SIMULATION OF VIBRATORY PLATE INTERACTION WITH THE GROUND SURFACE

Abstract


The paper presents a three-mass rheological model of the system "soil – vibration plate base – vibration plate frame". The rheological model makes it possible to reproduce different modes of interaction between the vibratory plate base and soil: with different types of plate decoupling and without decoupling. We verify this model by comparing the experimental values of the vertical oscillation span of the base and frame of the Zitrek CNP 20 vibrating plate with the previously calculated values. As a whole, the calculated values of the span of vertical oscillations of the base and frame of the Zitrek CNP 20 vibrating plate correlate with the experimental data in the range of the dynamic modulus of soil deformation of 13…30 MPa. During the experiment we used the rheological model and obtained results are as follows: the mass of the vibrating plate (50; 150; 250; 350; 450; 550; 650; 750 kg), the coefficient of the elastic resistance of soil (30; 60; 90; 120 MN / m), and the coefficient of viscous resistance of soil (100; 200; 300 kN • s / m). The total number of combinations of parameters was 96. The processed results of the computational experiment provide the regression dependences for calculating the maximum soil reaction force, the time of soil loading (increasing the values of the reaction force of soil) t1, and the time of soil unloading (decrease the values of the reaction force of soil) t2. The simulation results show that, within one exposure cycle, the soil loading time t1 is less than the soil unloading time t2. The ratio t1/t2 is influenced by the weight of the vibratory plate, as well as the factors of elastic and viscous resistance of soil. This feature (t1/ t2  1) is typical for both vibratory rollers and rammers, which is confirmed by the results of the relevant experimental studies. The obtained regression dependences of parameters Fs, t1, and t2 on the vibratory plate mass and the factors of elastic and viscous resistance of soil are important for calculating the distribution of stresses and strains on the depth of the compacted soil.

Full Text

Виброплиты в строительстве применяются при уп-лотнении грунтов в траншеях, пазухах фундаментов и в других местах, где затруднено или невозможно исполь-зовать вибрационные катки. Несмотря на то, что вибро-плиты выпускаются не одно десятилетие и накоплен достаточно большой опыт их практического примене-ния, до сих пор вопрос определения технологических возможностей виброплиты с известными характеристи-ками при уплотнении грунта в конкретных условиях производства работ не решен. Обзор рекомендаций производителей виброплит [1] показывает, что в боль-шинстве случаев рекомендации носят слишком общий характер и не позволяют определить, например, тре-буемое число проходов виброплиты с известными ха-рактеристиками при уплотнении грунта конкретного вида в слое заданной толщины до требуемого состояния (коэффициента уплотнения). Это связано с недостаточной изученностью процессов изменения напряженно-деформированного состояния грунта при динамических воздействиях, недостаточным объемом данных по численным значениям основных физико-механических характеристик грунтов при изменении вида, плотности и влажности грунта, сложным характером взаимодействий элементов виброплиты между собой и с уплотняемым грунтом, а также другими факторами. Для разработки методики влияния технических характеристик виброплиты на результаты уплотнения грунта в конкретных условиях производства работ предлагается использовать подход [2], основанный на условном раз-делении процесса уплотнения грунта на три фазы: раз-вития контактных напряжений; распространения на-пряжений по толщине слоя грунта; развития деформа-ций на различных глубинах грунта. На характер развития во времени контактных на-пряжений влияют технические характеристики виброп-литы (масса элементов виброплиты, характеристики амортизаторов виброплиты, частота и вынуждающее усилие вибровозбудителя, размеры основания виброп-литы) и свойства грунта. Поскольку виброплита пред-ставляет собой многомассную колебательную систему, взаимодействующую с деформируемым ограничителем (грунтом), то для моделирования процессов в такой системе целесообразно применять метод реологическо-го моделирования. При этом методе рассматривается поведение точек, в которых сосредоточена вся масса отдельных элементов системы. Связи между этими мас-сами моделируются идеализированными упругими, вязкими и пластичными элементами. Различными ис-следователями предлагались различные варианты рео-логических моделей. В работах [3–7] рассматривались одномассные реологические модели, учитывающие только массу рабочего органа [3–6] или рабочего органа вместе с пригрузом от рамы машины [7]. В двухмассных реологических моделях [8–14] учитываются массы рабочего органа и грунта или массы рабочего органа и рамы. В трёхмассных реологических моделях [15–17] учитываются масса рабочего органа, масса рамы рабочего органа и масса уплотняемого грунта (присоединённая масса грунта). При моделировании свойств грунта в реологиче-ских моделях используются как сравнительно простые модели типа Кельвина – Фойгта [7; 15–19], так и более сложные [20–24]. Наибольшее распространение при реологическом моделировании свойств грунта получила модель Кельвина – Фойгта, сочетающая в себе сравнительную простоту и воспроизведение характерного поведения грунта при динамических нагрузках [25; 26]. В данной работе представлены результаты исследования взаимодействия виброплиты с грунтом с применением трёхмассной реологической модели системы «грунт – основание виброплиты – рама виброплиты» и моделирование упруговязких свойств грунта по схеме Кельвина – Фойгта.

About the authors

I. S. Tyuremnov

Yaroslavl State Technical University

S. S. Efimov

Yaroslavl State Technical University

References

  1. Тюремнов И.С., Новичихин А.А., Филатов И.С. Обзор рекомендаций производителей по использованию вибрационных плит для уплотнения грунта // Механизация строительства. - 2014. - № 12 (846). - С. 28-32.
  2. Тюремнов И.С., Новичихин А.А., Филатов И.С. Обзор рекомендаций производителей по использованию вибрационных плит для уплотнения грунта // Механизация строительства. - 2014. - № 12 (846). - С. 28-32.
  3. Русаков И.Г., Харкевич А.А. Вынужденные колебания системы, ударяющейся об ограничитель // Журнал технической физики. - 1942. - Т. XII, вып. 11-12. - С. 715-721.
  4. Баркан Д.Д., Шехтер О.Я. Теория поверхностного уплотнения грунтов // Применение вибрации в строительстве. - М., 1962. - С. 5-26.
  5. Попов Г.Н. Выбор параметров прицепных вибрационных катков для уплотнения грунтовых оснований // Тр. ЛПИ. - 1972. - Вып. 327. - С. 114-119.
  6. Дудин В.М., Попова Н.Н. Анализ расчетной схемы вибратора на упруго-вязком ограничителе // Строительные и дорожные машины: сб. научных трудов Ярославского политехнического института. - Ярославль, 1975. - С. 11-14.
  7. Nonlinear dynamics of the rigid drum for vibratory roller on elastic subgrades / L. Liu, F. Wang, S. Sun, W. Feng, C. Guo // Shock and Vibration. - 2021. doi: 10.1155/2021/9589230.
  8. Закирзаков Г.Г., Капустин М.И. Экспериментально-теоретическое определение параметров двухмассной колебательной системы // Рабочие процессы и динамика машин для разработки, уплотнения грунтов и вибрационного формования изделий. - Ярославль, 1986. - С. 81-86.
  9. Тарасов В.Н., Бояркина И.В., Серебренников В.С. Влияние массы вертикального пригруза на амплитуду колебаний вибровальца и виброзащиту рамы дорожного катка // Строительные и дорожные машины. - 2019. - № 9. - С. 30-36.
  10. Siminiati D., Hren D. Simulation on vibratory roller-soil interaction // Advanced engineering. - 2008. - № 2.
  11. Anderegg R., von Felten and Kaufmann K.Compaction Monitoring Using Intelligent Soil Compactors // Presentation and Proceedings ASCE Geo Congress 2006. - Atlanta, February 2006. - Р. 6.
  12. Бурый Г.Г. Методика обоснования режимных параметров вибрационных катков с учётом массы уплотняемого грунта в зоне активного действия вибрации // Современные научные исследования: актуальные проблемы и тенденции: сборник трудов международной научно-практической конференции. - Омск, 2014. - С. 47-55.
  13. Briaud Jean-Louis, Jeongbok Seo.Intelligent compaction: overview and research needs. - Texas A and M University, December, 2003. - Р. 84.
  14. Hashimoto T., Fujino K., Tateyama K. Suggestion of the ground stiffness estimative method with the running speed of a plate compactor // ISARC 2016 - 33rd International Symposium on Automation and Robotics in Construction. - 2016. - С. 421-427. doi: 10.22260/isarc2016/0051
  15. Van Susante Paul J., Mooney Michael A. Capturing Nonlinear Vibratory Roller Compactor Behavior through Lumped Parameter Modeling // Journal of engineering mechanics ASCE. - 2008. - Р. 684-693.
  16. Shiping Li, Chunhua Hu Study on Dynamic Model of Vibratory Roller // IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science. - 2018. - Vol. 113. - Р. 012187. :. doi: 10.1088/1755-1315/113/1/012187
  17. Research on the correlation between vibration acceleration of roller and compaction degree of subgrade soil / Y.-W. Cao, N.-X. Liang, M. Qin, Z.-F. Lu // ICCTP 2010: Integrated Transportation Systems: Green, Intelligent, Reliable - Proceedings of the 10th International Conference of Chinese Transportation Professionals. - 2010. - Vol. 382. - Р. 2974-2982. doi: 10.1061/41127(382)316
  18. Шишкин Е.А., Смоляков А.А. Обоснование способа регулирования контактного усилия вибрационного вальца с уплотняемым материалом // Системы. Методы. Технологии. - 2022. - № 1 (53). - С. 36-42. doi: 10.18324/2077-5415-2022-1-36-42
  19. Nonlinear dynamics of the rigid drum for vibratory roller on elastic subgrades / L. Liu, F. Wang, S. Sun, W. Feng, C. Guo // Shock and Vibration. - 2021. doi: 10.1155/2021/9589230
  20. Pietzsch D., Poppy W. Simulation of soil compaction with vibratory rollers // Journal of Terramechanics. - 1992. - Vol. 29 (6). - Р. 585-597. doi: 10.1016/0022-4898(92)90038-L
  21. Shen P. Dynamic characteristics of the intelligent compactor model with adjustable vibration modes // Paper presented at the Proceedings of the 2nd International Conference on Transportation Engineering, ICTE. - 2009. - 2322-2327. doi: 10.1061/41039(345)384
  22. Михеев В.В., Савельев С.В. Математическая модель уплотнения упруговязкопластичной грунтовой среды при взаимодействии с рабочим органом дорожной машины в рамках модифицированного подхода сосредоточенных параметров // Вестник Сибирского государственного автомобильно-дорожного университета. - 2017. - № 2 (54). - С. 28-36.
  23. Vibration analysis and modeling of an off-road vibratory roller equipped with three different cab's isolation mounts / V. Nguyen, J. Zhang, V. Le, R. Jiao // Shock and Vibration. - 2018. doi: 10.1155/2018/8527574
  24. Савельев С.В., Шушубаева М.К. Использование инновационного подхода к моделированию взаимодействия рабочих органов уплотняющих машин с грунтами земляного полотна при строительстве транспортных объектов // Образование. Транспорт. Инновации. Строительство. Сборник материалов IV Национальной научно-практической конференции. - Омск, 2021. - С. 51-56.
  25. Dobrescu C. The dynamic response of the vibrating compactor roller, depending on the viscoelastic properties of the soil // Applied System Innovation. - 2020. - Vol. 3 (2). - Р. 1-10. doi: 10.3390/asi3020025
  26. Dobrescu C.Comparative Analysis of the Voigt-Kelvin and Maxwell Models in the Compaction by Vibration Process // Paper presented at the Springer Proceedings in Physics. - 2021. - Vol. 251. - Р. 359-366. doi: 10.1007/978-3-030-54136-1_36
  27. Tyuremnov I.S., Morev A.S., Furmanov D.V. On the justification of the value of the apparent mass of soil in rheological modeling of the process of soil compaction by a vibrating roller. Paper presented at the Journal of Physics: Conference Series. - 2019. - Vol. 1260 (11). doi: 10.1088/1742-6596/1260/11/112033
  28. Экспериментальные исследования уплотнения грунта виброплитой / С.С. Ефимов, И.С. Тюремнов, Д.А. Шорохов, А.С. Краюшкин // Энергоресурсосберегающие технологии и оборудование в дорожной и строительной отраслях: материалы международной научно-практической конференции, Белгород, 23-25 сентября 2021 года. - Белгород: Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова, 2021. - С. 112-116.
  29. Поздеев Л.В., Целищев Г.П., Цехместрюк Г.С. Экспериментальное определение и расчёт зависимости параметров резинометаллических амортизаторов от деформации // Известия Томского политехнического университета. - 2010. - Т. 317, № 2. - С. 54-58.
  30. Тюремнов И.С., Новичихин А.А. Статистический анализ технических характеристик вибрационных плит // Механизация строительства. - 2014. - № 11. - С. 32-35.
  31. Adam D., Kopf F. Operational Devices for Compaction Optimization and Quality Control (Continuous Compaction Control and Light Falling Weight Device) // Proceedings of the International Seminar on Geotechnics in Pavement and Railway Design and Construction, Athens, Greece, 2004. - P. 97natio.
  32. Хархута Н.Я., Васильев Ю.М. Прочность, устойчивость и уплотнение грунтов земляного полотна автомобильных дорог. - М.: Транспорт, 1975. - 288 с.
  33. Tyuremnov I.S., Furmanov, D.V. Experimental studies of stresses in soil affected by a vibratory roller // Paper presented at the Journal of Physics: Conference Series. - 2020. - Vol. 1546 (1). doi: 10.1088/1742-6596/1546/1/012144
  34. Экспериментальное исследование напряженного состояния поверхности грунта при уплотнении двухмассным штампом / И.С. Тюремнов, С.В. Разумов, С.В. Макаров, А.А. Морозов // Вестник Ярославского государственного технического университета. - Ярославль, 2000. - Вып. 3. - С. 99-103.

Statistics

Views

Abstract - 21

PDF (Russian) - 17

Cited-By


PlumX


Copyright (c) 2022 Tyuremnov I.S., Efimov S.S.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies