Разработка системы исследования влияния влажности грунта на деформацию земляного полотна

Аннотация

Ковнацкий Б.Д., Николаенко Д.В. Разработка системы исследования влияния влажности грунта на деформацию земляного полотна. Предлагается использование системы на базе микроконтроллера для сбора и обработки данных о влажности грунта. В статье рассмотрены исследования влияния влажности грунта на накопле-ние остаточных деформаций земляного полотна. Основное внимание уделяется влиянию степени уплотнения грунтов земляного полотна на накопление остаточных деформаций в элементах до-рожных конструкций. Приведён набор средств для реализации системы.

Введение

Актуальной проблемой отечественной дорожной отрасли является колееобразование вследствие накоп-ления 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 полу-ченной информации

Анализ проблемы

Развитие неровности на поверхности покрытия является одним из основных факторов, способствующих ухудшению эксплуатационного состояния автомобильной дороги.[1] С точки зрения механики неровность обу-словлена 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.

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 ха-рактеристики, 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. 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 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.

Анализ приведённых на рис. 1 результатов исследований показывает, что величина накопления оста-точных деформаций в образцах грунта существенно зависит от его влажности. Так, если величина остаточных деформаций в образцах суглинистого грунта с коэффициентом уплотнения Ку = 0,98 и влажностью 0,55 Wт составляет 1,08 мм, то этот же показатель для этого же грунта с влажностью 0,7 Wт составляет 2,83 мм. При увеличении влажности грунта до 0,8 Wт накопление остаточных деформаций в образцах исследуемого грунта возрастает до 4,52 мм. При влажности 0,8 Wт значения остаточных деформаций в образцах исследуемого грунта превышают предельно допустимые значения.

Все этапы работы, как и, используемые для постройки, материалы, чётко регламентированы соответ-ствующими ГОСТами.[2] Так, ГОСТ Р 58349-2019 «Дороги автомобильные общего пользования [4]. Дорожная одежда. Методы измерения толщины слоёв дорожной одежды» распространяется на постройку, реконструк-цию, капитальный ремонт дорожных одежд и устанавливает требования к методам измерения толщины слоёв основания. Соответственно и техника, выполняющая такие работы, имеет определённые параметры и ха-рактеристики. Такая техника должна предоставлять данные с достаточной точностью, для дальнейшего эф-фективного их использования.

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; 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 допустимые значения 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 В связи с этим необходимо уточнение максимальных и минимальных значений влажностей в расчётный период для различных климатических условий. Наиболее эффективными такие исследования видятся с использовани-ем специальных датчиков, способных в автоматическом режиме регистрировать изменения влажности в грунте земляного полотна с заданной периодичностью.

Реализация

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.[3] Для устройства сбора данных о состоянии почвы предлагаются к выбору следующие аппаратные средства:• плата Arduino Nano на базе ATmega328P,• модуль датчика влажности FC-28.

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[4], 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.[5] Пример пользовательского интерфейса приведён на рис.2

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.

Список использованной литературы

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).