Исследование напряженно-деформированного состояния дорожных конструкций с учетом их неупругих свойств и пространственного нагружения Матуа Вахтанг Парменович

Содержание к диссертации

ВВЕДЕНИЕ

1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ НАКОПЛЕНИЯ ОСТАТОЧНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ В МНОГОСЛОЙНЫХ ДОРОЖНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ДВИЖУЩИХСЯ АВТОМОБИЛЕЙ

1.1. Состояние вопроса, задачи исследования

1.2 Факторы, влияющие на эксплуатационное состояние дороги, учитываемые в предлагаемой модели.

1. 1. Постановка задачи.

   2. Обоснование применения пространственной расчетной схемы

   3. Шаговые методы решения задачи динамики конструкций

   4. Научная база для разработки теоретических основ определения остаточных деформаций в дорожных конструкциях

   5. Выводы

      1. УРАВНЕНИЯ МЕХАНИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ И МЕТОДЫ ИХ РЕШЕНИЯ

         1. Основные уравнения движения автомобилей по массивной системе «дорожная конструкция — подстилающий грунт»

            1. Предпосылки, лежащие в основе уравнений движения

            2. Основные соотношения динамической теории упругости с переменной массой

            3. Явная безусловно устойчивая схема интегрирования уравнений движения с учетом движущейся массы

            Учет влияния движущегося автомобиля в задаче эволюции напряженно-деформированного состояния дорожной конструкции

            Основные соотношения в задаче о развитии остаточных деформаций в элементах дорожной конструкции во времени с учетом влияния температурно-влажностных факторов

            Учет частичного проскальзывания слоев дорожной конструкции.... Описание программного комплекса по уточненному расчету нежестких дорожных одежд

            Выводы

            ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ ДОРОЖНОЙ КОНСТРУКЦИИ НА ЕЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ РАСЧЕТНОЙ НАГРУЗКИ..

            Постановка задачи

            Влияние высоты насыпи на НДС конструкции

            Влияние влажности и плотности грунта земляного полотна на НДС

            дорожной конструкции

            Влияние температуры асфальтобетонных покрытий на НДС дорожной конструкции

            Влияние межслойного сцепления конструктивных слоев на НДС

            дорожной конструкции

            Сопоставительный анализ НДС дорожной конструкции при использовании различных расчетных моделей

            Выводы

            НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ И КИНЕТИКА НАКОПЛЕНИЯ ОСТАТОЧНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ В ЭЛЕМЕНТАХ ДОРОЖНОЙ КОНСТРУКЦИИ ПРИ ПРОСТРАНСТВЕННОМ НАГРУЖЕНИИ

            Исследование НДС реальных дорожных конструкций на основе численного моделирования

         Выводы 242

         ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МАТЕРИАЛОВ КОНСТРУКТИВНЫХ СЛОЕВ И ГРУНТА ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА НА СТАТИЧЕСКОЕ И ДИНАМИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ НАГРУЗОК ПРИ ИХ РАБОТЕ В РАЗЛИЧНЫХ ТЕМПЕРАТУРНО-

         ВЛАЖНОСТНЫХ РЕЖИМАХ 244

         Исследование температурного режима работы дорожных конструк

         ций в региональных условиях юга РФ 244

         Лабораторные исследования накопления остаточных деформаций и изменения модуля упругости асфальтобетонов от интенсивности и

         времени действия динамической нагрузки 261

   Лабораторные исследования взаимного сцепления смежных слоев

   дорожных одежд и технологических приемов их улучшения 294

   Выводы 301

   ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ 329

   Введение к работе

   Опыт последних лет эксплуатации автомобильных дорог показывает, что непрерывный рост интенсивности движения, повышение грузоподъемности, осевых нагрузок [240] и скорости движения автотранспортных средств приводят к преждевременному разрушению дорожных конструкций и существенному сокращению их межремонтных сроков.

   Под воздействием многократно повторяющихся нагрузок, особенно сверхнормативных, даже на правильно запроектированных (по ВСН 4683 [53]) и построенных с соблюдением всех технологических правил дорогах, уже на ранней стадии их эксплуатации наблюдается непрерывное накопление необратимых (остаточных) деформаций в различных конструктивных элементах. Возникающие зоны пластических деформаций влияют на общую жесткость дорожных конструкций и приводят к перераспределению усилий от последующих воздействий, концентрации напряжений в окрестности локальных зон с измененными вследствие пластических деформаций физико- механическими параметрами. Постепенное накопление остаточных деформаций приводит к нарушению ровности поверхности дороги в продольном и поперечном направлениях, что способствует существенному росту динамических воздействий и ускоренному образованию трещин, волн, просадок и других деформаций различного размера и форм.

   В связи с этим, исследования в области расчета и конструирования нежестких дорожных одежд, проводимые в последние годы как у нас в стране, так и за рубежом, идут по пути дальнейшего углубления их теоретической и экспериментальной базы. Основная задача этих исследований - наиболее полно изучить закономерности работы дорожных конструкций с учетом реального воздействия движущегося транспорта и на этой основе разработать научно-обоснованные методы расчета, позволяющие существенно повысить надежность проектируемых дорожных одежд.

   За основу могут быть взяты разработанные в последние годы в области механики деформируемого твердого тела фундаментальные принципы и численные методы решения нелинейных наследственных задач статики и динамики строительных конструкций, а также обобщение эмпирических данных, из практики строительства и эксплуатации автомобильных дорог.

   Уместно отметить, что неоднократно предпринимались попытки решить проблему определения толщины конструктивных слоев дорожных одежд, необходимых для пропуска заданного количества автотранспорта, чисто экспериментальным путем. Так, при проведении в 1958-60 г.г. испытаний дорожных одежд Американской ассоциацией дорожных специалистов (АА8НО) [271] была поставлена цель установить зависимость между толщинами слоев дорожных одежд, величиной осевой нагрузки и количеством повторных проездов до ремонта дорожной одежды на основе чисто экспериментальных исследований, без учета каких-либо теоретических предпосылок о напряженно-деформированном состоянии (НДС) дорожных конструкций. Однако, несмотря на значительный объем экспериментальных исследований и тщательность их проведения, выяснилась невозможность распространения полученных результатов на иные климатические условия, конструкции дорожных одежд, группы грунтов, виды дорожно-строительных материалов, на другие типы автотранспортных средств и режимы движения. Поставленная цель не была достигнута, а полученные экспериментальные данные лишь подчеркнули всю сложность проблемы и необходимость развития глубоких теоретических исследований, направленных на изучение закономерностей поведения дорожных одежд под действием многократно повторяющихся нагрузок.

   Анизотропность и многослойность дорожных конструкций, а также сложные условия их эксплуатации приводят к тому, что проблема совершенствования методов расчета дорожных одежд, привлекающая уже в течение многих лет внимание ряда отечественных и зарубежных ученых-дорожников, по-прежнему, продолжает оставаться актуальной.

   Последняя модификация разработанной теории расчета нежестких дорожных одежд в ОДН 218.046-01, в отличие от ранее действующего нормативного документа ВСН 46-83 [53] предусматривает расчет конструкции, исходя из воздействия суммарного количества приложений нагрузки от движения транспорта за расчетный срок ее службы, что несомненно является важным шагом по пути совершенствования норм проектирования автомобильных дорог. В тоже время опыт последних лет эксплуатации автомобильных дорог показывает, что методика расчета нежестких дорожных одежд должна учитывать и естественно прогнозировать не только упругие, но и пластические деформации. Однако, до настоящего времени не получены решения на должном теоретическом уровне и не установлены закономерности процессов развития и накопления остаточных деформаций в слоях дорожных одежд и земляном полотне под воздействием многократно повторяющихся нагрузок от движущихся автомобилей и погодно-климатических факторов.

   В расчетах по-прежнему используется не пространственная постановка задачи, а ее частный случай - осесимметричная модель упругого полупространства, не учитывающая влияния на напряженно-деформированные состояния конструкции конечности поперечных размеров автодороги, осность автомобиля и места расположения нагрузок на проезжей части, что в отдельных случаях (как будет показано ниже) может привести к искажению на порядок значений параметров самого НДС. Кроме того, при проектировании дорожных одежд по существующей методике совершенно не учитываются инерционные свойства движущегося транспорта, что при значительно возросших скоростях современных большегрузных автомобилей, масса которых соизмерима с массой фрагмента дорожной конструкции, ничем не оправдано. При движении потока автомобилей НДС дорожной конструкции постоянно изменяется. Перемещение отдельных точек элементов системы «дорожная одежда - земляное полотно» существенно зависит от массы и скорости движущейся нагрузки и места ее расположения на проезжей части. Но, так как эти параметры переменны во времени, то непрерывно изменяются и компоненты НДС системы. Таким образом, перемещения точек элементов дорожной конструкции под действием транспортных средств являются не «застывшими», а бесконечно изменяющимися во времени, то есть, при движении потока автомобилей наблюдаются постоянные перемещения элементов дорожных конструкций даже при квазистатических нагрузках. Следовательно, в отличие от статического нагружения НДС дорожных конструкций при движущемся транспорте является функцией времени, а наличие поля ускорений определяет дополнительные инерционные силы, действующие по всему объему системы. Значимость их определяется отношением инерционных сил к статической нагрузке.

   С увеличением скорости движения автомобилей возрастают скорость и ускорение деформирования элементов дорожных конструкций на смежных участках. При определенных их значениях инерционные силы могут оказаться весьма значительными, что определяет естественную необходимость в корректном их учете. В связи с этим, возникает необходимость проведения детальных исследований по уточнению степени комплексного влияния массы, осности, скорости движения автомобилей и места расположения нагрузки на НДС элементов дорожных конструкций. Решение поставленной задачи возможно только в пространственной постановке и при рассмотрении полной системы уравнений движения, учитывающих как инерционные силы, так и силы сопротивления среды.

   Необходимо также отметить, что уравнения движения, являясь более общими, чем уравнения статики, позволяют определить не только величину конечных перемещений точек системы в равновесном состоянии, но и исследовать процесс достижения этого состояния во времени. Реализация задач в статической постановке является лишь асимптотой решения, полученного на основе уравнений движения, и не может с высокой степенью точности отражать реальный характер воздействия движущегося транспортного средства на автомобильную дорогу. Поэтому, для более объективной оценки напряженно-деформированного состояния дорожных конструкций, существенно изменяющегося за весьма малые промежутки времени (десятые и сотые доли секунды), необходимо применение не статических методов решения, а более общих - динамических уравнений с учетом реального пространственного на- гружения системы и воздействия природно-климатических факторов. При расчете дорожных одежд не учитываются также неадекватно изменяющиеся во времени и по глубине конструкции физико-механические свойства материалов слоев и силы их реального межслойного сцепления, которые в свою очередь также требуют уточнения. Вышеизложенное свидетельствует о необходимости дальнейшего совершенствования научной базы по обеспечению высокой надежности и долговечности проектируемых и строящихся автомобильных дорог. Одним из путей, способствующих решению данной проблемы, является разработка теоретических основ и практических рекомендаций по прогнозированию накопления остаточных деформаций в элементах дорожных конструкций методами механико-математического моделирования с учетом реального пространственного нагружения системы и воздействия природно-климатических факторов.

   Цель исследования - разработка основ прогнозирования и оценки во времени напряженно-деформированного состояния дорожных конструкций с учетом их неупругих свойств, реального пространственного нагружения и воздействия температурно-влажностных факторов.

   Научная новизна состоит в создании и реализации принципиально нового подхода к исследованию напряженно-деформированного состояния дорожных конструкций на основе механико-математических моделей, учитывающих их неупругие свойства, реальное пространственное нагружение и воздействие температурно-влажностных факторов.

   Научная новизна по отдельным вопросам: разработан численный метод решения динамических задач в пространственной постановке с учетом влияния инерционных свойств подвижного транспорта и дорожных конструкций; решена серия динамических задач о движении различных транспортных средств по многослойной дорожной конструкции с учетом реальных геометрических параметров дороги, скорости автомобилей и их расположения на проезжей части; исследовано влияние условий движения, температурно-влажностных факторов и различных параметров дорожной конструкции на ее напряженно- деформированное состояние; разработан численный метод решения задачи о динамике развития и накопления остаточных деформаций в элементах дорожных конструкций в пространственной постановке, учитывающий переменные по месяцам года и часам суток интенсивность и состав движения, сезонные и суточные колебания температурно-влажностных факторов; исследован температурно-влажностной режим работы конструктивных слоев дорожной одежды и грунта земляного полотна по месяцам года и часам суток применительно к климатическим условиям юга РФ; построен испытательный стенд и установлены закономерности изменения модуля упругости асфальтобетонов в зависимости от интенсивности и времени действия динамических нагрузок и погодно-климатических факторов; определены фактические значения величины межслойного сцепления при различном сочетании материалов и уточнены технологические приемы их повышения; сконструированы приборы и проведены длительные лабораторные исследования ползучести материалов экспериментальных дорожных конструкций и получены закономерности нарастания необратимых деформаций в образцах грунта и асфальтобетоне в зависимости от их влажности и температуры; - на основе разработанных методов и построенных экспериментальных зависимостей проведена серия расчетов по прогнозированию развития продольной и поперечной неровностей реальных дорожных конструкций на юге РФ, многолетние натурные наблюдения за которыми подтвердили необходимую декватность предлагаемой механико-математической модели и способов ее реализации.

   Практическая значимость работы состоит в разработке основ прогнозирования накопления остаточных деформаций в дорожных конструкциях с учетом их неупругих свойств, реального пространственного нагружения и воздействия температурно-влажностных факторов, а также в создании алгоритмов, методики и комплекса прикладных программ на основе реализации разработанных моделей, позволяющих выполнить на ЭВМ все необходимые численные эксперименты для анализа НДС дорожных конструкций и прогнозирования срока их службы.

   Разработаны оптимальные составы укрепленных материалов с повышенными силами сцепления на контакте слоев.

   Достоверность научных положений, теоретических решений и полученных результатов подтверждется соблюдением основных принципов математического и физического моделирования, адекватностью расчетных и экспериментальных данных.

   Апробация работы. Основные положения работы и практические результаты докладывались и обсуждались на VII Всесоюзном совещании по основным направлениям научно-технического прогресса в дорожном строительстве (1981); на Всесоюзных и республиканских НТК г. Киев (1981), г.Москва (1978, 1983, 1984, 1986, 1987, 1992), г. Харьков (1985, 1989), г. Рига (1984), г. Брянск (1989), г. Владимир, Суздаль (1984 - 1996), г. Липецк (1995); на международных научно-технических и научно-практических конференциях г. Ашхабад (1987), г. Минск (1996), г. Омск (1998, 2000), г. Архангельск (1999), г. Сочи (1999, 2000), г. Москва (2000, 2001), г. Ростов-на- Дону (1997 - 2001); на 24 областных и региональных НТК (1974 - 2001 г.г.).

   Основные результаты исследований опубликованы в 69 научных работах.

   Структура и объем. Диссертация состоит из введения, 6 глав, общих выводов, списка литературы и приложений с актами внедрения. Во введении приведено обоснование актуальности темы, отмечена научная новизна и практическая значимость выполненной работы, сформулирована цель исследования. Первая глава посвящена рассмотрению состояния вопроса, анализу предпосылок и обоснованию эффективности применения имитационного моделирования для прогнозирования и оценки во времени НДС многослойных дорожных конструкций при комплексном воздействии реальных динамических нагрузкок и температурно-влажностных факторов, сформулированы задачи исследования. Во второй главе рассмотрены уравнения и методы решения динамических моделей движения автомобилей по пространственной инерционной комбинированной системе "дорожная конструкция - подстилающий грунт". В третьей главе приведены результаты численного исследования влияния параметров дорожной конструкции на ее напряженно- деформированное состояние под действием расчетной нагрузки. В четвертой главе приведен анализ результатов численного эксперимента напряженно-деформированного состояния и динамики накопления остаточных деформаций в элементах реальных дорожных конструкций с учетом их пространственного нагружения и воздействия погодно-климатических факторов. Пятая глава посвящена экспериментальным исследованиям материалов конструктивных слоев и фунта земляного полотна на статическое и динамическое воздействие нагрузок при их работе в различных температур- но-влажностных режимах. В шестой главе исследована динамика накопле- 14 ния остаточных деформаций на поверхности покрытий экспериментальных участков автомобильных дорог.

   Автор выражает искреннюю благодарность своему научному консультанту д-ру техн. наук, проф. А.П. Васильеву, а также д-ру техн. наук, проф. Л.Н. Панасюку, д-ру техн. наук, проф. В.И. Майорову и проф. М.С. Коганзо- ну за ценные советы и помощь в работе. Автор искренне признателен коллективу ДорТрансНИИ РГСУ и его руководителю д-ру техн. наук, проф. С.К. Илиополову за всестороннее внимание и поддержку во время выполнения данной работы.

   Похожие диссертации на Исследование напряженно-деформированного состояния дорожных конструкций с учетом их неупругих свойств и пространственного нагружения

   

   Методика учета воздействия внутритоннельного транспорта на напряженно-деформированное состояние конструкций транспортных тоннелейСтрахов Алексей Михайлович

   

   Учет реологических свойств грунтов при стабилизации оползневых участков земляного полотна автомобильных дорог свайными конструкциямиНасер Абдельрахман Эльхуссейн

   

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

   Исследование напряженно-деформированного состояния плиты жесткого аэродромного покрытия с учетом ее одностороннего взаимодействия с основаниемДолгачев, Михаил Владимирович

   

   Термонапряженное состояние монолитных конструкций железобетонных мостов, сооружаемых в условиях Вьетнама До Тхань Лап

   

   Анализ напряженно-деформированного состояния мостовых конструкций с использованием компьютерной измерительной системыХазанов Михаил Львович

   

   Разработка моделей метода конечных элементов для расчета напряженно-деформированного состояния железобетонных конструкций мостовых сооруженийКолтаков Пётр Владимирович

   

   Напряженно-деформированное состояние системы "конструкция тоннеля - грунтовый массив" при строительстве тоннелей мелкого заложения полуоткрытым способомЗиборов Максим Андреевич

   Оценка состояний тоннельных конструкций по данным автоматизированного контроляКолесников, Алексей Владимирович

   

   Пространственная работа и предельные состояния стержневых элементов металлических конструкций.Белый Григорий Иванович