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

Влияние упруго-вязко-пластичных свойств асфальтобетона на накопление остаточных деформаций при пространственном динамическом нагружении дорожных конструкций

На правах рукописи

ЧИРВА ДМИТРИЙ ВЛАДИМИРОВИЧ ВЛИЯНИЕ УПРУГО-ВЯЗКО-ПЛАСТИЧНЫХ СВОЙСТВ АСФАЛЬТОБЕТОНА НА НАКОПЛЕНИЕ ОСТАТОЧНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ ПРИ ПРОСТРАНСТВЕННОМ ДИНАМИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ ДОРОЖНЫХ КОНСТРУКЦИЙ Специальность 05.23.11 – проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Волгоград 2010 2

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ростовский государственный строительный университет»

Научный консультант: доктор технических наук, доцент Матуа Вахтанг Парменович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Столяров Виктор Васильевич (Саратовский государственный технический университет) кандидат технических наук, доцент Казначеев Сергей Васильевич (Управление автомобильных дорог Администрации Волгоградской области)

Ведущая организация: Северо-Кавказский филиал ОАО «ГИПРОДОРНИИ» «СЕВКАВГИПРОДОРНИИ»

Защита диссертации состоится « 26 » марта 2010 г. в 10-00 ч в ауд.

Б-203 на заседании диссертационного совета Д 212.026.04 при ГОУ ВПО «Волгоградский архитектурно-строительный университет» по адресу:

400074, г. Волгоград, ул. Академическая, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВолгГАСУ.

Автореферат разослан « 25 » февраля 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Акчурин Т.К.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одной из первоочередных задач дорожной отрасли является сохранение автомобильной дорогой своего транспортно эксплуатационного состояния в течение всего перспективного срока службы.

В процессе эксплуатации автомобильной дороги в результате воздействия природно-климатических факторов и постоянно растущей интенсивности движения, а также скорости и грузоподъемности автотранспортных средств, асфальтобетонные покрытия, даже на правильно запроектированных и построенных с соблюдением всех технологических правил дорогах теряют продольную и поперечную ровность, в них происходит интенсивное накопление пластических деформаций, в результате чего резко усиливается динамическое воздействие от движущихся автомобилей.

Немалая доля остаточных деформаций накапливается непосредственно в верхних слоях асфальтобетонных покрытий и, поскольку, асфальтобетон является наиболее широко применяемым материалом при устройстве покрытий автомобильных дорог, изучению его свойств и поведения при воздействии реальных динамических нагрузок и природно-климатических факторов необходимо уделять большое внимание.

В действующих нормативных документах (ОДН 218.046-01) в расчетах используется осесимметричная модель упругого полупространства, не учитывающая инерционность движущейся массы и осность автомобиля, влияние напряженно-деформированного состояния конечных поперечных размеров автодороги и расположения нагрузки на проезжей части. При этом учет динамических процессов осуществляется с помощью эмпирических коэффициентов, которые зачастую перечеркивают точность расчетных формул при получении конечных результатов.

Цель диссертационной работы:

Разработка методики повышения устойчивости нежестких дорожных одежд к накоплению остаточных деформаций на основе прогнозирования реологического поведения асфальтобетона под воздействием реальных пространственных динамических нагрузок и погодно-климатических факторов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

провести теоретические исследования в области прогнозирования накопления остаточных деформаций в слоях дорожных конструкций с учетом р е ол о г и ч е с ко го п о в ед е н и я а с ф а л ьто бе то н а п од в о зд е й с т в и е м пространственных динамических нагрузок;

- разработать конструкцию прибора для лабораторных исследований ползучести асфальтобетона;

- исследовать кинетику накопления остаточных деформаций асфальтобетона под воздействием различных нагрузок и температур;

- провести теоретическое обоснование учета изменения коэффициента Пуассона асфальтобетона при расчете нежестких дорожных одежд;

- выполнить экспериментальные исследования по уточнению изменения коэффициента Пуассона асфальтобетона под действием различных температур;

- разработать механико-математическую модель, позволяющую прогнозировать накопление остаточных деформаций в асфальтобетонных покрытиях в реальных условиях их эксплуатации;

- создать наблюдательные станции на экспериментальных участках автомобильных дорог по исследованию накоплению остаточных деформаций в элементах дорожных конструкций;

- разработать методику повышения устойчивости дорожных конструкций по критерию минимума накопления остаточных деформаций в асфальтобетонных покрытиях.

Научная новизна работы:

- обоснована необходимость проведения экспериментальных исследований ползучести асфальтобетонов различных типов и марок и учета изменения коэффициента Пуассона асфальтобетона под действием различных температур при проектировании нежестких дорожных одежд;

- предложена механико-математическая модель с достаточной точностью и достоверностью описывающая работу дорожной конструкции в реальных условиях эксплуатации и учитывающая такие факторы, как инерционность подвижного состава и дорожной конструкции, переменную во времени интенсивность грузопотока, скорость движения транспортных средств и расположение движущихся автомобилей на проезжей части, влияние переменных во времени температурно-влажностных факторов, а также эффекты старения материалов, изменение характеристик и геометрических параметров дорожной конструкции вследствие ее неравномерного деформирования;



- разработана методика прогнозирования и учета накопления остаточных деформаций в конструктивных слоях дорожных одежд и грунте земляного полотна под воздействием пространственных динамических нагрузок и погодно-климатических факторов.

Достоверность исследований, научных положений и выводов, содержащихся в работе, обеспечивается применением комплексной методики исследований, использованием современного приборного обеспечения и подтверждается соответствием результатов численных и натурных экспериментов.

На защиту выносятся:

- комплекс теоретических и экспериментальных исследований влияния реальных динамических нагрузок и погодно-климатических факторов на напряженно-деформированное состояние асфальтобетонных покрытий;

- м еха н и ко - мат е мат и ч е с ка я м од е л ь, о п и с ы ва ю щ а я упруговязкопластичные свойства дорожно-строительных материалов и позволяющая прогнозировать накопление остаточных деформаций в элементах дорожных конструкций в реальных условиях их эксплуатации;

- результаты исследований ползучести различных типов асфальтобетона под воздействием различных нагрузок и температур;

- результаты исследования зависимости скорости и доли накопления остаточных деформаций в составе полных деформаций;

- результаты исследования влияния различных нагрузок и температур на изменение коэффициента Пуассона асфальтобетона.

Практическое значение работы:

- разработана механико-математическая модель для анализа напряженно-деформированного состояния дорожной конструкции при воздействии реальных динамических нагрузок и погодно-климатических факторов;

- разработана экспериментальная установка для получения значений скорости накопления остаточных деформаций, а также изменения коэффициента Пуассона асфальтобетона при воздействии различных нагрузок и температур;

- получены зависимости скорости накопления остаточных деформаций, доли остаточных деформаций в составе полных и изменения коэффициента Пуассона при воздействии различных нагрузок и температур;

- разработан программный комплекс «Прогнозирование и учет накопления остаточных деформаций при проектировании нежестких дорожных одежд», позволяющий учитывать такие факторы, как инерционность подвижного состава и дорожной конструкции, переменную во времени (в течение года и суток) интенсивность грузопотока, скорость движения транспортных средств и расположение движущихся автомобилей на проезжей части, влияние переменных во времени температурно влажностных факторов, эффекты старения материалов и т.д.

Реализация работы. Разработанная методика прогнозирования накопления остаточных деформаций в элементах дорожных конструкций применена при реконструкции автомагистрали М4 «ДОН» на участке км982+000-км1000+000, капитальном ремонте автомобильных дорог Ставропольского края «Сенгилеевское-Новотроицкая» и «Греческое-Мин.

Воды», а также в учебном процессе при курсовом проектировании по дисциплине «Технология и организация сроительства автомобильных дорог» по кафедре «Автомобильные дороги» РГСУ.

Апробация работы. Положения работы доложены и обсуждались на международных научно-практических конференциях «Строительство 2004», «Строительство 2005», «Строительство 2006», «Строительство 2007» (Ростов-на-Дону, 2004, 2005, 2006, 2007), «Пути совершенствования системы управления, финансирования и нормативно-технической базы дорожной отрасли» (Астана-Алматы, 2004), «Современные технологии и материалы в дорожном хозяйстве» (Харьков, 2006), Всероссийских научно-практических конференциях «Проблемы проектирования, строительства и эксплуатации автомобильных дорог. Охрана окружающей среды» (Пермь, 2005), «Проблемы проектирования, строительства эксплуатации транспортных сооружений» (Омск, 2006).

Публикации. По теме диссертационных исследований опубликовано печатных работ, в том числе 2 патента на изобретения.

Объем. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка литературы из 166 источников, в том числе иностранных и приложений. Работа изложена на 240 страницах машинописного текста, содержит 12 таблиц и 99 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследований, направленных на совершенствование методики проектирования и расчета дорожных одежд нежесткого типа, основанной на численных методах решения нелинейных наследственных задач статики и динамики строительных конструкций, а также экспериментальных данных о реологическом поведении материалов конструктивных слоев дорожных одежд. Сформулирована цель и задачи исследования.

В первой главе детально рассмотрены многочисленные факторы, влияющие на накопление неравномерно распределенных необратимых (остаточных) деформаций в конструктивных слоях дорожных одежд, проведен краткий обзор и анализ литературных источников, посвященных изучению реологических свойств различных асфальтобетонов, и выделены характерные для асфальтобетона особенности поведения под воздействием различных внешних факторов.

Как показывают многочисленные исследования целого ряда ученых, как у нас в стране, так и за рубежом, по причине сложности структуры асфальтобетон резко меняет свои свойства в зависимости от температуры.

При положительных температурах асфальтобетон обладает свойствами вязко пластичного материала, а при отрицательных упругого. Изменение температуры существенно влияет на деформационные свойства асфальтобетона, которыми в основном и определяется его работоспособность в дорожном покрытии.

Фактически же асфальтобетон является упруго-вязко-пластичным материалом. В зависимости от состояния и условий деформирования в нем могут проявляться или преимущественно упругие свойства или главным образом вязкопластические. Таким образом, в большинстве случаев в асфальтобетоне одновременно или почти одновременно проявляется совокупность указанных свойств.





В напряженно-деформированном состоянии асфальтобетон проявляет ряд сложных свойств: упругость, пластичность, ползучесть, релаксацию напряжений, изменение прочно сти в зависимо сти от скоро сти деформирования, накопление деформаций при многократных приложениях нагрузки и т. д. В зависимости от проявления тех или иных свойств к асфальтобетону применимы законы, вытекающие из теории упругости или теории пластичности (теории ползучести).

Опытами установлено, что деформация ползучести различных материалов, как например, бетона и асфальтобетона, зачастую может превосходить упругую в два-три раза. Поэтому существующий метод расчета дорожной одежды по упругому состоянию может представить истинную картину напряжений в ней лишь отчасти.

На протяжении многих лет ряд авторов, как в нашей стране, так и за рубежом занимались исследованием реологических свойств дорожно ст роительных материа лов, в частно сти изучением ползуче сти асфальтобетона, занимались Богуславский А.М., Богуславский Л.А., Бурмистер Д., Васильев А.П., Гезенцвей Л.Б., Горелышев Н.В., Кирюхин Г.Н., Коганзон М.С., Корсунский М.Б., Радовский Б.С., Руденский А.В., Телтаев Б.Б., и др., а также Brown S.F., Burmister D.M., Burrage K., Butcher J.C., Cav endish J.C., Crank J., Davenport C.C., Grosshans D., Kreiss H.O., Monismith C.L.

и др. Исследованиями этих авторов установлено, что поведение асфальтобетонного покрытия в условиях эксплуатации дороги лучше характеризовать не конечной величиной общей деформации, полученной при испытании материала, а динамикой развития этой деформации.

В работе рассмотрены режимы загружения, применяемые при испытаниях асфальтобетонов, а также методы прогнозирования и оценки устойчивости к колееобразованию слоев покрытий из битумоминеральных материалов, применяемые как у нас в стране, так и за рубежом. И, не смотря на большое разнообразие подобного рода методов, ни один из них, будь то численные методы с применением механико-математических моделей или экспериментальные методы с применением статических или динамических нагрузок с имитацией колесного воздействия движущегося транспорта, не в состоянии адекватно отразить реальное напряженно-деформированное состояние дорожной конструкции.

Во второй главе рассмотрена механико-математическая модель прогнозирования накопления остаточных деформаций на основе реологической модели вязкого течения Шведова-Бингама (! i = G" i при ! i Rt * * 1 )" i = [! i $ Ri ] + ! i при ! i % Rt !

# G * *& 0 = K' + (1) базовые соотношения которых распространены на случай пространственной задачи.

При этом в общем виде:

$ A! + p = 0, уравнения равновесия &A " матричный дифференциальный оператор & !

%?

& A q + # = 0, геометрические уравнения &! = D# + T# " физические соотношения ' (2) Откуда уравнения равновесия фрагмента среды в матричной форме в перемещениях (3) позволяют получить уравнения в форме МКЭ для статической задачи (4) Разработкой механико-математических моделей, описывающих реальную работу асфальтобетона и всей дорожной конструкции, в разное время занимался ряд авторов, как в нашей стране, так и за рубежом. Следует отметить, прежде всего, значительный вклад в решение данного вопроса профессоров А.П. Васильева, Ю.М. Васильева, Д.Б. Вольпер, Л.Б. Гезенцвея, И.В. Горелышева, В.А. Золотарева, В.Д. Казарновского, М.С. Коганзона, Б.С.

Радовского, И.А. Рыбьева, А.В. Смирнова, Ю.М. Яковлева и др. Однако в их исследованиях задачи решаются в вязкоупругой постановке, не позволяющей прогнозировать и учитывать процесс накопления необратимых, остаточных деформаций в исследуемых системах.

Предложенная же в работе механико-математическая модель рассматривает работу материалов конструктивных слоев дорожных одежд в упруго-вязко-пластической постановке и способна учитывать такие факторы, как инерционность подвижного состава и дорожной конструкции, переменную во времени (в течение года и суток) интенсивность грузопотока, скорость движения транспортных средств и расположение движущихся автомобилей на проезжей части, влияние переменных во времени температурно-влажностных факторов, а также эффекты старения материалов, изменение характеристик и геометрических параметров дорожной конструкции вследствие ее неравномерного деформирования.

В работе использован наиболее популярный при решении плоских и пространственных задач теории упругости и пластичности метод конечных элементов (МКЭ) в форме метода перемещений, позволяющий рассматривать области со сложной топологией при различных граничных условиях.

Для решения пространственных задач движения автотранспортных средств, описываемых уравнениями типа Мещерского, использованы явные, безусловно устойчивые схемы прямого интегрирования.

(5) Вектор-функция узловых перемещений Вектор-функция внешней нагрузки Глобальная матрица масс ансамбля элементов Глобальная матрица демпфирования (вязкости) системы Глобальная матрица жесткости ансамбля элементов (6) Применение данного уравнения позволяет рассматривать задачи о динамическом воздействии движущихся транспортных средств на дорожную конструкцию в пространственной постановке.

Реализация предложенной механико-математиче ской модели осуществляется при помощи разработанного в ДорТрансНИИ РГСУ под руководством проф. Матуа В.П. программного комплекса «Прогнозирование и учет накопления остаточных деформаций при проектировании нежестких дорожных одежд».

Для оценки напряженно – деформированного состояния дорожной конструкции в работе предложена методика преобразования динамической нагрузки к переменной во времени «квазистатической», постоянной в пределах некоторых «базовых» временных интервалов. В качестве таковых выбираются промежутки времени, в течение которых интенсивность и состав движения можно принять достаточно постоянными (1 час).

Методика построения "квазистатической нагрузки" заключается в следующем:

1. Проводится серия расчетов воздействия различных марок движущихся АТС на дорожную конструкцию в пространственной постановке (с учетом фактической и перспективной интенсивности и состава движения, скорости движения автомобилей и их расположения на проезжей части).

2. Для каждого возможного варианта воздействия вначале вычисляется максимальная «квазистатическая нагрузка» из условия равенства максимальных перемещений в точках поперечного сечения дороги от движущегося автомобиля и максимальной приведенной нагрузки:

max.стат=A -1 (7) max.дин.

А - матрица податливости в характерных точках сечения.

3. Затем определяют «приведенную нагрузку» для данного варианта воздействия автомобиля и расчетного периода времени Т, используя условие совпадения долговременных интегральных эффектов. Анализ операторным методом совпадения решений согласно динамической и квазистатической постановок:

(8) показывает, что равенство перемещений q возможно при условии эквивалентности соответствующих импульсов за расчетный период:

(9) Тогда "приведенная статическая нагрузка" для данного вида воздействия (данного типа автомобиля, скорости его движения и расположения на проезжей части) на расчетный период · (10) Следует отметить, что подобная операция проводится для каждого транспортного средства, предполагаемого для включения в состав движения.

4. Далее суммируются все «приведенные нагрузки» от тех транспортных средств, которые включаются в пакет движения за период Т:

= (11) Уравнение, описывающее процесс накопления остаточных деформаций согласно модифицированной гипотезы вязкого течения и «приведенной нагрузки», имеет вид:

(12) Следует отметить, что уравнение типа (12) можно также построить из общего интегрального уравнения вязкоупругопластично сти при ограничениях на ядра интегральных операторов (13) Для построения численного решения рассмотренного уравнения вязко пластичного деформирования в работе использована явная абсолютно устойчивая схема прямого интегрирования задач эволюционного типа (14) Для устойчивого процесса;

Для устойчивого процесса без колебаний;

Укрупненная блок-схема программного комплекса прогнозирования накопления остаточных деформаций в дорожных конструкциях дана на рис.

1.

Алгоритмом программного комплекса предусмотрено использование базы данных, в которой хранятся сведения о реологических характеристиках дорожно-строительных материалов, в том числе асфальтобетонов различных типов. Ограничение по реализации модели заключается именно в отсутствии этой базы данных по реологическим характеристикам, к которым относятся модуль упругости (модуль деформации) – Е, коэффициент Пуассона – µ, плотность материала -. Также для адекватной работы программного комплекса и реализации разработанной механико-математической модели н е о бход и м ы д а н н ы е о н а ко п л е н и я о с т аточ н ы х д е ф о рма ц и й в асфальтобетонных слоях дорожных конструкций. Одним из путей решения данной проблемы является проведение экспериментальных исследований ползучести асфальтобетонов различных типов и марок, а также проведение экспериментальных исследований по уточнению коэффициента Пуассона асфальтобетонов различных типов и марок под воздействием различных нагрузок и температур.

Блок А. Формирует файл данных о задаче, используя справочную базу ФДЗ данных в табличной и графической формах ФДРi Блок Б. Модуль определения динамического воздействия каждого типа автомобиля на дорожную конструкцию Старт ФПН Блок В. Модуль определения приведенной нагрузки ФДЗ Блок Г. Модуль прогнозирования динамики накопления остаточных деформаций ФПН Анализ данных и формирование вспомогательных матриц по элементам Цикл по временным точкам (шагам) уточненной приведенной нагрузки (Блоки Определение годового и суточного периода в очередной точке по времени Изменение данных о геометрических динамической задачи, формирование параметрах дороги, новое решение Определение физико-механических параметров по данным о температуре и влажности в очередной период времени Б и В) Уточнение матриц по элементам с учетом данных по физико механическим параметрам Определение приращения вектора остаточных деформаций за очередной временной шаг Нет Контроль нормы увеличения вектора перемещений ||q|| Изменение формы требует уточнения проезжей части динамического поверхности воздействия Да Запись результатов на очередном шаге Остановка Рис. 1.

Проведение исследований ползучести асфальтобетона может стать одним из путей решения проблемы адекватного описания работы асфальтобетона в дорожном покрытии. Сама по себе ползучесть может дать только данные о накоплении полных деформаций, т.е. сумму из двух деформаций – обратимых (упругих) и необратимых (пластических).

Фактически же для адекватной работы ранее описанного программного комплекса необходимо иметь данные не только по полным деформациям, но и п о н а ко п л е н и ю о с т ат оч н ы х ( н е о б р ат и м ы х ) д е ф о р м а ц и й в асфальтобетонных слоях дорожных конструкций. Подобного рода данные можно получить путем проведения испытаний с попеременным загружением – разгружением асфальтобетонных образцов и, в дальнейшем, зная отношение остаточных деформаций к полным и, проводя исследования ползучести, можно с достоверной точностью говорить о численном значении пластической составляющей в полной деформации различных типов асфальтобетонов.

Также во второй главе был проведен численный эксперимент по уточнению напряженно-деформированного состояния в испытываемых образцах и в асфальтобетонных слоях дорожных конструкций на основе метода конечных элементов (МКЭ) с использованием программного обеспечения POLUS. Целью проведения численного эксперимента являлось установление степени влияния изменения коэффициента Пуассона асфальтобетона верхнего слоя дорожной одежды на напряженно деформированное состояние самого слоя, а также других конструктивных слоев дорожных одежд и земляного полотна.

В результате проведенного численного эксперимента было установлено, что изменение коэффициента Пуассона оказывает существенное влияние на напряженно-деформированное состояние верхних слоев асфальтобетонного покрытия, в результате чего происходит перераспределение напряжений в последующих слоях дорожной конструкции с их увеличением или уменьшением в среднем на 20-33%. При этом, если для µ=0,2 максимальные вертикальные перемещения Uy в дорожной конструкции составляют 0,16мм, то для µ=0,4 Uy составляет 0,41мм.

Исходя из выше изложенного, можно сделать вывод о необходимости учета изменения коэффициента Пуассона в зависимости от температуры асфальтобетона при конструировании нежестких дорожных одежд.

В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований ползучести различных типов асфальтобетонов, в том числе щебеночно-мастичных.

Испытания проводились при помощи специально сконструированного приборного обеспечения (рис. 2а) на которое получен патент №59250. Для поддержания постоянной температуры в образцах была сконструирована специальная температурная камера (рис. 2а).

С целью изучения возможных вариантов обоснованного назначения геометрических параметров исследуемых лабораторных образцов был выполнен ряд численных экспериментов по анализу НДС не только в области «активного» действия расчетной нагрузки, но и за ее пределами.

При анализе НДС асфальтобетонных образцов нагрузка прикладывалась через штамп диаметром 10см при расчетной нагрузке (р=0,6МПа). В ходе эксперимента установлено, что наиболее характерными и опасными являются тангенциальные напряжения (Тху), возникающие в плоскости действия прилагаемой нагрузки, фактические значения которых на границе исследуемой области при диаметре штампа 10см достигают недопустимых, по своим абсолютным значениям величин (Тху=0,16МПа).

Исходя из этого, был сделан вывод о необходимости учета сил бокового обжатия.

Вакуумная резина Медное кольцо А/б образец Стальной хомут а б Рис.2. Приборное обеспечение для проведения экспериментальных исследований ползучести асфальтобетона С целью решения данной задачи в качестве обжимающего материала было принято решение использовать специальную вакуумную резину с известными физико-механическими и реологическими показателями (модуль упруго сти, показатель твердо сти по Шору А, и т.д.). Вокруг асфальтобетонного образца резина фиксировалась специальными стальными полукольцами, стянутыми стальными хомутами (рис.2б.).

В дальнейшем была разработана методика, по которой деформация резины, а, следовательно, и создаваемое давление измеряется непосредственно в ходе проведения эксперимента по определению деформаций ползучести асфальтобетонных образцов.

Для измерения поперечной деформации резины был использован емкостной датчик, специально разработанный для этой цели.

Ползучесть асфальтобетонных образцов определялась при различной статической нагрузке, передаваемой на образец через металлический штамп, в широком диапазоне варьирования удельной нагрузки (0,25, 0,5 и 0,6 МПа).

Варьировалась также температура асфальтобетонных образцов (20, 35 и 50 0С).

Деформация ползучести фиксировалась индикаторами часового типа с ценой деления 0,01 мм. Через определенные интервалы времени t снималась нагрузка и замерялись приращения необратимых деформаций ост Затем вновь прикладывалась нагрузка и т.д. Данные заносились в таблицу и определялись полные невосстановимые (остаточные) деформации и скорости нарастания остаточных деформаций. По каждому варианту испытывалось по три образца.

В качестве примера на рис. 3, 4 приведены основные осредненные результаты испытания асфальтобетона типа Б I марки при 20С. Аналогичные зависимости получены по другим вариантам эксперимента, которые приведены в прилож. 1. диссертационной работы.

Рис. 3. График ползучести асфальтобетонных образцов типа Б I марки при t=20С и удельных нагрузках 0,6, 0,5 и 0,25МПа 0, 0, 0, деформация, мм 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 0,6 МПа 0,50 МПа 0,25 МПа время, мин Рис. 4. График отношения остаточных деформаций ползучести к полным деформациям асфальтобетонных образцов типа Б I марки при t=20С и удельных нагрузках 0,6, 0,5 и 0,25МПа Анализируя полученные результаты можно сделать следующие выводы:

- для асфальтобетонов типа Б остаточные деформации составляют 70-80% от полных, а для щебеночно-мастичного асфальтобетона от 45 до 60% при этом доля остаточной деформации от общей зависит только от типа асфальтобетона и не зависит от температуры и величины прикладываемой нагрузки, в то время, как величина полных деформаций находится в прямой зависимости от действующей нагрузки и температуры.

- на всех графиках для асфальтобетона типа Б наблюдается резкий скачок остаточных деформаций в начальный промежуток времени от момента приложения нагрузки, в то время как у щебеночно-мастичного асфальтобетона кривая имеет более плавный характер, что объясняется наличием у ЩМА каркасной структуры. Подобная картина наблюдается и в реальных условиях эксплуатации автомобильных дорог, когда на покрытиях с асфальтобетоном типа Б, происходит ускоренное колееобразование уже в начальный период их эксплуатации.

Также в третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований изменения коэффициента Пуассона асфальтобетона под воздействием различных нагрузок и температур с целью проведения которых разработано и изготовлено специальное приборное обеспечение. Выходными данными проведенного эксперимента являются амплитуда упругого деформирования по оси сжатия и в поперечном сечении.

В соответствии с полученными результатами по упругому деформированию асфальтобетонных образцов был проведен расчет фактического коэффициента Пуассона для соответствующих условий проведения эксперимента. В качестве примера на рис. 5 представлен график изменения коэффициента Пуассона для образца из щебеночно-мастичного асфальтобетона.

Рис. 5. Зависимость коэффициента Пуассона от температуры при нагрузке 0,6МПа В четвертой главе описана методика, позволяющая учитывать развитие поперечной неровности дорожных покрытий вследствие накопления остаточных деформаций в слоях нежестких дорожных одежд и земляном полотне.

В с о от ве т с т в и и с р а з р а б от а н н о й м е тод и ко й п р ед л а г а е т с я проектирование дорожных одежд нежесткого типа осуществлять в два этапа:

Первый этап – конструирование и расчет нежестких дорожных одежд в соответствии с ОДН 218.046-01 «Проектирование нежестких дорожных одежд».

Второй этап – проверка дорожной конструкции на накопление остаточных деформаций в ее элементах при комплексном воздействии пространственных динамических нагрузок и погодно-климатических факторов в соответствии с методикой, изложенной в главе 2.

Решение динамических задач позволяет определить вертикальные перемещения поверхности дорожного покрытия от расчетных нагрузок движущегося транспорта. Расчет проводится для всех типов расчетных автомобилей, движущихся с различными скоростями на расстоянии 0,5 м от кромки проезжей части. Все расчеты, не зависимо от скорости движения автомобилей, выполнены с шагом интегрирования 0,01с.

Для наглядности в качестве примера на рис. 6 приведена эпюра вертикальных перемещений фиксированного сечения поверхности дорожного покрытия конструкции, во времени до и после наезда на него тяжелого грузового автомобиля, движущихся со скоростью 120км/ч на расстоянии 0, м от кромки проезжей части.

Рис. 6.

Анализ полученных результатов показал, что практически во всех случаях с увеличением скорости движения автомобилей всех марок, синхронно уменьшаются динамические прогибы покрытия, при этом величина прогиба в значительной степени зависит от расположения транспортного средства на проезжей части. Кроме того, во всех случаях отмечается выпор поверхности покрытия перед передними и задними колесами движущегося автомобиля, причем, чем выше скорость, тем выше его значение.

Полученные динамические решения являются базовыми для определения приведенной квазистатической нагрузки при расчете на длительное воздействие.

На третьем этапе определяется приведенная квазистатическая нагрузка от одного транспортного средства на расчетный период времени (1 час).

Следует отметить, что эти нагрузки строятся для каждого типа воздействия, включающего вид автомобиля, скорость движения и его положение на проезжей части.

В качестве примера на рис. 7 представлена квазистатическая нагрузка от тяжелого грузового автомобиля движущегося со скоростью 120 км/ч на расстоянии 0,5 м от кромки проезжей части.

Рис. 7.

Анализ полученных зависимостей показывает, что по мере увеличения скорости движения автомобилей приведенная квазистатическая нагрузка снижается. Кроме того, во всех случаях отмечается зона смены знака приведенной нагрузки между колесами автомобиля, что приводит к появлению нежелательных растягивающих напряжений, способствующих потере контакта в конструктивных слоях и образованию продольных и поперечных трещин.

На последнем этапе определения приведенной нагрузки производится суммирование построенных функций в соответствии со статистической информацией о фактической и перспективной интенсивности и состава движения.

Анализ полученных результатов показал, что значения суммарных приведенных нагрузок («ответственных» за накопление необратимых перемещений в элементах дорожных конструкций), как и следовало ожидать, в дневное время суток в 5-6 раз выше аналогичных показателей в ночное время. Кроме того, по мере роста интенсивности движения в процессе эксплуатации дороги пропорционально возрастают и значения суммарных приведенных нагрузок (на 10% к 6 году эксплуатации дороги и на 20% к году эксплуатации дороги).

Окончательный этап расчета позволяет получить прогноз накопления остаточных деформаций и характер развития неровностей в элементах дорожной конструкции. Ниже приводятся максимальные расчетные значения необратимых вертикальных деформаций поверхности дорожного покрытия по внешней полосе наката за 15 лет эксплуатации автомобильной дороги I технической категории (рис. 8).

Анализируя полученный график видим, что предельно допустимая глубина колеи (25 мм), согласно «Рекомендациям по выявлению и устранению колей на нежестких дорожных одеждах», утвержденных распоряжением Росавтодора № ОС-556-р от 24.06.2002 г., достигается уже на 6-ой год эксплуатации, а на 15-ый год глубина колеи достигает уже 68,5 мм.

Исходя из этого, было принято решение об усилении дорожной конструкции.

В частности была произведена замена щебеночного слоя, устроенного по способу заклинки на слой щебеночно-песчаной смеси, укрепленной цементом, без изменения общего модуля упругости дорожной конструкции.

Рис. 8.

Далее был произведен перерасчет величины остаточных деформаций, в результате чего глубина колеи на 15-ый год эксплуатации автомобильной дороги составила 18,5 мм, что соответствует требованиям нормативных документов. При этом экономический эффект от принятия такой конструкции за счет увеличения межремонтных сроков составляет 860720 руб. на 1000 м автомобильной дороги.

В пятой главе описана сеть наблюдательных станций, заложенных на автомобильных дорогах общего пользования в Южном Федеральном округе с целью подтверждения адекватности разработанной механико-математической модели и созданного на ее основе программного комплекса реальным процессам, протекающим в дорожной конструкции.

Каждая наблюдательная станция состоит из совокупностей съемочных точек, образующих 3 поперечных ряда (линии), и закрепленных в асфальтобетонном покрытии металлическими стержнями (дюбелями).

Расстояния между рядами точек 6,0м, между точками по каждому ряду 0,5м.

Около каждой наблюдательной станции заложены временные репера на расстоянии 15 - 20м от дороги.

П о р е зул ьт ат а м п р о в е д е н н ы х н а бл юд е н и й б ы л п р о в е д е н сопоставительный анализ фактической глубины колеи на наблюдательных станциях с расчетными данными по накоплению остаточных деформаций, полученными с помощью разработанного программного комплекса. В качестве примера на рис. 9 приведены результаты сопоставительного анализа глубины колеи на проезжей части а/д «с. Сенгилеевское – д. Новотроицкая» III т.к., а/д «с. Греческое – г. Минеральные Воды» на участке км3-км8 IV т.к.

(Ставропольский край). Для наглядности, учитывая несопоставимые размеры приращений остаточных деформаций и ширины проезжей части, графики перемещений изображены в искаженном масштабе.

а) б) Рис. 9. Накопление необратимых перемещений поверхности проезжей части – по расчетным данным, – по данным геодезических наблюдений.

а) а/д «с. Сенгилеевское – д. Новотроицкая» – срок эксплуатации дороги – 5 лет;

б) а/д «с. Греческое – г. Минеральные воды» – срок эксплуатации дороги – 5 лет;

Анализ приведенных данных показывает, что разница между фактическими и расчетными значениями необратимых перемещений поверхности дорожных покрытий за период наблюдений по всем контрольным точкам не превышает 1 мм, что говорит о высокой степени сходимости прогнозируемых и фактически наблюдаемых результатов.

Для более объективной оценки напряженно-деформированного состояния (НДС) дорожной конструкции в ДорТрансНИИ РГСУ разработан автоматизированный измерительный комплекс и методика мониторинга накопления остаточных деформаций в элементах дорожных конструкций (патент № 68694), общий вид которого показан на рис. 10.

1 – металлическая вертикальная трубка;

2 – межслойный диск;

3 – кольцевые магниты в металлической оболочке;

4 – электроника для измерения и предварительной обработки информации.

Рис. 10.

На данный момент подобного рода система зондов заложена на экспериментальном участке автомагистрали М-4 «Дон» км982 - км1000 и полученные предварительные результаты говорят о надежности разработанного комплекса мониторинга и высокой степени точности и адекватности получаемых данных.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 1. Комплекс выполненных теоретиче ских и экспериментальных исследований позволил решить научную проблему прогнозирования накопления остаточных деформаций в элементах дорожных конструкций с учетом неупругих реологических свойств материалов дорожных одежд и пространственного нагружения.

2. Разработана механико-математическая модель, позволяющая с достаточной точностью и достоверностью описывать работу дорожной конструкции в реальных условиях эксплуатации. При этом учитываются такие факторы, как инерционность подвижного состава и дорожной конструкции, переменная во времени (в течение года и суток) интенсивность грузопотока, скорость движения транспортных средств и расположение движущихся автомобилей на проезжей части, влияние переменных во времени температурно-влажностных факторов, эффекты старения материалов, изменение характеристик и геометрических параметров дорожной конструкции вследствие ее неравномерного деформирования.

3. Проведен численный эксперимент по уточнению напряженно деформированного состояния дорожной конструкции в условиях реального динамического нагружения, который позволил:

- принять обоснованное решение о необходимости проведения экспериментальных исследований ползучести асфальтобетонов с целью уточнения скорости накопления и величины остаточных деформаций при воздействии различных нагрузок и температур;

- установить степень влияния изменения коэффициента Пуассона верхних слоев асфальтобетонного покрытия на НДС дорожной конструкции и принять обоснованное решение по его уточнению.

4. Сконструирован испытательный стенд и специальное приборное обеспечение позволившее:

- провести комплекс лабораторных исследований ползучести различных типов асфальтобетонов, в том числе щебеночно-мастичных в широком диапазоне варьирования удельных нагрузок (0,25, 0,5 и 0,6 МПа) и температур (20, 35 и 50°С);

- получить зависимость изменения коэффициента Пуассона от температурного режима работы асфальтобетона, а также величины действующей нагрузки.

Полученные экспериментальные зависимости позволят с высокой степенью точности прогнозировать накопление остаточных деформаций в элементах дорожных конструкций с учетом неупругих свойств материалов дорожных одежд.

5. Разработана методика и программное обеспечение, позволяющее прогнозировать накопление остаточных деформаций в дорожных конструкциях с учетом их пространственного динамического нагружения и воздействия погодно-климатических факторов.

6. экспериментальные исследования, выполненные в натурных условиях, подтвердили адекватность разработанной механико-математической модели реальным процессам, протекающим в дорожных конструкциях, и возможность ее применения при проектировании дорожных одежд, что будет спо собствовать принятию обо снованных решений при конструировании нежестких дорожных одежд, устойчивых к накоплению остаточных деформаций.

Публикации в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных ВАК РФ:

1. Матуа, В. П. Исследование ползучести асфальтобетонов с целью прогнозирования накопления остаточных деформаций в слоях покрытий дорожных одежд в реальных условиях их эксплуатации / В.П. Матуа, Д.В.

Чирва // Вестник Волгоградского государственного архитектурно строительного университета. Сер.: Строительство и архитектура. – Волгоград : ВолгГАСУ, – 2009. – Вып. 13 (32). – с. 68-73.

2. М атуа, В. П. В л и я н и е у п ру го вя з ко п л а с т и ч е с к и х с во й с т в асфальтобетонов на накопление остаточных деформаций в слоях покрытий автомобильных дорог / В.П. Матуа, Д.В. Чирва, Р.В. Матуа // Журнал «Известия высших учебных заведений. Строительство», Новосибирск:

НГАСУ (СИБСТРИН), 2009. – Вып. 10. – с. 25-35.

Публикации в прочих изданиях:

3. Матуа, В. П. Исследование реологических свойств асфальтобетона / В.П. Матуа, Е.М. Баранова, Д.В. Чирва // Строительство 2004: матер.

юбилейной Междунар. науч.-практич. конф. – Ростов-на-Дону : РГСУ, 2004. – С.

4. Матуа, В. П. Исследование динамики накопления остаточных деформаций в асфальтобетоне / В.П. Матуа, Е.М. Баранова, Д.В. Чирва // Пути совершенствования системы управления, финансирования и нормативно-технической базы дорожной отрасли : матер. Междунар.

науч.-практич. конф. посвященной 45-летию Казахстанской дорожной науки. - Астана-Алматы : КазгосИНТИ, 2004, с. 193-196.

5. Матуа, В. П. Конструирование дорожных одежд, регенерированных методом холодного ресайклинга / В.П. Матуа, Д.В. Чирва, В.В. Солодов, Р.А. Соколенко // Строительство 2005: матер. юбилейной Междунар. науч. практич. конф. – Ростов-на-Дону : РГСУ, 2005. – с. 59.

6. Матуа, В. П. Регистрирующие устройства для измерения остаточных деформаций в элементах дорожных конструкций / В.П. Матуа, П.С. Пляка, Е.М. Баранова, Д.В. Чирва // Строительство 2005: матер. юбилейной Междунар. науч.-практич. конф. – Ростов-на-Дону : РГСУ, 2005. – с.

75-77.

7. Матуа, В. П. Приборы и методы определения остаточных деформаций в элементах дорожных конструкций / В.П. Матуа, Е.М. Баранова, Д.В.

Чирва, В.В. Солодов // Проблемы проектирования, строительства и эксплуатации автомобильных дорог. Охрана окружающей среды : матер.

3-ей Всероссийской науч.-практич. конф. – Пермь : ПГТУ, 2005. – с. 55-59.

8. Матуа, В. П. Прогнозирование накопления остаточных деформаций в дорожных конструкциях методами математического моделирования / В.П.

Матуа, Е.М. Баранова, Д.В. Чирва // Сборник «Дороги мосты», М. ФГУП РОСДОРНИИ, 2004. – Вып. 15/1. с. 127-140.

9. Матуа, В. П. Прогнозирование и учет накопления остаточных деформаций при проектировании нежестких дорожных одежд / В.П.

Матуа, Е.М. Баранова, Д.В. Чирва // Строительство 2005: матер.

юбилейной Междунар. науч.-практич. конф. – Ростов-на-Дону : РГСУ, 2006. – с. 20-21.

10.Чирва, Д. В. Исследование накопления остаточных деформаций в многослойных дорожных конструкциях в реальных условиях эксплуатации методом беспрерывного долговременного мониторинга / Д.В. Чирва, В.В. Солодов // Проблемы проектирования, строительства эксплуатации транспортных сооружений : матер. I Всероссийской науч. практич. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. – Омск :

СибАДИ, 2006. – с. 61-65.

11.Матуа, В. П. Прогнозирование и учет накопления остаточных деформаций при проектировании нежестких дорожных одежд / В.П.

Матуа, Е.М. Баранова, Д.В. Чирва // Современные технологии и материалы в дорожном хозяйстве : матер. Междунар. науч.-практич. конф. – Харьков :

ХНАДУ, 2006, с. 21-23.

12. Матуа, В. П. Совершенствование методов проектирования нежестких дорожных одежд / В.П. Матуа, Е.М. Баранова, Д.В. Чирва // Вестник Харьковского национального автомобильно-дорожного университета : сб.

науч. тр. – Харьков : ХНАДУ, 2006. – с. 23-26.

13. Матуа, В. П. Экспериментальные исследования реологических характеристик асфальтобетона / В.П. Матуа, Е.М. Баранова, Д.В. Чирва // Строительство 2007: матер. юбилейной Междунар. науч.-практич. конф. – Ростов-на-Дону : РГСУ, 2007. – с. 30-32.

14. Матуа, В. П. Теоретические предпосылки уточнения коэффициента Пуассона / В.П. Матуа, Д.В. Чирва // Строительство 2008: матер. юбилейной Междунар. науч.-практич. конф. – Ростов-на-Дону : РГСУ, 2008. – с. 16-17.

15. Матуа, В. П. Исследование влияния ползучести связных дорожно строительных материалов на накопление остаточных деформаций в дорожных конструкциях / В.П. Матуа, Д.В. Чирва // Автомобильные дороги – М. : Транспорт, 2009. – с. 39-45.

16. Пат. 59250 Российская Федерация. Установка для определения деформаций ползучести дорожно-строительных материалов / С.К.

Илиополов, В.П. Матуа, В.А. Максимовский, Е.М. Баранова, Д.В. Чирва, В.В.

Солодов ;

заявл. 31.07.2006 ;

опубл. 10.12.2006, Бюл. № 34. – 2 с.

17. Пат. 68694 Российская Федерация. Комплекс автоматизированного мониторинга накопления остаточных деформаций в элементах дорожных конструкций / С.К. Илиополов, В.П. Матуа, П.С. Пляка, Е.М. Баранова, В.В.

Солодов, Д.В. Чирва ;

заявл. 31.07.2006 ;

опубл. 27.11.2007, Бюл. № 33. – 3 с.

ЧИРВА ДМИТРИЙ ВЛАДИМИРОВИЧ ВЛИЯНИЕ УПРУГО-ВЯЗКО-ПЛАСТИЧНЫХ СВОЙСТВ АСФАЛЬТОБЕТОНА НА НАКОПЛЕНИЕ ОСТАТОЧНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ ПРИ ПРОСТРАНСТВЕННОМ ДИНАМИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ ДОРОЖНЫХ КОНСТРУКЦИЙ Специальность 05.23.11 – проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Подписано в печать 18.02.2010г. Заказ № Тираж 100 экз. Печ.л. 1, Формат 6084 1/16.

Бумага писчая. Печать плоская.

Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет 400074, Волгоград, ул. Академическая, 1.



 

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.