Введение к работе
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 автомобильных 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 эксплуатации транспортного сооружения.
Транспортные средства оказывают комплексное нагружение дорожной конструкции, выраженное в характеристиках транспортного потока, что приводит к её разрушению. Стандартные методики по определению параметров конструкции дорожной одежды опираются на предельные показатели, получаемых в основном при разрушении образцов в лабораторных условиях, в результате чего они показывают не реальное взаимодействие с транспортным потоком, а только характеризуют свойство самого материала - асфальтобетона. Для правильного прогнозирования долговечности дорожных одежд нежёсткого типа желательно оценивать их соизмеримыми показателями, что вызывает 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 сооружений 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 совершенствование методов расчёта и контроля технологии строительства дорожных конструкций способствует улучшению эксплуатационных характеристик, повышению 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 показали, что напряжённо-деформированное состояние конструкций дорожных одежд нежёсткого типа оказывает влияние на образование остаточных деформаций и разрушение покрытий.
Существует большое количество конструкций дорожных одежд нежёсткого типа, отличающихся количеством слоев и их параметрами. Они могут обладать одинаковой величиной прогиба под статической или динамической нагрузкой, но отличаться параметрами, характеризующими конструктивные слои, что влечёт неоднозначность и, как следствие, переоценку их технико-эксплуатационного качества, проявляемого в процессе эксплуатации в образовании необратимых деформаций и разрушений.
Получение точной оценки технико-эксплуатационного качества слоев дорожных одежд нежёсткого типа - сложный и длительный процесс, требующий большого количества измерений, специализированных приборов и оборудования, а также методик, позволяющих устранить неоднозначность в её определении, и является актуальной научно-технической задачей.
Объект исследования - конструкция дорожной одежды, состоящая из слоев нежёсткого типа.
Предмет исследования - деформации слоев нежёсткого типа возникающие при сложном типе нагружения, эквивалентном транспортному воздействию.
Целью работы является разработка метода диагностики транспортно-эксплуатационного качества слоев дорожных одежд нежёсткого типа методом сложного нагружения.
Основные задачи работы:
- выполнить анализ существующих методов оценки транспортно-
эксплуатационного качества слоев дорожных одежд нежёсткого типа;
разработать математическую модель деформации дорожной одежды нежёсткого типа, подвергаемой транспортному воздействию;
разработать методики по определению величины деформации сдвига поверхности покрытия и диагностики технико-эксплуатационного качества слоев 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 слоев 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 слоев 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 уменьшить противоречие, вызванное неоднозначностью влияния модуля упругости низлежащих слоев при определении общего модуля упругости дорожной одежды 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 ходе изучения явлений и процессов, лежащих в основе связи между эксплуатационными 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 численные решения дифференциальных уравнений величины деформации сдвига дорожной конструкции под воздействием нагрузки в транспортном потоке и связанной 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, подвергаемого транспортному воздействию.
Практическая значимость работы заключается в разработке методики измерения величины деформации сдвига поверхности покрытия дорожной конструкции нежёсткого типа и разработке экспериментальной установки, позволяющей их измерить при сложном нагружении; а также в разработке методики диагностики транспортно-эксплуатационного качества слоев одежд нежёсткого типа методом сложного нагружения, позволяющей на основе измерений определить напряжённо-деформированное состояние конструкции и технического регламента определения общего модуля упругости слоев дорожных одежд нежёсткого 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 слоев дорожных одежд нежёсткого типа, повышающая точность определения прочности конструкции. Данная методика позволяет сравнивать параметры качества слоев дорожной одежды нежёсткого типа на любом этапе жизненного цикла;
зависимости деформации сдвига асфальтобетонного покрытия для диагностируемой дорожной конструкции, подвергаемой сложному типу нагружения, возникающего при воздействии колёсной нагрузки от транспортных средств;
температурные зависимости деформации сдвига слоя асфальтобетонного покрытия дорожной конструкции, подверженной сложному нагружению, эквивалентному воздействию от колеса транспортного средства;
технический регламент определения общего модуля упругости слоев дорожных одежд нежёсткого типа при их аппаратурной диагностике методами не-разрушающего контроля.
Методы исследования. Работа выполнена с использованием комплексных методов исследования, включающих патентно-информационный анализ, методы численного (с применением решений уравнений в частных производных) и натурного экспериментального моделирования воздействия на дорожные одежды нежёсткого типа, а также с применением измерительных приборов и методов неразрушающего контроля.
Апробация результатов исследований. Основные результаты исследований и научных разработок докладывались и обсуждались на XIX межвузовской научно-практической конференции «Перспектива - 2009» (г. Воронеж, 2009 г.), международной научно-методической конференции «Эффективные материалы, технологии, машины и оборудование для строительства и эксплуатации современных транспортных сооружений» (г. Белгород, 2009 г.), международной научно-методической конференции «Научные исследования, наноси-стемы и ресурсосберегающие технологии в промышленности строительных материалов» (г. Белгород, 2010 г.), международной научно-методической конференции «Инновационные материалы и технологии» (г. Белгород, 2011 г.), всероссийской научно-практической конференции «Современные проблемы и перспективные 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 общим объёмом 31 страница, из них лично автору принадлежит 23 страницы. Три работы опубликованы в изданиях, включённых в перечень ВАК ведущих рецензируемых журналов, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертации: «Известия ОрелГТУ. Серия: Строительство и транспорт» 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 расчётную величину модуля упругости основания.
Объём и структура диссертации. Работа общим объёмом 147 страниц машинописного текста состоит из введения, четырёх глав, выводов, списка литературы из 133 наименований и приложения. В текст диссертации включены 7 таблиц и 22 рисунка.
