
Методы исследования: системный анализ, методы дифференциального
и интегрального исчисления, математического и имитационного моделирова­
ния, регрессионного анализа, эксперимента, математической статистики.
Научная новизна работы. Результатами диссертационной работы, об­
ладающими научной новизной, являются:
1. Разработанные методики и математическая модель строительства ле­
совозных дорог с покрытиями из некондиционных щебеночных материалов,
построенная на основе теории нечетких множеств и нечетких нейронных се­
тей, отличающиеся учетом неопределенности физико-механических характе­
ристик некондиционных щебеночных материалов.
2. Разработанные методики оценки прочностных свойств щебеночных
покрытий лесовозных дорог, отличающиеся учетом зернового состава и сте­
пени уплотнения некондиционных щебеночных материалов, обеспечивающие
увеличение прочностных качеств дорожных покрытий.
3. Предложенные пути повышения технологической эффективности
строительства лесовозных дорог с покрытиями из некондиционных щебеноч­
ных материалов, отличающиеся учетом функционально-технологических па­
раметров вибрационных катков и совмещения операций по уплотнению и из­
мельчению каменного материала, позволяющие повысить качество строитель­
ства лесовозных дорог.
Научные положения, выносимые на защиту.
1. Методика и математическая модель, процесса строительства лесовоз­
ных дорог с покрытиями из некондиционных щебеночных материалов на ос­
нове теории нечетких множеств и построения нечетких нейронных сетей, поз­
воляющие формировать устойчивые дорожные покрытия.
2. Методика оценки прочностных свойств щебеночных покрытий лес­
ных дорог, позволяющая разрабатывать мероприятия по формированию
уплотненного слоя дорожного покрытия, с учетом неопределенности зерно­
вого состава и физико-механических характеристик некондиционного щебе­
ночного материала.
3. Рекомендации по повышению технологической эффективности стро­
ительства лесовозных дорог с покрытиями из некондиционных щебеночных
материалов, позволяющие обеспечивать подбор вибрационных катков с уче­
том их функционально-технологических параметров и совмещения операций
по уплотнению и измельчению каменного материала.
Теоретическая и практическая значимость работы состоит в разра­
ботке математической модели строительства лесовозных дорог с покрытиями
из некондиционных щебеночных материалов и совершенствовании техноло­
гии строительства лесовозных дорог с покрытиями из местных некондицион­
ных щебеночных материалов в условиях Свердловской области и Северного
Урала.
Результаты работы позволят повысить технический уровень вновь стро­
ящихся лесовозных дорог, реализовать концепцию развития местных инвести­
ционных проектов повышения транспортной доступности лесов, приводящих
к сокращению затрат на дорожно-строительные материалы и дорожно-строи­
тельную технику.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций.
Сформулированные в диссертации научные положения, выводы и рекоменда­
ции обоснованы теоретическими решениями и экспериментальными результа­
тами, полученными в работе, базируются на результатах опыта строительства
лесовозных дорог, не противоречат известным положениям научных методов
математического моделирования, и подтверждаются статистическими расче­
тами, выполненными на основе результатов лабораторных и производствен­
ных экспериментов. Полученные алгоритмы реализованы в виде вычислитель­
ных экспериментов в среде Simulink, Fuzzy Logic Toolbox, FIS Editor.
Личное участие соискателя в получении результатов, изложенных в
диссертации. В работе и опубликованных статьях автор обосновал актуаль­
ность темы, поставил цель научно-исследовательской работы и сформулиро­
вал исследовательские задачи, определил и улучшил методические аспекты
проведения исследований. Являлся инициатором и непосредственным участ­
ником проведения лабораторных и полевых экспериментов и сбора данных,
осуществлял деятельность по аннотированию и ведению исследовательских
данных. Автором выполнен анализ научно-технических источников информа­
ции, сформулированы проблема, цель, задачи исследования, получены теоре­
тические и экспериментальные результаты, осуществлены их обработка, ин­
терпретация и внедрение в производство и учебный процесс.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации
докладывались и обсуждались: на международных научных, научно-практи­
ческих и научно-технических конференциях:
– Цифровые технологии в лесном секторе. Материалы Всероссийской
научно-технической конференции Санкт-Петербургский государственный ле­
сотехнический университет имени С. М. Кирова (Санкт-Петербург, 2020 г.);
– Химия. Экология. Урбанистика. Материалы Всероссийской научно­
практической конференции (с международным участием). (Пермь, 2020).
– Всероссийская научно-практическая конференция «Современные про­
блемы развития Европейского Севера». (Ухта, 2021 г);
Реализация работы. Основные результаты теоретических и экспери­
ментальных исследований внедрены в Серовском районе Свердловской обла­
сти, используются в учебном процессе Уральского государственного лесотех­
нического университета и Ухтинского государственного технического уни­
верситета.
Публикации. Результаты исследований отражены в 8 научных работах
общим объемом 3,9 п.л. (авторских 1,3 п.л.), в том числе в 3 статьях, в изда­
ниях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ, в 1 статье в изданиях индек­
сируемых Scopus, 1 патент РФ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введе­
ния, 4 разделов, общих выводов и приложений; содержит 216 страниц текста,
29 таблиц, 48 рисунков и библиографического списка из 157 наименований,
включая 27 на иностранных языках.

Заказать новую

Лучшие эксперты сервиса ждут твоего задания

от 5 000 ₽

Не подошла эта работа?
Закажи новую работу, сделанную по твоим требованиям

    Нажимая на кнопку, я соглашаюсь на обработку персональных данных и с правилами пользования Платформой

    Читать

    Публикации автора в научных журналах

    Моделирование транспортно-эксплуатационного состояния покрытий лесных дорог
    И. Н. Кручинин, Д. И. Шакирзянов, В. В. По- бединский // Деревообрабатывающая промышленность. – 2– No– С. 3-Шакирзянов, Д. И. Система оценки транспортно-эксплуатационного со- стояния покрытий переходного типа лесных автомобильных дорог / И. Н. Кру- чинин, В. В. Побединский, Д. И. Шакирзянов, В. В. Данилов // Деревообраба- тывающая промышленность. – 2– No – С. 3
    Нейронная сеть для оценки транспортно-эксплуатационного состояния лесных автомобильных дорог
    В. В. Победин- ский, И. Н. Кручинин, М. В. Шавнина, Д. И. Шакирзянов // Деревообрабаты- вающая промышленность. – 2– No – С. 10-б) Scopus
    Информационное обеспечение технологии строительства дорожных покрытий лесных дорог применительно к условиям Республики Коми
    И. Н. Кручинин, Д. И. Шакирзянов / Цифровые технологии в лесном сек- торе. Материалы Всероссийской научно-технической конференции Санкт- Петербургский государственный лесотехнический университет имени С. М. Ки- рова; Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого – СПб: ПОЛИТЕХ-ПРЕСС, 2– С. 169

    Помогаем с подготовкой сопроводительных документов

    Совместно разработаем индивидуальный план и выберем тему работы Подробнее
    Помощь в подготовке к кандидатскому экзамену и допуске к нему Подробнее
    Поможем в написании научных статей для публикации в журналах ВАК Подробнее
    Структурируем работу и напишем автореферат Подробнее

    Хочешь уникальную работу?

    Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!

    Евгений А. доктор, профессор
    5 (154 отзыва)
    Более 40 лет занимаюсь преподавательской деятельностью. Специалист в области философии, логики и социальной работы. Кандидатская диссертация - по логике, докторская - ... Читать все
    Более 40 лет занимаюсь преподавательской деятельностью. Специалист в области философии, логики и социальной работы. Кандидатская диссертация - по логике, докторская - по социальной работе.
    #Кандидатские #Магистерские
    260 Выполненных работ
    Татьяна Б.
    4.6 (92 отзыва)
    Добрый день, работаю в сфере написания студенческих работ более 7 лет. Всегда довожу своих студентов до защиты с хорошими и отличными баллами (дипломы, магистерские ди... Читать все
    Добрый день, работаю в сфере написания студенческих работ более 7 лет. Всегда довожу своих студентов до защиты с хорошими и отличными баллами (дипломы, магистерские диссертации, курсовые работы средний балл - 4,5). Всегда на связи!
    #Кандидатские #Магистерские
    138 Выполненных работ
    Елена С. Таганрогский институт управления и экономики Таганрогский...
    4.4 (93 отзыва)
    Высшее юридическое образование, красный диплом. Более 5 лет стажа работы в суде общей юрисдикции, большой стаж в написании студенческих работ. Специализируюсь на напис... Читать все
    Высшее юридическое образование, красный диплом. Более 5 лет стажа работы в суде общей юрисдикции, большой стаж в написании студенческих работ. Специализируюсь на написании курсовых и дипломных работ, а также диссертационных исследований.
    #Кандидатские #Магистерские
    158 Выполненных работ
    Родион М. БГУ, выпускник
    4.6 (71 отзыв)
    Высшее экономическое образование. Мои клиенты успешно защищают дипломы и диссертации в МГУ, ВШЭ, РАНХиГС, а также других топовых университетах России.
    Высшее экономическое образование. Мои клиенты успешно защищают дипломы и диссертации в МГУ, ВШЭ, РАНХиГС, а также других топовых университетах России.
    #Кандидатские #Магистерские
    108 Выполненных работ
    Евгения Р.
    5 (188 отзывов)
    Мой опыт в написании работ - 9 лет. Я специализируюсь на написании курсовых работ, ВКР и магистерских диссертаций, также пишу научные статьи, провожу исследования и со... Читать все
    Мой опыт в написании работ - 9 лет. Я специализируюсь на написании курсовых работ, ВКР и магистерских диссертаций, также пишу научные статьи, провожу исследования и создаю красивые презентации. Сопровождаю работы до сдачи, на связи 24/7 ?
    #Кандидатские #Магистерские
    359 Выполненных работ
    Александра С.
    5 (91 отзыв)
    Красный диплом референта-аналитика информационных ресурсов, 8 лет преподавания. Опыт написания работ вплоть до докторских диссертаций. Отдельно специализируюсь на повы... Читать все
    Красный диплом референта-аналитика информационных ресурсов, 8 лет преподавания. Опыт написания работ вплоть до докторских диссертаций. Отдельно специализируюсь на повышении уникальности текста и оформлении библиографических ссылок по ГОСТу.
    #Кандидатские #Магистерские
    132 Выполненных работы
    Екатерина Б. кандидат наук, доцент
    5 (174 отзыва)
    После окончания института работала экономистом в системе государственных финансов. С 1988 года на преподавательской работе. Защитила кандидатскую диссертацию. Преподав... Читать все
    После окончания института работала экономистом в системе государственных финансов. С 1988 года на преподавательской работе. Защитила кандидатскую диссертацию. Преподавала учебные дисциплины: Бюджетная система Украины, Статистика.
    #Кандидатские #Магистерские
    300 Выполненных работ
    Сергей Е. МГУ 2012, физический, выпускник, кандидат наук
    4.9 (5 отзывов)
    Имеется большой опыт написания творческих работ на различных порталах от эссе до кандидатских диссертаций, решения задач и выполнения лабораторных работ по любым напра... Читать все
    Имеется большой опыт написания творческих работ на различных порталах от эссе до кандидатских диссертаций, решения задач и выполнения лабораторных работ по любым направлениям физики, математики, химии и других естественных наук.
    #Кандидатские #Магистерские
    5 Выполненных работ
    Екатерина П. студент
    5 (18 отзывов)
    Работы пишу исключительно сама на основании действующих нормативных правовых актов, монографий, канд. и докт. диссертаций, авторефератов, научных статей. Дополнительно... Читать все
    Работы пишу исключительно сама на основании действующих нормативных правовых актов, монографий, канд. и докт. диссертаций, авторефератов, научных статей. Дополнительно занимаюсь английским языком, уровень владения - Upper-Intermediate.
    #Кандидатские #Магистерские
    39 Выполненных работ

    Последние выполненные заказы

    Другие учебные работы по предмету