English
ДонНТУ   Портал магистров

Реферат

Содержание

Введение

Актуальной проблемой отечественной дорожной отрасли является колееобразование вследствие накопления остаточных (пластических) деформаций в конструктивных слоях дорожной одежды и особенно рабочем слое грунта земляного полотна. Важнейший показатель земляного полотна, оказывающий существенное влия-ние на проектные решения и эксплуатационные показатели работы дорожной одежды, – плотность грунта ра-бочего слоя (1,5 м от верха покрытия). В связи с этим сегодня остро встаёт вопрос обоснования необходимости повышения степени уплотнения грунтов и способов достижения высоких показателей плотности. В качестве решения для измерения влажности грунта на различных участках автомобильной дороги предлагается исполь-зовать систему сбора данных о влажности грунта на базе микроконтроллера для последующего анализа полученной информации.

Качество уплотнения земляного полотна обуславливает показатели прочности и деформируемости грунтов, из которых построена его конструкция. В результате приправильно запроектированной дорожной одежде грунты работают в стадии уплотнения, претерпевая остаточные деформации, которые относительно числа, приложенных нагрузок носят затухающий характер и связаны с напряжениями линейной зависимостью. Таким образом, степень уплотнения грунта оказывает влияние на ровность покрытия, к которой норматив выдвигает строгие требования, а в работах специалистов, ограничения по глубине неровностей еще более строгие. Ровность покрытий обуславливает важнейшие потребительские свойства автомобильных. Развитие неровности на поверхности покрытия является одним из основных факторов, способствующих ухудшению эксплуатационного состояния автомобильной дороги. С точки зрения механики неровность обусловлена накоплением неравномерно распределённых необратимых деформаций в различных слоях дорожной конструкции. Этот процесс наблюдается в течение достаточно длительного промежутка времени, т. к. разовые воздействия транспортных средств, как правило, не приводят к образованию зон необратимых деформаций.

1. Актуальность темы

Влажность является важной характеристикой состояния грунта и учитывается при определении многих показателей свойств грунта (модуля упругости, пластичности, липкости и др.) [1]. От влажности грунта зависят и другие характеристики: такие как, его несущая способность и плотность. Именно влажность грунта оказывает, пожалуй, наиболее значительное влияние на способ разработки почвы и на предрасположенность грунтов к уплотнительным операциям. На долговечность и эксплуатационное состояние дороги существенное влияние оказывает температур-но-влажностный режим работы грунта земляного полотна. Как известно, изменение влажности, прежде всего, сказывается на способности грунта выдерживать расчётные нагрузки, предусмотренные на этапе проектиро-вания. Повышенная влажность подстилающих слоёв грунта снижает как прочностные и деформационные характеристики, так и существенно изменяет его реологические и динамические свойства. Наиболее опасные последствия может вызвать повышенная влажность, близкая к влажности на границе текучести. В этом случае происходит резкое снижение его прочностных и деформационных характеристик, существенно снижается спо-собность сопротивляться динамическому воздействию транспортных средств, что приводит к ускоренному процессу накопления остаточных деформаций [2]. Получение зависимости величины и скорости накопления оста-точных деформаций от влажности и действующей на рунт нагрузки позволило бы более детально изучить влияние погодно-климатических факторов на грунт земляного полотна и дорожную конструкцию в целом.

На долговечность и эксплуатационное состояние дороги существенное влияние оказывает температур-но-влажностный режим работы грунта земляного полотна. Как известно, изменение влажности, прежде всего, сказывается на способности грунта выдерживать расчётные нагрузки, предусмотренные на этапе проектиро-вания. Повышенная влажность [3]. подстилающих слоёв грунта снижает как прочностные и деформационные ха-рактеристики, так и существенно изменяет его реологические и динамические свойства. Наиболее опасные последствия может вызвать повышенная влажность, близкая к влажности на границе текучести [4]. В этом случае происходит резкое снижение его прочностных и деформационных характеристик, существенно снижается спо-собность сопротивляться динамическому воздействию транспортных средств, что приводит к ускоренному процессу накопления остаточных деформаций. Получение зависимости величины и скорости накопления оста-точных деформаций от влажности и действующей на грунт нагрузки позволило бы более детально изучить влияние погодно-климатических факторов на грунт земляного полотна и дорожную конструкцию в целом

В качестве примера на рис. 1.1 представлен график испытаний под воздействием динамической нагрузки грунтовых образцов из суглинка с числом пластичности Iр = 13 с различной влажностью от 0,53 до 0,84 Wт, полученной после водонасыщения с коэффициентами уплотнения 0,98 [5].

pic1

Рисунок 1.1 – График накопления остаточных деформаций в зависимости от влажности грунта

В настоящее время основные требования к технологии возведения земляного полотна автомобильных дорог и к грунтам, применяемым в дорожном строительстве. К грунтам, разрешённым к применению в дорож-ном строительстве, предъявляется целый ряд требований, наиболее значимым из которых является коэффици-ент уплотнения. Требуемым значением коэффициента уплотнения грунта земляного полотна дорожно-климатических зон является 0,98 [6]; при этом в неподтопляемой части насыпи допускается использовать грунт с коэффициентом уплотнения 0,95, а в рабочем слое выемки ниже зоны сезонного промерзания – 0,95–0,92.

Малые, но при этом коэффициента уплотнения могут становиться причинами воз-никновения процессов неравномерного уплотнения грунтов, которые, в свою очередь, оказывают влияние на процессы колееобразования. В случае превышения значения предельно допустимой остаточной деформа-ции в образцах грунта для рабочего слоя земляного полотна коэффициент уплотнения грунта корректируется в большую сторону с целью снижения скорости накопления влаги грунтом земляного полотна в расчётный пе-риод и тем самым снижения его расчётной влажности в соответствии с полученными ранее расчётной влажно-сти связных грунтов в зависимости от коэффициента уплотнения и типа местности по условиям увлажнения [7]. В связи с этим необходимо уточнение максимальных и минимальных значений влажностей в расчётный период для различных климатических условий. Наиболее эффективными такие исследования видятся с использованием специальных датчиков, способных в автоматическом режиме регистрировать изменения влажности в грунте земляного полотна с заданной периодичностью.

2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты

Целью исследования является разработка системы исследования влияния влажности грунта на деформацию земляного полотна, для обнаружения необходимости укрепительных работ.

Основные задачи исследования:

  1. Анализ методов замеров влажности грунта земляного полотна автомобильной дороги
  2. Оценка экономически потерь вследствии не проведенных укрепительных работ земельного полотна
  3. Анализ проведенных исследований величины накопления остаточных деформаций в образцах грунта
  4. Разработка системы мониторинга влажности грунта на базе микроконтроллера.
  5. Исследование эффективности системы предоставляющей данный о влажности грунта земляного полотна автомобильной дороги

Объект исследования: Система исследования данных о влажности грунта.

Предмет исследования: Формирование данных позволяющих повысить срок службы автомобильных дорог

Для экспериментальной оценки полученных теоретических результатов и формирования фундамента последующих исследований, в качестве практических результатов планируется разработка автономной системы мониторинга влажности грунта на базе микроконтроллера Arduino и программы интерфейса в операционной системе Windows со следующими свойствами:

  1. Наличие собственной системы с датчиком для мониторинга влажности грунта.
  2. Релизация программы-скетча на языке С для микроконтроллера, обрабатывающей данные полученные с датчика.
  3. Реализация программы на базе языка C# предоставляющей интерфейс для взаимодейтсвия с полученными данными.
  4. Возможночть формирования Exel отчета для сохранения,оформления и дальнейшей работы с данными.

3. Обзор исследований и разработок

Поскольку укрепление грунтов - принципиально новый подход к конструированию дорожных и аэродромных одежд, на основе изучения особенностей взаимодействия рабочих органов машин с уплотняемым материалом существуют обоснования оптимальных параметров и режимов уплотнения различных видов грунтов, укрепленных материалов и асфальтобетонных смесей, приведенные в Федеральном Дорожном Агенстве Министерства Транспорта Российской Федерации [8]. Вопросам реализации систем на базе микроконтроллера, а также разработке программ на базе языков С,С# посвящено множество работа, в основном, представителей западной школы [9].

4. Реализация cистемы исследования на базе Arduino

На основании ранее приведённых данных сделан вывод о возможности использования системы на базе датчика влажности и микроконтроллера для долговременного мониторинга влажности грунта земляного по-лотна в реальных условиях эксплуатации автомобильной дороги.

В качестве исследуемой функции возьмем уравнение Ван дер Поля, амплитуда колебаний которого затухает во времени:

Для оптимальной работы системы и её правильной функциональности необходимо выбрать аппаратные средства, которые будут соответствовать поставленной задаче. Для устройства сбора данных о состоянии почвы предлагаются к выбору следующие аппаратные средства: плата Arduino Nano на базе ATmega328P [10]., модуль датчика влажности FC-28.

Принцип работы устройства
Рисунок 4.1 – Принцип работы устройства (анимация: 8 кадров, циклов повторения: 30, 279 килобайта)

Данные элементы имеют ряд преимуществ: низкая себестоимость по сравнению с существующими ана-логами, в виде мини компьютера Raspberry Pi или датчика влажности Aquapulse. АР 4008, доступность, удоб-ство в эксплуатации при разработке и конструировании подобного рода систем.

Для микроконтроллера необходимо разработать программное обеспечение , которое будет выполнять собор информации с датчика и отправлять данные на сервер. Следовательно, для сервера, в качестве которого предполагается использовать персональный компьютер, необходимо реализовать базу данных и приложение позволяющее работать с имеющейся информацией. Программное обеспечение будет реализовано на языках программирования С, C# .

Для разработки программы микроконтроллера предполагается использование среды разработки Arduino IDE. Программа для Arduino называется скетч (sketch) и имеет расширение «*.ino». Это код, который загружается и выполняется на платформе Arduino.

В качестве языка программирования для разработки клиентского приложения работы с базой данных предполагается использование языка C#, так как Visual C# предоставляет развитый редактор кода, удобные конструкторы пользовательского интерфейса, интегрированный отладчик и многие другие средства, которые упрощают разработку приложений на языке C# для платформы. Чтобы хранить данные можно использовать файл формата .json и соответствующая ему Json сериализация, которая является текстовой и легковесной. Такой подход позволяет довольно просто сохранять данные, а также просматривать их в случае необходимо-сти.

Для создания графической части приложения можно использовать технологию Windows Forms ввиду ею простоты и удобства [11]. Пример пользовательского интерфейса приведён на рис. 4.2

pic2

Рисунок 4.2 – Пример графического интерфейса

Выводы

Предложенная система позволяет собирать данные о влажности грунта земляного полотна автомо-бильной дороги за заданные промежутки времени с высокой точностью. В ходе исследования, установлена необходимость применения системы на базе микроконтроллера и датчика влажности для сбора данных, что позволит определить коэффициент уплотнения требуемый для конкретного участка земляного полотна авто-мобильной дороги. Такая система позволит избежать переувлажнения грунта и как следствие преждевременно-го разрушения автомобильной дороги, а также даст возможность собирать и хранить данные, для их дальней-шего использования в различного рода исследованиях.

В результате исследования влияния влажности грунта на накопление остаточных деформаций под воздействием динамических нагрузок было выявлено, что общая величина остаточных деформаций и интенсивность ее накопления в образцах грунта существенно зависят от влажности.Анализ полученных данных интенсивности капиллярного водонасыщения показал, что изменение влажности связных грунтов существенно зависит от коэффициента уплотнения (плотности) грунта, т. е. чем выше коэффициент уплотнения грунта, тем меньше он подвержен капиллярному водонасыщению.Таким образом, установлена необходимость повышения коэффициента уплотнения на участках автомобильной дороги с высокой вероятностью переувлажнения грунта земляного полотна в расчетный период.

Список источников

  1. Оптимальная влажность грунта важность при строительстве [Электронный ресурс]. – Электрон. дан. – Режим доступа: alidada.kz/stati – Заглавие с экрана. – (Дата обращения: 15.10.2020).
  2. Ковнацкий Б.Д. Разработка системы исследования влияния влажности грунта на деформацию земляного полотна / Ковнацкий Б.Д., Николаенко Д.В.// Сборник научных трудов III научно-практической конференции (студенческая секция) Программная инженерия: методы и технологии разработки информационновычислительных систем (ПИИВС-2020). — Донецк: ДОННТУ, 2020. — с. 162-165.
  3. FC – 28 гигрометр для определения влажности почвы. [Электронный ресурс]. – Электрон. дан. – Режим доступа: 3v3.com.ua – Заглавие с экрана. – – (Дата обращения: 01.10.2020).
  4. Исследование прочности глинистых грунтов в дорожном строительстве. [Электронный ресурс]. – Электрон. дан. – Режим доступа: euroasia-science.ru/tehnicheskie – Заглавие с экрана. – (Дата обращения: 07.09.2020).
  5. Основы нормирования и обеспечения требуемой степени уплотнения [Электронный ресурс]. – Электрон. дан. – Режим доступа: www.gosthelp.ru/text – Заглавие с экрана. – (Дата обращения: 03.09.2020).
  6. Уплотнение грунтов земляного полотна слоев дорожной одежды [Электронный ресурс]. – Электрон. дан. – Режим доступа: euroasia-science.ru/tehnicheskie-nauki/ – Заглавие с экрана. – (Дата обращения: 04.10.2020).
  7. ГОСТ 5180-84. Грунты. Методы лабораторного определения физических характеристик грунтов [Электронный ресурс]. – Электрон. дан. – Режим доступа: www.vashdom.ru/gost – Заглавие с экрана. – (Дата обращения: 07.09.2020).
  8. Влажность грунта, естественная и оптимальные влажности [Электронный ресурс]. – Электрон. дан. – Режим доступа: studref.com/585826/stroitelstvo/ – Заглавие с экрана. – (Дата обращения: 03.10.2020).
  9. Работаем с JSON в C#. Сериализация и десериализация [Электронный ресурс]. – Электрон. дан. – Режим доступа: streletzcoder.ru/rabotaem-s-json – Заглавие с экрана. – (Дата обращения: 02.10.2020).
  10. Официальный сайт Ардуино, [Электронный ресурс]. – Электрон. дан. – Режим доступа: arduino.ru/About – Заглавие с экрана. – (Дата обращения: 03.10.2020).
  11. Windows Forms: Современная модель программирования для создания GUI приложений. [Электронный ресурс]. – Электрон. дан. – Режим доступа: /www.codenet.ru/progr – Заглавие с экрана. – (Дата обращения: 22.09.2020).