Содержание к диссертации
Введение
Глава I.. Состояние вопроса. Цель и задачи исследования . 5
1.1 Структура и состояние дорожной сети Монголии. Общая постановка исследования. 5
1.2 Природно'-.климатические условия Монголии
1.3 Анализ выполненных исследований по прогнозированию процесса разрушения дорожных одежд нежесткого типа .
1.4 Цель и.задачи исследования.
Глава II. Теоретическое обоснование модели накопления повреждений дорожных одежд . 41
2 .1 Основные физические процессы в конструкциях дорожных. одежд и гипотеза о накоплении повреждений.
2.2 Влияние температуры покрытия на процесс накопления, повреждений. 48
2.3 Изменение модуля упругости грунта земляного полотна в годовом цикле . 55
2.4 Выводы по II главе. 60
III. Глава III. Полевые обследования дорожных одежд нежесткого типа . 61
3.1 Цель и методика проведения экспериментальных работ 61
3.2 Анализ -результатов измерения прогиба дорожных; одежд в натурных условиях . 71
3.3 Анализ результатов измерения температуры покрытия в течение суток
3.4 Полевые*" наблюдения за водно-тепловым режимом грунта земляного полотна. 7 9
3.5 Натурное обследование состояния покрытия и анализ особенностей растрескивания. 88
3.6 Выводы по III главе
IV. Глава IV. - Математическое моделирование процесса накопления повреждений . 90
4.1 Постановка задачи и общая структура модели.
4.2 Модель транспортного потока.
4.3 Модель изменения температуры асфальтобетонного покрытия . 97
4.4 Модель изменения модуля упругости дорожной конструкции. 102
4.5 Модель изменения влажности грунта земляного полотна. 108
4.6 Модель накопления повреждений в дорожной одежде нежесткого типа. 113
4.7 Выводы по IV главе.
Глава V. Вычислительный эксперимент по прогнозированию меры повреждений. 120
5.1 Исходные данные и получаемые результаты.
5 .2 Примеры моделирования. 120 121
5.3 Анализ результатов и адекватность математической модели. 127
5.4 Выводы по V главе. 132
Общие выводы. 133
Приложение 1. 134
Приложение 2. 141
Список литературы. 14 8
- Анализ выполненных исследований по прогнозированию процесса разрушения дорожных одежд нежесткого типа
- Изменение модуля упругости грунта земляного полотна в годовом цикле
- Анализ -результатов измерения прогиба дорожных; одежд в натурных условиях
- Модель изменения температуры асфальтобетонного покрытия
Введение к работе
Актуальность. В прошлые годы в Монголии основное внимание уделяли строительству дорог .и созданию дорожной сети.. В результате сеть автомобильных дорог общего пользования Монголии за последние 7 лет увеличилась на 33%, и наблюдается тенденция дальнейшего роста и развития сети.
Значительно меньше внимания уделялось текущему состоянию автомобильных дорог. Дороги начали разрушаться, стоимость автомобильных перевозок возрастать, что отрицательно сказывается на экономике страны. Состояние дорожной сети Монголии сегодня таково, что почти 4 3% дорог с твердым покрытием требуют ремонта. Такие эксплуатационные качества и показатели, как прочность, ровность покрытий постепенно ухудшаются в результате. накопления деформации и развития повреждений. Принято считать, что значительное влияние при этом оказывает температурный режим дорожных одежд и земляного полотна, что способствует преждевременному разрушению и необходимости выполнения ремонтных работ.
Дополнительной задачей органов управления стало обеспечение своевременного ремонта и сохранности созданной сети автомобильных дорог. Задержка выполнения ремонтных работ не только ухудшает условия движения, но и повышает интенсивность разрушения дорожных одежд. Эта задача приобрела особую актуальность и значимость в настоящее время, характеризуемое экономическими трудностями: как предотвратить разрушения сложившейся сети автомобильных дорог при ограниченном финансировании. Средств, отчисляемых в дорожный фонд, не хватает, на новое строительство, а также на ремонт и содержание дорог. При ограниченном финансировании особенно остро стоит вопрос об эффективном распределении выделяемых средств.
Распределение средств в условиях дефицита между потребностями строительства и эксплуатацией является вариантной задачей, требующей оценки экономических последствий по каждому варианту за некоторый базовый период времени.
В настоящее время разработаны различные модели по управлению состоянием дорог. Однако эти модели нуждается в детальной адаптации к определенным климатическим условиям.
В связи с этим актуальным вопросом является прогнозирование процесса развития и накопления - повреждений в заданных конструкциях дорожных одежд под воздействием транспортного потока и изменения температурного .режима асфальтобетонного покрытия и влажности грунта земляного полотна в условиях Монголии.
Целью диссертационной работы является разработка методики прогнозирования повреждений дорожных одежд нежесткого типа с учетом изменения температуры покрытия и влажности грунта земляного полотна.
Научная новизна работы заключается в том, что на основе проведения исследований предложена математическая модель процесса развития повреждений дорожных одежд нежесткого типа с учетом совместного действия транспортных нагрузок, изменения температурного режима асфальтобетонного покрытия и влажности грунта земляного полотна.
Практическая ценность. Представленная в диссертации методика позволяет оценивать влияние толщины конструктивных слоев дорожной одежды, свойств материалов в этих слоях и метеорологических факторов на процесс накопления повреждений с целью планирования ремонтных работ"
Анализ выполненных исследований по прогнозированию процесса разрушения дорожных одежд нежесткого типа
Известно, что на работоспособность и долговечность дорожных одежд в значительной степени влияют атмосферные воздействия. Процесс накопления повреждений, и в конечном счете разрушение дорожных одежд происходит не только от воздействия колес автомобилей, но также существенное влияние оказывают атмосферные воздействия. В пределах территории Монголии природно-климатические условия характеризуются значительным разнообразием от пустынь до горных районов Алтая. Северная часть территории представляет собой горную местность/ которая является продолжением сибирских ландшафтов. С запада к северо-востоку располагается обширная горная область Восточных Саян, . Алтай, Хэнтий. - Степная зона на востоке постепенно переходит в пустыню на юге. Центральная часть представляет собой расчлененное низкогорье и среднегорье с обширными участками холмистого рельефа и равнин [67,74] . Климат страны резко континентальный, с холодной продолжительной зимой и коротким, но сравнительно жарким летом.
По суточным и годовым температурным колебаниям Монголия относится к числу самых континентальных стран мира. Температурный режим воздуха, являющийся одной из важнейших характеристик климата, на данной территории колеблется в большом интервале. Перепады температуры воздуха составляют от -30С мороза до +40С тепла. Среднемесячная температура воздуха в январе составляет -25С-30С; в июле - +25-+35С [51,52].
Значительная широтная протяженность и сложность рельефа территории приводят к большому разнообразию в распределении температуры. Для большей части территории самым холодным месяце является январь, самым теплым -июль. Б течение длительной {более пяти месяцев) зимы антициклональный режим погоды обуславливает низкие температуры воздуха. Общее распределение зимних температур - понижение с юго-востока на северо-восток. На большей, части территории температура воздуха января колеблется в пределах -25 30С. Наиболее низкие температуры в январе наблюдаются в горной части северо-востока -35-40С. А наиболее умеренные зимы наблюдаются в пустыне, [51,53,67].
Вся территория относится к зоне недостаточного увлажнения. Годовое количество осадков меняется по территории в довольно широких пределах. Б северных и центральных районах за год выпадает 350-550мм, в южной и восточной части - 200 300мм. Большая часть осадков выпадает летом и осенью. Величина снежного покрова также изменяется по территории незначительно и находится в пределах 15-20см. Грунтовые воды залегают . преимущественно на значительной глубине. Глубокое залегание грунтовых вод исключает капиллярное поднятие . их в зону, грунтового основания одежд, и этот источник увлажнения практически не оказывает заметного влияния на устойчивость полотна [74].
Средние годовые скорости ветра по территории изменяются в больших пределах, Б горной и степной частях в среднем - 7-Эм/сек, а в центральной части -5-7м/сек.
Антициклональный режим погоды и расположение большой части территории на высоте выше 1000-1600м над уровнем море обусловливают большую ясность неба и сильные ветры.
Сопоставляя, приведенные климатические особенности Монголии с особенностями климата Бразилии и Кении, то есть тех стран, где проводились исследования специалистами Всемирного банка при получении моделей развития и накопления разрушений дорожных покрытий, , можно заключить, что использованные в HDM-III модели могут быть неприемлемыми для условий Монголии из-за существенных различий в климате.
Выход конструкции из строя является следствием постепенного накопления повреждений: усталостных трещин, остаточных деформаций и износа. Эти повреждения, достигнув определенной величины, начинают препятствовать нормальной эксплуатации конструкции. К настоящему времени предложен целый ряд методов прогнозирования : состояния дорожной одежды, которые принято разделять на следующие группы: эмпирические, основанные на результатах наблюдений на существующих дорог,- теоретические, основанные на анализе параметров напряженного .состояния; регрессионные, использующие зависимости параметра, характеризующего состояние от таких переменных, как прочность основания, осевая нагрузка, толщина слоя дорожного покрытия; , комбинированные, основанные на подборе формы 1ь теоретического уравнения и с использованием эмпирических коэффициентов. В 1958-1960гг. Американская ассоциация дорожных организаций (AASHO) решала эту задачу чисто экспериментальным путем, установив зависимость между показателем эксплуатационного состояния проезжей части и толщиной слоев дорожных одежд, величиной осевой нагрузки и количеством воздействий осевых нагрузок. Изменяющимся во времени параметром, характеризующим состояние проезжей части, был принят индекс эксплуатационного состояния покрытия (PSI) . В результате исследования AASHO установлена эмпирическая зависимость PSI от количества осевых воздействий, параметров конструкции дорожной одежды, величины и типа осевой нагрузки (одиночная или спаренная) [113] :
Изменение модуля упругости грунта земляного полотна в годовом цикле
Большое влияние на прочность и надежность дорожного покрытия оказывают модули упругости грунта земляного полотна. Значение модуля упругости грунта существенно зависит от влажности. В результате сложных процессов перемещения влаги в земляном полотне происходит постоянное изменение состояния грунта, что приводит к изменению его основных деформативных и прочностных характеристик. Изучение этого процесса в различных климатических районах и в различных грунтово-гидрологических условиях позволяет значительно повысить надежность назначаемых расчетных параметров и тем самым, существенно увеличить точность расчетов дорожных одежд [41].
Надо заметить, что независимо от транспортных нагрузок прочностные характеристики грунта, такие как модуль упругости и показатель внутреннего трения изменяются при разных значениях температуры и влажности грунта. .
Климатические показатели того или иного региона, включающие в себе такие переменные, как температура воздуха, осадки, солнечная радиация, скорость ветра и другие, в свою очередь зависят от географического положения, определяющего геологические, гидрологические и почвенно-1-грунтовые условия.
Особенностям водно-теплового режима в районах сезонного промерзания грунтов земляного полотна были посвящены работы ученых: И.А. Золотаря, Н.А. Пузакова, В.М. Сиденко, В.М. Смирнова [41,75,103]и др.
На основе анализа этих исследований можно заключить, что территория Монголии относится к регионам с сезонным промерзанием, для которых характерен круглогодичный цикл, состоящий из четырех взаимообусловленных периодов изменения влажности: 1)осеннего накопления влаги; 2)интенсивного перемещения и накопления влаги при промерзании земляного полотна; 3)максимального влагонасыщения при оттаивании грунта; 4)просыхания. Все периоды увлажнения составляют единый закономерный цикл передвижения влаги в грунтах земляного -.полотна в результате воздействия на него природных факторов окружающей среды.
Для территории Монголии характерно глубокое залегание грунтовых вод. Годовая сумма осадков составляет 400-500мм и близка к величине их испарения. В степных районах максимальный уровень воды в канавах .наблюдается весной. Этот источник увлажнения не оказывает существенного влияния на водно-тепловой режим грунтовых оснований по следующим причинам: вода в канавах накапливается весной до того, как грунт на откосах и обочинах полотна успеет оттаять; наличие мерзлого слабоводопроницаемого грунта препятствует проникновению воды из боковых канав к грунтовому основанию; полное оттаивание грунта заканчивается, когда воды в канавах уже не будет.
По мере прогревания земляного полотна постепенно происходит просыхание грунтов, т.е. уменьшение их влажности и восстановление плотности и несущей способности. В этот период источником пополнения влаги являются атмосферные осадки. Но атмосферные осадки вследствие (сухого климата и сильного ветра) повышенного испарения не успевают глубоко проникать в дорожную конструкцию. Глубокое залегание грунтовых вод исключает .капиллярное поднятие их в зону грунтового основания, и этот- источник увлажнения не оказывает значительного влияния на устойчивость полотна.
После летнего просыхания интенсивное первоначальное накопление влаги в грунтах земляного полотна начинается с переходом средних суточных температур воздуха через +3-+5С. К этому времени происходит смена направления теплового потока в грунтах, он направлен снизу вверх. Основным источником увлажнения в период осеннего первоначального накопления являются атмосферные осадки и водяные пары.
Как отмечено в трудах И.А.Золотаря [40, 41], механические свойства мёрзлых грунтов значительно отличаются от численных значений показателей прочности и деформированности талых грунтов. Подробные исследования показали, что модуль упругости для мёрзлых грунтов в десятки и сотни раз больше модуля упругости немёрзлых грунтов, и в основном зависит от их температуры.
Учитывая большое значение модуля упругости мёрзлых грунтов, можно предполагать, что процесс накопления повреждений в зимний период будет протекать со значительно меньшей интенсивностью. В связи с этим при прогнозировании -накопления повреждений покрытий с некоторым допущенным можно учитывать только повреждения, возникающие и накапливающиеся при положительных температурах в течение года.
В.В. Ушаковым [110] было исследовано влияние изменения модуля упругости земляного полотна на прочность дорожных одежд в условиях сурового климата Забайкалья, близкого к климатическим условиям северной части Монголии.
Анализ -результатов измерения прогиба дорожных; одежд в натурных условиях
Различие в значениях температур объясняется отличием теплофизических свойств материалов дорожной одежды и воздуха. Различие во времени достижения максимальных значений температур поверхности покрытия и - воздуха обосновывается тем, что на изменение температуры поверхности покрытия оказывает более значительное влияние солнечная радиация.
В процессе проведения испытаний для уточнения влияния температуры покрытия на величину обратимого прогиба дорожной конструкции проводили измерение температуры в течение дня с 800 до 2100. Для исключения влияния осадков, для измерений выбирали дни с ясной погодой. Результат испытания приведен на рис.3.16.
Максимальное ослабление асфальтобетона наблюдается в дневное время. Следует заметить, что основная доля транспортного потока, и особенно это касается грузового движения, приходится на дневное время, время наибольшего нагрева покрытия. » Рис.3.16 Изменение температуры покрытия и величины прогиба конструкции в течение суток (7 июля) на дороге Улан-Батор - Дархан. Используя зависимость (2.5) выполнено сопоставление температуры на поверхности покрытия с экспериментальными данными. Результаты представлены на рис.3.17.
Сравнение теоретических значений с экспериментальным " показали, что разница между теоретическими и экспериментальными значениями колеблется в пределах 1,2-9,5%. С целью прогнозирования водно - теплового режима земляного полотна для климатических условий Монголии были проведены ежемесячные измерения температуры и влажности грунта в земляном полотне.
Наблюдения проводили на экспериментальном участке Ногоон Дов, расположенном на дороге Улан-Батор Мандалговь, Дорога относится к III технической категории, ширина проезжей части -6м. Протяженность исследуемого участка 800м. Участок был построен в 1998году для исследования применения слоя из цементогрунта на дорогах местного значения. Слой устраивали из грунта, укрепленного цементом. Содержание цемента в цементогрунте и толщина слоя на каждом 200м отрезке были различны. Конструкция дорожной одежды приведена на рис.3.18. Земляное полотно - из суглинка. Высота насыпи от 0,3-2,1м. По данным 2001года интенсивность движения на дороге - 162авт/сут. В составе движения легковые автомобили занимают 62,3%, легкие грузовые - 1/8%, средние грузовые - 12,9%, тяжёлые грузовые - 0%, микро автобусы - 20,9%, автобусы - 0 6%, мотоциклы - 1,2%.
Для наблюдения были пробурены 6 скважин диаметром 15см и глубиной 4м, при этом 2 скважины были расположены по оси проезжей части, 2 - на обочине, остальные 2 - за пределами земляного полотна. Расположение скважин показано на схеме рис.3.20. Рядом у каждой скважины установлены датчики для измерения температуры. Для измерения влажности использовали влагомер TRIME-B3, изготовленный в Японии.
Измерения проводили с августа 2000 года по сентябрь 2 001г ежемесячно. Измерение проводили в скважинах через каждый 0,5м и на одном уровне измерение влажности повторяли 4 раза.
Значения влажности грунта - в скважине № 5 в весенний, летный, осенний периоды года приведены в табл.3.4. Результат полевых наблюдений на участке дороги приведен в приложение 1. Рис.3.19 Влагомер TRIME-B3
На рис.3.24 показан характер сезонного изменения влажности грунта земляного полотна на различной глубине в 2001г.
Как следует из рис.3.24 в течение года происходит плавное изменение влажности грунта земляного полотна. Влажность грунта изменяется от максимальных значений в весенний период до минимальных в середине лета, с последующим увеличением к осени.
На процесс изменения влажности грунта земляного полотна влияют многочисленные факторы, связанные с изменениями атмосферных явлений и грунто-геологических условий, и поэтому для прогнозирования изменения состояния земляного полотна потребуются многолетние наблюдения.
Экспериментальное изучение параметров этого процесса в различных климатических районах и различных грунто гидрологических условиях представляется наиболее трудоемким и сложным. Проанализировав факторы, влияющие на влажность грунта земляного полотна в условиях Монголии и результаты полевых измерений (рис.3.22), была предложена следующая упрощенная схема изменения влажности грунта в течение года, приведенная на рис.2.23. С целью исследования особенностей образования и развития повреждений в дорожной одежде было обследовано состояние покрытия дороги Баян-Даваа - Эрдэнэсум, построенной в 1997г.
Обследование участка дороги протяженностью 5км проводили дважды, в 1998 и 2002годах. В процессе обследования регистрировали трещины на проезжей части дороги. Конструкция дорожной одежды обследуемого участка дороги состоит из следующих слоев: верхний слой из плотного асфальтобетона толщиной 6см, нижний слой из пористого .асфальтобетона толщиной 7см, основание -слой из песчано-гравийной смеси толщиной 15см. Грунт земляного полотна - супесь легкая. Особенностью верхнего слоя асфальтобетона является том что в составе вяжущего материала кроме битума с маркой БНД60/90 применяли 20% природный битум. Измерили среднюю ширину и длину трещин и составили схему трещин покрытия (приложение 1) .
Результаты обследования показали, что площадь, охваченная трещинами шириной меньше Змм, в 1998 году составляла 0,16% от общей площади участка, а площадь, охваченная трещинами шириной от Змм до 10мм, составляла 0,0 6%. В 2 002 году площадь, охваченная трещинами меньше Змм, увеличилась до 3%, а площадь, охваченная трещинами от 3 до 10мм, до 1,2%.
Трещины на поверхности покрытия появлялись и расширялись неравномерно в течение эксплуатации дороги. Увеличение площади, охваченной трещинами в течение 5лет, при эксплуатации дороги приведено в табл.3.5.
Модель изменения температуры асфальтобетонного покрытия
На основе представленной в предыдущей главе математической модели разработана программа для прогнозирования разрушения дорожных одежд с использованием персонального компьютера. Предлагаемая программа позволяет прогнозировать процесс накопления повреждений дорожных одежд с учетом параметров и однородности конструкции дорожной одежды, температурного режима дорожной одежды, изменения влажности грунта земляного полотна в течение заданного времени.
Для работы с программой пользователем должны быть подготовлены следующие исходные данные: -начало и конец периода прогнозирования; -среднемесячные суточные температуры воздуха в заданном ._ регионе, полученные по данным метеорологических станций (для более надежного статистически обоснованного моделирования рекомендуется задавать среднемесячные среднесуточные температуры воздуха не менее чем за 10 лет). -задается географическая широта региона в радианах. -параметры транспортного потока на дороге включающие число проездов в сутки в обоих направлениях по типам автомобилей, показатель ежегодного роста интенсивности движения; -параметры автомобильной дороги, включающие протяженность дороги, количество и протяженность участков.
Дорогу разделяют на участки по типам поперечного профиля, по конструкции дорожной одежды, по интенсивности и составу движения, если вдоль дороги изменяются эти параметры. В табличной форме вводят исходные данные по участкам дороги. Они включают в себе следующие параметры: - длину участка, км; - высоту насыпи, м; - количество слоев дорожной одежды; - модуль упругости асфальтобетона, щебня, песка, грунта земляного полотна (модуль упругости асфальтобетона при t=+10C, модуль упругости грунта при Wrp= 0,5WT); - толщину слоев дорожной одежды, см; - тип грунта земляного полотна; - тип грунта основания.
После ввода данных производится прогнозирование повреждений дорожной одежды и выводится процент поврежденных участков дороги по годам. Для наглядности делается график, показывающий процесс развития повреждений дороги по годам. Примеры моделирования.
Пример 1. Выбраны три разные конструкций дорожных одежд {рис.5.1). Дороги расположены в районе г.Улан-Батора. 1 Температурные данные местности представлены в табл.1 {приложение 2). Географическая широта местности f=0,83. Интенсивность движения одинакова на всех дорогах, приведенная интенсивность движения Ыпр=17 8авт/сут. Интенсивность и состав движения представлены в таблице
Результаты расчета периода прогнозирования с 2003года по 2014год показаны на рис.5.2. Данные дороги различаются по типам конструкции и запасам прочности. Общий модуль упругости дорожной одежды дороги М 1 равен 373 МПа, дороги №2 - 409МПа, дороги №3 - 54 4МПа. Запас прочности первой дороги составляет 1.6, второй - 1.85, третьей - 2.4. Из рис.5.2 видно, что у дорог с меньшим запасом прочности повреждения накапливаются интенсивнее, нежели у дорог со сравнительно большим запасом прочности.
Проведен вычислительный эксперимент, показывающий влияние интенсивности движения на процесс накопления повреждений. Расчет произведен на примере дорожной конструкции №1 и №2 (рис. 5.1) при интенсивностях движения, приведенных в табл.5.1. По результатам расчета построен график процесса накопления повреждений при различной интенсивности движения {рис.5.3 и 5.4) .
Результат эксперимента показывает, что чем больше интенсивность движения, тем больше интенсивность разрушения.
Для оценки влияния температурных условий на интенсивность накопления повреждения дорожной одежды проведен вычислительный эксперимент на примере дорожной одежды №1 (рис.5.1) при двух разных температурных условиях, приведенных в табл.5.2. Температурные условия показаны на рис.5.5. Результат расчета приведен на рис.5.6.
