Содержание к диссертации
Введение
І.Сосгояние вопроса. и задачи иссвдания П
I.I. Выбор расчетных параметров дорожных одежд при их проектировании іі.
І.2.Методы экспериментального определения параметров дорожных одежд 77.
1.3.Методы и средства измерений при испытании дорожных одежд
I.4 Автоматизация измерений при испытании дорожных одежд и в других смежных областях .7..
1.5.Назначение расчетных параметров дорожных одежд по результатам их испытаний 7;.
1.6.Выводы,цель и задачи исследования
2. Те0ретическ0е исследование параметров дорожных одевди анализ погрешности измерения их
2.1. Теоретическое исследование влияния вариации модулей упругости и толщин слоев на напряжения и прогибы многослойной дорожной одежды 7?,
2.2.0пределение частотных диапазонов напряжений и прогибов дорожных одежд .
2.3.Анализ погрешности результатов измерений ??.
2.4.Выводы ??.
3.Обоснование и разработка методов измерений .
3.1. Обоснование методов измерений параметров дорожных одежд
З.2 .Раяработка экспресс-метода измерения динамической движущегося автомобиля на дорожную одежду и методики определения коэффициента динамичности и оплепеления коэффициента динамичности .
3.3.Разработка экспресс-метода контроля ровности дорожных одежд с помощью многоопорной рейки Ї9..
3.4.Обоснование необходимости и разработка метода учета колебаний нагрузки движущегося автомобиля на дорожную одежду при определении приведенной интенсивности движения автомобилей ЇV7.
3.5.Разработка методики определения коэффициента влияния колебаний нагрузки автомобиля на дорожную одежду ттг.
3.б.Выводы її?.,
4.Разработка средств измерений параметров дорожных одежды.,
4.1.Обоснование требований к средствам измерений
4.2.Разработка средств измерений
4.3.Выводы
б. Иссвдование экспресс-методов измерений параметр0в дорожных одежд и разработка рекомендаций по их практическому применению Ї*?..
5.1. Исследование экспресс-метода измерения динамической нагрузки автомобиля на дорожную одежду Тf?.
5.2.Исследование экспресс-метода контроля ровности дорожных покрытий с помощью многоопорной рейки
5.3.Разработка методики безреперного измерения динамического прогиба дорожных одеВД
6.Пракгическое применение результатов исследований, их внедрение и оценка эффективности
6.1.Результаты определения коэффициента динамичности и коэффициента влияния колебаний нагрузки автомобиля при полевых обследованиях автомобильных дорог Ї??,
б.2.Результаты определения режимов нагружения дорожных одежд при стендовых испытаниях
6.3,Внедрение результатов исследований
6.4.Оценка эффективности результатов исследований .
Общие выводы ...ї?ї.
Литература *??.
- Выбор расчетных параметров дорожных одежд при их проектировании
- Теоретическое исследование влияния вариации модулей упругости и толщин слоев на напряжения и прогибы многослойной дорожной одежды
- Обоснование методов измерений параметров дорожных одежд
- Исследование экспресс-метода измерения динамической нагрузки автомобиля на дорожную одежду
Выбор расчетных параметров дорожных одежд при их проектировании
Современные автомобильные дороги являются дорогостоящими сложными инженерно-техническими сооружениями, представляющими, как правило, многослойные конструкции (обычно З-б слоев),состоящие из земляного полотна, одного или нескольких слоев основания и одного или нескольких слоев покрытия дорожной одежды,
Применяемый в настоящее время метод расчета нежестких дорожных одежд с усовершенствованньми покрытиями основан на предпосылке, что на таких одеждах не должны возникать остаточные деформации под действием временных нагрузок. По этому методу расчета конструкция дорожной одежды должна удовлетворять следующим трем условиям прочности: в подстилающем грунте и слабосвязных материалах конструктивных слоев не должно быть превзойдено предельное равновесие по сдвигу; не должна нарушаться сплошность монолитных слоев одежды; прогиб поверхности покрытия под действием расчетной нагрузки не должен превосходить допускаемой величины /43,44/.
К основным расчетным параметрам дорожных одежд можно отнести /43,44/: параметры нагрузки: среднее расчетное давление колеса на покрытие, расчетный диаметр следа колеса неподвижного либо движущегося автомобиля, расчетный коэффициент динамичности нагрузки от колеса на дорогу, приведенная интенсивность воздействия нагрузки (приведенная интенсивность движения автомобилей); геометрические характеристики: ширина проезжей части и обочин, толщины слоев; механические характеристики: дефорлационные (модуль упру 12 гости,коэффициент поперечной дефорлации) и прочностные (сопротивление растяжению при изгибе, удельное сцепление, угол внутреннего трения), значения которых могут существенно зависеть от влажности,температуры и режима нагружения; характеристики напряженно-деформированного состояния: вертикальные перемещения (прогибы), нормальные и касательные напряжения в слоях дорожной одежды и в земляном полотне.
При проектировании конструкций с теплоизолирующими слоями используется также расчетные значения следующих характеристик материалов и грунтов: коэффициенты теплопроводности и температуропроводности, удельная теплоемкость, коэффициент пучения и критерий морозоустойчивости.
Так как процесс деформирования и прочностные свойства материалов, содержащих органическое вяжущее, существенно зависят от режима нагружения и температуры, то при расчете дорожных одевд на прочность необходимо учитывать время действия нагрузки. В настоящее время в соответствии с новой редакцией Инструкции по проектированию дорожных одевд нежесткого типа /44/ дорожные одежды на перегонах дорог необходимо рассчитывать на кратковременное и однократное действие подвижных нагрузок с продолжительностью 0,1 с. В этом случае в расчет необходимо принимать значения модулей упругости и прочностные характеристики материалов и грунтов, определенные при продолжительности нагружения 0,1 с.Одевды на остановках транспорта,перекрестках дорог и т.д. необходимо рассчитывать на многократное кратковременное действие нагрузки, а также на продолжительное однократное нагружение. При расчете одежды на длительное действие нагрузки необходимо использовать значения модулей упругости материалов и грунтов и их прочностные характеристики, определенные при продолжительности нагружения не менее 10 минут /44/. Одежды на стоянках автомобилей и обочинах дорог рассчитывают на продолжительное нагружение (более 10 минут), а повторность воздействия нагрузок при этом можно не учитывать.
При проектировании дорожных одежд на воздействие движущегося транспортного средства в качестве расчетных параметров, характеризующих величину и повторяемость нагрузок,используют: среднее расчетное давление колеса на покрытие, расчетный диаметр следа колеса движущегося автомобиля и приведенную расчетную интенсивность воздействия нагрузки, А при проектировании на воздействие неподвижного транспортного средства - среднее расчетное давление колеса на покрытие и расчетный диаметр следа колеса неподвижного автомобиля. В качестве расчетных принимают нормированные СНиП II-Д.5-72 нагрузки, соответствующ4е предельным нагрузкам на ось автомобилей /122/. Так для транспортных средств группы А нормированная нагрузка, передаваемая дорожной одежде колесом неподвижного автомобиля, принимается равной 50 кН, а для подвижного автомобиля 65 кН, то есть коэффициент динамичности принимается равным 1,3.
При расчете на прочность после определения расчетных характеристик вычисляют напряжения, деформации и прогибы в дорожных одеждах по формулам теории упругости для слоистых сред, либо по номограммам или соответствующим приближенным формулам. Найденные значения сравнивают с допускаемыми значениями напряжений,деформаций либо прогибов, устанавливаемыми путем испытания образцов материалов разрушающей нагрузкой (предельное сопротивление растяжению при изгибе, предельная относительная деформация от растяжения и др.) либо определяемьми путем обобщения имеющегося опыта (допустимый обратимый прогиб, радиус кривизны поверхности покрытия др.). Толщины слоев и их материалы варьируют так, чтобы найденные в соответствии с решениями теории упругости напряжения и прогибы (либо деформации и т.п.) не превышали допускаемых значений.
Вопросы дальнейшего развития и уточнения методов проектирования дорожных одежд связаны с развитием как теоретических,так и экспериментальных исследований в этой области. Так дальнейшее развитие теоретической базы определения напряженно-деформированного состояния нежестких одежд связано с учетом наряду с упругими также вязких свойств материалов слоев и грунта земляного полотна /12,17,18,35,109,114,131,144/, то есть с переходом от расчетной схемы слоистого упругого полупространства при неподвижной нагрузке /43/ к расчетной схеме вязкоупругого полупространства при подвижной нагрузке. Необходимо более глубоко изучить влияние продолжительности действия нагрузки на напряженно-деформированное состояние дорожной конструкции, определить коэффициенты запаса прочности в зависимости от изменчивости прочностных и деформационных характеристик грунтов и материалов с учетом требуемой эксплуатационной надежности сооружения, изучить степень вариации расчетных характеристик и т.д.
Для уточнения методов проектирования необходимо также накапливать данные о поведении дорожных одежд в процессе их эксплуатации, то есть о влиянии интенсивности движения, погодно-климатических и других факторов на их прочность и ровность.
Теоретическое исследование влияния вариации модулей упругости и толщин слоев на напряжения и прогибы многослойной дорожной одежды
Частотные спектры сигналов, получаемых с датчиков напряжений и прогибов при испытании дорожных одежд, зависят от длительности действия нагрузки, характера ее изменения во времени и от места расположения датчиков в дорожной конструкции. Эффективная длительность напряженно-деформированного состояния в каждой точке дорожной одежды зависит от скорости движения автомобиля и диаметра отпечатка колеса, а также от толщины слоев и их механических свойств. Наиболее распространенные скорости движения тяжелых грузовых автомобилей на дорогах общего пользования лежат в пределах 40-70 км/ч. В этом случае, как показывают исследования, длительность действия нагрузки в каждой точке поверхности покрытия составляет 0,02-0,03 с, а в пределах чаши прогиба длительность нагружения достигает 0,1-0,3 с /60,133/.
Импульсы нагрузки, действующие на дорожную одежду от движущихся по ней транспортных средств, являются импульсной непериодической функцией времени aft), которая может быть представлена с помощью интеграла Шурье /48/: Это выражение представляет непериодическую функцию времени Ct(t) в виде суммы бесконечно большого числа гармонических колебаний с бесконечно малыми амплитудами 5(со)о/и), то есть частотный спектр А /импульсного непериодического сигнала простирается от О до оо .
Спектральная функция импульсного сигнала Sfco) зависит от формы импульса и его длительности. Чем длиннее импульсы, тем спектральная функция более сосредоточена в области низких частот, а чем короче импульсы, тем она сильнее растянута вдоль оси частот. На рис.2.4 приведены относительные спектральные функции для импульсов различной формы /127/. Как видно из этого рисунка с увеличением частоты относительная спектральная функция уменьшается и стремится к нулю. Поэтому обычно спектр в области высоких частот ограничивают некоторой частотой U)& , тт ость ьерхний йредел интегрирования в выражении (2.9) принимают равным aJg . В этом случае погрешность представления импульсного сигнала будет обусловлена выбором значения частоты 0UB .
Спектр импульсного сигнала часто характеризует его активной шириной / , то есть областью частот, в пределах которой заКЛЮ-чена основная часть энергии рассматриваемого сигнала /127/. Обычно Д/ определяется как областью частот, в пределах которой заключается 95% всей энергии импульсного сигнала, и которая включает составляющие, решающим образом влияющие на форму импульса.
Следует отметить, что активная ширина спектра 4 ,Л характеризует импульсный сигнал только с точки зрения его энергии. При исследовании напряженно-деформированного состояния дорожных одежд исследуемые процессы характеризуются, как правило, не своей энергией, а изменением амплитуды, измерение которой, обычно, и осуществляется. В этом случае импульсный процесс / /целесообразно характеризовать спектром частот Д±, при интегрировании в пределах которого выражения (2.9), погрешность амплитуды Oft J не будет превышать заданной величины.Проанализируем выражение (2.12). Первый сомножитель под знаком интеграла в этом выражении представляет убывающую экспоненту в функции частоты, а второй косинусоидальную зависимость в функции частоты и времени. Известно, что в момент времени =0 колокольный импульс tf/ , описываемый выражением (2.10), принимает максимальное амплитудное значение. Поэтому достаточно провести оценку влияния ограничения непрерывного бесконечного спектра колокольного импульса только для /=0.
Обоснование методов измерений параметров дорожных одежд
Применение цифровых методов измерения с регистрацией данных без их обработки.
Реализацию цифрового метода измерения можно осуществить двумя способами в зависимости от типа используемых датчиков. При использовании датчиков с аналоговым выходным сигналом целесообразно использовать традиционную схему измерения и регистрации данных, осуществляя преобразование аналогового сигнала в цифровой код с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦЦ) и регистрацию этого кода с помощью печатающего устройства или перфоратора. При использовании датчиков с цифровым выходом можно сразу осуществлять регистрацию результата измерения в цифровом виде. Так при испытании ирунтов вн аомпрессионных хриборах хифровой метод регистрации данных наиболее просто может быть реализован путем разработки цифрового датчика деформаций, обеспечивающего дискретность измерения 0,005 мм. Выбор того или иного способа измерения и регистрации данных определяется наличием соответствующих датчиков.
При исследовании статических и медленно изменяющихся процессов регистрацию результатов измерений можно осуществлять одновременно с измерением. При исследовании же быстрых динамических процессов из-за ограниченного быстродействия регистрирующих устройств не всегда удается осуществлять регистрацию данных в темпе с экспериментом. В этом случае в процессе эксперимента результаты измерений необходимо накапливать в буферной памяти, а по окончании эксперимента или в его паузе данные из памяти необходимо считать и осуществить их регистрацию.
Полевые испытания дорожных одежд. При испытании дорожной одежды с целью оценки ее прочности достаточно измерить только максимальное значение прогиба покрытия дорожной одевды в точке испытания, поэтому при цифровом методе измерения представляется нецелесообразным осуществлять измерение и регистрацию всего сигнала прогиба, а необходимо измерить только максимальную ординату. В этом случае можно избавиться от избыточной информации и сократить время, необходимое на измерение и регистрацию контролируемого параметра.
При исследовании напряженно-деформированного состояния дорожных одежд может представить интерес характер изменения исследуемого процесса во времени, поэтому в этом случае необходимо регистрировать весь сигнал.
Стендовые испытания дорожных одежд. При динамических испытаниях движущаяся по кольцевой дорожке тележка периодически осуществляет нагружение дорожных одежд различных типов. Следовательно, и датчики, заложенные в конструктивные слои, будут вопринимать воздействие нагрузки только в определенные моменты времени, когда тележка будет находиться в пределах их зоны чувствительности. При этом измерение сигналов с датчиков целесообразно осуществлять в одни и те же строго фиксированные моменты положения тележки относительно датчиков, что позволит легко сопоставлять данные, получаемые с датчиков при различных проходах тележки, и осуществлять статистическую обработку данных.
Для автоматизации сбора и обработки данных при стендовых испытаниях дорожных одежд целесообразно использовать цифровой метод измерения сигналов.
Измерение сигналов с датчиков, установленных в одном сечении дорожной конструкции,можно осуществлять одновременно со всех датчиков или путем их поочередного опроса, то есть при каждом проходе тележки осуществлять измерение сигнала только с одного датчика в каждом сечении.
Недостатком параллельного метода измерения является то, что измерительная система должна иметь число измерительных каналов, равное числу одновременно опрашиваемых датчиков, что приводит к существенному усложнению и удорожанию ее.
Достоинством последовательного метода опроса датчиков является возможность иметь только один измерительный канал. Однако этот метод может быть использован только в том случае, если за время опроса датчиков, установленных в одном сечении, не изменятся условия проведения эксперимента, то есть при каждом проходе тележка будет оказывать на дорожную одекду одно и то же воздействие, след движения ее и скорость останутся постоянными.
Для измерения сигналов с датчиков, установленных в одном сечении, целесообразно разработать метод измерения, сочетающий достоинства как параллельного, так и последовательного метвдов измерения, то есть возможность одновременного опроса датчиков и . простоту измерительной системы. Если все датчики, установленные в одном сечении, при каждом из /у измерений опрашивать последовательно, но за короткий отрезок времени, в течение которого нагрузка на дорожную одежду будет изменятся не более чем на 1-2% и параметры ее напряженно-деформированного состояния в этом сечении останутся практически без изменений, то можно будет считать, что в этом случае датчики будут опрашиваться почти одновременно.
На рис.3.I приведена запись динамической нагрузки, оказываемой тележкой на дорожную одежду на одном из участков кольцевой дорожки (скорость тележки 50 км/ч; скорость протяжки бумаги 250 мм/с; масштаб записи 0,4 /см). Анализ этой записи показывает, что максимальная скорость изменения нагрузки составляет примерно 0,05
Исследование экспресс-метода измерения динамической нагрузки автомобиля на дорожную одежду
Установка для определения степени динамического воздействия автомобиля на дорожную одежду включала автомобиль МАЗ-5335 с нагрузкой на заднюю ось равной 100 кН, расположенную в его кабине измерительную систему для экспресс-определения динамической нагрузки /6,138/, а также тензодатчики, наклееные на шейке заднего моста автомобиля, и установленный рядом акселерометр пьезоэлектрического типа. Тарирование измерительной части установки осуществлялось следующим образом.
Кузов автомобиля был нагружен чугунными болванками, равномерно распределенныли по всей площади так, что нагрузка, передаваемая колесами задней оси на опорную поверхность, составляла 100 кН. Автомобиль устанавливался на горизонтальной площадке без уклонов в продольном и поперечном направлениях. Под задние спаренные колеса автомобиля с обеих сторон устанавливались автомобильные весы с верхним пределом измерения 75 кН. Затем с помощью подъемного крана кузов постепенно поднимался. При этом с помощью автомобильных весов определялась нагрузка под задними колесами, а с помощью цифрового вольтметра В7-27 измерялся сигнал на выходе измерительного усилителя,который усиливал сигнал с тензо-датчиков. Коэффициент усиления используемого измерительного усилителя был равен К=200. Данные проведенных тарировочных измерений приведены на рис.5.1. По результатам измерений был определен необходимый коэ фициент усиления усилителя при условии, что размах сигнала, соответствующего расчетной нагрузке ц =50 кН под спаренньм измеряемым колесом, был принят равным 1,0 В. Следует отметить, что при тарировании максимальная нагрузка составляла всего лишь 1,1 Уст» В то же время при движении автомобиля максимальная нагрузка на дорожную одежду в некоторые моменты может составлять 1,5U и более. При превышении динамической нагрузкой величины равной было принято допущение, что сохранится линейная зависимость между нагрузкой и выходным сигналом с тензо-моста, то есть чувствительность тензомоста не изменится.
Следует отметить, что такой метод тарирования может быть использован,как правило, только в стационарных условиях, и к тому же он отличается значительной трудоемкостью. При необходимости проверки исправности измерительной части, а также при замене тензорезисторов желательно иметь возможность оперативно проверять исправность измерительной части.
С этой целью был проверен второй способ тарирования измерительной части установки. В этом случае разгрузка одной половины заднего моста осуществлялась с помощью гидравлического автомобильного домкрата, который устанавливался под точкой крепления рессоры к заднему мосту. Нагрузка, передаваемая задним спаренным колесом на дорожную одежду, измерялась как и в первом случае с помощью автомобильных весов, а сигнал на выходе измерительного усилителя с помощью цифрового вольтметра. Результаты проведенной таким способом тарировки измерительной части установки также приведены на рис,5.1. Анализ данных, полученных в результате тарирования установки двумя способами, позволил заключить,что значение сигналов, соответствующих расчетной статической нагрузке в первом и втором случаях отличаются незначительно, С учетом этого на практике целесообразно использовать более оперативный способ проверки или тарирования измерительной части установки путем поддомкрачивания заднего моста. Для измерения ускорения спаренных задних колес был использован пьезоакселерометр типа КД-40.
Поскольку сигналы с тензомоста и пьезоакселерометра должны быть просуммированы, то необходимо было с учетом чувствительности пьезоакселерометра и тензодатчиков определить требуемые коэффициенты передачи по каждому каналу, то есть необходимо было установить соотношение между чувствительностью тензодатчиков и пьезоакселерометра и соответствующими коэффициентами передачи сигналов с этих датчиков.
