Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса и задачи исследования 12
1.1 Геосинтетические материалы, применяемые для армирования асфальтобетонных покрытий 12
1.2 Основные требования, предъявляемые к армирующим материалам 17
1.3 Анализ методов расчета нежестких дорожных одежд с армированным асфальтобетонным покрытием 19
1.4 Выводы, цель и задачи исследования 30
2 Напряженно-деформированное состояние армированного асфальтобетона 33
2.1 Определение нормальных и касательных напряжений при поперечном изгибе неармированного асфальтобетонного образца 33
2.2 Определение разрушающих нагрузок при изгибе балок за пределом упругости 40
2.3 Анализ напряженно-деформированного состояния армированного асфальтобетонного образца 43
2.3.1 Особенности напряженно-деформированного состояния армированной асфальтобетонной балки на первой стадии 44
2.3.2 Назначение расчетного предела прочности армирующего геосинтетического материала 52
2.3.3 Особенности напряженно-деформированного состояния армированной асфальтобетонной балки на второй стадии
2.4 Определение коэффициентов армирования 58
2.5 Определение выносливости (усталостной прочности) армированного асфальтобетона 65
Выводы по второй главе з
3 Обоснование методики испытаний и расчёта асфальтобетона на действие многократной циклической нагрузки 70
3.1 Принятые понятия и термины 70
3.2 Обоснование методики определения модуля упругости и прочности асфальтобетона на растяжение при изгибе под воздействием многократных кратковременных нагрузок 71
3.3 Обоснование значений нагрузочных параметров 78
3.4 Обоснование частоты и периода циклических нагружений 80
3.5 Методика и оборудование для испытаний асфальтобетонных образцов на воздействие многократной циклической нагрузки... 85
3.6 Определение расчетных параметров асфальтобетона на воздействие многократных циклических нагрузок 88
Выводы по третьей главе 96
4 Экспериментальная оценка физико-механических свойств армированного асфальтобетона 98
4.1 Математическая обработка результатов испытаний 98
4.2 Методика изготовления асфальтобетонных образцов 102
4.3 Определение предела прочности при сжатии 103
4.4 Определение предела прочности при одноосном растяжении 106
4.5 Определение предела прочности асфальтобетона на растяжение при изгибе 109
4.6 Экспериментальное определение положения нейтральной оси при изгибе асфальтобетонных образцов 114
4.7 Определение предела прочности на сдвиг 116
Выводы по четвёртой главе 118
5 Испытания армирующих геосинтетических материалов 120
5.1 Определение предела прочности при растяжении 120
5.2 Определение механической технологической повреждаемости геосинтетических материалов 124
5.3 Определение термической технологической повреждаемости геосинтетических материалов 133
Выводы по пятой главе 135
6 Расчет армированных асфальтобетонных покрытий по критерию усталостного разрушения 136
6.1 Методика расчета 136
6.2 Определение межремонтных сроков и сроков службы нежесткой дорожной одежды с армированным асфальтобетонным покрытием 144
6.3 Пример расчета нежестких дорожных одежд 147
6.4 Дальнейшие пути совершенствования методики расчета нежестких дорожных одежд по критерию усталостного
разрушения монолитных слоев 151
Выводы по шестой главе 155
7 Результаты опытного строительства и экономическая оценка предлагаемых решений 156
7.1 Результаты строительства и обследования опытного участка на проспекте Губкина (г. Омск) 156
7.2 Характеристики опытных участков и результаты их обследования 158
7.2.1 Участок на улице Удмуртская (г. Ижевск) 159
7.2.2 Участок автомобильной дороги М7 «Ижевск-Сарапул-Уфа» (республика Удмуртия) 162
7.2.3 Участок автомобильной дороги Р-71 «Ковров-Шуя-Кинешма» (Ивановская область) 164
7.2.4 Участок на улице Малоохтинский проспект (г. Санкт-Петербург)... 168
7.2.5 Участок автомобильной дороги Р-126 «Рязань-Ряжск-Ефремов» 171
7.3 Оценка экономической эффективности применения геосеток для армирования асфальтобетонных покрытий 174
7.3.1 Оценка экономической эффективности применения армированных асфальтобетонных покрытий за счет снижения толщин конструктивных слоев 175
7.3.2 Оценка экономической эффективности применения армированных асфальтобетонных покрытий за счет снижения
эксплуатационных затрат и увеличения срока службы покрытия.. 179
7.4 Выводы по седьмой главе 188
Заключение 191
Список использованных источников
- Анализ методов расчета нежестких дорожных одежд с армированным асфальтобетонным покрытием
- Особенности напряженно-деформированного состояния армированной асфальтобетонной балки на второй стадии
- Обоснование частоты и периода циклических нагружений
- Определение предела прочности асфальтобетона на растяжение при изгибе
Введение к работе
Анализ результатов отечественных и зарубежных исследований свидетельствует, что армирование асфальтобетонных покрытий и оснований геосинтетическими материалами (ГМ) позволяет повысить их сопротивление растягивающим напряжениям от силовых и температурных воздействий, уменьшить трещинообра-зование и колееобразование. Об этом свидетельствуют как научные исследования, так и практика эксплуатации некоторых участков. Однако практика показывает, что далеко не всегда удаётся достичь существенных положительных результатов при армировании асфальтобетонных слоев ГМ. Нет единого мнения в вопросах конструирования и расчёта армированных слоев; нет определенности в выборе эффективных геосинтетических материалов, в требованиях к их прочности и деформативности; далеко не всё ясно в вопросах технологии строительства армированных покрытий и оснований.
Актуальность диссертационной работы заключается в развитии научных положений и практических рекомендаций для повышения эффективности армирования асфальтобетонных слоев дорожных одежд геосинтетическими материалами.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с тематическим планом ФГБОУ ВПО «СибАДИ». Исследования выполнялись по прямым договорам с производственными подразделениями. Тема диссертационного исследования включена в программу НИОКР Федерального дорожного агентства (Росавтодор) на 2009-2013 гг.
Степень разработанности. Существующие подходы к расчёту армированных асфальтобетонных покрытий и оснований предполагают использование различных методов обобщения прочностных характеристик асфальтобетона за счёт введения повышающих «коэффициентов армирования». При этом наблюдаются существенные различия значений этих коэффициентов. Влияние свойств ГМ на прочностные характеристики армированных асфальтобетонных слоев дорожных одежд не достаточно изучено. Исследования по моделированию процессов работы армированных монолитных слоев дорожных одежд при усталостном разрушении от циклического силового воздействия транспортных средств выполнялись, но не учитывался широкий спектр температур, при которых работают эти слои. Нет достоверных данных о технологической повреждаемости армирующих материалов и влиянии повреждаемости на расчётные параметры армированных слоев. До настоящего времени не предложены теоретически и экспериментально обоснованные методы расчёта армированных монолитных слоев по критерию усталостного разрушения от циклического воздействия транспортных средств.
Основная идея работы состоит в том, что армирование асфальтобетонных слоев дорожных одежд ГМ повысит их сопротивление усталостному разрушению при циклическом воздействии транспортных средств, при этом свойства армирующих материалов оказывают значительное влияние на получаемые результаты.
Объектом исследования являются нежёсткие дорожные одежды со слоями из асфальтобетона.
Предмет исследования - закономерности изменения прочностных и де-формативных показателей асфальтобетонных слоев, армированных ГМ, при циклическом воздействии транспортных средств.
Цель диссертационного исследования - обосновать метод расчёта и расчётные параметры слоев дорожных одежд из асфальтобетона, армированного геосинтетическими материалами, по критерию усталостного разрушения при циклическом воздействии транспортных средств.
Для реализации поставленной цели поставлены и решены следующие задачи:
-
Проанализировать свойства ГМ и методы расчёта дорожных одежд с армированными асфальтобетонными слоями
-
На основании математического моделирования изучить закономерности формирования напряжённо-деформированного состояния слоев покрытий и оснований из армированного асфальтобетона.
-
Экспериментально исследовать физико-механические свойства георешёток, армированного асфальтобетона и установить численные значения расчётных параметров армированных асфальтобетонных слоев от воздействия кратковременных циклических нагрузок при положительных и отрицательных температурах.
-
Предложить метод расчёта армированных асфальтобетонных слоев по критерию усталостного разрушения.
-
Проверить результаты теоретических и экспериментальных исследований путём строительства и обследования опытных участков.
6. Оценить экономическую эффективность предлагаемых решений.
Научная новизна результатов работы заключается в следующем:
получены математические модели, позволяющие прогнозировать изменение напряжённо-деформированного состояния армированного асфальтобетонного слоев дорожных одежд от силовых многократных циклических воздействий транспортных средств при разной температуре;
определены численные значения расчётных параметров асфальтобетонных слоев, армированных георешётками, в зависимости от заданного количества циклов нагружений транспортными средствами при разной температуре;
экспериментально получены закономерности изменения прочности георешёток из-за технологической повреждаемости при устройстве асфальтобетонных слоев дорожных одежд.
Теоретическая значимость диссертационной работы заключается в развитии научных положений и совершенствовании метода расчёта асфальтобетонных слоев нежёстких дорожных одежд по критерию усталостного разрушения от воздействия транспортных средств.
Практическая значимость диссертационной работы заключается в определении расчётных значений (прочности на растяжение при изгибе, усталостных характеристик) асфальтобетона, армированного различными видами ГМ, ранее не нашедших отражения в нормативно-методических документах по расчёту нежёстких дорожных одежд на прочность.
Разработаны и переданы заказчикам «Рекомендации по проектированию, строительству и ремонту асфальтобетонных покрытий и оснований с использованием георешёток (геосеток)». Материалы исследования нашли отражение в ОДМ 218.5.001-2009 «Методические рекомендации по применению геосеток и плоских георешёток для армирования асфальтобетонных слоев усовершенствованных видов
покрытий при капитальном ремонте и ремонте автомобильных дорог», разработанном по заказу Федерального дорожного агентства (Росавтодор).
Результаты исследования использованы при подготовке занятий по дисциплине «Специальные вопросы проектирования дорог» для слушателей ФПК, магистров и студентов ФГБОУ ВПО «СибАДИ», для разработки дипломных проектов.
Методология и методы исследования. Методологической основой для решения поставленных задач является системный подход, при котором свойства асфальтобетона до и после армирования, вид и физико-механические характеристики армирующих материалов представлены во взаимосвязанном виде с учетом технологических факторов и температуры. Методология работы основана на использовании законов теории упругости и положений расчёта изгибаемых железобетонных элементов по деформационной модели и методу предельного равновесия, распространённых на армированный асфальтобетон.
В процессе выполнения диссертационной работы использован комплекс методов исследования, включающий: литературный и патентный поиск, анализ и обобщение, теоретические исследования и физический эксперимент, теории планирования эксперимента и вероятности, опытное строительство и обследование, технико-экономическую оценку результатов исследования.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается методологической базой исследований, основанной на фундаментальных теоретических положениях; соблюдением основных принципов физического и математического моделирования; достаточным объёмом экспериментальных данных, полученных с использованием приборов и оборудования, прошедших аттестацию. Результаты исследования докладывались и получили положительные отзывы на 16 научных конференциях различного уровня.
Положения, выносимые на защиту:
- методика прогнозирования напряжённо-деформированного состояния ар
мированных асфальтобетонных слоев дорожных одежд от силовых многократных
циклических воздействий транспортных средств при разной температуре;
результаты экспериментальных исследований физико-механических свойств георешёток, армированного асфальтобетона и численные значения расчётных параметров слоев из армированного асфальтобетона от воздействия кратковременных циклических нагрузок при положительных и отрицательных температурах;
метод расчёта армированных асфальтобетонных слоев дорожных одежд по критерию усталостного разрушения;
Личный вклад автора заключается в определении цели и задач исследования; выполнении теоретических и экспериментальных исследований; участии в опытно-производственном строительстве и обследованиях опытных участков; анализе и обобщении полученных результатов.
Апробация работы. Материалы исследования доложены, обсуждены и получили положительные отзывы: на 62, 63 и 66-й научно-технических конференциях в СибАДИ (г. Омск, 2008, 2009 и 2012 гг.); на I Всероссийском дорожном конгрессе (г. Москва, 2009 г.); IV, V и VI всероссийских научно-практических конференциях студентов, аспирантов и молодых учёных (г. Омск, 2009, 2010 и 2012 гг.); технологическом конгрессе "Новые технологии строительства и содержания автомобильных
дорог в условиях Сибири и Крайнего Севера" (г. Омск, 2009 г.); VII Международной научно-технической конференции "Динамика систем, механизмов и машин" (г. Омск, 2009 г.); III Всероссийской молодёжной научно-технической конференции "Россия молодая: передовые технологии - в промышленность" (г. Омск, 2010 г.); II Всероссийской конференции "Деформирование и разрушение структурно-неоднородных сред и конструкций" (г. Новосибирск, 2011 г.); на научно-технических семинарах на базе ОАО "Омскнефтихимпроект" (г. Омск, 2010 г.), Министерства транспорта и дорожного хозяйства Саратовской области (г. Саратов, 2010 г.), Министерства транспорта и дорожного хозяйства Республики Саха (Якутия) (г. Якутск, 2010 г.), Министерства транспорта и коммуникаций Республики Казахстан (г. Алма-Ата, 2011 г.), Государственного дорожного исследовательского института Германии - "Bast" (г. Бергиш Глаудбах, 2011 г.).
Публикации. Основные результаты исследования отражены в 14 публикациях (три статьи опубликованы в изданиях, рекомендованных в списке ВАК РФ) и в шести отчётах по НИР.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы и шести приложений. Результаты исследования изложены на 202 страницах основного текста, включающего 85 рисунков, 25 таблиц, библиографию из 161 наименования; объём приложения 36 страниц.
Анализ методов расчета нежестких дорожных одежд с армированным асфальтобетонным покрытием
При анализе работы ГМ необходимо исходить из того, что армирующий материал призван: - воспринимать и перераспределять нормальные растягивающие напряжения и предотвращать избыточную горизонтальную деформацию удлинения при его изгибе, возникающие при многочисленных кратковременных воздействиях колесной нагрузки от автотранспорта; - воспринимать и перераспределять нормальные растягивающие напряжения и предотвращать избыточную горизонтальную деформацию удлинения, возникающие в некоторых сечениях от длительно действующих температурных нагрузок.
Основываясь на предназначении армирующего материала и многолетнем опыте исследований, можно сформулировать десять основных условий, необходимых для выполнения ГМ функции армирования [11]: 1) Необходимо прочное сцепление арматуры с армируемым материалом для обеспечения перераспределения возникающих напряжений. 2) Прочность арматуры на растяжение должна быть значительно выше прочности армируемого материала с учетом усталостных явлений от многократных кратковременных силовых воздействий. 3) Модуль упругости арматуры должен быть намного выше, чем у армируемого материала. Иначе армируемый материал может получить избыточные деформации раньше, чем арматура воспримет и перераспределит растягивающие напряжения. 4) Прочность и деформативность армирующего материала должны быть стабильны во времени, как при низких отрицательных, так и при повышенных температурах и высокой влажности. 5) Арматура не должна обладать чрезмерной ползучестью для восприятия длительных температурных напряжений. Иначе арматура может либо не выдержать значительных длительных температурных напряжений, возникающих в покрытии при низких отрицательных температурах, либо релакси-ровать эти напряжения, утратив свое предназначение. 6) Арматура должна располагаться в слое армируемого материала с наибольшими растягивающими напряжениями. 7) Коэффициенты температурного расширения армируемого и арми рующего материалов должны иметь близкие значения для выполнения пер вого условия. 8) Армирующий материал не должен растворяться и окисляться в воде. 9) Армирующий материал не должен создавать экологических осложнений на любом этапе его применения. 10) Стоимость армирующего материала не должна вызывать удорожания строительства, превышающего эффект от его применения.
Далеко не все ГМ, предназначенные для армирования асфальтобетона, отвечают данным условиям. Так ГМ, изготавливаемые из полиэфира, не обладают достаточным сцеплением с асфальтобетоном (см. параграф 4.7). Что не позволяет им воспринимать и перераспределять растягивающие напряжения. Поэтому применять полиэфирные геосетки в качестве армирующих прослоек не рекомендуется (как показывает практика эксплуатации опытных участков, эти геосетки способны выполнять функцию трещинопре-рывающих прослоек).
На основе вышеуказанных предпосылок были отобраны основные виды ГМ, наиболее перспективные для экспериментальных исследований (таблица 1.3). Геосинтетические материалы, выбранные для экспериментальных исследований Наименование ГМ Материал сырья Разрывная нагрузка, кН/м Модуль упругости материала, МПа СТ-25 Стекловолокно 25 27 666 СТ-50 50 СТ-100 100 Поли-20 Полипропилен 20 191
В настоящее время существует несколько альтернативных методик расчета дорожных одежд с асфальтобетонным покрытием, армированным геосинтетическими материалами, предлагающих либо дополнять нормативные методики расчета введением коэффициентов армирования, либо выполнять дополнительные расчеты, позволяющие учесть, тем или иным образом наличие ГМ.
Расчет нежестких дорожных одежд с армированным асфальтобетонным покрытием по Рекомендациям [12] выполняется на основе нормативного метода расчета по ВСН 46-83 [13]. Рекомендуется введение коэффициента армирования Карм в расчет на прочность материала монолитного слоя на многократное растяжение при изгибе: RN=R0-kvk2(l-vR)-KapM, (1.1) где Карм - коэффициент армирования - комплексный коэффициент прочности композиции, учитывающий устойчивость материала геосетки и контакта геосетки с окружающим асфальтобетоном против воздействия типичных для дорог агрессивных сред и водно-морозного воздействия; назначается для геосеток типа НПСП-Д: с ХС пропиткой - Карм = 7,6; с БТ пропиткой - Кары — 5,7. При усилении существующего асфальтобетонного покрытия рекомендациями [12] предлагается выполнять расчет толщины слоев покрытия на блочном основании с трещинопрерывающей прослойкой из геосинтетического материала из условия трещиностойкости. Сначала выполняют предварительный расчет толщины асфальтобетонных слоев по методике ВСН 52-89 [14]. Затем, уточняют толщшгу верхнего слоя асфальтобетона {h\) по формуле А.Я. Куделко: где VB - абсолютная средняя скорость охлаждения воздуха по данным метеонаблюдений, либо по карте изолиний; VKP - критическая скорость охлаждения, при которой не образуются трещины в верхнем слое асфальтобетона данного типа и вида; а - эмпирический коэффициент.
Уточнение толщины нижнего слоя асфальтобетона (h2) выполняют с учетом наличия блочного основания и трещинопрерывающей прослойки по видоизмененной зависимости A.M. Богуславского [15]: где Кс - коэффициент, учитывающий количество устраиваемых слоев асфальтобетонного покрытия (при однослойном Кс — 0,85); Кгг безразмерный коэффициент; Гп - глубина промерзания грунтов, м; Тв - закодированное значение температуры воздуха наиболее холодных суток; ГБ - закодированное значение марки битума; К - безразмерный коэффициент, учитывающий наличие трещинопрерывающей прослойки (при ее отсутствии К1 = 1): где ао, аг - коэффициенты температурного расширения основания (старого асфальтобетонного покрытия) и нижнего асфальтобетонного слоя соответственно, С" . Ориентировочные значения принимаются в зависимости от марки битума: БНД 40/60 - 0,00004; БНД 60/90 - 0,00003; БНД 90/130 - 0,000025; БНД 130/200 - 0,00002; К1 - экспериментальный коэффициент (для нетканых материалов типа Дорнит, Свтекс) может быть принят равным 0,6.
Использование данной методики совместно с нормативными методиками расчета [13-16] позволяет рассчитывать конструкции дорожных одежд с армированным асфальтобетонным покрытием.
В рекомендациях [12] отсутствуют пояснения - на основе каких испытаний были получены столь высокие значения коэффициентов армирования и какие значения необходимо принимать в случае использования геосеток других марок, из других материалов.
Следует отметить, что нормативные документы [13, 14] отменены. В настоящий момент времени на территории РФ действуют ОДН [17, 18], в которых несколько изменены не только абсолютные значения расчетных параметров асфальтобетонов, но и применяемые методики расчета.
По [12] для достижения максимального эффекта армирующую прослойку предлагается устраивать между нижним слоем асфальтобетонного покрытия и слоем основания (в том числе щебеночным). Следует отметить, что это не целесообразно, так как устройство армирующей прослойки на слое из щебня может привести к значительной технологической повреждаемости геосинтетического материала при устройстве вышележащего асфальтобетонного слоя. Кроме того, в этом случае отсутствует существенная связь между армирующим и армируемым материалами.
Бондаревой Э.Д. [19] предложена методика расчета нежестких дорожных одежд с армированным асфальтобетонным покрытием аналогичная [12], основанная на введении коэффициентов армирования в нормативную методику расчета по ОДН 218.046-01 [17]. Для этого предлагается дополнять расчет на прочность материала монолитного слоя на многократное растяжение при изгибе коэффициентом армирования (Карм), после чего эта формула принимает вид:
Особенности напряженно-деформированного состояния армированной асфальтобетонной балки на второй стадии
Каждый из факторов, в определенной степени влияет на прочностные и деформативные характеристики армированного асфальтобетона, но в настоящий момент не исследованы на должном уровне.
После назначения коэффициента жесткости /5 и получения начальных параметров ф0, 2о производится расчет деформаций и внутренних усилий по формулам (2.42). Поскольку реакции упругого основания изменяются непрерывно по длине балки, то для построения криволинейных эпюр деформаций и внутренних усилий необходимо определить их значения для нескольких точек по длине сечения.
Дальнейший расчет сводится к определению возникающих напряжений в наиболее опасных сечениях балки. Для чего определяются размеры сжатой / 2 и растянутой h\ зон, по зависимостям, полученным ранее (2.5) и (2.6). Определяется значение предельного изгибающего момента по (2.20).
Используя зависимости (2.11) и (2.16), определяются нормальные и касательные напряжения в растянутой и сжатой зонах. Следовательно, появляется возможность теоретического определения значения предела прочности армированного асфальтобетона на растяжение при изгибе (т.е. величины максимальных нормальных горизонтальных напряжений) на II стадии НДС.
В соответствии с нормативно-методическим документом по расчету нежестких дорожных одежд ОДН 218.046-01 [17] (с точки зрения воздействия циклических нагрузок) расчетной характеристикой асфальтобетона выступает предел прочности на растяжение при изгибе. Его условно вычисляют по той же формуле сопротивления материалов, что и напряжение при изгибе [43], т.е. R — aR.
С учетом положений, описанных выше, предел прочности асфальтобетона на растяжение при изгибе предлагается определять но формуле: Хиэг-А- -Ь, (2-46 где Muit - величина предельного изгибающего момента, определяется по (2.20), кН-м; Е„рив - значение приведенного модуля упругости, определяется по (2.10), МПа; Е\ - модуль упругости асфальтобетона на растяжение, МПа; h\ - величина растянутой зоны по (2.5), м; J- момент инерции всего сечения относительно центральной оси, м4.
Из анализа методов расчета дорожных одежд с армированным асфальтобетонным покрытием можно сделать вывод, что большинство авторов вводят понятие коэффициента армирования [3, 11, 12, 15, 19], т.е. численную интерпретацию увеличения предела прочности армированного асфальтобетона:
Основываясь на результатах расчета (Приложение 1), можно отметить, что при введении армирующей прослойки конструкция способна воспринять больший изгибающий момент и соответственно большее по значению внешнее усилие, создающее этот момент.
Для оценки коэффициентов армирования (эффекта от введения армирующей прослойки) предлагается использовать отношение уровней напряженного состояния а / Яизг (т.е. отношение действующих напряжений к разрушающим напряжениям) в армированном и неармированном образце: где a/RU3e - уровень напряженного состояния в растянутой зоне асфальтобетонного образца; aapMJR - уровень напряженного состояния в растянутой зоне армированного асфальтобетонного образца при той же внешней нагрузке. Расчет коэффициентов армирования сведем в таблицы 2.1-2.3. Как видно из таблицы 2.2, при использовании армирующих прослоек уровень напряженного состояния о/Яизг в растянутой зоне асфальтобетонного образца снижается в 1,1 + 1,3 раза. Данный коэффициент армирования так же показывает во сколько раз увеличиваются разрушающие нагрузки и предел прочности на растяжение при изгибе, рассчитываемый по нормативной методике, для асфальтобетона, армированного различными ГМ по сравнению с неармированным.
Полученные коэффициенты армирования применимы для оценки армирующих прослоек на I стадии НДС. После достижения уровня напряженного состояния критического значения (o/R = 1,0) происходит разрушение нижнего слоя асфальтобетона, а армирующая прослойка продолжает работать в качестве «псевдоупругого основания» (II стадия НДС). Для получения расчетных коэффициентов армирования на этой стадии воспользуемся аналогичным подходом.
Предельная деформация ГМ Разрывнаянагрузка,Н/м Размерячейки,мм Коэффициент условий работы та.б Повреждаемость ГМ, % Площадьодногоребра,мм РасчетныйпределпрочностиГМ Rs, МПа Расчетный модульупругостиГМ Е3,МПа Высота растянутой зоныhi, мм Высота растянутой зоны hi , мм Предельный изгибающий момент Mutb Н-мм Разрушающее усилие Р,кН Приведенный модуль упругости Е„рив, МПа Предел прочности на растяжение при изгибе Ruse, МПа
Предложено рассматривать две стадии НДС асфальтобетонных образцов, армированных ГМ. Выполненные исследования напряженного состояния арми рованных асфальтобетонных образцов позволили установить закономерности разрушения армированного асфальтобетона под воздействием внешней нагрузки. При анализе НДС армированного асфальтобетона на первой стадии применим метод предельного равновесия. Работа ГМ на второй стадии заключается в реализации «псевдоупругого основания» для вышележащего слоя асфальтобетона.
В ходе теоретического исследования установлено, что введение армирующих материалов не влияет на величину предела прочности асфальтобетона на растяжение при изгибе, определяемую как значение максимальных растягивающих напряжений. Теоретически доказано, что эффект от применения ГМ при армировании асфальтобетонов заключается в снижении уровня напряженного состояния на величину коэффициента армирования по сравнению с неармированным асфальтобетоном. Уменьшение уровня напряженного состояния в растянутой зоне армированного асфальтобетонного образца достигает 1,05 +-1,30 раза, в зависимости от вида используемого ГМ. Данный коэффициент армирования, так же показывает, во сколько раз увеличивается предел прочности на растяжение при изгибе, рассчитываемый по нормативной методике.
При реализации второй стадии уровень напряженного состояния в растянутой зоне армированного асфальтобетонного образца снижается в 2,5 + 3,0 раза по сравнению с неармированным образцом. При этом в верхнем слое асфальтобетона создается уровень наряженного состояния идентичный (численно равный) состоянию, достигнутому на первой стадии НДС.
На основе предложенной схемы работы геосинтетических материалов, разработан способ оценки выносливости армированного асфальтобетона на каждой стадии НДС, через выносливость неармированного асфальтобетона. Наличие ГМ предложено учитывать введением коэффициента армирования, численные значения которого рекомендовано определять в зависимости от свойств геосинтетического материала и его расположения в армируемом материале, исходных свойств асфальтобетона.
Обоснование частоты и периода циклических нагружений
В связи с неоднородностью свойств конструкционных материалов и отклонениями в режимах технологии производства, характеристики механических свойств образцов и элементов конструкций носят случайный характер и могут принимать существенно различные значения при повторении испытаний с возможно полным соблюдением их условий. Поэтому найденные из опыта характеристики механических свойств дают лишь приближенную оценку фактическим свойствам [101]. Повысить точность оценки характеристик механических свойств заданного элемента конструкции при определенных условиях испытаний можно путем увеличения объема испытаний и применения более рациональной методики статистической обработки результатов экспериментов.
При определении минимального объема выборки Nmin следует исходить из целей предстоящих испытаний. Так как испытания проводятся с целью оценки математического ожидания механических свойств (предела прочности на растяжение при изгибе RU3Z), то объем выборки в предположении нормального распределения определяют по формуле [101]: min=7 12-«/2, (4-1) где у - коэффициент вариации определяемой характеристики механических свойств; Ал - максимальная относительная ошибка (допуск) при оценке среднего значения в долях среднего значения определяемой характеристики; zl_a/2- квантиль уровня Р = 1- а/2 нормированной нормально распределенной величины; Р/ = 1-а - статистическая надежность, представляющая собой вероятность превышения фактической ошибкой при оценке среднего значения характеристики максимальных ошибок Ад.
Как правило, генеральный коэффициент вариации kv является неизвестной величиной, поэтому при определении объема выборки его заменяют выборочным коэффициентом ку, полученным на основании априорной информации по аналогичным материалам и элементам конструкций. Для назначения коэффициента вариации были проведены 9 испытаний по определению предела прочности на растяжение при изгибе образцов из асфальтобетона типа Б марки II при температуре (20 ± 2) С. Значение предела прочности варьировались в пределах от 1,44 до 1,51 МПа, коэффициент вариации составил к, = 0,0234. В этом случае объем испытаний должен быть скорректирован в соответствии с уточненным значением коэффициента вариации методом подбора по формуле: где tak - значение квантили статистики t уровня Р = 1 - а/2 для числа степеней свободы к = п-\ [101]; Значением вероятности Р = 1 - а/2 при использовании формул (4.1) и (4.2) задаются. Обычно для таких испытаний принимают а = 0,05.
Величину максимальных относительных ошибок АЛ следует выбирать в зависимости от требований к точности оценки среднего значения характеристики механических свойств. Исследуемая механическая характеристика (предел прочности на растяжение при изгибе) получена в результате косвенных измерений. При оценке погрешности косвенных измерений величины сначала находят абсолютные погрешности величин, полученных в ходе прямых измерений, затем вычисляют относительную погрешность исследуемой величины. В нашем случае имеем:
Поскольку при каждом измерении исследуемых параметров происходят случайные измерения, то целью статистического исследования является отыскание оценки совокупности параметров на основе выборочной статистики. При установлении объема выборки используется интервальная оценка, т.е. с назначенной степенью надежности определяется доверительный интервал возможных значений исследуемого параметра [102]. Коэффициент вариации kv определялся по формуле: где а - среднеквадратическое отклонение измеряемого параметра, служащее характеристикой рассеяния рассматриваемого ряда; X - математическое ожидание исследуемого параметра, характеризующее центр распределения случайной величины.
Если фактически полученный после проведения испытаний коэффициент вариации окажется меньше принятого, то количество проведенных наблюдений достаточно и действительное значение измеряемого параметра для малой выборки Xd с заданной доверительной вероятностью будет находиться в пределах [102]: коэффициент Стьюдента, назначенный в зависимости от значения доверительной вероятности и числа наблюдений.
В процессе обработки экспериментальных данных исключались грубые ошибки статистического ряда. Выборка из полученных результатов измерений имеет цель определить, является ли данный резко отличающийся результат закономерным, или он случаен, т.е. является ли он промахом или ошибкой в данной серии измерений. Выборка выполнена с помощью метода оценки по критерию появления грубых ошибок [103, 104]: наибольший и наименьший критерий появления грубых ошибок из серии выборки; Xmm, Xmax - соответственно наибольшие и наименьшие значения из iV измерений. Полученные значения /?ь /?2 сравниваются с максимальным значением /Зтах, найденным по [103, 104] при фактическом числе измерений N и принятой доверительной вероятности. Если /?i /Зтах, то значения Хтах исключали из статистического ряда как грубую погрешность. При /?2 Дши исключалась величина Xmin. После исключения грубых ошибок определяли новые значения X и а из (N- 1) измерений.
Для испытания асфальтобетонных образцов на воздействие кратковременных повторяющихся нагрузок и на растяжение при изгибе использовались балки размером 400x100x120 мм. Увеличенный размер образца оправдан с точки зрения геометрического подобия образца реальным толщинам асфальтобетонных покрытий. Кроме того, при использовании образцов меньшего размера (например, стандартных балочек 40x40x160 мм) проблематично их армирование решетками с большим размером ячеи, достигающим 60 - 70 мм.
Определение предела прочности асфальтобетона на растяжение при изгибе
При использовании для практического расчета метода предельного равновесия, существенное значение отводится определению местоположения нейтральной оси. Для анализа адекватности полученных аналитическим путем размеров сжатой и растянутой зон (см. раздел 2), предложен экспериментальный метод их определения.
Сущность метода заключается в определении горизонтальных деформаций по высоте сечения асфальтобетонной балки при изгибе. Для чего с помощью аэрозольных красок и перманентного маркера на боковую грань балки наносилась сетка с шагом 10 мм (рисунок 4.13).
С помощью фото-видео-аппаратуры фиксировалось положение узлов сетки до приложения нагрузки и в процессе нагружения (для примера расчета выбрана нагрузка равная 30 % от разрушающей нагрузки). На каждом фотоснимке назначалась одна и та же базовая точка (точка начала координат) и определялось положение узлов сетки в декартовых координатах. Единицей измерения для создания декартовых координат использовался один пиксель изображения. В результате измерений координат узлов сетки до {хіи; уін) и после (хік; уік) приложения нагрузки, появлялась возможность измерения относительных вертикальных и горизонтальных деформаций по высоте асфальтобетонной балки.
На рисунке 4.13,в представлена эпюра относительных горизонтальных деформаций по высоте сечения асфальтобетонной балки в точке приложения силы. Неравномерность (отклонения от приближенного теоретического положения) эшоры горизонтальных деформаций объясняется неоднородной структурой асфальтобетона: наличием фракций крупного заполнителя диаметром до 20 мм. Для определения положения нейтральной оси при изгибе асфальтобетонной балки было испытано по четыре армированных и неармированных образца при температуре (20±2) С. Результаты испытаний образцов представлены в таблице 4.1. № п/п Общая толщина образцаh, мм Толщина нижнего слоя, мм Экспериментальноезначение высотырастянутой зоныhi, мм Теоретическоезначение высотырастянутой зоныhi, мм Расхождение результатов, %
Сопоставление результатов экспериментальных испытаний с теоретическим решением показывает, что погрешность определения положения нейтральной линии при изгибе асфальтобетонной балки не превышает 9 %.
Результаты экспериментальных исследований подтверждают достоверность выдвинутой гипотезы о положении нейтральной линии в асфальтобетоне при изгибе образцов. Нейтральная ось не проходит через центр тяжести сечения, а разделяет сечение на две неравные части.
Методика и оборудование, используемое для испытаний. Цель испытаний заключалась в определении влияния ГМ, расположенного между двумя слоями асфальтобетона, на величину сцепления между ними (рисунок 4.14). За основу проведения испытаний принята методика, описанная в работе [108].
Образец 1 с прослойкой из геосетки 2 или без нее устанавливается в зажимное приспособление 4, установленное на нижнюю плиту пресса 3. Через вкладыш 5 передают сдвигающее усилие, в результате чего происходит перемещение одного асфальтобетонного слоя относительно другого.
Порядок подготовки и проведения испытания. Для испытаний использовали двухслойные образцы из асфальтобетона размером 100x100x100 мм с армирующей прослойкой и без нее. Испытания проводили при температуре воздуха (20 ± 2) С на гидравлическом прессе при постоянной скорости на-гружения (3,0 ± 0,3) мм/мин.
Обработка результатов испытания. Предел прочности при сдвиге ЯСд (МПа) вычисляли по формуле
Результаты определения предела прочности на сдвиг асфальтобетонных образцов. Испытания проводились на армированных и неармированных асфальтобетонных образцах. В качестве армирующей прослойки использовали ГМ изготовленные из: стекловолокна - «СТ-100», полипропилена- «Поли-20», полиэфира - «ПЭ -100», стекловолокна «Ком Т » (комбинированный ГМ с геотекстильной подложкой, расположенной с двух сторон от геосетки «СТ-100»). Результаты испытаний приведены на рисунке 4.15.
Как видно из результатов испытаний, предел прочности на сдвиг асфальтобетонных образцов без использования подгрунтовки нижнего слоя органическим вяжущим значительно снижается (на 65 %). Использование ГМ «СТ-100» и «Поли-20» не приводит к снижению величины сцепления между слоями. На основании чего, можно сделать вывод, о хорошем сцеплении между армируемым и армирующим материалом. При использовании ГМ с геотекстильной подложкой, расположенной по обе стороны от геосетки, возможно существенное снижение величины сцепления между слоями асфальтобетона. Величина этого снижение зависит от свойств геотекстильной подложки.
Номер образца 1 - неармированные асфальтобетонные образцы; 2 - неармированные асфальтобетонные образцы без использования подгрунтовки; 3 - армированные ГМ «СТ-100»; 4 - армированные ГМ «Поли-20»; 5 - армированные ГМ «ПЭ-100»; 6 - армированные ГМ «Ком
Использование ГМ «ПЭ-100» приводит к значительному снижению величины сцепления между слоями, что говорит о недостаточном сцеплении между армируемым и армирующим материалом. Низкое значение сцепления в данном случае объясняется не только плохим адгезионным сцеплением полиэфирных волокон с органическими вяжущими, но и конструктивными особенностями ГМ. Геосетки изготовленные из полиэфира, для получения необходимых прочностных характеристик, обладают значительной шириной ребра, при этом просветность ячеек данных ГМ составляет около 50 %.
