Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Состояние вопроса. Анализ существующих теорий и практического опыта
1.1. Общие положения расчёта дорожных одежд 17
1.2. Влияние температуры на физико – механические свойства покрытий автомобильных дорог 32
1.3. Основные виды разрушений и деформаций асфальтобетонных слоёв, устроенных на цементобетонных основаниях 42
1.4. Существующие способы ремонта цементобетонных покрытий 58
1.5. Опыт устройства тонких асфальтобетонных слоёв на
цементобетонных основаниях 67 1.6. Долговечность асфальтобетонных покрытий жёстких
дорожных одежд 74
1.7. Выводы по главе 1 78
ГЛАВА 2 Теоретические основы математического моделирования напряжённо – деформированного состояния жёсткой дорожной одежды с асфальтобетонным покрытием
2.1. Постановка проблемы и аналитические методы моделирования напряженно – деформированного состояния дорожной конструкции 80
2.2. Модель силового воздействия на дорожную одежду 106
2.3. Метод конечных элементов (МКЭ) как основа моделирования
нагруженного состояния дорожной конструкции 116
2.4. Динамика напряжённо – деформированного состояния
дорожной одежды при воздействии движущегося транспортного средства
2.5. Общие рекомендации по проведению расчетов нагруженного состояния дорожной конструкции с целью оптимизации её эксплуатационных свойств
2.6. Выводы по главе 2
ГЛАВА 3 Расчёт фактической и перспективной нагрузок. Определение особенностей их воздействия
3.1. Общая характеристика исследуемых автомобильных дорог и условий движения по ним
3.2. Методика проведения исследований .
3.3. Анализ результатов наблюдений за интенсивностью движения и составом транспортного потока на автомобильных дорогах
3.4. Определение расчётной нагрузки для каждой полосы движения и всей конструкции в целом
3.5. Выводы по главе 3 .
ГЛАВА 4 Экспериментальные исследования
4.1. Проведение комплексных инженерно – геологических изысканий 189
4.2. Выполнение обследования дорожной одежды 226
4.3. Определение прочности дорожной одежды установкой динамического нагружения «Дина-3М» 251
4.4. Изучение воздействия движущегося транспортного средства на дорожную конструкцию 258
4.5. Изучение опытного (экспериментального) участка автомобильной дороги 264
4.6. Выводы по главе 4 270
ГЛАВА 5 Технико – экономическое обоснование предлагаемых конструктивных и технологических решений
5.1. Актуальность проведения технико – экономического обоснования 272
5.2. Исходные данные для выполнения расчётов 273
5.3. Методика проведения технико – экономического обоснования 276
5.4. Составление локальных смет на сравниваемые варианты дорожной одежды 280
5.5. Расчёт технико – экономических показателей вариантов конструкции дорожной одежды 280
5.6. Расчёт экономической эффективности участков автомобильной дороги 292
5.7. Выводы по главе 5 297
Основные выводы 298
Библиографический список
- Основные виды разрушений и деформаций асфальтобетонных слоёв, устроенных на цементобетонных основаниях
- Модель силового воздействия на дорожную одежду
- Анализ результатов наблюдений за интенсивностью движения и составом транспортного потока на автомобильных дорогах
- Изучение воздействия движущегося транспортного средства на дорожную конструкцию
Введение к работе
Актуальность исследования. В настоящее время стремительно увеличивается интенсивность движения транспортных средств, растут осевые нагрузки и удельный вес грузовых автомобилей в составе транспортного потока. Основная нагрузка ложится на автомобильные магистрали, соединяющие крупные области и районы страны.
Значительная часть автомобильных магистралей имеет жсткую дорожную одежду, что делает возможным движение тяжлых транспортных средств с большой интенсивностью.
В наши дни при проектировании и строительстве автомобильных дорог максимальная расчтная нагрузка согласно СНиП 2.05.02-85 «Автомобильные дороги» и ГОСТ Р 52748-2007 «Нормативные нагрузки, расчтные схемы нагружения и габариты приближения» составляет 11,5 т. При этом выпускаемые и поставляемые в Россию грузовые автомобили имеют осевую нагрузку порядка 14 т (МАЗ, Scania, MAN). Обеспечить пропуск движения столь значительной нагрузки с заданной долговечностью позволяют жсткие конструкции.
Как правило, изначально на автомобильных магистралях была устроена жсткая цементобетонная дорожная одежда. Далее во время эксплуатации дороги существующее цементобетонное основание перекрывалось слоями асфальтобетона. Устройство асфальтобетонных слов на жсткой плите производилось в целях улучшения эксплуатационных свойств дороги, в частности для улучшения ровности и сцепления. Другими словами устройство асфальтобетонных слов применялось как технология ремонта жсткой дорожной одежды. При этом ранее уложенные слои асфальтобетона не снимались, что приводило к постоянному и неконтролируемому увеличению толщины асфальтобетонных слов. К настоящему времени встречаются конструкции дорожной одежды, в которых толщина асфальтобетонных слов, уложенных на существующее цементобетонное покрытие, достигает 40… 50 см. В таких условиях конструкция работает нерационально, что приводит к преждевременному е износу и разрушению.
Считается, что устройство дополнительных слов асфальтобетонного покрытия жсткой дорожной одежды приводит к увеличению прочности и долговечности конструкции. Однако в большинстве случаев наблюдается
обратная тенденция: чем больше толщина асфальтобетонных слов, тем больше дефектов имеет покрытие и тем хуже его состояние.
Дорожная одежда является одним из важнейших составных элементов автомобильной дороги. Затраты на е устройство в ряде случаев достигают 60…70 % от общей стоимости строительства, а состояние дорожной одежды в значительной степени влияет на скорость и безопасность движения.
Проектирование и строительство жсткой дорожной одежды с асфальтобетонным покрытием – сложная комплексная задача, учитывающая большое количество различных компонентов напряжнно – деформированного состояния конструкции. При расчте основания и покрытия данных дорожных одежд необходимо учесть все факторы, оказывающие разрушающее и изнашивающее воздействие на конструкцию.
В России работы и исследования по вопросам жстких дорожных одежд с асфальтобетонным покрытием (комбинированных конструкций) были проведены в 1980 – 2010 гг. Наиболее интересными работами являются труды Н.Н. Иванова, В.Ф. Бабкова, И.А. Медникова, А.М. Богуславского, В.С. Орловского, В.А. Чернигова, С.В. Коновалова, Е.Г. Чистякова, В.Е. Тригони, Т.А. Лищицкой, А.И. Юрченко, Ю.А. Агалакова и других. Несмотря на это, существующие положения теории прочности дорожных одежд показывают недостаток конкретных теоретических и экспериментальных исследований, обуславливающих совместную работу двух конгломератных материалов, и отсутствие системного подхода к определению толщины асфальтобетонных слов на цементобетонных основаниях.
Производственные и исследовательские организации постоянно сталкиваются с необходимостью проведения расчтов и обоснования толщины асфальтобетонных слов жсткой дорожной одежды.
Таким образом, актуальность тематики исследований и масштаб проблем вытекают из практики проектирования, строительства и эксплуатации жстких дорожных одежд с асфальтобетонным покрытием.
Объект исследования. Жсткая дорожная одежда с асфальтобетонным покрытием.
Цель работы. Совершенствование методов расчта и проектирования жсткой дорожной одежды с асфальтобетонным покрытием для обес-
печения достаточной прочности, долговечности и высоких транспортно -эксплуатационных качеств автомобильной дороги. Задачи исследований:
оценка состояния вопроса, анализ и систематизация нормативной документации, изучение теоретических моделей и практического опыта устройства рассматриваемой конструкции;
определение фактической и перспективной расчтных нагрузок на конструкцию;
выявление закономерностей воздействия расчтной нагрузки на дорожную одежду;
постановка проблемы напряжнно - деформированного состояния жсткой дорожной одежды с асфальтобетонным покрытием;
конечно - элементный анализ моделирования нагруженного состояния дорожной конструкции;
разработка математической модели транспортного средства как основного источника силового воздействия на дорожную одежду;
построение пространственной динамической модели напряжнно -деформированного состояния дорожной конструкции при воздействии движущегося транспортного средства;
проведение многофакторных экспериментальных исследований с целью определения параметров, свойств и характеристик комбинированной дорожной одежды и идентификации математической модели напряжнно - деформированного состояния конструкции;
разработка методов расчта жсткой дорожной одежды с асфальтобетонным покрытием с применением математической модели нагруженного состояния конструкции;
использование программного комплекса ANSYS для моделирования нагруженного состояния дорожной конструкции;
разработка и внедрение рациональных конструктивных мероприятий, направленных на обеспечение прочности и долговечности конструкции с поддержанием заданных транспортно - эксплуатационных показателей;
формулирование экономических и правовых отношений обеспечения гарантийного срока службы дорожной конструкции;
проведение оценки технико - экономических показателей предлагаемых конструктивных решений.
Методы исследования. При решении поставленных задач использовались аналитические методы решения алгебраических уравнений и систем дифференциального и интегрального исчисления, структурного моделирования. Разработанные алгоритмы реализованы в программной среде ANSYS. Экспериментальные исследования проводились согласно установленным нормативам на сертифицированном оборудовании ряда производственных и научных организаций.
Достоверность результатов. Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются правомерностью принятых исходных данных и предпосылок, использованием общепринятых математических и статистических методов, применением классических методов теории сопротивления материалов и теоретической механики в моделировании напряжнно - деформированного состояния дорожной одежды, практической реализацией разработанных технологий и конструкций.
Достоверность результатов подтверждается также большим объмом комплексных экспериментальных исследований по изучению параметров, свойств, характеристик жсткой дорожной одежды с асфальтобетонным покрытием. Подтверждено соответствие результатов математического моделирования реальным физическим процессам, возникающих в напряжнно - деформированной конструкции.
Достоверность положений диссертации подтверждена положительными результатами внедрения работы в производственных и научных организациях, занимающихся проектированием, строительством и эксплуатацией автомобильных дорог.
Научная новизна. Состоит в создании и реализации принципиально нового подхода к методике проектирования и технологии устройства жсткой дорожной одежды с асфальтобетонным покрытием на основе математического моделирования динамического напряжнно - деформированного состояния конструкции с учтом комплексного воздействия расчтной нагрузки.
Новые научные результаты состоят в следующем:
- развиты теоретические основы моделирования динамического
напряжнно – деформированного состояния дорожной конструкции;
определены фактическая и перспективная расчтные нагрузки на конструкцию и выявлены закономерности их воздействия;
построена пространственная динамическая модель напряжнно – деформированного состояния дорожной одежды при воздействии движущегося транспортного средства методом конечных элементов;
- разработан метод расчта жсткой дорожной одежды с асфальтобетонным покрытием с применением математической модели нагруженного состояния конструкции;
- определена реальная единая модель работы дорожной конструкции
с использованием параметров, свойств и характеристик, полученных на
основе всесторонних экспериментальных исследований;
получены количественные и качественные оценки изменения характеристик динамического напряжнно – деформированного состояния дорожной конструкции и проведена проверка адекватности предложенных механико – математических моделей сопоставлением с результатами натурных экспериментов;
усовершенствована концепция проектирования и расчта жсткой дорожной одежды с асфальтобетонным покрытием с обеспечением высокой прочности и оптимальных транспортно – эксплуатационных качеств.
Практическая значимость работы. Практическое значение диссертационной работы заключается в разработке концепции и алгоритма рас-чта толщины асфальтобетонных слов жсткой дорожной одежды. Предложена методика определения оптимальных толщин асфальтобетонного покрытия на цементобетонном основании. Отражена технология устройства данной конструкции.
Основные положения работы в течение нескольких лет используются в процессе проектирования, строительства и эксплуатации основных автомобильных магистралей страны, обеспечивая большую прочность и высокие транспортно – эксплуатационные качества жсткой дорожной одежды с асфальтобетонным покрытием. На основании предложенных автором методик разработан и утвержден стандарт организации ООО «Мостотранс» (СТО 26231056-001-2013 «Устройство жсткой дорожной одежды с асфальтобетонным покрытием»).
Совокупность научных положений, идей и практических результатов исследований составляют новое направление в области теоретических и натурных методов анализа и решения проблемы качества и долговечности дорожной одежды.
Предложенные методы расчта повышают достоверность результатов, способствуют разработке экономически рациональных конструкций и обеспечивают наджность и долговечность работы дорожных одежд в период строительства и эксплуатации автомобильных дорог.
Реализация результатов. Реализация результатов осуществлена на участках действующих автомобильных дорог, имеющих жсткую дорожную одежду с асфальтобетонным покрытием:
автомобильная магистраль М-2 «Крым»;
автомобильная магистраль М-9 «Балтия»;
автомобильная дорога А-107 ММК (Московское малое кольцо);
автомобильная дорога М-51 «Байкал»;
Алтуфьевское шоссе, г. Москва.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Динамическая математическая модель напряжнно - деформированного состояния дорожной конструкции при воздействии движущегося транспортного средства, построенная методом конечных элементов.
-
Расчтная нагрузка на дорожную одежду и закономерность е распределения.
-
Метод расчта и проектирования жсткой дорожной одежды с асфальтобетонным покрытием, разработанный с применением математической модели напряжнно - деформированного состояния конструкции.
-
Условия, параметры и характеристика реальной работы дорожной конструкции, полученные на основе всесторонних экспериментальных исследований.
-
Предложение высокоэффективных конструктивных мероприятий, направленных на обеспечение требуемой прочности и долговечности конструкции с поддержанием высоких транспортно - эксплуатационных показателей.
-
Технико - экономическое обоснование предлагаемых решений и технологий.
7. Внедрение разработанных и запатентованных рациональных конструкций жсткой дорожной одежды с асфальтобетонным покрытием.
Апробация диссертации. Основные положения и результаты исследований обсуждались на заседаниях и совещаниях научных и производственных организаций.
Апробация диссертации была представлена на российских конференциях, семинарах, симпозиумах, в том числе:
65, 66, 67, 68, 69, 70 научно – методических и научно – исследовательских конференциях Московского автомобильно – дорожного государственного технического университета (МАДИ), г. Москва, 2007 – 2012 гг.;
конференции «Ремонт и содержание цементобетонных покрытий», г. Калуга, 2008 г.;
научно – технической конференции «Материалы для дорожного строительства», г. Москва, 2009 г.;
научной конференции, посвящнной 100-летию со дня рождения Бабкова В. Ф., г. Москва, 2010 г.;
международной научно – практической конференции «Материалы для дорожного строительства: ДОР-СМ», г. Москва, 2010 г.
Публикации. По теме диссертации опубликована 31 научная работа, в том числе 28 в изданиях, включенных в перечень ВАК. Опубликована одна монография и 3 учебных пособия. Также по теме исследований автором зарегистрирован один патент.
Структура и объм диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка используемой литературы (162 наименования), 5 приложений. Общий объм работы 386 страниц машинописного текста, 143 рисунка, 42 таблицы и 69 страниц приложений.
Основные виды разрушений и деформаций асфальтобетонных слоёв, устроенных на цементобетонных основаниях
Устройство асфальтобетонных слоёв на старое цементобетонное покрытие выявило ряд преимуществ и недостатков данной конструкции. К недостаткам следует отнести относительно слабую сдвигоустойчивость, трещиностойкость, износостойкость. Однако следует отметить, что данные дефекты и деформации относятся в равной степени как к жёстким, так и нежёстким конструкциям. Традиционным способом ремонта цементобетонных покрытий является перекрытие их асфальтобетонными слоями значительной толщины. В соответствии с отраслевыми дорожными нормами на проектирование нежёстких дорожных одежд толщину слоёв из материалов, содержащие органическое вяжущее и укладываемых на верхний слой основания из материалов, укреплённых цементом, для ограничения появления отражённых трещин на покрытии нужно принимать, как правило, не менее толщины слоёв, укреплённых цементом. При этом минимальная толщина слоёв должна соответствовать требованиям, приведённым в таблице 2.3 [67]. Таким образом на автомобильных магистралях с большой интенсивностью движения (более 2000 авт./сут) толщина асфальтобетонных слоёв на це-ментобетонном основании составит 18 см. При этом класс бетона по прочности на растяжение при изгибе Btb должен быть 0,8 МПа, а средняя прочность бетона на растяжение при изгибе – 1,0 МПа. При прочности бетона Btb=2,8 МПа допускается устраивать толщину асфальтобетонных слоёв не менее 16,5 см.
Считается, что вместо увеличения толщины слоя за счёт более правильной ориентации минеральных зёрен возможно повысить прочность слоя и как следствие, трещиностойкость покрытия [1].
В последнее время в мировой практике широкое распространение получили тонкие слои износа, а также ультратонкие. Слои износа в первую очередь необходимы для восстановления эксплуатационных показателей, устраиваемых как на асфальтобетонных покрытиях, так и цементобетон-ных. Их устройство выполняется с целью обеспечения требуемой шероховатости покрытия и улучшения ровности покрытия, а также для защиты поверхности покрытия от вредного воздействия эксплуатационных и климатических факторов.
Применение однослойных асфальтобетонных покрытий на цементо-бетонных основаниях в России началось с 1929 г в городе Москве, более широкое применение относится к 1950-1955 гг. [26]. Толщина устраиваемых слоёв на магистральных улицах г. Москвы в некоторых случаях достигала 4…4,5 см. Рассматривая задачу о повышении устойчивости однослойных асфальтобетонных покрытий, М.А. Шахназарова [26] отмечает, что однослойные асфальтобетонные покрытия разрушаются значительно быстрее двухслойных. Однако наряду с этим, как показало обследование, имеются отдельные участки с однослойным асфальтобетонным покрытием существенно не отличающиеся по своим эксплуатационным показателям от двухслойных покрытий.
Ремонт цементобетонных покрытий тонкими асфальтобетонными слоями показывает свою состоятельность в таких странах как Германия, Франция, Италия, Венгрия, США, а также в странах ближнего и дальнего зарубежья. Существует опыт применения тонких слоёв и в России. Так например, А.В. Вишневский в своей работе [19] приводит данные о применении тонких асфальтобетонных слоёв толщиной 2,5…5,0 см на автомобильных дорогах Новосибирской, Кемеровской областях и в Алтайском и Забайкальском краях.
На основе разработанных технических условий ТУ 218 РСФСР 601-88 «Смеси битумоминеральные открытые для устройства макрошерохова-того слоя дорожных покрытий» [75] Ю.А. Агалаков [9] провёл исследование работоспособности тонких асфальтобетонных слоёв толщиной до 5 см с повышенным содержанием щебня, оценив их транспортно-эксплуатационные показатели и изменение их в течение эксплуатации дороги в реальных условиях. По результатам опытно-производственных исследований дана оценка работоспособности тонких асфальтобетонных покрытий с повышенным содержанием щебня, уложенных на жёсткое основание, где работоспособность предлагаемых тонких слоёв в 2,5-3 раза больше, чем нормативная. Автор исследований объясняет это тем, что на границе взаимодействия тонких слоёв с жёстким основанием в процессе эксплуатации возникают большие сжимающие напряжения. Это способствует созданию более прочной и компактной структуры асфальтобетона, которая выдерживает большую разрушающую нагрузку, чем в толстых слоях.
Обобщив полученные экспериментальные данные, А.Ю. Агалаков рекомендует следующие минимальные допустимые толщины асфальтобе-69 тона на цементобетонных основаниях с известными значениями сдвиговых характеристик, приведённых в [83] (таблица 1.3).
Модель силового воздействия на дорожную одежду
Отметим, что приближенное решение (2.10) получено на основе элементарных (и совершенно обязательных) условий равновесия как плиты в целом, так и всех сечений.
Как известно, решение (2.3) является точным для бесконечной однородной плиты на упругом основании. Точным будет и приведенное выше решение для распределенной нагрузки. Однако, это решение оказывается ошибочным для однородной пластины. Дело в том, что в процессе решения мы получаем либо отношение малых чисел, либо разность больших, поэтому даже небольшая неточность в исходных уравнениях приводит к большим ошибкам.
Заметим также, что для сосредоточенной нагрузки и для однородной плиты и для однородной пластины мы получаем одну и ту же кривизну в нуле, к = 2 У0 к , но по разным причинам. Для однородной плиты это изгибающий момент в точке О приложения нагрузки. Для сегмента пластины изгибающий момент в точке О, конечно, равен нулю, а кривизна в окрестности нуля обусловлена, прежде всего, распределенным моментом М , который для сегмента является внешней нагрузкой, а для пластины -внутренней.
Эквивалентный радиус чаши прогиба (2.9) имеет простой геометрический смысл: это радиус основания цилиндра, имеющего тот же объём, что и чаша прогиба, при той же высоте у о- Однако в формуле (2.9) мы имеем два до сих пор неизвестных параметра: эквивалентная толщина основания , эквивалентный модуль упругости основания EQ. Эти параметры должны быть выражены через параметры исходной модели.
Предположим, что радиус чаши прогиба r меняется пропорционально глубине основания z по закону:
Заметим, что формула (2.27), полученная из простых физических соображений, является более предпочтительной по сравнению с формулой 3.12 «Методических рекомендаций» [67] тем более, что формула в «рекомендациях» с её весьма сомнительными параметрами (D и h3) не удовлетворяет даже очевидному условию EQ= Е2, если Ej= Е2. Учитывая далее, что согласно (2.5) и (2.9)
Заметим, что формула (2.28) отличается от формулы (3.11) «Методических рекомендаций» для упругой характеристики плиты [67] лишь мас штабом. С учетом этого масштаба формула для изгибающего момента (3.9) «Рекомендаций» принимает вид (без учета коэффициентов условий работы, влияния штыревых соединений и температурного коробления):
Для асфальтобетонного покрытия с цементобетонным основанием кроме напряжения растяжения от изгиба И, рассмотренного выше, большое значение имеет напряжение в асфальтобетоне и цементобетоне, а также касательное на их стыке.
Наибольшая поперечная нагрузка балки (сегмента с углом ), очевидно, будет на границе площадки контакта шины: редставленных расчётов построен график зависимости напряжений в асфальтобетоне в зависимости от толщины слоя (рис. 2.9). При построении данного графика использован метод конечных элементов, представленный в разделе 2.3. В расчете приняты следующие значения параметров дорожной конструкции : Q = 55 -10 Н, гш=180 мм, /2=150 мм,
Только при достаточно большой высоте начинается достаточно медленное снижение напряжений. То есть оптимальная высота слоя асфальтобетонного покрытия в данном случае имеет значение до 0,1 м.
Для расчета напряжений в дорожной конструкции при движении транспортного средства требуется рассмотрение системы «дорожная конструкция - транспортное средство». Расчетная схема такой модели показана на рис. 2.10. В этой модели транспортное средство представлено подрессоренной и неподрессоренной массами (mа,mк), соединенные упругими и демпфирующими элементами (cа ,cк ,bа ,bк). Дорожная конструкция представлена обобщенной массой движущихся элементов дорожной конструкции (mд) и упругими элементами (cд ,bд). Предлагаемая модель позволяет учесть взаимное влияние колес, расположенных на одной оси.
Приведенная жесткость определяется на основе формулы (2.6) В приложении № 1 описан программный комплекс (модуль) «Расчет характеристик силового воздействия транспортного средства на дорожную одежду», в котором реализованы описанные в этом разделе алгоритмы.
Результаты численного эксперимента, основной целью которого было определение изгибного напряжения в процессе движения транспортного средства с использованием, показали, что динамическое напряжение в дорожной конструкции в несколько раз превосходит статическое значение. На рис. 2.11-а показано построение системы «Дорога - Транспортное средство», основанное на традиционных принципах. Для целей исследования напряженно-деформированного состояния дорожной одежды было проведено значительное расширение динамической модели в области учета упругих свойств дороги. Также предлагаемая модель позволяет учесть взаимное влияние колес, расположенных на одной оси, на конструкцию.
На рис. 2.11-б показано построение системы «Дорога - Транспортное средство», в которой учитывается силовое взаимодействие «дорожной конструкции» и транспортного средства.
Механическая система, принятая в качестве основы для построения динамической модели, показана на рис. 2.12. Рассматривается трех-массовая расчетная схема, состоящая из подрессоренных масс, неподрес-соренных масс и движущихся масс дорожной конструкции. Вектор обобщенных координат (базисный вектор)
Анализ результатов наблюдений за интенсивностью движения и составом транспортного потока на автомобильных дорогах
Характерной особенностью работы дорожной конструкции в условиях проведенных численных экспериментов является сложный и неоднозначный характер зависимости выходных параметров от варьируемого параметра – толщины слоя асфальтобетона. Можно предположить, что наиболее опасным для работоспособности дорожной конструкции является рост напряжений в асфальтобетонном слое и касательных напряжений на границе асфальтобетон-цементобетон в широком диапазоне изменения варьируемого параметра. Почти во всем диапазоне происходит рост индекса усталостного нагружения слоя асфальтобетона, что является причиной снижения долговечности дорожной конструкции. Однако концепция жёсткой дорожной одежды состоит в максимальном использовании цементобетонного основания как несущего элемента конструкции. Цементобетон относительно успешно справляется с транспортными нагрузками даже без устройства асфальтобетонных слоёв. В связи с этим устройство асфальтобетонного слоя толщиной 10…12 см создаст оптимальные условия работы жёсткой дорожной одежды с асфальтобетонным покрытием и повысит транспортно – эксплуатационные качества автомобильной дороги.
Вместе с тем, в диссертационной работе нашли отражение модели многоциклового внешнего воздействия, позволяющие с большой достоверностью получить пространственно – временные деформации конструкции и её элементов. Затраченная работа А, направленная на разрушение дорожного покрытия, увязана с напряжённо – деформированным состоянием слоистой конструкции дорожной одежды. Получены численные зависимости, характеризующие величину напряжёний и деформаций под воздействием подвижной динамической нагрузки (рис. 2.24 и 2.26).
Отличительной чертой решаемой задачи является возможность стационарного режима движения, при котором прогиб под грузом остается все время постоянным, а груз (реакция транспортного средства на дорожную поверхность) движется по горизонтали. Картина изгиба оси плиты будет неизменной, но равномерно движущейся со скоростью движения груза и как бы сопровождающей груз. Поэтому для транспортного средства, изгиб плиты будет выглядеть все время одинаково; это явление целесообразно назвать бегущей изгибной волной.
Эффект «бегущей волны» позволил глубже понять суть процессов, происходящих в конструкции при движении реального расчётного транспортного средства. Качественные закономерности взаимодействия транспортного средства с дорожной конструкцией подтверждены экспериментально.
В процессе теоретических исследований была доказана ключевая роль дорожного покрытия в обеспечении безопасности дорожного движения с экономической составляющей. Поскольку покрытие дорожной одежды воспринимает и распределяет подавляющее количество внешних усилий и напряжений, ему отводится первостепенная роль при моделировании работы дорожной конструкции.
Основа концепции работоспособности дорожного покрытия была получена путём исследования матрицы характеристик дорожного полотна как слоистой системы. Важная роль было отведена самодиагностике состоянию дорожной одежды. Для реализации данной цели предложены методики визуализации необходимости замены асфальтобетонного покрытия жёсткой дорожной одежды. Данными положениями также была подтверждена выдвинутая концепция работы жёсткой дорожной одежды, заключающаяся в максимальном использовании цементобетонного основания как несущего элемента конструкции.
Выполненные исследования позволили выработать методику и алгоритм управления напряжённо – деформированным состоянием жёсткой дорожной одежды с асфальтобетонным покрытием. Результатом проведённой работы также стало формулирование и осуществление экономических и правовых отношений обеспечения гарантийного срока службы дорожной конструкции
В главе представлены созданные специально в рамках данной диссертации программный комплекс и вспомогательные модули для математического моделирования нагружённого состояния дорожной конструкции. Даны рекомендации по проведению аналитических расчётов напряжённо – деформированного состояния дорожной одежды с целью оптимизации её свойств и параметров.
1. Для реализации целей исследования напряженно – деформированного состояния жёсткой дорожной одежды с асфальтобетонным покрытием было выполнено значительное расширение динамической модели в области учета упругих свойств дороги. В диссертации дорога рассматривается в виде нового объекта – «Дорожная Конструкция».
2. Для построения пространственной динамической модели напряжённо – деформированного состояния дорожной конструкции при воздействии движущегося транспортного средства был использован метод конечных элементов (МКЭ), позволивший в полной мере учесть все многообразие факторов, воздействующих на конструкцию, а также физико-механические свойства дорожно-строительных материалов.
3. Предложена рациональная конструкция жёсткой дорожной одежды с асфальтобетонным покрытием. Для её расчёта и обоснования был использован программный комплекс ANSYS по моделированию нагружённого состояния дорожной конструкции, который позволил выполнить численные эксперименты для всех необходимых условий работы и различных сочетаний элементов. Получены количественные и качественные оценки изменения характеристик динамического напряжённо – деформированного состояния дорожной конструкции, такие как деформации, напряжения, структурные изменения и т.д.
4. Расчёт силового взаимодействия транспортного средства и дорожной конструкции выявил свойство дорожной одежды воспринимать весь частотный спектр воздействий, при этом наибольшая доля дисперсии напряжений (более 90 %) расположена в области высокочастотного резонанса.
Изучение воздействия движущегося транспортного средства на дорожную конструкцию
Исследования были проведены на участке автомобильной дороги А-107 от Можайского (А-100) до Ленинградского шоссе (М-10) в апреле -мае 2009 года. Рассматриваемый участок автодороги имеет протяженность порядка 90 км и 2 полосы движения.
Изначально на данном участке Московского малого кольца была запроектирована и построена жёсткая цементобетонная дорожная одежда. Далее, как и на других рассматриваемых автомобильных дорогах, во время многолетней эксплуатации автодороги существующая дорожная одежда перекрывалась слоями асфальтобетона.
По результатам инженерно – геологических изысканий толщина це-ментобетонной плиты находится в пределах от минимального значения 15 см до максимального 23 см. Результаты статистической обработки измерений толщины цементобетона показаны на рис. 4.24.
Средняя толщина цементобетонной плиты составляет hср=17,78 см. Коэффициент вариации толщины цементобетона составил Квар=12,8 %. Следует отметить, что преобладает конструкция толщиной 15…20 см. Данное значение несколько ниже отмеченных на других автомобильных магистралях. Так, например, средняя толщина цементобетона на автомагистрали М-2 «Крым» hср=23,59 см, а на автомагистрали М-9 «Балтия» - 20,17 см.
Результаты лабораторных исследований прочности цементобетона представлены на рис. 4.25. Средняя прочность цементобетонной плиты на сжатие по всему участку дороги составила Еср=40,4 МПа (411,96 кгс/см2). Преобладает конструкция с прочностью плиты порядка 30…45 МПа. Коэффициент вариации прочности на сжатие составил Квар=28,7 %.
Обращает на себя внимание большой разброс значений прочности цементобетонной плиты (от 14,1 до 56,9 МПа), что подтверждено высоким коэффициентом вариации. Однако средняя прочность цементобетонной плиты на сжатие на рассматриваемой автодороге существенно превышает аналогичные значения на других автомобильных магистралях. Так, например, на ММК, средняя прочность цементобетона на сжатие на 37,6 % больше, чем на автомагистрали М-2 «Крым» и на 29,7 % выше, чем на автомагистрали М-9 «Балтия».
График распределения прочности цементобетона на растяжение при изгибе Средняя прочность цементобетонной плиты на растяжение при изгибе составила Еср=6,12 МПа (62,41 кгс/см2). Коэффициент вариации прочности на растяжение при изгибе Квар=20,4 %. Преобладающая прочность плиты на растяжение составляет 7,0…7,5 МПа. В пределах полученного разброса значений (от 3,5 до 8,0 МПа) прочность распределяется достаточно равномерно, плавно возрастая к преобладающему значению.
Согласно приложению 1, табл. 6 ГОСТ 26633-91 «Бетоны», из условия растяжения при изгибе цементобетон относится к классу Вtb 4,8 (средняя прочность бетона согласно нормативному документу R=62,9 кгс/см2). Данному классу соответствует ближайшая марка бетона по прочности Ptb 60. Но, принимая во внимание коэффициент вариации, марка и класс бетона возможно будут несколько ниже.
По результатам инженерно – геологических изысканий толщина асфальтобетонных слоёв конструкции находится в пределах от минимального значения 12 см до максимального 44,5 см. Результаты статистической обработки измерений толщины асфальтобетона на рассматриваемом участке Московского малого кольца показаны на рис. 4.27. значений толщин асфальтобетона, обуславливающих коэффициент вариации, на комбинированных дорожных одеждах традиционно велик. Следует отметить, что преобладает конструкция толщиной 20…25 см. Данное значение практически совпадает с результатами исследования на автомобильной магистрали М-9 «Балтия», на которой средняя толщина слоёв асфальтобетона составляет hср=24,27 см. Однако на автодороге М-2 «Крым» средняя толщина асфальтобетонных слоёв, уложенных поверх цементобетона, составляет hср=15,66 см.
Результаты лабораторных исследований прочности асфальтобетона при температуре t=20 0C представлены на рис. 4.28. Средняя прочность на сжатие по всему участку дороги составила Еср=4,19 МПа. Преобладает конструкция с прочностью асфальтового покрытия порядка 4,0-4,5 МПа. Коэффициент вариации прочности на сжатие при 20 0С составил Квар=21,9 %, что связано с различным состоянием покрытия. Согласно табл. 4 ГОСТ 9128-97 «Смеси асфальтобетонные дорожные, аэродромные и асфальтобетон» [109], предел прочности на сжатие при тем-220 пературе t=20 0C для асфальтобетона должен быть не менее 2,5 МПа. Следовательно, расположенные в конструкции дорожной одежды на рассматриваемом участке ММК слои асфальтобетона практически с двухкратным запасом обеспечивают требуемую стандартами прочность.
Обращает на себя внимание большой разброс значений прочности (от 2 до 6 МПа), что подтверждено высоким коэффициентом вариации. Однако средняя прочность асфальтобетона на сжатие на рассматриваемой автодороге совпадает со значением, полученным на автомобильной магистрали М-9 «Балтия» (Еср=4,23 МПа). Но оба эти значения существенно превышают аналогичные значения на М-2 «Крым» - Еср=3,13 МПа. Во многом это связано с качеством строительства и влиянием дорожно – климатических зон (автомобильная магистраль М-2 «Крым» большей частью расположена в III и IV дорожно – климатических зонах).
