Содержание к диссертации
Введение
Обзор теоретических экспериментальных исследований образования деформаций нежестких дорожных одежд
1 Транспортно-эксплуатационные факторы, воздействующие на дорожную конструкцию 10
2. Деформации дорожных конструкций и причины их образования под воздействием интенсивного транспортного потока
3 Показатели прочности и методы расчета дорожных конструкций 24
4 Средства измерения и методы оценки состояния дорожных конструкций в процессе эксплуатации 31
5 Постановка задачи по проведению математического моделирования, учитывающего многократное динамическое воздействие транспортного потока. 51
Выводы по первой главе 42
Математическое моделирование процесса воздействия транспортной нагрузки на дорожное покрытие 44
1 Выбор модели воздействия транспортной нагрузки. Основные допущения 44
2 Моделирование статического воздействия транспортных средств на дорожную конструкцию 51
3 Моделирование динамического воздействия транспортных средств потока на дорожную конструкцию 61
4 Анализ результатов расчета деформаций асфальтобетонного покрытия, подверженного транспортному воздействию 70
Выводы по второй главе 75
Экспериментальные исследования образования необратимых деформаций асфальтобетонного покрытия 77
1 Методика проведения эксперимента по определению необратимых деформаций 77
2 Определение динамического прогиба покрытия 88
3 Результаты проведения экспериментальных исследований 95
4 Проверка адекватности математической модели 100
Выводы по третьей главе 102
Технологический регламент по обследованию дорожных одежд 104
1 Оборудование и методика обработки экспериментальных данных 104
2 Аналитическое уравнение износа верхнего слоя покрытия 109
3 Аналитическое уравнение необратимой деформации от воздействия транспортного потока 112
4 Зарубежный опыт применения материалов при конструировании нежестких дорожных одежд 115
Выводы по четвертой главе 120
Общие выводы 121
Список используемых источников 123
Приложение А 133
- Деформации дорожных конструкций и причины их образования под воздействием интенсивного транспортного потока
- Моделирование статического воздействия транспортных средств на дорожную конструкцию
- Результаты проведения экспериментальных исследований
- Зарубежный опыт применения материалов при конструировании нежестких дорожных одежд
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время наблюдается рост численности автотранспортных средств наряду с увеличением их грузоподъемности, что приводит к повышенному транспортному воздействию на дорожное покрытие с преждевременным появлением деформаций и разрушений. Дальнейшее увеличение нагрузки от транспортных средств на дорожную конструкцию требует проведения научных исследований по эксплуатационному воздействию на покрытие. Это связано с тем, что основополагающие нормативные документы были разработаны более 20 лет назад и не учитывали стремительное развитие транспортной отрасли. Совершенствование методов расчета, контроля технологии строительства дорожных конструкций способствует улучшению эксплуатационных характеристик, повышению надежности и безопасности дорожного движения.
Вопросами оценки воздействия транспортного потока на дорожную конструкцию и изучением напряженно-деформированного состояния занимались выдающиеся учёные: В. К. Апестин, А. К. Бируля, В. Ф. Бабков, В. Г. Березанцев, В. Г. Булычев, В. П. Матуа, Н. Н. Иванов, С. К. Илиополов, А. А. Иноземцев, Г. И. Покровский, Р. М. Раппопорт, М. Я. Якунин и др. Их исследования показали, что на образование колеи оказывает влияние не только расчетная нагрузка, но и количество циклов нагружения.
В то же время закономерности образования колеи на поверхности асфальтобетонного покрытия под воздействием транспортного потока при различных эксплуатационных условиях мало изучены. Образование колеи под воздействием транспортных средств имеет сложную зависимость, что вызвано пластической деформацией покрытия, его износом, а также деформацией основания.
Использование стандартных методов оценки состояния покрытия и инструментальных средств измерения параметров колеи не позволяет точно установить причины ее образования. Исследование возникновения необратимых деформаций на участках нежестких дорожных одежд с асфальтобетон-
5 ным покрытием при воздействии транспортного потока требует разработки оригинальных методик оценки эксплуатационного состояния асфальтобетонного дорожного покрытия, подверженного образованию колеи. В частности, необходимо произвести математическое моделирование влияния транспортного потока с последующим натурным экспериментом для оценки адекватности модели.
Таким образом, изучение образования остаточной деформации асфальтобетонного покрытия от воздействия транспортного потока в целях обеспечения безопасности движения и улучшения транспортно-эксплуатационного состояния автодорог является актуальным направлением научного исследования.
Целью работы является разработка методики определения и прогнозирования необратимых деформаций дорожных одежд с асфальтобетонным покрытием, образующихся от воздействия транспортного потока с изменяющимися параметрами приложения нагрузки на дорожную конструкцию.
Основные задачи работы: разработка математической модели образования необратимой деформации дорожных одежд с асфальтобетонным покрытием при воздействии циклической транспортной нагрузки с учетом ее характеристик; исследование возникновения необратимых деформаций на участках нежестких дорожных одежд с асфальтобетонным покрытием при воздействии транспортного потока; изучение закономерности образования колеи на поверхности асфальтобетонного покрытия при различных эксплуатационных условиях от воздействия транспортного потока; определение посредством численного моделирования и натурного эксперимента влияния характеристик транспортного потока на величину необратимой деформации дорожной конструкции; разработка практических рекомендаций по уточнению методики оценки эксплуатационного состояния асфальтобетонного дорожного покры- тия, подверженного образованию колеи.
Объект исследования — нежесткие дорожные одежды с асфальтобетонным покрытием.
Предмет исследования - упругие и необратимые деформации дорожной конструкции, образующиеся от воздействия транспортного потока.
Научная новизна заключается в следующем: разработана математическая модель образования необратимой деформации дорожной одежды, отличающаяся от известных введением уравнений, учитывающих волновой эффект деформации покрытия при воздействии циклической нагрузки, и уравнений, описывающих характеристики транспортного потока; разработана методика определения упругого прогиба покрытия от действия движущихся транспортных средств в потоке, в которой величина измеряется оптическим измерителем в реальном масштабе времени; разработана оригинальная методика определения изменения геометрических величин слоев дорожной одежды, оказывающих влияние на формирование колеи, отличающаяся от известных возможностью определения величин износа, пластической деформации покрытия и просадки основания; предложены аналитические зависимости образования колеи от характеристик транспортного потока, позволяющие прогнозировать величину износа, пластической деформации покрытия и просадки основания; адекватность предложенной математической модели подтверждена результатами экспериментов по определению необратимой деформации дорожной одежды; разработан технический регламент оценки эксплуатационного состояния покрытия в части методик определения упругого прогиба покрытия и определения геометрических величин слоев дорожной одежды, формирующих колею.
Достоверность полученных результатов, научных положений, выводов и рекомендаций, приведенных в работе, подтверждается объемом теоретических, лабораторных и опытно-экспериментальных исследований, выполненных в ходе изучения явлений и процессов, лежащих в основе связи между эксплуатационными свойствами дорожной конструкции и характеристиками транспортного потока, с использованием современных методов и приборов, позволяющих провести эксперименты с допустимой погрешностью.
Теоретическую основу исследования составили аналитические и численные решения дифференциальных уравнений величины прогиба дорожной конструкции под воздействием нагрузки в транспортном потоке и связанной с ней необратимой деформации.
Методы исследования. Работа выполнена с использованием комплексных методов исследования, включающих патентно-информационный анализ, методы математического и физического моделирования, а также с применением измерительных приборов.
Научная значимость заключается в разработке математической модели деформации дорожной одежды, включающей уравнения волнового эффекта, методик определения величины необратимой деформации асфальтобетонного покрытия и прогиба покрытия от воздействия транспортных средств в потоке для оценки эксплуатационного состояния дорожной конструкции.
Практическая значимость работы заключается в разработке технического регламента по оценке состояния дорожной конструкции в части определения упругого прогиба и параметров колеи. Это позволяет оценить фактическое состояние дороги и назначить ремонтные мероприятия. Использование полученных научных результатов позволяет повысить качество проектирования автомобильных дорог.
На защиту выносятся: математическая модель образующихся необратимых деформаций дорожной конструкции под воздействием циклической нагрузки, учитываю-
8 щая характеристики транспортного потока; методика определения прогиба покрытия в реальном масштабе времени от действия транспортных средств в потоке; методика определения величины необратимой деформации дорожной одежды - колеи с учетом величин износа, пластической деформации покрытия и просадки основания; аналитическая зависимость образования необратимой деформации (колеи) от воздействия транспортного потока.
Апробация результатов исследования. Основные результаты исследований и научных разработок докладывались и обсуждались на 60-й научно-технической конференции по проблемам технических и строительных наук (г. Воронеж, ВГАСУ, 2005 г.); III российско-германской научно-практической конференции «Современные проблемы безопасности дорожного движения и их решение - дети и молодежь на дорогах» (г. Волгоград, ВолгГАСУ, 2006 г.); международной научно-практической конференции «Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии» (г. Белгород, БГТУ им. В. Г. Шухова, 2007 г.); международной научно-методической конференции «Современное градостроительство» (г. Пенза, 2007 г.), XIX межвузовской научно-практической конференции «Перспектива - 2009» (г. Воронеж).
Реализация результатов работы. Результаты исследований использованы для оценки воздействия потока транспортных средств на дорожную конструкцию. Разработанная программа «Road Deflection» позволяет моделировать деформации покрытия от транспортного воздействия и проводить проверку полученных натурных замеров. Методика определения необратимых деформаций дорожной конструкции внедрена в учебный процесс по дисциплине «Основы эксплуатации автомобильных дорог» при проведении лабораторных работ.
Публикации. Основные результаты работы были опубликованы в 10 научных статьях общим объемом 47 с, из них автору лично принадлежит 35 с.
9 Три работы опубликованы в изданиях, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией ("Известия ОрелГТУ. Серия "Строительство. Транспорт", «Вестник БГТУ им. В. Г. Шухова», «Научный вестник ВГАСУ. Строительство и архитектура»). В данных статьях опубликованы и изложены основные результаты диссертации: в работе [1] раскрываются основные причины образования остаточной деформации асфальтобетонного покрытия, в работе [2] показаны результаты моделирования процесса устойчивости высоких насыпей автомобильных дорог, в работе [3] выполнено моделирование деформаций дорожной конструкции под воздействием транспортного потока и исследованы причины их появления.
Объем и структура диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Диссертация изложена на 136 страницах и содержит 77 страниц машинописного текста, 30 рисунков, 6 таблиц, список используемых источников из 102 наименований.
Деформации дорожных конструкций и причины их образования под воздействием интенсивного транспортного потока
Основным элементом дорожной конструкции, по которому совершает движение автомобильное транспортное средство, является дорожное покрытие. Дорожная конструкция состоит из нескольких конструктивных слоев, включая грунт земляного полотна и дорожную одежду - многослойную конструкцию в пределах проезжей части автомобильной дороги, воспринимающей нагрузку от автотранспортного средства и передающая ее на грунт. Энергия транспортного средства расходуется на движение вдоль дороги, маневрирование в транспортном потоке и на преодоление сил трения качения, возникающих в результате реакции дорожного покрытия от воздействия транспортной нагрузки посредством колес, вызывая появление упругой деформации и в последующем появления необратимых деформаций покрытия.
Количественная и качественная динамика изменения транспортных нагрузок требует постоянного совершенствования конструкции дорожных одежд и методов ее расчета, в то же время исследователи [2,8 15,28,29,31,33,36, 37,] отметили различие процесса образования необратимых деформаций на дорогах с одинаковой конструкцией при различных параметрах воздействия транспортного потока. Первые научные исследования, как в области расчета, так и оценки воздействия транспортного - эксплуатационных факторов на дорожную конструкцию были проведены в 30-х годах прошлого века. Основоположниками этих исследований являлись выдающиеся отечественные учёные: Бируля А.К., Бабков В.Ф., Березанцев В.Г., Булычев В.Г., Иванов Н.Н., Иноземцев А.А., Покровский Г.И., Раппопорт P.M., Якунин М.Я. и другие. Зарубежные и отечественные авторы [37,40,47,50,56,65] показали, что при определенной величине необратимая деформация дорожного покрытия начинает влиять на безопасность движения транспортного средства, что вызывает необходимость более детального исследования причин образования дефектов, проявляемых на дорожном покрытии в условиях интенсивного транспортного потока.
Дорожная одежда воспринимает различные виды статического и динамического воздействия от колесной нагрузки автотранспортного средства. Возникающие при торможении и ускорении горизонтальные напряжения в верхнем слое дорожного покрытия приводят к появлению волн, участвующих в процессе образования необратимых деформаций, коррелирующих с величиной транспортного воздействия.
В работах [ 37,74,77,100,101,102] подробно рассмотрены вопросы возникновения прогибов дорожной конструкции под транспортным средством. Вертикальные деформации приводят к возникновению напряжений, которые проникают на значительную глубину дорожной конструкции. Напряжения, возникающие на поверхности покрытия, определяются при прочих равных условиях суммой нормальных сил, передаваемых на горизонтальную поверхность покрытия пневматиками колес неподвижного автотранспортного средства. Чем больше удельное давление колеса на дорогу и меньше его площадь отпечатка [38,43 ], тем выше величина прогиба конструкции. Это справедливо для статической и малоподвижной нагрузки при скоростях до 25 км/ч. В существующей практике расчета дорожных конструкций [78,79] отпечаток колеса принимают в виде круга с приведенным диаметром D. В тоже время в работах [9,10,11,33,34,44,] так же указывается на необходимость учета количества нагружений на дорожное покрытие транспортных средств с нормативной нагрузкой, допускаемой для беспрепятственного пропуска по эксплуатируемым дорогам транспортных средств с различными скоростями движения и приведенными диаметрами D отпечатка колес с условием не завышения прочности дорожных одежд. Нагрузка, передаваемая посредством колеса, вызывает прогиб дорожного покрытия, приводя к появлению в слоях дорожной конструкции напряжений, которые, как показывают исследования [1,3,45,55,64], зависят также от величины удельного давления колеса и площади его отпечатка. Движение транспортного потока приводит к многократному нагружению участка покрытия, что способствует накоплению необратимых деформаций, проявляемых в образовании продольной деформации - колеи. Она представляет собой углубления продольного направления на проезжей части, образовавшиеся по полосе наката под действием транспортных средств. Фактор многократного нагружения от воздействия транспортного потока также нужно учитывать при назначении расчетных показателей дорожной одежды. Он характеризуется коэффициентом прочности дорожной одежды, выражаемым в отношении показателей, характеризующих фактический уровень напряженного состояния дорожной одежды или ее слоев к нормативной величине того же показателя.
Нагружения на дорожное покрытие от автомобилей в транспортном потоке вызывают обратимые и необратимые деформации, от характера и величины которых зависит срок службы [51] автомобильной дороги. Вопросам воздействия динамических и статических нагрузок на дорожные конструкции уделяется большое внимание российскими и зарубежными исследователями [4,38,62,88,101]. Воздействие динамической нагрузки в отличие от статической вызывает сдвиговые деформации и, как следствие, при прочих равных условиях накопление остаточной деформации сдвига. Также воздействие динамической нагрузки при движении автомобильного транспорта на покрытие с нормативной ровностью отличается от статической следующими показателями: 1. Вертикальные деформации под воздействием движущегося автотранспортного средства меньше, чем при его статическом воздействии, это вызвано сокращением времени его приложения. 2. С возрастанием скорости движения транспортного средства возникают волновые процессы на поверхности покрытия. 3. Напряжения по глубине в дорожной одежде и в грунте земляного полотна от действия движущегося автомобиля затухают быстрее. 4. Дорожная одежда релаксирует за время, эквивалентное периоду упругой волны, распространяющейся от транспортного средства. Исследователи указывают на возникновение упругих и пластических деформаций в местах дороги, имеющих значительное отклонения по ровности, при скорости движения автомобиля более 80 км/ч, характеризующейся термином "вторичного удара", проявляющегося при прохождении неровности.
В работах авторов [48,56] рассматривается вопрос об изменении количества нагружений дорожной конструкции от минимальной, в один автомобиль, до ситуации полного заполнения полосы движения различными транспортными средствами, характеризующими транспортный поток автомобилей, движущихся по дорожной сети. Транспортный поток можно разделить на группы: легковые автомобили, автобусы, грузовые автомобили, подразделяемые по их грузоподъемности, по наличию прицепа либо полуприцепа.
Моделирование статического воздействия транспортных средств на дорожную конструкцию
При всей очевидности получаемых результатов влияние эксплуатационных параметров сведено к изменению толщины в процессе деформационных изменений покрытия, а это не позволяет оценить величину износа и остаточной деформации.
В работе Смирнова А.В. приводятся данные об испытании дорожных одежд многоцикловым нагружением с абсолютной величиной равной расчётной колёсной нагрузке на круговом испытательном стенде. Показано, что при количестве нагружений эквивалентном пятому порядку, происходит упрочнение конструкций, связанное с доуплотнением верхнего слоя. При этом коэффициент прочности по растягивающим напряжениям в покрытии возрастает в 1,5 — 2 раза по отношению к начальному значению. Дальнейшее многоцикловое нагружение приводит к уменьшению коэффициента прочности, и уже при величине эквивалентной 50000 циклам нагружений он уменьшается. При этом происходит рост средней величины поперечной неровности на покрытии, иногда достигающей 7-18 мм. Дальнейшее увеличение числа нагружений приводит к накоплению остаточных деформаций, превышающих ранее указанную величину. Этап доуплотнения сильно зависит от физико-механических свойств конструкции, связанных со свойствами используемых материалов и технологией их укладки. Корреляционную связь указанных данных с результатами, полученными Лейваком В.А., нарушает флуктуация количества нагружений до начала проведения экспериментальных исследований на действующую дорожную конструкцию и очевидно к моменту начала испытаний, подвергнутых некоторому количеству нагружений.
В международной практике находят применение дефлектометры падающего груза и движущегося колеса. Данные технические средства на основе разработанных для них методик получили широкое распространение в странах Европы и США. Дефлектометры обеспечивают до 60 измерений в час и обладают широким диапазоном нагрузок от 7 до 120 кН . Установка представляет собой одноосный прицеп, на котором смонтированы механизм ударных нагружений и до девяти датчиков с преобразованием линейного перемещения в электрический сигнал с последующей обработкой в аналитическом устройстве. Использование аналитико-эмпирической методик определения прочности, воплощённых в программном обеспечении, позволяет диагностировать прочность дорожных конструкций на основе параметров чаши прогиба. В дефлектометрах имитируют воздействие грузового автомобиля массой 30 тонн, движущегося со скоростью 60 км/ч. Нагрузка создаётся гру 35 зом, падающим на амортизирующую пружину, расположенную на нагружаемой плите. Датчиками, находящимися на плите, измеряется сила удара и прогиб поверхности покрытия. Полученное соотношение между силой удара и деформацией поверхности покрытия позволяет определить общий модуль упругости измеряемого участка.
Дефлектометры движущегося колеса производят измерения при движении с обычными для автомобильных дорог скоростями. Как правило, подобные установки представляют собой длиннобазовый, до 14 м, нагруженный полуприцеп с измерительным оборудованием, включающим в себя контрольный и измерительный лазерные сканеры поверхности покрытия дорожной одежды и мощный блок цифровой обработки информации. Параметры чаши прогиба определяются путём сравнения профилей поверхности покрытия до нагружения задним колесом полуприцепа и в сечении места воздействия. Программное обеспечение комплекса позволяет рассчитать на основе данных о слоях дорожной одежды ожидаемые деформации и итеративным способом достичь согласования предсказанных и измеренных данных. Эти установки чрезвычайно сложны в изготовлении и юстировке лазерных сканеров, имеют повышенное энергопотребление и высокую стоимость.
Другой подход к измерению чаши прогиба воплощён в высокоскоростной установке измерения прогиба дорожной одежды. В отличие от установок с падающим грузом, установка измеряет не вертикальные перемещения точек поверхности покрытия, а скорость её деформации с помощью лазерных доп-леровских датчиков с последующим интегрированием. Переменная нагрузка создаётся перемещением груза вдоль платформы от кабины к заднему мосту автомобиля. Среди недостатков установки можно отметить трудность калибровки измерителя, так как необходимо учесть влияние сжатия шин и рессор.
Рассмотренные зарубежные и отечественные методы и приборы базируются на решении задач динамики и учитывают при измерениях и расчётах характеристики чаши прогиба дорожной одежды. Необходимо отметить, что прогрессивные средства используют динамическое воздействие, а самые до 36 рогостоящие и производительные установки основываются на данных от воздействия движущегося автомобиля. Недостатками развиваемых направлений является высокая стоимость аппаратуры и серьёзные технические сложности, связанные с калибровкой измерительных устройств.
Подобный подход к определению прочности дорожных одежд является наиболее общим. Однако он сопровождается сложностями, связанными с необходимостью корректировки расчётной модели для каждого однотипного участка автомобильной дороги (конструкция дорожной одежды должна быть заведомо известна). Решение не является единственным, то есть более чем один набор модулей упругости могут удовлетворять определённым экспериментально полям перемещений, а само вычисление требует достаточно большого количества времени, даже с использованием современных средств электронно-вычислительной техники. Поэтому все математические модели современных высокопроизводительных установок ударного нагружения ориентированы на расчёт общего модуля упругости дорожной конструкции, что является недостатком при прогнозировании общего ресурса дороги.
Статические методы расчёта и оценки прочности дорожных одежд основаны на критериях наибольших нормальных и касательных напряжений Согласно этим критериям, разрушение происходит путём отрыва по наибольшим нормальным растягивающим напряжениям и среза по наибольшим касательным напряжениям. Для расчёта дорожных конструкций на однократное статическое нагружение можно применять теорию потенциальной энергии изменения формы тела с условием, что пластические деформации и разрушения происходят без изменения объёма материала конструкции. Поэтому за критерий прочности принята не вся потенциальная энергия деформации, а только её часть, идущая на изменение формы тела.
Результаты проведения экспериментальных исследований
В основном транспортное средство оказывает статическое воздействие на дорожное покрытие на перекрестках, при заторах на затрудненных участках движения, при плотном городском движении, при остановке транспортных средств на остановочных полосах многополосных автомобильных дорог. Моделирование статического воздействия транспортных средств на дорожную конструкцию является одной из первоочередных задач для оценки величины необратимой деформации дорожной конструкции от влияния транспортного потока. Моделирование статического воздействия транспортных средств на дорожную конструкцию является одной из первоочередных задач при оценке величины необратимой деформации дорожной конструкции под влиянием транспортного потока. Для описания работы нежесткой дорожной конструкции при воздействии на нее колесной нагрузки от транспортного средства принята математическая модель [37]. Граничными условиями при решении данных уравнений является геометрический эквивалент. Задача решается в поле стационарных сил и решение можно свести к решению стационарной задачи — системы уравнений с изменяемыми параметрами с определенными граничными условиями. Предполагается, что усилия распределяются на определенную глубину, эквивалентную слою просадки дорожной конструкции и равную 2 м. При численном решении модели необратимых деформаций слоев дорожной конструкции использовались значения характеристик материалов, указанных в таблице 2. Для решения уравнений (2.15) использовали математический пакет Comsol, опирающийся численными моделями на математическую оболочку Matlab. Использование данного пакета, а также дополнительная проверка в системе Scad показали, что оптимально использование Comsol, так как он позволяет проверять сходимость решений, систематическую погрешность решения; объединять целочисленные блоки, а также решать задачи с большим количеством узлов и элементов, тем самым повышая точность вычисления в интересующих точках. Данный математический пакет предназначен для физико-математического моделирования работы нежесткой дорожной конструкции при воздействии на нее транспортной нагрузки.
Расчетная схема выполнена в геометрической форме, адекватно описывающей конструкцию исследуемого объекта. В ходе моделирования были заданы основные параметры: размер, толщина конструктивных слоев и грунта. Для этого были определены правила перемещения узлов конечных элементов и системы, физические законы, указывающие на взаимосвязь между силами, действующими на элементы, и внутренними перемещениями; системы граничных условий определяющих однозначность решения.
В процессе движения транспортное средство оказывает на дорожную конструкцию механическое воздействие, что приводит к прогибу дорожной конструкции. Значительные влияния на прогиб оказывает вес транспортного средства, и чем выше его масса, тем больше прогиб. Анализ воздействия нагрузки на дорожную конструкцию проводили отечественные и зарубежные ученые [12,14,16] в широком диапазоне различных параметров эксплуатации автомобильных дорог. Исследования показали наличие корреляции между статическим и динамическим воздействием нагрузки на величину упругого прогиба и на появление необратимых процессов в виде остаточной деформации.
Анализ эксплуатационного состояния автомобильных дорог выявил наиболее распространенный дефект асфальтобетонного покрытия, образующийся от воздействия колесной нагрузки в виде продольной деформации -колеи. Отмечено, что в местах с повышенной интенсивностью движения транспортных средств, существует зависимость между необратимыми деформациями асфальтобетонного покрытия и характеристиками транспортного потока, приводящие к образованию указанного дефекта. При этом геометрические параметры: глубина и ширина колеи могут существенно варьироваться в зависимости от транспортного воздействия. На участках автодорог с наличием колеи при высоких скоростях движения транспортного средства повышается вероятность ДТП. В целях обеспечения безопасности дорожного движения необходимо дальнейшее изучение влияния воздействия транспортного потока на образование остаточной деформации асфальтобетонного покрытия.
Согласно требований ГОСТ Р 50597-93 «Автомобильные дороги и улицы. Требования к эксплуатационному состоянию, допустимому по условиям обеспечения безопасности дорожного движения» закреплены предельно допустимые значения эксплуатационного состояния дорог, необходимые для обеспечения безопасности дорожного движения.
В современной научной литературе слабо освещен вопрос воздействия транспортного потока на дорожную конструкцию с приведенным значением модуля упругости. Для получения величины упругого прогиба при действии транспортного потока необходимо исследовать напряженно — деформированное состояние дорожной одежды и на его основе провести разработку математической модели образования необратимой деформации дорожного покрытия при воздействии транспортного потока, произведя численное моделирование; рассчитать предельные значения упругого прогиба.
В результате расчета получены значения перемещения каждой точки дорожной конструкции и напряжения, возникающие в конструктивных слоях в зоне прогиба от транспортного воздействия. На рисунке 2.2 показана величина прогиба покрытия участка дороги II категории длинной 20 м. Транспортное средство расположено по центру расчетного участка, где величина прогиба рассчитана вдоль правой полосы наката.
Зарубежный опыт применения материалов при конструировании нежестких дорожных одежд
Оценка динамического воздействия на дорожную конструкцию позволяют оценить максимальное значение деформации, возникающей под транспортным средством в движении, и при учете многоциклового воздействия охарактеризовать надежность дорожной конструкции, обусловленную свойствами используемых материалов.
По прошествии времени многократно большего, чем время релаксации асфальтобетона, колесная нагрузка, эквивалентная набору штампов с радиусом отпечатка г и силой удельного давления, эквивалентной давлению в пневматиках, вызывает необратимые пластические деформации, и пластическая зона в границах штампа и условие пластичности принимают вид 0-,=0-.,+2 , т2 = т3 = а0. В силу слабой связанности материала покрытия на границе максимальных напряжений о\ =о-, величина пластических деформаций максимальна, следовательно, штамп вдавливается по линии, образованной величиной эквивалентного радиуса колеса. Частное решение рассмотре-ное Д.Д Ивлевым, представляет случай движущегося штампа, в котором поле давления эквивалентно распределению сил под пневматиком. Данная задача не является симметричной, и граничные условия целесообразно преобразовывать в три взаимно накладывающихся эллипса с равномерным распределением давления в каждом из них. Определение поля напряжений сводится к численному интегрированию, и решением данного уравнения из условия пластичности Треска можно рассмотреть предельное состояние касательного напряжения в точке контакта с параболическим условием пластичности,
Превышение напряжения в точке касания колеса с поверхностью приводит к формированию области с высоким касательным напряжением, вызывающим сдвиг асфальтобетонного материала покрытия. Так как касательные напряжения зависят от скорости движения, то необходимо совместное решение волнового уравнения динамического воздействия и вязкого поведения материала дорожного покрытия: обобщенный вид представлен в работе (Ив-лева). В работе [35] показано, что при статическом воздействии в стандартных условиях пневматика на дорожное покрытие, превышающее 4 часа, возникают необратимые деформации вязко-пластичного характера, что свидетельствует о релаксационных вязко - упругих и вязко — пластичных свойствах асфальтобетонного покрытия. Появление прогиба под транспортным средством в статическом режиме, рассчитанного в предыдущем параграфе, свидетельствует о процессах деформации дорожной конструкции в процессе физического воздействия.
Движение транспортного средства вызывает появление деформаций более высоких порядков, которые в инерциальной системе распространения упругих взаимодействий в дорожном покрытии приводят к образованию волновых эффектов, проявляемых в волнах сжатия и растяжения в слое покрытия. Проявляемые деформации близки к инерционным волнам Релея или так называемым гравитационным волнам. Динамическая задача воздействия транспорта в поле сил тяготения на покрытие сводится к решению уравнения волнового движения плотной среды. Для выше рассмотренных конфигураций параметров потока и на основе полученных значений, характерных для различных скоростей движения, приводящего к формированию волнообразного движения покрытия перед- и за транспортным средством, в аддитивных условиях эффективно применить решение для однородной бесконечной среды, лежащей на упругом основании. Вдоль нее со скоростью v 0 движется транспортное средство - нагрузка, действие которой выражается в изгибе участка покрытия, характеризуемого чашей прогиба. Для связанных масс М основания и массы покрытия характерны гравитационные модули собственных колебаний со скоростью продольных волн Vn = {EIр0)т, соответственно для основания и покрытия и скоростью сдвиговых волн Vc = (ju/p0)U2.
Решение задачи динамического воздействия как движущейся потенциальной силы, формируемой транспортным воздействием и реакцией анизотропной среды, сводится к решению уравнения, сформированного прогиба от транспортного средства, движущегося в диапазоне скоростей от 0 до 120 км/ч и в диапазоне температур покрытия от - 20 С до +50 С, соответственно с изменяющимися физико — механических свойствами материала, из которого состоит покрытие, приводящего к формированию на поверхности дорожного покрытия остаточных деформаций. Транспортное воздействие изменяется по закону распределения случайной величины, характерной для законов "супергамма или гамма" с максимальной плотностью воздействия транспортного средства лежащего в диапазоне скоростей от 60 до 120 км/ч. Также представляет интерес рассмотрение характерных для транспортного потока трех фиксированных значений скорости: 30, 60 и 100 км/ч.
Приведение к данным распределениям формализует количество транспортных нагрузок в процессе эксплуатации участка дороги к параметру, близкому к циклическому воздействию нагрузки от транспортных средств. Данная задача сводится к решению инерциального уравнения структурно -неизменяемой и термодинамически неравновесной среды в условиях потенциальных сил двигающихся транспортных средств со скоростями, близкими к распространению волнового фронта сложного колебания в покрытии. Задача близка к гидродинамической задаче движения волны в поле гравитационных сил от пространственно - перемещаемого источника возмущения, эквивалентного архимедовой силе. В силу малости деформаций дорожного покрытия амплитуда волны составляет доли миллиметра, и скорость волн существенно зависит от температуры поверхности.
Рассмотрим вопрос возникновения волн в асфальтобетонном покрытии, лежащем на упругом основании, предложим и на основании работы [99] введем понятие тонкого слоя Ах, эквивалентного слою тонкой оболочки, жестко прикрепленной к анизотропной упругой плите. Элемент можно пространственно изобразить в виде конечного элемента, подверженного деформации и показанного на рисунке 2.8. Изменение величины деформированной поверхности, образованной гранями конечного элемента, испытывающего внешнее воздействие, приводит к формированию упругой силы, энергия которой равна потенциальной при статической деформации. Разность приращений на противоположных гранях равна скорости изменения приращения за время релаксации материала, из которого состоит элемент.
