Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 5
1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ОЦЕНКЕ ОПТИ
МАЛЬНОСТИ ЩЕБЕНОЧНО - ПЕСНАНЫХ КАРКАСНЫХ (ЩПК)
МАТЕРИАЛОВ 12
Закономерности развития дорожного строительства. 12
Анализ технических решений и патентов по конструкциям автодорог 37
Выводы по главе. 59
2. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ. ПРИМЕНЯЕМЫЕ МАТЕ
РИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 61
Цели и задачи исследований 61
Применяемые материалы 62
Методы и приборы исследований 63
Выводы по главе 70
ГЛАВА 3. КАЧЕСТВЕННАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ СО
СТАВА В МАТЕРИАЛЕ ДОРОЖНОСТРОИТЕЛЬНЫХ ОСНОВА
НИЙ 71
3.1. Анализ и применение качественных методов оценки оптимально
сти структуры строительных материалов 71
3.1.1. Общие качественные оценки эффективности дорожного строи
тельного материала 76
3.1.2. Частные качественные оценки оптимальности структуры
строительного материала 78
3.2. Оценка общих характеристик щебеночно - песчаных каркасных
материалов на основе щебеночно-песчаных и других смесей 79
Экспериментальные исследования передачи давления от щебня фр.10, песка и ЩПК при различных методах укладки. Методы определения объемов компонентов в материале. 82
Качественная оптимизация составляющих щебня и песка, в до-рожно-строительном материале. Определение соотношения объемов компонентов 88
Выводы по главе. 89
4. КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ ВЗАИМОЗАВИСИМОСТИ КОМПОНЕН
ТОВ В ЩЕБЕНО - ПЕСЧАННЬГХ КАРКАСНЫХ (ЩПК) МАТЕРИА
ЛАХ 90
Оценка влияния фракции щебня на прочность ЩПК при сжатии 90
Оценка сдвиговой устойчивости материалов при погружении цилиндрического и конусного штампов. 91
4.3. Определение давления от различного вида технологического
транспорта. 96
Оценка соотношения компонентов (щебня М 300 фракции 20-40 и песка) в ЩПК по критерию прочности, при сдвиговых нагрузках прибором ПСГ-2М. 99
Оценка прочности ЩПК материала от фракционного состава щебня, при сдвиговых нагрузках прибором ПСГ-2М 102
Исследование влияния увлажнения ЩПК материала на сдвиговые характеристики, 103
Влияния фракционного состава щебня на ЩПК материалы при сдвиговых нагрузках на крупномасштабных образцах. 104
Сравнительные характеристики ЩПК, щебня и щебеночно — песчаной смеси, при сдвиговых нагрузках на крупномасштабных образцах. 112
Выводы по главе 114
5. АНАЛИЗ ПРИМЕНЕНИЯ КОЛИЧЕСТВЕННЫХ МЕТОДОВ ПРИ
ОПТИМИЗАЦИИ СТРУКТУР СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ.
115
Математическая постановка задачи. 115
Методы нелинейного программирования с ограничениями на независимые переменные. 115
Оптимизация параметров строительных материалов с использованием компьютерных программ 117
Оптимизация параметров ЩПК материалов оценочным методом. При помощи вычислительной техники. 121
Выводы по главе 141
6. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЩЕБЕНОЧНО - ПЕСЧАНОГО
КАРКАСНОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ ЩЕБНЯ И ПЕСКА. ИХ
ТЕХНИКО - КОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ 142
Практическое внедрение ЩПК в дорожном строительстве 142
Технико-экономическая эффективность ЩПК. 151
6.3. Изучение опыта работы автодорог Мордовии, имеющих повышен
ный ресурс работоспособности 153
6.4. Выводы по главе 155
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ. 158
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 160
ПРИЛОЖЕНИЯ. РЕКОМЕНДАЦИЯ ПО ПРИМИНЕНИЮ ЩПК 174
АКТЫ ВНЕДРЕНИЯ. 194
Введение к работе
Актуальность темы. Вопрос, о математически обоснованном повышении долговечности дорог и снижении эксплуатационных затрат на их содержание и ремонт, всегда являлся актуальным для производственных и дорож-но-эксплуатационных организаций. Современные требования изменяются и ужесточаются не только в сфере строительных технологий и материалов, но и в сфере требований, предъявляемых к ним различными организациями следящие за экологией района строительства, исследующих взаимозаменяемость и дополняемость используемых материалов, исследований охватывающих сферы косвенно влияющих на всю экосистему. Создание комплексных методов оптимизации компонентов и их параметров в строительных материалах соответствующих всем требованиям современного общества и обеспечивающих улучшение физико-механических и эксплуатационных показателей и направленных на снижение материалоемкости и трудоемкости при изготовлении - является важной задачей в области разработки таких программ, применимых не только в строительстве.
Разработанные методы комплексного поиска соотношения компонентов в строительном материале ведет к удешевлению и ускорению строительства дорожных оснований, увеличению срока эксплуатации, соответствие современным социальным требованиям, все это является актуальным при массовом производстве. Важнейшим направлением в теории оптимизации является обоснование методологических принципов и оптимального поиска решений типовых и индивидуальных задач.
Задачи такого вида включают в себя поиск оптимальных физических переменных параметров в материале, таких как размер фракции щебня, песка, влажности и их плотности или других применяемых компонентов. Они должны включать в себя и экономические законы, регулирующие меру расхода и оптимальное соотношение компонентов, при выборе необходимых качеств для данного материала, так же стоимость материалов, услуг по доставке, ско-
рости строительства, эксплуатационные затраты при содержании и ремонте дорог.
Наиболее интенсивно такие исследования начались в 50 - х годах и продолжаются по настоящее время. Вопросам оптимального "проектирования" материалов, посвящены многочисленные исследования отечественных авторов, таких как В.Т.Ерофеев, О. Васильев, СВ. Гарина, Б.И. Дагаев, В.А. Кириенко, В.В. Малеванский, М. Салихов, В.И. Соломатов, В.П. Селяв, И.А. Рыбьев, Т.А. Низина, А.Л. Лазерев, С.Г. Фурсов, СВ. Шестоперов так и зарубежных. Одним из преобладающих направлений в области оптимизации физико-механических свойств материала являлось использовании добавок из портландцемента, извести, битумов, дегтей, синтетических высокомолекулярных реагентов и других химических реагентов. Отличительная черта работ тех лет это достижение высоких результатов, без учета факторов влияющих на окружающую среду эксплуатации, оценки трудозатрат, требований общества. Существенным недостатком работ является так же и высокая стоимость компонентов и сложность для математического представления.
В настоящее время вопросы проектирования оптимальных материалов стоят особенно остро, и нужны эффективные методы оценки оптимальности структуры строительных материалов, позволяющие быстро и с минимальными затратами средств оценить рациональность принятого технического решения
Данная работа посвящена численному эксперименту, моделированию структуры, оптимизации состава щебеночно-песчаного каркасного (ЩПК) материала.
Цель диссертационной работы. Цель работы заключается в научном обосновании приемов и методов оптимизации составов и параметров компонентов в материале, широко использующихся в строительстве.
Для выполнения поставленной цели ставились следующие задачи: Разработать и применить комплекс программ, включающий качественные и количественные методы оценки оптимальности структуры и соотноше-
7 ний компонентов в материале, позволяющий получить высокопрочный щебе-ночно-песчаный каркасный материал (ЩПК материал).
Выявить возможности качественного метода при оценке оптимальности структуры материала с использованием общих современных критериев: универсальность, актуальность, модность, красота структуры материала и частных критериев: однородность, максимальная плотность, минимум неодно-родностей и вяжущего в материале.
Количественными методами оценить оптимальность соотношений компонентов в материале, получить целевые функции для щебеночных и ЩПК материалов. В качестве переменных параметров использовалось крупность щебня от 10 до 70 мм, обжимные усилия на материал от 1 до 3 кг/см и прижимные 0,25-1 кг/см . В качестве количественных критериев оптимальности использовалось сопротивление щебня и ЩПК материалов на сдвиг и на сжатие.
Внедрение в производственную практику строительства материал с оптимальной структурой.
Методы исследования. В ходе выполнения работы были использованы математические методы теории устойчивости, теории управления, методы нелинейного программирования и аналитические методы. Проводится расчет оптимальных параметров строительных материалов с помощью первого метода Ляпунова, градиентными методами и методами деформируемого многогранника. Для практического воплощения математической модели был выбран язык программирования Object Pascal и среда программирования Borland Delphi 6 [4]. Язык Object Pascal является дальнейшим объектно-ориентированным развитием широко распространенного языка Turbo Pascal.
Научная новизна.
Разработан и применен комплекс программ, включающей качественные и количественные методы оценки оптимальности структуры и соотношений компонентов в материале, позволяющий получить высокопрочный щебе-ночно-песчаный каркасный материал (ЩПК материал).
Разработан комплексный метод оценки сдвиговых прочностных
свойств строительных щебеночно-песчаных материалов при разных его па
раметрах на базе математической теории устойчивости и теории управления
динамическими процессами.
^ «Разработаны теоретические положения по использованию критериев
для качественной оптимизации структуры щебеночно - песчаного каркасного (ЩПК) материала с повышенными эксплуатационными свойствами.
Выявлены оптимальные количественные зависимости напряженно-деформированного состояния дорожных оснований от основных структурообразующих факторов ЩПК.
Предложены математические модели для оценки прочности щебеночно - песчаного каркасного (ЩПК) материала с оптимальным составом со-ставляющих компонентов.
Доказана возможность использования щебня низкой прочности при
длительных циклических нагрузках.
Практическая значимость
Разработаны и применены на практике эффективные методы оценки 4> оптимальности свойств строительных материалов.
Предлагаемые методы могут быть использованы не только для строительных материалов, но и для объектов в других областях науки.
Математически обоснована и применена технология изготовления строительного ЩПК материала для дорожного строительства.
Обоснован и применен оптимальный состав каркасного строительного ЩПК материала, на основе щебня и песка, с повышенной долговечностью и улучшенными технологическими свойствами.
Использование полученных результатов позволило снизить затраты и время на строительство дорожных оснований.
Реализация работы. Результаты работы внедрены: в учебный процесс на строительном факультете ГОУВПО «Мордовский государственный уни-
9 верситет имени Н.П. Огарева» при чтении курса «Дорожно - строительные материалы», «Экономико — математические методы в строительстве».
Результаты исследований использованы при изготовлении дорожного основания автомобильной дороги от Лямбирского шоссе до автомобильной дороги №8 (ул. Титова) города Саранска. (ОАО "Мордовспецстрой", 2004 г.);
Автомобильная дорога Капасово - граница Дубенского района в Атя-шевском районе республики Мордовия, северо-восточной части РМ, автомобильная дорога Саранск—Рузаевка. (ООО "Саранскдорстрой", 2005 г.);
Реконструкция автодороги Рузаевка - Инсар — Ковылкино - Торбеево на участке 3-9 км, ПК2+00 - ПК60+00 и на участке 9-15 км, ПКО+00 -ПК26+00 в Рузаевском районе (ООО "Саранскдорстрой", 2005 г.);
Строительство автодороги Капасово - граница Дубенского района, ПК10+00 - ПК62+80 в Атяшевском районе (ООО "Саранскдорстрой", 2005
г.);
Строительство автодороги Ст.Бадикова - Выша, ПК 160+00 - ПК210+00 и ПК232+00 - ПК239+00 в Зуб. Полянском районе (ООО "Саранскдорстрой", 2005г.);
Реконструкция автодороги Рузаевка - Инсар - Ковылкино - Торбеево на участке 15 - 28 км, ПК -1+50 - ПК1+00, ПК 7+00 - ПК9+00, ПК 16+00 -ПК 18+00, ПК 23+00 - ПК 25+00 в Рузаевском районе (ООО "Саранскдорстрой", 2006 г.).
Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены на научно-технических конференциях в Белгородской государственной архитектурно-строительной академии (Белгород, 2004), на научно-технических конференции «Роль науки и инновации в развитии хозяйственного комплекса региона» (г. Саранск, 2004 г.); на научно-практической конференции «Город и экологическая реконструкция жилищно-коммунального комплекса XXI века» (г. Москва, 2006 г); на научно - технических семинарах Пермской государственной архитектурно - строительной академии (г. Пермь, 2004 г.); на
10 семинаре Средневолжского математического общества под руководством проф. Е.В.Воскресенского (г. Саранск, 2007 г.).
Публикации. Основные результаты диссертационной работы отражены в 18 публикациях, 2 из которых в перечне ВАК. Получено 2 патента: устройство для определения сопротивления щебеночного основания срезу (Патент РФ № 2289654) и способ укрепления основания автомобильных дорог (Патент РФ № 2323292).
Публикации в изданиях, рекомендуемых ВАК.
Бинарные оценки эффективности технических решений. / Б.М. Люпаев, Ю.Б. Потапов, Ю.М. Борисов, Ю.А. Полетаев. // Вестник Воронежского государственного технического университета. Воронеж: 2008 г. Том №3, стр. 57-60.
Оценка оптимальности технических решений. / Ю.А. Полетаев. // Вестник Московского автомобильно-дорожного института государственного технического университета. Москва: 2008 г. Выпуск 3(14), стр.66-70.
В других изданиях.
Оптимизация структуры щебеночно-песчаных смесей. / Люпаев Б.М., Полетаев Ю.А., Луконин А.Ю. // Строительные материалы. Москва: 2007. -№ 5- С.ЗЗ.
Об оценке прогресса в технике. / Люпаев Б.М., Салихов Р.А., Полетаева Ю.А., Купцов А.Г., Ковыркин В.Н. // Актуальные вопросы строительства. Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2003г. - С. 447-451.
Применение нового композиционного материала - КББ в строительстве автодорог. / Люпаев Б.М., Полетаев Ю.А., Луконин А.Ю. // Проблемы проектирования, строительства и эксплуатации фундаментов, мостов и автомобильных дорог. Механизация строительства. Охрана окружающей седы. Пермь: Изд-во Пермского Гос. тех. ун-та, - 2004г. - С. 56-58.
Исследование и внедрение в дорожном строительстве каркасных бесцементных бетонов. / Люпаев Б.М., Салихов Р.А., Митина Е.А, Содомская
Ю.Ю., Полетаев Ю.А. // Роль науки и инновации в развитии хозяйственного комплекса региона. Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, - 2004, - С. 158-161.
Испытание структурообразованных материалов, используемых в дорожном основании. / Полетаев Ю.А., Луконин А.Ю. // Образование, наука, производство. Белгород: Изд-во БГТУ им. В.Г.Шухова, - 2004 г. - С. 65.
Экспериментальное применение КББ в дорожном строительстве. / Полетаев Ю.А., Люпаев Б.М. // Актуальные вопросы строительства. Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2004. - С. 503-507.
Испытание каркасного бесцементного бетона на сдвиг. / Полетаев Ю.А., Луконин А.Ю., Люпаев Б.М. // Актуальные вопросы строительства. Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2004 г. - С. 500-503.
Исследования просыпаемости песка через щебень разных фракций. / Люпаев Б.М., Полетаев Ю.А. // Актуальные вопросы строительства. Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2005 г. - С. 257-259.
Экспериментальное применение КББ в дорожном строительстве. / * Полетаев Ю.А., Люпаев Б.М., Ликомаскин А.А., Пивкин П.И. // Актуальные вопросы строительства. Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2005 г.- С. 634-637.
Как используется КББ в дорожном строительстве и что это такое? / Полетаев Ю.А., Луконин А.Ю., Ямашкин А.В., Люпаев Б.М., // Наука и инновации в Республике Мордовия. Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2005 г. - С. 550-554.
Применение нового композиционного материала - КББ (каркасного бесцементного бетона) в строительстве автомобильных дорог. / Люпаев Б.М., Полетаев Ю.А., Ямашкин А.В. // Естественно - технические исследования: теория, методы, практика. Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, - 2005 г.-С.87-92.
О каркасных бесцементных бетонах (КББ). / Люпаев Б.М., Полетаев Ю.А. // Город и экологическая реконструкция жилищно - коммунального комплексаXXI века. Москва-2006 г. - С. 364-365.
Экономико-математические методы в строительстве. /Б.М. Люпа-ев, Ю.В. Юркин, М.Е. Бажанова, А.В. Матросов, СВ. Гарина, Ю.А. Полетаев. // Методические указания. Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2006. - 36 с.
Сравнительное исследование свойств КББ, щебня и щебеночно -песчаной смеси при воздействии сдвиговых нагрузок. / Полетаев Ю.А., Лю-паев Б.М., Ликомаскин А.И. // Материалы XI научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов Мордовского государственного университета имени Н.П.Огарева. Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2006 г. - С.41-42.
Анализ применения количественных методов при оптимизации структур строительных материалов. / Полетаев Ю.А. // Средневолжское математическое общество. Саранск: 2007 г, препринт №103.
Оптимизация структуры керамзитного материала. / Люпаев Б.М., Полетаев Ю.А. // Актуальные вопросы строительства. Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2009 г. - С.257-259.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, разбитых на параграфы, общих выводов, заключения, библиографического списка. Объем диссертации 196 - страниц. Работа включает 67 рисунков и 11 таблиц. Библиографический список содержит 136 наименований. Диссертационная работа выполнена на кафедре "Автомобильные дороги и специальные инженерные сооружения" и "Дифференциальных уравнений" Мордовского государственного университета имени Н.П.Огарева.
