авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Диагностика дорожных одежд нежёсткого типа методом сложного нагружения

На правах рукописи

ГУЗНЕНОК СЕРГЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ ДИАГНОСТИКА ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД НЕЖЁСТКОГО ТИПА МЕТОДОМ СЛОЖНОГО НАГРУЖЕНИЯ Специальность 05.23.11 — Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Воронеж – 2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образова тельном учреждение высшего профессионального образования «Брянская госу дарственная инженерно-технологическая академия».

Научный консультант: кандидат физико-математических наук, доцент Волков Виталий Витальевич

Официальные оппоненты: Зубков Анатолий Фёдорович доктор технических наук, доцент, Тамбовский государственный технический университет/ кафедра городского строительства и автомобильных дорог, доцент Тюков Евгений Борисович кандидат технических наук, доцент, Воронежский государственный архитектурно-строительный университет/ кафедра строительства и эксплуатации автомобильных дорог, доцент

Ведущая организация: Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова

Защита состоится 22 марта 2012 г. в 1000 часов на заседании диссертацион ного совета Д 212.033.02 при Воронежском государственном архитектурно строительном университете по адресу: 394006 г. Воронеж, ул. 20-летия Октяб ря, д. 84, корпус 3, ауд. 3220, тел./факс: +7(473)271-53-21.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского государ ственного архитектурно-строительного университета.

Автореферат разослан 20 февраля 2012 г.

Учёный секретарь диссертационного совета Старцева Н. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Длительное использование автомобильных дорог без надлежащего уровня содержания во многих регионах России привело к их критическому состоянию. Несмотря на то, что отрасль долгое время находилась в рамках жёстких бюджетных ограничений, специалистам-дорожникам удалось сохранить и преумножить положительный опыт по содержанию автомобиль ных дорог. Существующая практика показала высокие транспортно эксплуатационные характеристики асфальтобетонных покрытий, и в настоящее время данный материал широко распространён. Но, как и любому материалу, ему свойственны изменения технико-эксплуатационных свойств, связанных с его реологическими характеристиками, изменяющимися в процессе эксплуата ции транспортного сооружения.

Транспортные средства оказывают комплексное нагружение дорожной конструкции, выраженное в характеристиках транспортного потока, что при водит к её разрушению. Стандартные методики по определению параметров конструкции дорожной одежды опираются на предельные показатели, полу чаемых в основном при разрушении образцов в лабораторных условиях, в ре зультате чего они показывают не реальное взаимодействие с транспортным потоком, а только характеризуют свойство самого материала - асфальтобето на. Для правильного прогнозирования долговечности дорожных одежд нежё сткого типа желательно оценивать их соизмеримыми показателями, что вызы вает определённую сложность как в проведении таких исследований, так и в оценке получаемых данных.

В нормативной литературе определение «диагностика автомобильных дорог» характеризует обследование, сбор и анализ информации о параметрах, характеристиках и условиях функционирования дорог и дорожных сооружений, наличие дефектов и причин их появления, параметры транспортных потоков и другую необходимую для оценки и прогноза состояния дорог и дорожных со оружений в процессе дальнейшей эксплуатации информацию.

Оценка эксплуатационных параметров дорожного покрытия опирается на большое количество показателей, не связанных между собой, и, к сожалению, зависимости между ними мало коррелированы. В тоже время совершенствова ние методов расчёта и контроля технологии строительства дорожных конст рукций способствует улучшению эксплуатационных характеристик, повыше нию надёжности и безопасности дорожного движения, а также эффективному использованию финансовых ресурсов отрасли.

Вопросами оценки технико-эксплуатационного качества дорожных одежд нежёсткого типа занимались В. К. Апестин, А. К. Бируля, В. Ф. Бабков, В. П.

Матуа, Н. Н. Иванов, С. К. Илиополов, Ю. И. Калгин, Вл. П. Подольский, Г. И.

Покровский, Р. М. Раппопорт, М. Я. Якунин и др., исследования которых пока зали, что напряжённо-деформированное состояние конструкций дорожных одежд нежёсткого типа оказывает влияние на образование остаточных дефор маций и разрушение покрытий.

Существует большое количество конструкций дорожных одежд нежёст кого типа, отличающихся количеством слоёв и их параметрами. Они могут об ладать одинаковой величиной прогиба под статической или динамической на грузкой, но отличаться параметрами, характеризующими конструктивные слои, что влечёт неоднозначность и, как следствие, переоценку их технико эксплуатационного качества, проявляемого в процессе эксплуатации в образо вании необратимых деформаций и разрушений.

Получение точной оценки технико-эксплуатационного качества слоёв до рожных одежд нежёсткого типа - сложный и длительный процесс, требующий большого количества измерений, специализированных приборов и оборудова ния, а также методик, позволяющих устранить неоднозначность в её определе нии, и является актуальной научно-технической задачей.



Объект исследования – конструкция дорожной одежды, состоящая из слоёв нежёсткого типа.

Предмет исследования – деформации слоёв нежёсткого типа возникаю щие при сложном типе нагружения, эквивалентном транспортному воздейст вию.

Целью работы является разработка метода диагностики транспортно эксплуатационного качества слоёв дорожных одежд нежёсткого типа методом сложного нагружения.

Основные задачи работы:

- выполнить анализ существующих методов оценки транспортно эксплуатационного качества слоёв дорожных одежд нежёсткого типа;

- разработать математическую модель деформации дорожной одежды не жёсткого типа, подвергаемой транспортному воздействию;

- разработать методики по определению величины деформации сдвига по верхности покрытия и диагностики технико-эксплуатационного качества слоёв дорожных одежд нежёсткого типа;

- провести натурный эксперимент по определению напряжённо деформированного состояния дорожной конструкции при сложном типе нагру жения, выявить закономерности деформаций сдвига верхнего слоя асфальтобе тонного покрытия и связи с общим модулем упругости конструкции;

- разработать технический регламент определения общего модуля упруго сти слоёв дорожных одежд нежёсткого типа при их аппаратурной диагностике методами неразрушающего контроля.

Научная новизна заключается в следующем:

- разработана детерминированная математическая модель нелинейной деформации многослойной дорожной одежды нежёсткого типа, подвергаемой транспортному воздействию, вызывающему сложное нагружение и влияющему на величину деформации слоёв дорожной конструкции;

модель отличается от известных внесением величины деформационного сдвига верхнего слоя покры тия в месте контакта с колесом транспортного средства;

- разработана методика диагностики транспортно-эксплуатационного ка чества дорожных одежд нежёсткого типа, позволяющая определить их напря жённо-деформированное состояние при сложном типе нагружения и повы шающая точность определения прочности конструкции. Она позволила умень шить противоречие, вызванное неоднозначностью влияния модуля упругости низлежащих слоёв при определении общего модуля упругости дорожной оде жды нежёсткого типа;

- получены зависимости деформации сдвига асфальтобетонного покрытия для диагностируемой дорожной конструкции, подвергаемой сложному типу на гружения, возникающего при воздействии колёсной нагрузки от транспортных средств;

- получена экспоненциальная температурная зависимость деформации сдвига асфальтобетонного покрытия, подвергаемого сложному нагружению. Ис пользование данной зависимости позволяет определить величину горизонталь ной деформации верхнего слоя асфальтобетонного покрытия при воздействии нормативной транспортной нагрузки в широком диапазоне температур.

Достоверность полученных результатов, научных положений, выводов и рекомендаций, приведённых в работе, подтверждается объёмом теоретических, лабораторных и опытно-экспериментальных исследований, выполненных в хо де изучения явлений и процессов, лежащих в основе связи между эксплуатаци онными свойствами дорожной конструкции и характеристиками транспортного потока, с использованием современных методов и приборов, позволяющих провести эксперименты с допустимой погрешностью.

Теоретическую основу исследования составили аналитические и числен ные решения дифференциальных уравнений величины деформации сдвига до рожной конструкции под воздействием нагрузки в транспортном потоке и свя занной с ней необратимой деформации.

Научная значимость заключается в разработке математической модели деформации многослойной дорожной одежды нежёсткого типа при сложном нагружении, а также температурных зависимостей деформаций покрытия, под вергаемого транспортному воздействию.

Практическая значимость работы заключается в разработке методики измерения величины деформации сдвига поверхности покрытия дорожной кон струкции нежёсткого типа и разработке экспериментальной установки, позво ляющей их измерить при сложном нагружении;

а также в разработке методики диагностики транспортно-эксплуатационного качества слоёв одежд нежёсткого ти па методом сложного нагружения, позволяющей на основе измерений опреде лить напряжённо-деформированное состояние конструкции и технического регламента определения общего модуля упругости слоёв дорожных одежд нежёстко го типа при их аппаратурной диагностике методами неразрушающего контроля.

На защиту выносятся:

- детерминированная математическая модель нелинейной деформации многослойной дорожной одежды нежёсткого типа при сложном нагружении, возникающем от транспортного воздействия. Она отличается от известных мо делей использованием величины деформационного сдвига верхнего слоя по крытия в области контакта с колесом транспортного средства;

- методика экспериментального определения величины деформации сдви га поверхности покрытия дорожной конструкции нежёсткого типа, позволяю щая измерить напряжённо-деформированное состояние дорожной конструкции при сложном нагружении;

- методика диагностики слоёв дорожных одежд нежёсткого типа, повы шающая точность определения прочности конструкции. Данная методика по зволяет сравнивать параметры качества слоёв дорожной одежды нежёсткого типа на любом этапе жизненного цикла;

- зависимости деформации сдвига асфальтобетонного покрытия для диаг ностируемой дорожной конструкции, подвергаемой сложному типу нагружения, возникающего при воздействии колёсной нагрузки от транспортных средств;

- температурные зависимости деформации сдвига слоя асфальтобетонного по крытия дорожной конструкции, подверженной сложному нагружению, эквивалент ному воздействию от колеса транспортного средства;

- технический регламент определения общего модуля упругости слоёв до рожных одежд нежёсткого типа при их аппаратурной диагностике методами не разрушающего контроля.

Методы исследования. Работа выполнена с использованием комплекс ных методов исследования, включающих патентно-информационный анализ, методы численного (с применением решений уравнений в частных производ ных) и натурного экспериментального моделирования воздействия на дорож ные одежды нежёсткого типа, а также с применением измерительных приборов и методов неразрушающего контроля.





Апробация результатов исследований. Основные результаты исследо ваний и научных разработок докладывались и обсуждались на XIX межвузов ской научно-практической конференции «Перспектива - 2009» (г. Воронеж, 2009 г.), международной научно-методической конференции «Эффективные материалы, технологии, машины и оборудование для строительства и эксплуа тации современных транспортных сооружений» (г. Белгород, 2009 г.), между народной научно-методической конференции «Научные исследования, наноси стемы и ресурсосберегающие технологии в промышленности строительных ма териалов» (г. Белгород, 2010 г.), международной научно-методической конфе ренции «Инновационные материалы и технологии» (г. Белгород, 2011 г.), все российской научно-практической конференции «Современные проблемы и пер спективные направления развития авиационных комплексов и систем военного назначения, форм и способов их боевого применения» (г. Воронеж, 2011 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 научных статей об щим объёмом 31 страница, из них лично автору принадлежит 23 страницы. Три работы опубликованы в изданиях, включённых в перечень ВАК ведущих рецен зируемых журналов, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертации: «Известия ОрелГТУ. Серия: Строительство и транс порт» и «Научный вестник Воронежского ГАСУ. Строительство и архитектура».

В статьях, опубликованных в рекомендованных ВАК изданиях, изложены основные результаты диссертации: в работе [1] рассмотрены вопросы влияния возникающих деформаций на изменение прочности конструкции;

в работе [2] рассмотрен вопрос влияния температуры на образование дефектов дорожной конструкции;

в работе [3] рассмотрены результаты моделирования влияния мо дуля сдвига при сложном нагружении нежёсткой дорожной одежды на расчёт ную величину модуля упругости основания.

Объём и структура диссертации. Работа общим объёмом 147 страниц машинописного текста состоит из введения, четырёх глав, выводов, списка ли тературы из 133 наименований и приложения. В текст диссертации включены 7 таблиц и 22 рисунка.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулиро ваны цели и задачи исследования, показана его научная новизна и практическая значимость для повышения точности оценки технико-эксплуатационного каче ства слоёв дорожных одежд нежёсткого типа методом сложного нагружения.

В первой главе изложено современное состояние вопроса.

Развитие технологии строительства дорог и применение новых материа лов, используемых для формирования верхнего слоя дорожных одежд, часто приводит к неоднозначности получаемых результатов при их приёмке и после дующей диагностике в процессе эксплуатации. Это выражается в завышении показателя общего модуля упругости в тех случаях, когда слои основания обра ботаны вяжущим, особенно при тонких слоях асфальтобетона. В то же время величина прогиба, измеряемого статическим нагружением, может давать боль шие значения, но при этом толщина асфальтобетона превышает нормативную.

Это противоречие часто приводит к дискуссиям о том, что важнее – измерение несущих свойств основания или дорожной конструкции в целом.

Исторически сложилось, что в качестве основы для расчёта величины об щего модуля упругости дорожной конструкции используется формула Буссине ска [3]. Простота её использования и, главное, понимание значимости каждого коэффициента способствовало её широкому распространению в дорожной от расли (в т.ч. в нормативных документах). В первую очередь, это связано с отсут ствием необходимой и точной аппаратуры у органов технического надзора. Тем не менее последние теоретические и экспериментальные исследования в области диагностики дорожных конструкций показывают, что использование методов фото- и видеометрии позволяет про изводить измерение величины про гиба дорожной конструкции с рас положением измерителя вне чаши прогиба, с точностью до микромет ра.

Одним из противоречий, с ко торым сталкиваются специалисты дорожной отрасли, является нетож дественность прочности конструк- Рис. 1. Изменение технико-эксплуатационного качества дороги нежёсткого типа ции при равном начальном модуле упругости, выражаемой в образовании остаточных деформаций, а для однотип ных конструкций имеет место расхождение значений при определённом перио де эксплуатации (рис. 1). Так, на начальном этапе жизненного цикла дорожной конструкции деформационные процессы, вызванные транспортным воздейст вием, существенно не отличаются друг от друга, но уже через 2-3 года эксплуа тации происходит снижение прочности конструкции и, как следствие, начинает интенсивно развиваться процесс колееобразования, составной частью которого является износ покрытия и разуплотнение основания.

В результате технико-эксплуатационное качество дорог, примерно равное на начальном этапе жизненного цикла, со временем начинает отличаться, что приводит к недооценке разрушения дорожной конструкции. Попытки связать технико-эксплуатационное качество дороги с ровностью зачастую не коррели руют с другими эксплуатационными показателями [1].

Во второй главе рассмотрены вопросы моделирования сложного нагру жения на дорожную конструкцию.

Известно, что в основе большинства измерений, характеризующих несу щие свойства асфальтобетонного покрытия, используются величины прогиба покрытия, который возникает при воздействии штамповой нагрузки, имитирую щей одиночное колесо с нормативной нагрузкой на ось. В основе этого лежит определение прочностных свойств, связанных с модулем упругости материалов, из которых изготовлена конструкция, и математическими моделями, характери зующими поведение системы при воздействии транспортной нагрузки.

Математическая модель нелинейной деформации многослойной дорож ной одежды нежёсткого типа при сложном нагружении моделирует поведение системы «конструкция-установка» для определения её состояния генерацией радиального механического возмущения поверхности покрытия с учётом кон структивных особенностей дороги. Она позволяет оценить состояние асфальто бетонного покрытия с заданными физико-механическими и геометрическими параметрами для выявления оптимальных конструкций, пригодных для задан ного вида транспортного потока. Основой модели является предположение о сложном нагружении покрытия дорожной конструкции колесом транспортного средства (рис. 2).

Рис. 2. Взаимодействие колеса с поверхностью автомобильной дороги:

а) распределение нормальных напряже ний под колесом автомобиля;

б) распределение касательных напряже ний под колесом автомобиля;

в) форма отпечатка колеса на покрытии, а) б) в) близкая к форме эллипса На рис. 2 представлено взаимодействие колеса 1 с эквивалентной площа дью S (вид в), нагрузкой Р на ось автомобиля 3, перемещающегося по поверх ности покрытия 2 дороги со скоростью V и с угловой скорость. В результате возникают нормальные (вид а) и касательные (вид б) напряжения в покры тии дороги.

В основу моделирования положены классические дифференциальные уравнения деформации, учитывающие конструктивные особенности дорожной одежды, причём на начальном этапе полупространство отождествлено с изо тропным горизонтальным распределением характеристик и свойств структуры.

В то же время вертикальная компонента носит анизотропный характер, связан ный с технологическими особенностями конструкции.

Используя сложное нагружение штамповой нагрузки на покрытие, можно определить величину деформации сдвига верхнего слоя покрытия G, а используя следующее выражение, можно получить модуль упругости асфальтобетона E:

E 2 1 vобщ G. (1) В полупространстве, где воздействие нагрузки вызывает деформацию во круг центра вращения, влияет общий модуль упругости, характеризующий сдвиг асфальтобетона. Модель базируется на нелинейном взаимодействии каж дого слоя при радиальном воздействии сил на неограниченный участок, а тан генциальное воздействие прилагается к поверхности в эквиваленте радиуса штамповой нагрузки. Дифференциальные уравнения в частных производных приведены к радиальному воздействию нагрузки на конструкцию, расчётная схема которой приведена на рис. 3.

1 – естественное грунтовое основание;

2 – грунт земляного полотна;

3 – обочина;

4 – (основание) щебёночный слой дорожной одежды;

5 – нижний слои покрытия дорожной одежды;

6 – верхний слой покрытия дорожной одежды;

7 – полоса наката;

8 – поверхность, на которую воздействует пневматик колеса;

9 – расчётный отпечаток колеса Рис. 3. Расчётная схема дорожной конструкции автомобильной дороги II технической категории с имитацией нагружения от колеса транспортного средства Представленная конструкция позволяет производить математическое мо делирование нагружений, имитируя различные условия транспортного воздей ствия. Заданными параметрами являются нагрузка, диаметр штампа, коэффици ент Пуассона vобщ, который считается постоянным по глубине и свойствам ма териала, и общий прогиб конструкции.

Существует условный слой асфальтобетонного покрытия с величиной об щего модуля упругости, равной величине на её поверхности. Тогда можно предположить, что для многослойной конструкции E h E2 h Eобщ 1 1, (2) h1 h где E1, E2 – модули упругости слоёв дорожной конструкции (в предположении, что слои основания работают как один единый слой);

h1, h2 – эквивалентные толщины слоев асфальтобетона и основания.

В соответствии с положением теории упругости проекции перемещения среды u, v, могут определяться выражениями 1 m 2 1 m 2 1 m z y m y ;

2 mG 4 G z z, (3) ;

u z 4 G x 4 G m x где G – модуль сдвига;

m – число Пуассона;

z–вертикальная координата.

Анализ влияния изменения величин, входящих в выражение (2), показал, что очень важно определить величину модуля упругости 1-го слоя дорожной конструкции, которую можно узнать только прямым способом при послойном вскрытии всей конструкции или её бурении и последующем нагружении экви валентной нагрузкой.

Возможно определение модуля упругости 1-го слоя асфальтобетонного по крытия в предположении анизотропного полупространства уплотнённого мате риала асфальтобетона при определении касательных деформаций в поле сил приложения нагрузки. Однако данный метод не позволяет определять абсолют ную деформацию асфальтобетонного покрытия, т.к. касательное нагружение приложено ко всей конструкции.

Для рассмотрения условий моделирования необходимо сделать допущение, которое характеризует метод измерения данного параметра: величина напряже ния на поверхности покрытия не превышает предельную величину образования необратимых деформаций, вызывающих разрушения. Нормальное давление вы зывает напряжения конструкции и покрытия не выше ограничений, при которых происходит разрушение дорожной конструкции. Будем считать, что модуль уп ругости изменяется в диапазоне измерения указанной установки на глубину не менее 2 см, при этом нормальное напряжение соответствует 0,3-0,4 max, а каса тельное напряжение в результате вращения – 0,6-0,7 max.

Анализ выражения (3) показывает, что при условии формирования много слойной конструкции, когда модули упругости покрытия и основания отлича ются в несколько раз (70-3200 МПа), проявляется неоднозначность влияния модуля упругости основания на величину общего модуля конструкции и, как следствие, покрытия, ответственного за передачу основных нагрузок от пнев матика колеса транспортного средства. Для расчёта влияния характеристик ма териалов и толщин слоёв конструкции в табл. приведены различные варианты дорожных одежд с одинаковым Еобщ.

Таблица Сравнительные характеристики различных конструкций дорожных одежд с одинаковым общим модулем упругости Конструкция Материал слоя 1-я 2-я 3-я 4-я h, см Е, МПа h, см Е, МПа h, см Е, МПа h, см Е, МПа А/б 1 слоя 4 3200 4 3200 6 3200 6 А/б 2 слоя 8 2000 8 2000 10 2000 6 А/б 3 слоя 22 2000 22 2000 18 2000 22 Щебень 35 420 14 400 25 320 40 Грунт 150 50 150 50 150 50 150 Еобщ, МПа 434 434 434 Анализ таблицы показывает, что при различных толщинах слоёв дорожной конструкции с различными модулями упругости может получиться приблизи тельно одинаковый общий модуль упругости конструкции. При различной стоимости материалов и сложности работ суммарная стоимость строительства дороги может существенно различаться. Например, в 4-й конструкции при применении материалов с ненормативными характеристиками, но с более прочным основанием получается такой же общий модуль упругости. Следова тельно, основание имеет основополагающую роль для назначения конструкции дорожной одежды и выбора технологии производства работ. При контроле тех нологии работ используются различные методы определения упругой характе ристики конструкции – для устранения возникающего противоречия необходи мо произвести моделирование системы «покрытие–основание дорожной конст рукции» и выработать подход к использованию дополнительной измеряемой величины – модуля сдвига. Граничные условия определяются геометрическими эквивалентами конструкции дороги, начальные условия воздействия характер ны для статического воздействия упругого тела. В главном предположении о свойстве конструкции, подверженной штамповой нагрузке, следует принять, что штамп перемещается на малое расстояние, упругость его не изменяется во времени и край штампа не вызывает деформаций высоких порядков.

Решение математической задачи относительно анизотропного свойства в конструкции сдвиговой деформации показывает возможность возникновения условий для проведения инструментальных исследований. Для оценки величин, возникающих при воздействии нагрузки, и выработки требований к аппаратуре, необходимой для проведения исследования, проведён численный эксперимент методом конечных элементов с использованием математического пакета Comsol Multiphysics.

Анализ результатов численного эксперимента показал наличие темпера турной зависимости величины деформаций при нагружении и отличие верти кальных и горизонтальных величин (рис. 4а). На рис. 4б показаны графические зависимости деформаций конструкции, выраженные в его прогибе и сдвиге.

а) б) Рис. 4. Графические зависимости: а) изменения деформаций по длине моделируемых дорож ных конструкций: 1 – сдвиговые деформации (o – 1-я конструкция, – 2-я конструкция);

2, 3 – прогиб 1-й и 2-й конструкций;

б) сдвиговых деформаций и прогибов дорожной конст рукции 1-го типа при различных температурах конструкции: 2, 3 – t1=0 оС;

1, 4 – t2=40 оС Из анализа графической зависимости видно, что при одинаковых темпера турных условиях (t2=40 оС) и температурно-независимой деформации основа ния основное влияние на величину прогиба оказывает асфальтобетонное по крытие. Это удовлетворительно согласуется с работами отечественных и зару бежных исследователей [2]. В то же время значительная величина сдвиговой деформации свидетельствует о большей толщине асфальтобетонного покрытия.

Так как при измерении прогиба существует неоднозначность влияния модуля упругости основания, то можно, используя значение сдвиговой деформации покрытия, определить послойное распределение деформационных величин.

Рассмотренный на рис. 4 случай показывает возможность определения па раметров асфальтобетонного покрытия при его сдвиге, но при моделировании важно учесть деформации при экстремальных температурах, отражающих фи зическое поведение асфальтобетона.

Анализ температурной зависимости прогиба по длине моделируемой кон струкции (кривые 3, 4 для температур t1=0 оС;

t2=40 оС) показывает влияние на деформацию прогиба асфальтобетонного покрытия при условии температурной независимости основания, экспоненциального роста деформации с возрастанием температуры. Возрастание температуры до 40 оС увеличило деформативность конструкции на 37 %. Сдвиг покрытия при указанных условиях увеличивается в три раза, указывая на наличие дополнительного физического механизма квадра тичного изменения реологических свойств асфальтобетонного материала от ве личины прогиба на толщину асфальтобетонного слоя. Таким образом, учёт сдви говых деформаций при оценке прочности дорожных конструкций, в первую оче редь дорожного покрытия, позволяет более точно учесть влияние реологических свойств на прочностные характеристики асфальтобетонного покрытия.

В третьей главе рассмотрены вопросы экспериментального исследова ния влияния сложного нагружения на величину деформации сдвига асфальто бетонного покрытия.

Проведение экспериментальных исследований основано на методиках, позволяющих получить максимальную информацию о проявляемых процессах в объекте исследования – асфальтобетонном покрытии.

Развитие теории вычисления пространственного распределения напряже ний в анизотропных средах и методов использующих вычислительные систе мы, показали возможность разрешения главного противоречия в измерении ха рактеристик слоёв дорожной конструкции - отсутствие учёта деформаций сдви га при оценке модуля упругости конструкции. Это противоречие решается с использованием приборов, выполняющих сложное комплексное нагружение, связанное с единым процессом деформации конструкции. Для этих целей раз работано устройство (рис. 5), осуществляющее сложное нагружение на покры тие дорожной одежды 1 и измеряющее деформацию конструкции при воздей ствии статической штамповой 3 нагрузки через эквивалент пневматика 2, а также вращательный сдвиг верхнего слоя покрытия.

а) б) Рис. 5. Схема сложного нагружения дорожного покрытия с определением величины прогиба и сдвига асфальтобетона: а) вид сбоку на измерительный прибор для определения величины сдвига асфальтобетона;

б) определение касательных напряжений Для осуществления диагностики качества слоёв дорожных одежд нежёст кого типа методом сложного нагружения была сконструирована эксперимен тальная установка, отвечающая вышеуказанным требованиям. Она позволяет проводить экспериментальные исследования в течение длительного периода времени в различных климатических условиях на дорожных одеждах нежёстко го типа различной конструкции.

Созданная установка позволяет измерить деформации сдвига покрытия с заданными в период строительства физико-механическими и геометрическими параметрами и получить количественную оценку технико-эксплуатационного качества слоёв дорожных одежд нежёсткого типа в целях выявления оптималь ной конструкции, пригодной для заданного транспортного потока.

Большое количество входных параметров оцениваемой конструкции по требовало установки датчиков: штамповой нагрузки, силы сдвига, прогиба, де формации сдвига и температуры. Все перечисленные измерители и датчики объединены в установке по определению прогиба и сдвига верхнего слоя по крытия конструкции, функциональная схема которой показана на рис. 6.

Рис. 6. Экспериментальная установка по определению прогиба конструкции и сдвига верхнего слоя покрытия Установка состоит из металлического штампа диаметром D=37 см, на ко торый статически воздействует нагрузка задаваемой величины Р (50…200 кН), а также горизонтальная штанга из прочного металла, выдерживающего созда ваемое вращательное усилие Fg от 0 до 100 кН, эквивалентное радиальному на гружению, в результате воздействия которого происходит вращательный сдвиг верхнего слоя покрытия.

Проскальзывание штампа относительно покрытия во время сложного на гружения устраняется формированием на нижней поверхности штампа высту пов из твёрдосплавных пластин. Плотность прилегания обеспечивается форми рованием внизу штампа прорезиненного слоя. Статические нормальное и вра щательное усилие обеспечивается гидравлическими домкратами с грузоподъ ёмностью 30 и 10 т.

Величина вертикальной нагрузки определяется датчиком давления, сдви говая сила – датчиком-силомером;

деформации покрытия определяются видео метрическим методом, а для компенсации измеряемой величины, вызванной деформацией штампа, используется тензометрирование опорной части. В ниж ней части штампа также закреплён прижимной резистивный термометр, позво ляющий определить температуру на верхней границе покрытия. Установка по зволяет проводить испытания, учитывающие реальные величины нагружения, близкие к условиям эксплуатации асфальтобетона, что позволяет определить напряжённо-деформированное состояние, эквивалентное воздействию реально го транспортного потока. Определение деформации сдвига и прогиба покрытия на временном интервале измерения при различных температурах позволяет по лучать реологическую составляющую материала покрытия, необходимую для получения оценки технико-эксплуатационного качества слоёв дорожной одеж ды нежёсткого типа.

а) б) Рис. 7. Температурная зависимость изменения величины прогиба (а) и сдвига (б) покрытия не жёсткой дорожной одежды от воздействия нормированной нагрузки: 1, 2 – типовые конструк ции дорожных одежд согласно ОДН 218.046-01;

3 – конструкция, исследованная в работе [2] На рис. 7 изображены температурные зависимости величины прогиба от воздействия нормальной (а) и касательной нагрузки (б). Анализ зависимостей показал, что для различных конструкций существует равенство значений в тем пературной области;

эквивалентные величины прогиба в диапазоне температур от 5 до 25 оС свидетельствуют о стабильности свойств слоя дорожного покры тия при воздействии нагрузки с величиной 130 кН на ось. Уменьшение величи ны прогиба для 2-й конструкции связано с увеличением жёсткости асфальтобе тонного покрытия при низких температурах. В то же время большая толщина асфальтобетонного покрытия при высоких температурах 25 оС и более приво дит к появлению деформаций, перераспределяемых в основание. Кривая 3 со ответствует деформации при воздействии нагрузки в 100 кН, указывая на иден тичность изменения деформаций, как для зависимости (1), т.е. уменьшение прогиба при более высокой температуре свидетельствует о работе покрытия при меньших нагрузках – таким образом, для температурно-зависимых покры тий следует ограничивать величину транспортной нагрузки. Очевидно, что если знать температурную зависимость изменения прогиба, можно вычислить вели чину прогиба основания.

На графике температурной зависимости 7б показаны экспоненциально возрастающие величины сдвига одной конструкции (1, 2) при различной вели чине сдвига 20 (1)-10 (3) кН.

Проявление экспоненциальной зависимости свидетельствует о наличии внутренних процессов, характерных релаксационным проявлениям, свойствен ным материалам, из которых изготовлено покрытие. Так как температура отра жает энергию активации движения молекул, то, используя известные зависимо сти Журкова С.Н. для энергии активации сдвига (уравнение типа Аррениуса) при транспортном нагружении, можно определить релаксационные константы материалов. На основании известных характеристик используемых материалов можно предложить оптимальные режимы эксплуатации автомобильной дороги.

Также, зная характеристики материалов, используемых для проектирования по крытий, отвечающих нормативным требованиям при известных региональных эксплуатационных периодах [2], можно назначить оптимальные периоды экс плуатации автомобильной дороги по характеристикам покрытия.

В четвёртой главе произведён анализ результатов моделирования и экс периментального исследования по диагностике качества слоёв дорожных одежд нежёсткого типа методом сложного нагружения, а также приведены рекомен дации по использованию указанной методики в дорожной практике. Равенство области соприкосновения штампа с поверхностью вращения ограниченного площадью соприкосновения штампа, эквивалентному площади пневматика, способствует приведению системы расчёта к цилиндрическим координатам.

Отбрасывая выводы, получаемые из выражений (1)-(3) можно показать, что общий модуль упругости основания дорожной конструкции равен D P Gа 1 1 осн б Eосн, (4) 2 2 G 1 D P 1 а б где осн - коэффициент Пуассона материала основания.

Определяемый модуль упругости верхнего слоя покрытия может свиде тельствовать о влиянии толщины сформированного асфальтобетонного покры тия на характеристики всей конструкции. Следует отметить, что существует компромиссное решение, при котором эквивалентная толщина покрытия при соизмеримых толщинах основания даёт общий вклад, соответствующий транс портной нагрузке в условиях «идеального» воздействия.

Анализ величин, полученных в результате моделирования, показал, что слой асфальтобетона чрезвычайно подвержен температурному воздействию, и это даёт возможность на основе комплексной оценки упругих характеристик при различных температурах оценить как само основание, так и релаксацион ные свойства покрытия, что позволит определять реологические свойства ас фальтобетонного материала.

Для практического использования методики диагностики разработана схема производства работ по диагностической оценке транспортно эксплуатационного качества слоёв дорожных одежд нежёсткого типа. Особен ностью разработанной схемы является указание расположения места измерения на проезжей части дороги и взаиморасположение измерительных приборов.

Исполнение мероприятий по ограждению места производства измерений вы полняется в указанной последовательности.

Рекомендуется следующий регламент проведения работ по ограждению места производства работ при диагностике качества слоёв дорожных одежд не жёсткого типа:

1. Проезд транспортного средства на место замеров;

2. Установка на расстоянии 15-30 метров от места производства работ знаков: 4.2.1–4.2.3 «Направление объезда препятствия» и 1.25 – «Ремонтные работы». Знаки рекомендуется устанавливать на переносном заборчике;

3. Установка направляющих конусов от места расположения знаков 1. и 4.22 до транспортного средства;

4. Подготовка поверхности (очистка от пыли и грязи);

5. Установка транспортного средства на контрольной точке, установка его на ручной тормоз и блокировка колёс переносными упорами;

6. Поддомкрачивание транспортного средства и установка под заднюю ось экспериментальной установки;

7. Подключение к установке измерительных блоков и датчиков регистра ции воздействий и перемещений, которые соединены с помощью кабеля с вы числительным устройством (на котором установлено программное обеспече ние, позволяющее осуществлять сбор, обработку и анализ поступающей ин формации в автоматическом режиме);

8. Нагружение штампа статической нагрузкой и далее осуществление сложного нагружения его вращением;

9. Обработка результатов;

10. Перемещение на следующую контрольную точку.

Установка позволяет проводить испытания, учитывающие величины на гружения, близкие к условиям эксплуатации асфальтобетона, что, в свою оче редь, позволяет определить напряжённо-деформированное состояние конст рукции дорожной одежды, эквивалентное воздействию реального транспортно го потока. Определение деформации сдвига и прогиба покрытия при различных температурах позволяет получать реологическую составляющую материала по крытия, необходимую для получения оценки технико-эксплуатационного каче ства слоёв дорожной одежды нежёсткого типа.

ВЫВОДЫ 1. Получена детерминированная математическая модель нелинейной де формации многослойной дорожной одежды нежёсткого типа при сложном на гружении, возникающем от транспортного воздействия. Она отличается от из вестных моделей использованием величины деформационного сдвига верхнего слоя покрытия в области контакта с колесом транспортного средства. Данная модель позволяет рассчитать деформации слоёв дорожной одежды нежёсткого типа при диагностике и определении прочности конструкции в целом.

2. Разработаны методика измерения деформации сдвига поверхности по крытия дорожной конструкции нежёсткого типа и экспериментальная установ ка, позволяющая произвести измерение напряжённо-деформированного со стояния дорожной конструкции при сложном нагружении. Данная методика по зволяет произвести измерения с точностью до 0,005 мм от величины деформа ции сдвига при воздействии штампа экспериментальной установки.

3. Разработана методика диагностики дорожных одежд нежёсткого типа, позволяющая определить их напряжённо-деформированное состояние при сложном типе нагружения и повышающая точность определения общего моду ля упругости конструкции. Она позволила уменьшить противоречие, вызванное неоднозначностью влияния модуля упругости низлежащих слоёв при определе нии общего модуля упругости дорожной одежды нежёсткого типа. Это позво ляет определять модуль упругости с точностью 10 – 20 МПа и соответственно модуль сдвига асфальтобетонного покрытия с точностью 5 – 10 МПа, что, в свою очередь, позволяет определить осреднённые упругие свойства основания.

4. На основе предложенной методики проведён натурный эксперимент по определению напряжённо-деформированного состояния дорожной конструк ции при сложном типе нагружения. Это позволило повысить точность измере ния общего модуля упругости слоёв дорожной одежды нежёсткого типа на 10 – 15 % и определить на начальном этапе эксплуатации дороги её деформацион ные характеристики.

5. Получена экспоненциальная температурная зависимость деформаций сдвига асфальтобетонного покрытия подвергаемого сложному нагружению. Ис пользование данной зависимости позволяет определить величины горизонталь ной деформации верхнего слоя асфальтобетонного покрытия при воздействии нормативной транспортной нагрузки в диапазоне температур от -20 до +40 оС.

Измерение температурных деформаций сдвига по вышеуказанной методике по зволяет оценить деформативную устойчивость асфальтобетонного слоя, реоло гические свойства материала покрытия, а также определить температурную за висимость коэффициента Пуассона.

6. Разработан технический регламент определения общего модуля упруго сти слоёв дорожных одежд нежёсткого типа при их аппаратурной диагностике методами неразрушающего контроля. Он позволяет получить величины, выра женные в сдвиге, позволяющие оценить надёжность транспортного сооруже ния, определить его ресурс, а также на стадиях проектирования, строительства и эксплуатации дать качественную и количественную оценку технико эксплуатационного качества дорожных одежд с асфальтобетонным покрытием.

Основные результаты исследований отражены в следующих работах:

Публикации в изданиях, входящих в Перечень ВАК 1. Гузненок, С.А. Деформирование поверхности покрытия дорожной одежды, как следствие изменения прочности дорожной конструкции / З.А.

Мевлидинов, С.А. Гузненок // Известия ОрелГТУ. Серия: Строительство и транспорт. - 2009. - № 3-23 (555). - С. 89-92.

2. Гузненок, С.А. Влияние изменения региональных эксплуатационных периодов на образование дефектов дорожной конструкции / Е.В. Романова, Ф.В. Матвиенко, С.А. Гузненок, В.В. Волков // Научный вестник Воронежского ГАСУ. Строительство и архитектура. - 2011. - № 2 (22). - С. 112-119.

3. Гузненок, С.А. Моделирование влияния модуля сдвига при сложном нагружении нежёсткой дорожной одежды на расчётную величину модуля упру гости основания / В.В. Волков, С.А. Гузненок, Ю.И. Калгин // Научный вестник Воронежского ГАСУ. Строительство и архитектура. - 2012. - № 1 (25). - С. 110 115.

Публикации в других изданиях 4. Гузненок, С.А. Оценка прочности нежёстких дорожных одежд / П.В.

Анисимов, З.А. Мевлидинов, С.А. Гузненок // Проблемы строительного и до рожного комплексов: сб. науч. тр. по итогам междунар. науч.-техн. конф. – Брянск: БГИТА, 2006. – Вып. 4. – С. 150-154.

5. Гузненок, С.А. Проблемы оценки прочности нежёстких дорожных одежд и пути их решения / З.А. Мевлидинов, С.А. Гузненок // Повышение дол говечности транспортных сооружений и безопасности дорожного движения: сб.

науч. тр. всероссийс. науч.-практ. конф. – Казань: КГАСУ, 2008. - С. 322-324.

6. Гузненок, С.А. Анализ причин возникновения дефектов в основаниях аэродромных покрытий / В.А. Кочетков, В.В. Волков, С.А. Гузненок // Пер спектива – 2009: сб. науч.-метод. материалов по итогам XIX межвуз. науч. практ. конф. – Воронеж: ВАИУ, 2009. – Вып. 32, ч. 3. – С. 99–101.

7. Гузненок, С.А. Модель совместной деформации асфальтобетонного покрытия и основания дороги / В.А. Кочетков, В.В. Волков, С.А. Гузненок // Перспектива – 2009: сб. науч.-метод. материалов по итогам XIX межвуз. науч. практ. конф. – Воронеж: ВАИУ, 2009. – Вып. 32, ч. 3. – С. 102–105.

8. Гузненок, С.А. Факторы образования остаточной деформации основа ния и асфальтобетонного покрытия дороги / В.В. Волков, С.А. Гузненок // Эф фективные материалы, технологии, машины и оборудование для строительства и эксплуатации современных транспортных сооружений: сб. докл. междунар. на уч.-практич. конф. - Белгород: Изд-во БГТУ им. В.Г. Шухова, 2009. - С. 66-71.

9. Гузненок, С.А. Диагностика состояния сооружения с применением ме тода акустической эмиссии / В.В. Волков, А.Г. Белых, А.В. Бураков, С.А. Гуз ненок // Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие техноло гии в промышленности строительных материалов: сб. докл. междунар. науч. практ. конф. - Белгород: Изд-во БГТУ, 2010. - С. 106-109.

10. Гузненок, С.А. Методика определения величины модуля упругости искусственного основания автомобильной дороги / С.А. Гузненок, В.В. Волков // Инновационные материалы и технологии: сб. докл. междунар. науч.-практ.

конф. – Белгород: Изд-во БГТУ, 2011. – Ч. 1. – С. 139-143.

11. Гузненок, С.А. Методика определения параметров асфальтобетонно го покрытия при СВЧ-нагреве / А.Б. Недоносков, С.А. Гузненок, В.В. Волков // Инновационные материалы и технологии: сб. докл. междунар. науч.-практ.

конф. – Белгород: Изд-во БГТУ, 2011. – Ч. 2. – С. 30-32.

12. Гузненок, С.А. Сдвиг покрытия из асфальтобетона под воздействием тяжелых транспортных средств / С.А. Гузненок, В.В. Волков // Современные проблемы и перспективные направления развития авиационных комплексов и систем военного назначения, форм и способов их боевого применения: сб. ма териалов докладов (тезисов) всероссийс. науч.-практ. конф. – Воронеж: ВАИУ, 2011. – Ч. 3. - С. 95-96.

13. Пат. 2338827 Российская Федерация, Е01С23/07. Установка для ис пытания прочности дорожных одежд и грунтовых оснований / П. В. Анисимов, З. А. Мевлидинов, С. А. Гузненок;

заявитель и патентообладатель: Брянск. гос.

инженер.-технолог. акад. – Заявл. 18.01.2007;

опубл. 20.11.2008, Бюл. № 32. – 3 с.

14. Пат. 2368719 Российская Федерация, Е01С3/06. Дорожная конст рукция / Анисимов П.В., Лукутцова Н.П., Мевлидинов З.А., Лукашенко М.В., Гузненок С.А.;

заявитель и патентообладатель: Брянск. гос. инженер.-технолог.

акад. – Заявл. 12.05.2008;

опубл. 27.09.2009, Бюл. № 27. – 4 с.

Гузненок Сергей Александрович ДИАГНОСТИКА ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД НЕЖЁСТКОГО ТИПА МЕТОДОМ СЛОЖНОГО НАГРУЖЕНИЯ АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук Подписано в печать 20.02.2012. Формат 60х84 1/16. Бумага писчая.

Усл. печ. л. 1,0. Тираж 120 экз. Заказ № 125.



 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.