Введение к работе
Актуальность проблемы. Одной из важнейших проблем дорожной отрасли Российской Федерации является повышение эксплуатационных качеств автомобильных дорог и увеличение их срока службы. Экспертные оценки специалистов показывают, что в настоящее время нормам соответствуют лишь 37 процентов федеральных и 24 процента региональных дорог. Более того, дорожная сеть, построенная в 1960-1970-х годах, продолжает разрушаться, а общие экономические потери, вызванные плохим состоянием дорожных покрытий, составляют около 6 процентов ВВП. Большая протяженность сети автомобильных дорог исчерпала нормативный срок эксплуатации. Однако их срок службы может быть существенно продлен с использованием различных технологий, выбор и обоснование которых должны базироваться на результатах детальных обследований состояния дорожных конструкций и прогнозировании развития различных видов разрушений.
Для разработки экономически рациональной стратегии сохранности, содержания и ремонта дорог необходима оценка их остаточного ресурса на текущем этапе эксплуатации. Эффективность любой системы управления состоянием дорог определяется достоверностью прогнозирования изменений состояния и процесса разрушения дорожных одежд. Неадекватность моделей и расчетных формул, заложенных в системе управления, реальным процессам, происходящим в ходе эксплуатации, может привести к принятию неверных технических решений и к значительному снижению практической значимости разработанных стратегий сохранности дорог. Именно поэтому совершенствование методов оценки остаточного усталостного ресурса асфальтобетонных покрытий является актуальной задачей дорожной отрасли.
Диссертационная работа выполнена в рамках подпрограммы «Автомобильные дороги» федеральной целевой программы «Модернизация транспортной системы России (2002 - 2010 гг.)» ( № г.к. ПО-12/429-1 (2004), № г.к ПО-12/483-1 (2004), № г.к. ПО-12/108 (2007), № г.к. ОПО-12/109 (2007), № г.к. ОПО 47/435 (2008), № г.к. ОПО 47/67 (2008)).
Асфальтобетонные покрытия в течение всего срока службы работают в условиях циклического нагружения транспортной нагрузки при заданном климатическом воздействии. Данная работа посвящена вопросам усталостного разрушения асфальтобетонных покрытий в современных условиях динамического воздействия интенсивного скоростного транспортного потока, так как, согласно проведенным исследованиям, одной из основных причин снижения прочности нежестких дорожных конструкций является усталостное растрескивание монолитных слоев.
Для оценки усталостных разрушений асфальтобетонных покрытий в процессе эксплуатации используется один из подходов теории надежности - теория суммирования повреждений. Однако, известные в настоящее время методы расчета накопления усталостных разрушений асфальтобетонных покрытий предназначены для использования на стадии проектирования, когда предполагается сохранение заданных закономерностей изменения расчетных параметров
функционирования системы «транспортный поток - дорожная конструкция» (интенсивности и состава движения, расчетных параметров конструктивных слоев, коэффициента динамичности) в течение срока службы.
Многолетние наблюдения показывают, что эксплуатационные параметры функционирования системы «транспортный поток - дорожная конструкция» могут существенно отличаться от расчетных, что связано с различными причинами: локальными нарушениями технологических режимов на стадии строительства; увеличением транспортных нагрузок по сравнению с расчетным значением; высоким уровнем динамических нагрузок вследствие необеспеченной ровности дорожного покрытия и др. Таким образом, остаточный ресурс дорожных конструкций существенно зависит от эксплуатационного состояния их элементов и реальных режимов нагружения.
Сложность оценки остаточного усталостного ресурса эксплуатируемых асфальтобетонных покрытий связана, в первую очередь, с определением реального состояния элементов дорожных конструкций и расчетных параметров конструктивных слоев на текущем этапе эксплуатации, а во-вторых, с необходимостью учета динамического воздействия транспортных средств на асфальтобетонные покрытия вследствие их существенного различия по показателю ровности.
Последние достижения фундаментальных наук в области механики деформируемого твердого тела, появление новой измерительной аппаратуры, значительно возросшие возможности современной вычислительной техники позволили реализовать комплексный подход к решению указанной проблемы, основанный на совместном использовании теоретических и экспериментальных (в натурных условиях на текущем этапе эксплуатации) методов исследования напряженно-деформированного состояния (НДС) нежестких дорожных конструкций с последующим моделированием накопления усталостных повреждений асфальтобетонных покрытий с учетом реальных режимов нагружения.
Целью исследований является разработка теоретических основ и метода расчета накопления усталостных повреждений асфальтобетонных покрытий на текущем этапе эксплуатации с учетом реальных режимов нагружения для оценки их остаточного ресурса.
Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи.
-
Разработать принципы и основные положения оценки остаточного усталостного ресурса эксплуатируемых асфальтобетонных покрытий.
-
Усовершенствовать механико-математические модели различных уровней для описания характеристик динамического НДС дорожных конструкций, проверить их адекватность и провести обширный численный эксперимент, включающий сопоставительный анализ НДС конструкций при изменении параметров функционирования системы «транспортный поток - дорожная конструкций» в процессе эксплуатации.
-
Разработать теоретические основы и метод определения расчетных параметров элементов дорожной конструкции на текущем этапе эксплуатации с использованием решения обратной задачи.
-
Развить теоретические основы и разработать методику расчета динамических нагрузок от транспортного потока с учетом скоростных режимов их движения и ровности дорожного покрытия.
-
Разработать теоретико-экспериментальный метод оценки остаточного усталостного ресурса эксплуатируемых асфальтобетонных покрытий. Разработать математическую модель накопления усталостных повреждений асфальтобетонных покрытий с учетом реальных режимов нагружения.
-
Провести апробирование разработанных моделей и методик посредством имитационных вычислительных и натурных экспериментов.
Объектом исследования являются эксплуатируемые асфальтобетонные покрытия.
Предметом исследований является совокупность теоретических, методологических и практических аспектов оценки остаточного усталостного ресурса эксплуатируемых асфальтобетонных покрытий.
Методологической базой исследований является системный подход, включающий комплексное использование теоретических и экспериментальных средств и методов. Исходные положения теоретической части работы базируются на результатах фундаментальных исследований в области аналитических и численных методов механики деформируемого твердого тела. Экспериментальные средства и методы основаны на использовании современной аппаратурной базы и математических методах обработки оцифрованных данных на ПЭВМ.
Научная новизна состоит в создании и реализации принципиально нового комплексного подхода к оценке остаточного усталостного ресурса эксплуатируемых асфальтобетонных покрытий, основанного на применении теоретических методов моделирования накопления усталостных повреждений асфальтобетонных покрытий с учетом реального состояния элементов дорожной конструкции и динамического характера их нагружения, выявленных экспериментально на текущем этапе эксплуатации.
Новые научные результаты состоят в следующем:
развиты теоретические основы моделирования динамического НДС дорожных конструкций и проведена проверка адекватности предложенных механико-математических моделей сопоставлением с результатами натурных экспериментов;
установлены количественные и качественные оценки изменения характеристик динамического НДС дорожных конструкций в процессе эксплуатации с выявлением основных факторов, обуславливающих ускоренное накопление усталостных повреждений асфальтобетонных покрытий;
выявлена связь характеристик динамического деформирования поверхности дорожной конструкции с состоянием ее элементов;
разработан экспериментальный метод определения чаши максимальных прогибов дорожной конструкции при ударном нагружении с использованием виброизмерительного комплекса;
разработан и реализован метод обратного расчета механических параметров элементов дорожной конструкции на основе чаши максимальных динамических прогибов, построенной по данным натурного эксперимента;
разработана методика расчета динамических нагрузок от транспортного потока с учетом скоростных режимов их движения и ровности дорожного покрытия. Созданы алгоритм и прикладные программы, реализующие его на ПЭВМ;
предложен показатель динамического воздействия транспортных средств - максимальный вероятностный коэффициент динамичности, позволяющий при расчете остаточного усталостного ресурса асфальтобетонных покрытий учитывать пространственную повторяемость динамических нагрузок;
разработана модель накопления усталостных повреждений асфальтобетонных покрытий с учетом реальных режимов нагружения в процессе эксплуатации, позволяющая оценивать их остаточный ресурс. Созданы алгоритм и прикладные программы, реализующие его на ПЭВМ.
Достоверность теоретических решений определяется математической строгостью и обоснованностью применения методов теории упругости, использованием подходов теории надежности при разработке математических моделей, а также сопоставлением расчетных характеристик с экспериментальными данными, полученными в натурных условиях, в том числе на опытных участках эксплуатируемых автомобильных дорог.
Практическая ценность результатов исследований состоит в решении важной народно-хозяйственной проблемы увеличения сроков службы асфальтобетонных покрытий. Разработанные теоретические и методологические основы оценки остаточного усталостного ресурса асфальтобетонных покрытий позволяют выполнять моделирование накопления усталостных повреждений при различных параметрах функционирования системы «дорожная конструкция -грунт» и проводить имитационные эксперименты для решения практических задач проектирования нежестких дорожных конструкций, оценки эффективности различных видов ремонтных работ, продления жизненного цикла асфальтобетонных покрытий.
Реализация результатов работы. Результаты исследований использовались при проведении работ по темам НИОКР Росавтодора в 2003 - 2008 гг. Разработанные методики были реализованы при разработке проектов «Капитальный ремонт на участке автомагистрали М-4 «Дон» км 1051 - 1055», «Реконструкция участка автомагистрали М-4 «Дон» км 777 - 801» и др. Результаты исследований поэтапно внедряются для практического использования при решении инженерно-технических задач и в учебном процессе при подготовке специалистов.
Автор защищает:
- результаты теоретических и экспериментальных исследований законо
мерностей изменения характеристик деформирования дорожных конструкций в
процессе эксплуатации;
комплексный подход к оценке остаточного усталостного ресурса асфальтобетонных покрытий на текущем этапе эксплуатации с учетом реальных режимов нагружения;
метод определения механических параметров элементов дорожной конструкции на стадии эксплуатации с использованием решения обратной задачи;
выбор параметров для оценки динамического воздействия транспортных средств на стадии эксплуатации;
модель накопления усталостных повреждений асфальтобетонных покрытий с учетом реальных режимов нагружения;
теоретико-экспериментальный метод оценки остаточного усталостного ресурса эксплуатируемых асфальтобетонных покрытий.
Личный вклад в решение проблемы заключается в формулировании общей идеи, цели работы, выполнении теоретической и значительной части экспериментальных исследований, обобщения результатов, участии в строительстве опытных участков, их обследовании; разработке и внедрении практических рекомендаций.
Апробация работы. Основные положения работы и практические результаты представлялись и докладывались на международных, всероссийских и региональных научно-практических конференциях, в том числе: Всероссийских НТК в г. Суздаль (1992, 1994, 1996), г. Санкт-Петербурге (1992), г. Владимире (1993, 1995), г. Липецке (1995), г. Сочи (2000), международной НТК «Совершенствование транспортно-эксплутационных качеств автодорог» г. Минск (1996), научно-технических конференциях ПГАСА (1997), РГСУ (1988-2008), КубГТУ (1999, 2002), Дальневосточного Автодорожного института (2003, 2004), международных научно-практических конференциях: «Современные проблемы дорожно-транспортного комплекса» г.Ростов-на-Дону (1998), «Реконструкция транспортных сооружений» г. Архангельск (1999), «Автомобильные дороги Сибири» г. Омск (1998), «Современные проблемы транспортного строительства» г. Омск (2000), «Пути совершенствования системы управления, финансирования и нормативно-технической базы дорожной отрасли» г. Астана-Алматы (2004), X международной конференции «Прочные и безопасные дорожные покрытия» Польша, г. Кельце (2004), «Современные технологии и материалы в дорожном хозяйстве» г. Харьков (2006), «Дороги и мосты» г. Киев (2006), на научной сессии Ассоциации исследователей асфальтобетона (МАДИ, 2004), на 3-й и 4-й международных специализированных выставках-форумах «Дороги Дона» г. Ростов-на-Дону (2007, 2008).
Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 54 научных работы, в том числе: 14 работ в периодических изданиях, включенных в перечень ВАК; 2 монографии; 1 учебное пособие. Получено 17 патентов на изобретение.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, библиографии и приложений. Общий объем диссертации составляет 371 стр., 131 рисунков, 28 таблиц, библиография - 238 наименований.
