Содержание к диссертации
Введение
1. Основные предпосылки и задачи исследования по прогнозированию работоспосбности дорожных одежд.
1.1. Основные предпосылки исследования 9
1.2. Физические модели разрушения цементобетона 16
1.3. Динамика изменения состояния бетонных покрытий и схемы их разрушения 37
1.4. Анализ методов прогнозирования работоспсоб-ности и сроков службы дорожных одежд 54
1.5. Оценка надежности дорожных покрытий и ее связь с долговечностью и работоспособностью 65
1.6. Основные требования к модели и принципы ее функционирования 69
1.7. Общие выводы, цель и задачи исследования 85
2. Вероятностная модель метеорологических условий на основе метода Монте-Карло
2.1. Требования к математической модели 89
2.2. Температура воздуха 105
2.2.1. Моделирование среднемесячных значений температуры воздуха на заданное количество лет 106
2.2.2. Моделирование среднесуточных значений на заданный год 108
2.2.3. Моделирование часовых значений на заданный месяц 118
2.3. Солнечная радиация и облачность 121
2.4. Осадки и влажность воздуха 130
2.5. Скорость ветра 139
2.6. Краткое описание программной системы 142
Выводы по 2-й главе 148
3. Физико-математическая модель конструкции дорожной одежды и земляного полотна для прогнозирования водно-теплового режима
3.1. Состояние вопроса и основные физические предпосылки 150
3.2. Описание задачи и основные предположения 168
3.3. Три расчетные схемы водно-теплового режима 171
3.3.1. Первая расчетная схема 171
3.3.г. Вторая расчетная схема 173
3.3.3. Третья расчетная схема 175
3.4. Граничные условия 177
3.4.1. Условия на границах промерзания и оттаивания 178
3.4.2. Условия на поверхности 180
3.4.3. Условия на нижней границе 182
3.4.4. Условия на границах слоев 182
3.4.5. Начальные условия 184
3.5. Особенности расчета водно-теплового режима за период полного годичного цикла 185
3.6. Метод и алгоритм решения задачи о водно-тепловом режиме 187
3.6.1. Постановка задачи об оттаивании грунта 187
3.6.2. Методы решения задачи Стефана 190
3.6.3. Метод динамической адаптации 192
3.6.4. Разностная аппроксимация 196
3.6.5. Алгоритм решения 199
3.7. Условия проведения вычислительного эксперимента и анализ результатов 201
Выводы по 3 главе 219
Математическая модель циклического нагружения дорожных покрытий 223
4.1. Общие соображения и требования к математической модели 223
4.2. Классификация транспортных средств и их распределение по осевым нагрузкам 232
4.3. Анализ изменений интенсивности движения по годам, месяцам, дням недели и часам суток 237
4.4. Распределение транспортного потока по полосам , движения 246
4.5. Структура математической модели, принципы ее функционирования и условия применения 248
Выводы по 4-й главе 277
5. Куммулятивная математическая модель процесса накопления повреждений в цементобетонних покрытиях 280
5.1. Основные положения гипотезы о накоплении повреждений 280
5.2. Моделирование деформативных свойств многослойных оснований 285
5.3. Моделирование изменений температурных напряжений 296
5.3.1. Анализ исследований в области температурного режима и напряженного состояния цементобетонних покрытий 296
5.3.2. Моделирование процесса изменения температуры поверхности покрытия 306
5.3.3. Моделирование температурных полей бетонных покрытий 320
5.3.4. Предлагаемая математическая модель процесса изменения температурных деформаций и напряжений в покрытии 323
5.4. Напряжения от воздействия транспортных средств 336
5.4.1. Постановка задачи и краткий обзор методов расчета напряжений в цементобетонних покрытиях 336
5.4.2. Теория расчета плит на упругом основании на основе метода конечных элементов 348
5.4.3. Экспериментальное исследование напряжений в цементобетонных покрытиях 366
5.5. Общая характеристика программного комплекса и примеры вычислительного эксперимента при решении практических задач 380
Выводы по 5-й главе 386
Общие выводы 388
Список литературы 390
Введение к работе
Актуальность темы. В конце 1994 года Постановлением правительства No 1310 была утверждена Федеральная программа развития автомобильных дорог Российской Федерации "Дороги России". Программа предусматривает значительные средства на ремонт и реконструкцию наиболее напряженных автомобильных дорог.
Рациональное использование выделяемых средств зависит от правильности и объективности оценки текущего состояния автомобильных дорог и, в наибольшей степени, от точности прогнозирования процесса накопления повреждений дорожных одежд.
Многочисленные примеры преждевременного разрушения дорожных одежд на автомобильных дорогах являются мощным стимулом к изучению причин этих неблагоприятных явлений и количественной оценки каждого фактора, оказывающего влияние на интенсивность разрушения.
Сложность этой задачи определяется необходимостью изу-чать процессы на отрезке времени в 15-30 лет, так как именно столько дорожные одежды должны служить до капитального ремонта в соответствии с действующими нормами, а также стохастическим характером воздействий транспортного потока и природной среды.
Постоянные изменения метеорологических условий вызывают сложные физические процессы и явления в грунтах земляного полотна и в материалах дорожных одежд, которые существенным образом изменяют физико-механические свойства и приводят к изменению параметров напряженно-деформированного состояния конструкции.
- -Под влиянием атмосферных явлений изменяется распределение влажности по глубине грунтового основания, в зимний период при отрицательных температурах появляется слой мерзлого грунта переменной толщины, весной с наступлением устойчивых положительных температур на поверхности мерзлого грунта образуется слой талого грунта, насыщенный влагой.
В результате значительно изменяется интенсивность накопления повреждений, снижаясь при увеличении толщины мерзлого слоя и возрастая при оттаивании и увеличении влажности грунта.
Другой причиной изменения интенсивности накопления повреждений являются переменное температурное поле покрытия, способное либо усиливать повреждения вызываемые проездом автомобилей, либо ослаблять их в те периоды времени, когда напряжения от температуры и автомобильной нагрузки не совпадают по знаку.
Зарубежные исследования в этом направлении были ориентированы на дорогостоящие эксперименты, наиболее масштабным из которых является широко известный эксперимент по программе Американской Ассоциации дорожных организаций (AASH0), потребовавший для реализации несколько сотен миллионов долларов.
Однако применимость его результатов весьма ограничена, вследствие отсутствия учета климатических факторов в рекомендованных эмпирических зависимостях.
Значительно возросшие возможности современной вычислительной техники позволили с новых позиций подойти к решению данной задачи, применяя более сложные математические модели совсем недавно казавшиеся нереализуемыми из-за чрезвычайно большого объема вычислительной работы.
» Таким образом настоящая работа представляет собой новое научное направление в исследовании процессов накопления г повреждений дорожных одежд на основе математического моделирования для учета многообразия влияющих факторов и их изменчивости в процессе эксплуатации дороги.
Целью исследования является разработка новой методики прогнозирования повреждений дорожных покрытий с учетом изменения во времени параметров транспортного потока и метеорологических условий.
Для достижения цели в работе поставлены и решены следующие задачи:
- разработать структуру физико-математической модели системы "земляное полотно - дорожная одежда" и ее математическое описание;
- разработать вероятностную модель метеорологических условий на основе статистических данных по климату;
- разработать физико-математическую модель изменений деформативных характеристик оснований дорожных покрытий с учетом сезонных изменений природных воздействий;
- разработать математическую модель транспортного по- W тока, определяющую нагрузочный режим покрытия;
- разработать кумулятивную модель накопления повреждений в жестких слоях дорожных одежд на новых методологических принципах;
- проверить практическую возможность реализации математических моделей посредством вычислительного эксперимента.
Наичная новизна состоит в создании принципиально нового подхода к исследованию процесса разрушения дорожных одежд «і на основе математических моделей, позволяющих получать коли чественную оценку процесса накопления повреждений на протяжении 25-30 лет. На основе анализа физических процессов в конструкции создан математический аппарат и программный комплекс для моделирования следующих процессов: процесс изменения метеорологических условий, процесс циклического нагружения дорожной одежды транспортным потоком, процессы влагопереноса, промерзания и оттаивания многослойной системы "земляное полотно - дорожная одежда", процесс изменения напряженно-деформированного состояния покрытия в условиях изменяющихся параметров воздействий и процесс накопления повреждений.
Новая методология позволяет выполнять вычислительные эксперименты для решения практических задач при проектировании дорожных одежд, при оценке последствий отклонений в качестве строительства, при оценке эффективности мероприятий по ремонту и содержанию.
Достоверность теоретических решений определяется строгостью используемых методов строительной механики и теории тепловлагопереноса в капиллярно-пористых средах: Достоверность теоретических моделей подтверждается примерами из практики и результатами специальных экспериментов выполненных на опытных участках.
Реализация работы. Результаты исследования были реализованы при разработке следующих документов для практического использования при решении инженерно-технических задач и в учебном процессе при подготовке специалистов:
1. Учебное пособие. Расчет цементобетонних покрытий автомобильных дорог. Ротапринт МАДИ. М. 1980.
2. Пособие по проектированию дорожных одежд внутрихозяйственных автомобильных дорог (к СНиП 2.05.11-83) Ротапринт -Союзпромтрансниироект. М. 1988.
3. Региональные нормы. Проектирование и строительство автомобильных дорог в Нечерноземной зоне РСФСР. Минтранстрой СССР, Госагропром СССР, Минавтодор РСФСР. Издание официальное. М. 1988.
4. Методические указания по проектированию и строительству сборно-монолитных покрытий внутрихозяйственных и внутриштощадочных дорог колхозов и совхозов. РД 10. РСФСР 326.90. М. 1990.
5. Инструкция по проектированию жестких дорожных одежд ВСН 197-91. Издание официальное. М. 1993.
Лппобашя работы. Основные положения работы и практические результаты обсуждены на научных конференциях МАДИ 1974, 1982, 1985, 1986, 1994, 1995, 1996 гг., на УП Всесоюзном совещании по основным направлениям научно-технического прогресса в дорожном строительстве (1981), на международной конференции по проблемам дорожного строительства в ЧССР г. Жилино (1988), на республиканской научно-технической конференции г. Харьков (1985), на научно-технической конференции посвященной 400-летию г. Архангельска (1984), на семинаре по научно-техническому прогрессу в дорожной отрасли г. Алма-Ата (1991), на научно-технических семинарах по повышению качества строительства автомобильных дорог в Нечерноземной зоне РСФСР г. Владимир (1983, 1984), на научно-технической конференции по проблемам автотранспортного комплекса г. Ташкент (1988).
Основные результаты исследований опубликованы в 31 статье, монографии и трех нормативно-технических документах.
