Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса. Цель и задачи исследований 10
1.1. Анализ конструкций дорожных одежд с асфальтобетонным покрытием 10
1.2. Анализ методов расчета дорожных одежд с асфальтобетонными покрытиями 16
2. Теоретические исследования напряженно-деформированного состояния асфальтобетонных покрытий и оснований 28
2.1. Физическое моделирование реологических процессов, протекающих в асфальтобетоне при воздействии транспортной нагрузки... 33
2.2. Разработка метода расчета упругих, упруговязких и упруго-вязкопластических перемещений асфальтобетонных покрытий и оснований в условиях воздействия транспортных нагрузок 57
3. Экспериментальные исследования показателей свойств асфальтобетонов и перемещений моделей дорожных покрытий и оснований 79
3.1. Разработка методики экспериментального определения показателей реологических свойств плотных щебеночных 79
3.2. Экспериментальные значения показателей реологических свойств асфальтобетона и их математическое моделирование 99
4. Экспериментальные исследования напряженно- деформированного состояния асфальтобетонных покрытий и оснований автомобильных дорог Омской области 127
4.1. Определение допускаемых значений упругих, упруговязких и упруговязкопластических перемещений асфальтобетонных покрытий и оснований 127
4.2. Экспериментальное исследование перемещений дорожных конструкций и асфальтобетонных покрытий и оснований 140
5. Оценка экономической эффективности монолитных и сборных асфальтобетонных оснований 158
Общие выводы 163
Библиографический список 165
Приложение 176
- Анализ методов расчета дорожных одежд с асфальтобетонными покрытиями
- Разработка метода расчета упругих, упруговязких и упруго-вязкопластических перемещений асфальтобетонных покрытий и оснований в условиях воздействия транспортных нагрузок
- Экспериментальные значения показателей реологических свойств асфальтобетона и их математическое моделирование
- Экспериментальное исследование перемещений дорожных конструкций и асфальтобетонных покрытий и оснований
Введение к работе
Актуальность темы. Слоистые асфальтобетонные покрытия и основания получили широкое распространение во всем мире. Первое свидетельство о применении асфальта в России относится к 1837 г. Тогда его применили для строительства крепостей в Киеве, Севастополе и Кронштадте. Широкое применение асфальта в нашей стране началось с 1865 г., после того как заасфальтировали террасы Зимнего дворца в Петербурге. Асфальт для этой цели приобрели во Франции. В 1866 г. в Петербурге началось асфальтирование дворов и тротуаров, а затем улиц и площадей. В отдельный материал асфальтобетон был выделен в 1959 г., когда был впервые введен в действие ГОСТ.
К настоящему времени более 60 % дорог в России от их общей протяженности имеют асфальтобетонное покрытие, уложенное на различные основания. Количество асфальтобетонных покрытий продолжает с каждым годом увеличиваться на базе высокопроизводительных, полностью механизированных и автоматизированных заводов и мощного парка дорожных машин. Потребительские свойства автомобильных дорог с асфальтовыми покрытиями сохраняют высокий уровень на достаточно длительный срок.
Однако наряду с достоинствами асфальтобетонные покрытия обладают существенными недостатками. По нашему мнению, одним из наиболее значимых недостатков является существенная зависимость свойств асфальтобетонов от его температуры, количества и марки битума, содержания щебня, остаточной пористости и т.п. Эти факторы обуславливают поведение асфальтобетона под воздействием транспортных нагрузок. В холодный период года асфальтобетон ведет себя как упруговязкое или упругое тело, слабо релакси-руя напряжения и практически не испытывая пластических деформаций. В результате в этот период может происходить хрупкое или квазихрупкое разрушение покрытий и оснований. В теплый период года с повышением температуры асфальтобетон работает как упруговязкопластический материал, ис-
5 пытывая наряду с упруговязкими деформациями пластические деформации. С повышением температуры пластическая составляющая деформации возрастает. Именно в этот период асфальтобетонные покрытия и основания копируют все неровности подстилающей поверхности, которые формируются за счет неравномерного пластического деформирования земляного полотна и основания дорожных одежд. К скопированной неровности добавляется пластическая деформация асфальтобетонных покрытий и оснований, что еще ухудшает ровность покрытий. В результате асфальтобетонные покрытия накапливают дефекты, являющиеся продуктами хрупкого разрушения и пластического деформирования. Неровности и разрушения могут являться причиной и следствием появления друг друга. Например, вследствие пластического деформирования дорожной одежды и земляного полотна под монолитными слоями и плитами формируется полость. По этой причине прогиб слоя или плиты увеличивается. В течение эксплуатации дороги глубина полости возрастает, что приводит к увеличению деформаций, растягивающих напряжений и изгибающих моментов в слоях дорожной одежды. В результате процесс разрушения и деформирования покрытия прогрессирует, что приводит к снижению скорости движения, увеличению объема вредных выбросов (ухудшению экологической безопасности), снижению комфортности движения, изменению характера воздействия нагрузок на покрытие, заключающе- > муся в том, что кратковременные воздействия квазистатических повторяющихся нагрузок заменяются многократным приложением динамических нагрузок.
Добиться улучшения показателей потребительских свойств и транс-портно-эксплуатационных показателей автомобильных дорог с асфальтобетонными покрытиями и основаниями можно научными исследованиями в различных направлениях. Во-первых, для традиционных конструкций необходимо разрабатывать дополнительные критерии и методики проектирования, позволяющие прогнозировать напряженно-деформированное состояние
каждого элемента системы "дорожная одежда - земляное полотно". Во-вторых, можно разрабатывать новые нетрадиционные конструкции дорожных одежд, в которых учитывается неоднородность проездов шин транспортных средств по ширине проезжей части, неоднородность показателей физико-механических свойств материалов в пределах проезжей части и неравномерность увлажнения земляного полотна. В-третьих, надо решать мате-риаловедческие задачи по улучшению свойств асфальтобетонов и отдельных его компонентов.
Нормативные методы расчета нежестких дорожных одежд по критериям прочности предполагают расчет монолитных слоев на усталостное разрушение от растяжения при изгибе, расчет земляного полотна и подстилающих слоев из слабосвязных материалов на сопротивление сдвигу, а также расчет дорожной конструкции в целом по допускаемому упругому прогибу. В первых двух случаях для каждого материала и грунта установлены свои прочностные и деформационные характеристики, по которым можно вычислить возникающие в слоях напряжения, а также установить их предельные сопротивления. В третьем случае ограничивается деформация всей конструкции, а не каждого конструктивного элемента. Безусловно, что это существенный недостаток нормативной методики, так как для каждого материала наряду с предельной прочностью существует и своя предельная деформация, при превышении которой слой начнет накапливать пластические деформации или разрушаться. Поэтому одним из путей теоретического исследования может являться разработка критериев и методов расчета асфальтобетонных покрытий по допускаемым для них деформациям и перемещениям. Основная идея работы состоит:
в необходимости расчета пакета асфальтобетонных слоев по условию допускаемых упругих, упруговязких и упруговязкопластических перемещений (деформаций) при воздействии повторяющихся кратковременных нагрузок;
в учете влияния на напряженно-деформированное состояние покрытий и
7 оснований температуры асфальтобетона, содержания в нем щебня, его остаточной пористости, марки битума и количества приложенных нагрузок;
- в необходимости выбора асфальтобетона для покрытий и оснований до
рожных одежд с учетом погодно-климатических факторов региона, в кото
ром расположена дорога, интенсивности и состава движения, что позволит
поддерживать потребительские свойства на высоком уровне.
Объектом исследования являются асфальтобетонные покрытия и основания с частичным или полным контактом между ними.
Предмет исследования - закономерности процесса изменения деформаций в слоистых реологически активных асфальтобетонных конструкциях при воздействии повторяющихся кратковременных нагрузок.
Цель работы - разработка и научное обоснование методики учета реологических свойств асфальтобетонных покрытий и оснований из различных смесей при проектировании асфальтобетонных покрытий и определении длительности работы покрытий в упругих, упруговязких и упруговязкопла-стических стадиях, входящих в срок службы.
Задачи исследования:
разработать критерии расчета асфальтобетонных покрытий и оснований по допускаемым упругим, упруговязким и упруговязкопластическим перемещениям;
разработать методику расчета упругих, упруговязких и упруговязкопласти-ческих перемещений в асфальтобетонных покрытиях и основаниях при воздействии транспортных нагрузок различной массы и продолжительностью воздействия с учетом усталостных процессов и изменения температуры в течение года;
разработать методику экспериментального определения показателей реологических свойств и выполнить их математическое моделирование в зависимости от температуры, остаточной пористости и содержания щебня;
усовершенствовать рекомендации по применению асфальтобетонов с раз-
8 личным содержанием щебня, остаточной пористостью на различных марках битума в регионах с разными погодно-климатическими факторами.
Методологической базой исследований является анализ причинно-следственных связей в процессе деформирования асфальтобетонных покрытий и оснований при воздействии транспортных нагрузок и климатических факторов, а также реологические модели физики твердого тела.
Научная новизна заключается в разработке дифференцированных периодах работы асфальтобетонных покрытии в упругих, упруговязких и упру-говязкопластических стадиях при совместном влиянии транспортной нагрузки, температур и составов асфальтобетона.
Практическая значимость работы заключается в обеспечении потребительских свойств и транспортно-эксплуатационных показателей автомобильных дорог при прогнозе периодов службы покрытий в стадиях упругих и уп-руговязкопластических, рациональном выборе асфальтобетона, вяжущего и пористости погодно-климатических факторов региона.
Автор защищает совокупность научных положений, на базе которых разработаны расчетные методики и рекомендации по выбору асфальтобетонов.
Достоверность научных положений и полученных результатов подтверждается соблюдением основных принципов математического и физического моделирования, адекватностью теоретических и экспериментальных данных, достаточностью лабораторных данных и количества испытаний покрытия на дорогах с доверительной вероятностью 95%, полученных с использованием оборудования, прошедшего государственную метрологическую аттестацию.
Личный вклад в решение проблемы заключается в формулировании общей идеи и цели диссертационной работы; в выполнении основной части теоретических исследований, лабораторных и натурных экспериментов; в анализе и обобщении результатов теоретических исследований и экспериментальных данных.
Реализация результатов исследований осуществлена при проектировании и строительстве автомобильных дорог Омской области. Материалы исследования используются при проведении учебных занятий со студентами по дисциплине «Прикладная механика дорожных и аэродромных конструкций» в СибАДИ (2004 - 2006 гг.).
Апробация работы. Материалы диссертационного исследования доложены на международных научно-технических конференциях, проводившихся в СибАДИ в 2004-2006 гг. (г. Омск).
Публикации. По результатам исследований опубликовано 12 работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, библиографического списка включая 70 рисунков и 31 таблицу. Общий объем работы 176 страниц.
Анализ методов расчета дорожных одежд с асфальтобетонными покрытиями
Действующие в настоящее время на территории России нормативные методы расчета дорожных одежд с асфальтобетонными покрытиями и основаниями подразделяют эти конструкции на три группы. Первая группа - это дорожные одежды нежесткого типа, проектирование которых осуществляется по ОДН 218.046.01 [80]. Вторая группа - это жесткие дорожные одежды, в которых асфальтобетонное покрытие укладывается на монолитное или сборное основание из бетона или железобетона. Расчет таких дорожных одежд выполняют в соответствии с требованиями ВСН 197-91. Третью труппу дорожных одежд представляют конструкции, подлежащие ремонту. Как правило, такие конструкции представляют собой трещиновато — блочное асфальтобетонное покрытие, которое необходимо перекрыть слоем усиления из асфальтобетона. Расчет толщины слоя усиления выполняют по ВСН 52-89. Кроме нормативных методов расчета известен целый ряд различных методик, позволяющих рассчитать толщину пакета асфальтобетонных слоев на заданный срок службы. В настоящем разделе выполним анализ наиболее известных методов расчета дорожных одежд и наметим пути совершенствования конструкций с асфальтобетонным покрытием и основанием.
Одним из первых решений задачи о прогибе пакета монолитных слоев, лежащих на слоистом основании, является решение Бурмистра. На основе этого решения был разработан критерий расчета дорожной конструкции по допускаемому прогибу покрытия. Этот критерий расчета дорожных одежд применяется вплоть до настоящего времени.
Проблемой расчета дорожных одежд нежесткого типа занимались крупнейшие ученые нашей страны: проф. В.Ф. Бабков [11-13], проф. А.П. Васильев [24], проф. И.А. Золотарь [47], проф. Н.Н. Иванов [48-50], В.Д. проф. Казарновский [54], проф. М.С. Коганзон [24], проф. М.Б Корсунский [62, 63], проф. A.M. Кривисский, проф. В.П. Матуа [70], проф. Н.А. Пузаков, проф. Б.С. Радовский [82, 83], проф. А.В. Смирнов [95-103], проф. А.Я. Тулаев [108] и многие другие. Под руководством этих ученых созданы научные школы, продолжающие совершенствовать различные направления проблемы конструирования и расчета нежестких дорожных одежд.
На основе работ проф. В.Ф. Бабкова, проф. Н.Н. Иванова, проф. A.M. Кривисского, проф. Н.А. Пузакова, проф. А.Я. Тулаева были разработаны и введены в действие первые ведомственные строительные нормы по назначению конструкций дорожных одежд нежесткого типа ВСН 46-60. В качестве расчетного критерия толщины конструктивных слоев дорожной одежды бы 18 ло принято условие равенства между эквивалентным модулем деформации многослойной одежды и требуемым модулем деформации.
Значения требуемого модуля деформации устанавливалось расчетом в зависимости от допускаемой относительной деформации покрытия. В качестве относительной деформации использовалось соотношение вертикального смещения к диаметру круга, равновеликого по площади следу колеса расчетного автомобиля. Таким образом, в ВСН 46-60 под относительной деформацией понималось отношение вертикального перемещения к горизонтальному размеру. По нашему мнению, это неудачная формулировка, так как вертикальная деформация - это отношение вертикального перемещения к первоначальному вертикальному размеру тела. Допускаемое перемещение асфальтобетонного покрытия можно легко вычислить, используя значения допускаемой относительной деформации 0,035 и диаметра круга, равновеликого по площади отпечатку колеса расчетного автомобиля (согласно ВСН 46-60 / =34 см). Таким образом, допускаемое вертикальное перемещение асфальтобетонного покрытия составляет 1,19 см. Это перемещение является общим и может включать в себя две составляющие: обратимое перемещение и остаточное перемещение. Остаточное перемещение вызвано пластическими деформациями во всех элементах системы "нежесткая дорожная одежды — земляное полотно". В такой системе каждый слой копирует перемещения нижележащих слоев, добавляя к этой величине свои остаточные перемещения. Таким образом, чем выше расположен слой, тем большее пластическое перемещение испытывает его поверхность. Ровность покрытия обуславливается неравномерными пластическими перемещениями поверхности в плане, то есть величина неровности покрытия равна разности пластических перемещений в двух точках, в которых эти перемещения принимают максимальное и минимальное значение. Величина пластического перемещения и значение пластической деформации асфальтобетонного покрытия в ВСН 46-60 не оговорены.
По нашему мнению, в формуле (1.2) некорректно учитывается усталость материалов дорожной одежды. Усталостные явления в выражении (1.2) учитываются четвертым множителем в числителе, который представляет собой сумму. При этом если на покрытие воздействует только одна нагрузка, то значение перемещения уменьшается в два раза. Согласно многим исследованиям деформация обратно пропорциональна модулю деформации, а в формуле (1.2) перемещение или деформация обратно пропорциональна эквивалентному модулю деформации подстилающего основания. В дальнейшем на основе работ проф. Н.Н. Иванова, проф. М.Б Корсун-ского, проф. A.M. Кривисского, проф. Н.А. Пузакова, П.Д. Россовского, П.И. Теляева, проф. А.Я. Тулаева, проф. Ю.М. Яковлева был разработан и введен в действие ВСН 46-72 [52]. Согласно этому документу расчет дорожной одежды по условию прочности выполнялся по трем расчетным критериям. Первым критерием является расчет по допускаемому упругому прогибу. В этом документе осуществлен переход от расчета дорожной конструкции по допускаемым общим перемещениям к расчету по упругим. При этом расчете необходимо, чтобы общий модуль упругости многослойной дорожной одежды не был меньше требуемого значения. Вторым критерием является расчет по сдвигу в грунте земляного полотна и в слабосвязных материалах конструктивных слоев. По данному расчету необходимо, чтобы касательные напряжения в наиболее напряженной точке грунтового массива под центром осесим-метричной нагрузки не превышали допускаемых значений. Согласно третьему критерию выполняется расчет слоев из монолитных материалов на растяжение при изгибе.
Следующим поколением нормативных документов является ВСН 46-83 [53], который наряду с тремя критериями прочности содержал четвертый критерий расчета слоев из асфальтобетона по условию сдвигоустойчивости. Остальные критерии несколько усовершенствованы, но, по существу, базируются на тех же принципах, что и в отменном ВСН 46-72 [52]. Последний стандарт ОДН 218.046-01 [80] содержит один критерий прочности и две проверки. В этом документе осуществлен переход от начальных прочностных характеристик грунтов и материалов к их длительной прочности.
Критический анализ и совершенствование методов расчета нежестких дорожных одежд ВСН 46-72 [52], ВСН 46-83 [53] и ОДН 218.046-01 [80] выполнялись многими исследователями. По мнению многих учёных, одним из главных недостатков расчета дорожной конструкции по упругому прогибу является спорное утверждение, что общий прогиб при воздействии нагрузки полностью обратим. Это априори, принятое в нормативных расчетах, противоречит многочисленным обследованиям автомобильных дорог. Второй недостаток заключается в том, что величину требуемого общего модуля упругости дорожной конструкции вычисляют по допускаемой величине упругого прогиба, используя гипотезу упругого изотропного полупространства [2, 20, 27, 28, 34, 59] или эмпирическую формулу, аппроксимирующую результаты расчета по гипотезе полупространства [80].
Разработка метода расчета упругих, упруговязких и упруго-вязкопластических перемещений асфальтобетонных покрытий и оснований в условиях воздействия транспортных нагрузок
Для расчета перемещений асфальтобетонного покрытия или основания формулы необходимо проинтегрировать по толщине слоя. Для этого необходимо задать функции изменения напряжений по толщине покрытия и основания. В настоящее время известен ряд работ [6, 9-11, 20-23, 32, 40, 48-50, 54, 100-103, 118], в которых решались задачи о распределении напряжений вертикального сжатия в полупространстве или слое конечной толщины при передаче нагрузки через круглый штамп. В работах проф. А.В. Смирнова уменьшение напряжения вертикального сжатия [100, 101] по глубине слоя описывается формулой Лове [118] или экспоненциальным законом [95, 103]. Недостаток формулы Лове заключается в том, что на уменьшение напряжения вертикального сжатия оказывает влияние только глубина расположения рассматриваемого сечения без учета показателей механических свойств материала. Другими словами, при одинаковой нагрузке и размере штампа напряжения вертикального сжатия на одинаковых глубинах слоев из различных материалов будут равны друг другу. В работах СибАДИ и РГСУ [102] приводятся формулы, лишенные этого недостатка. В данных формулах положено априори, что распределение давления происходит под некоторым углом. Величина угла распределения давлений в грунте пропорциональна углу внутреннего трения, а в слое, лежащем на полупространстве, - радиусу жесткости этого слоя, зависящему от соотношения модуля упругости материала слоя и эквивалентного модуля упругости полупространства. Недостатком этих формул является отсутствие их надежной апробации и оценки адекватности решений. Поэтому наиболее приемлемым решением задачи о распределении напряжений вертикального сжатия по глубине слоя является формула М.И. Якунина, использованная проф. Н.Н. Ивановым при разработке метода проектирования дорожной одежды по допускаемому упругому прогибу [48-50, 52, 53]. В соответствии с рис. 2.15 пакет из двух и более слоев может работать по одной из двух схем. В соответствии с первой схемой монолитные слои могут работать как одна плита. Эта схема работы слоев имеет место в том случае, если сцепление между слоями обеспечено, например, за счет правильного нанесения подгрунтовки. Если сцепление между слоями не обеспечивается, то совместная работа слоев не может иметь место. В этом случае верхний слой изгибается и передает нагрузку на нижний слой. При этом происходит уменьшение давления по глубине верхнего слоя от величины р до значения / , и увеличение диаметра площадки, по которой распределяется нагрузка от величины D до значения Д. Такие особенности поведения пакета слоев под нагрузкой непременно нужно учитывать при разработке методики расчета перемещений в асфальтобетонных слоях.
Согласно первой схеме решения этой задачи [53, 54, 80] толщина пакета принимается равной суммарной толщине слоев, находящихся в этом пакете. Модуль упругости пакета определяется по теореме о среднеинтегральном значении функции в пределах интегрируемого участка [18, 19, 44, 60, 61, 78, 111].
При использовании второй схемы необходимо производить замену независимой переменной z в формуле (2.32) ординатой, приведенной к толщине покрытия. Это не совсем удобно, так как расчет напряжений вертикального сжатия потребует пересчета действительных ординат сечений в приведенные по всей глубине слоя. Поэтому расчет напряжений вертикального сжатия в пакете будем производить по первой схеме, а именно по формуле (2.35).
В зависимости от величины напряжения вертикального сжатия, толщины пакета слоев, показателей физико-механических свойств асфальтобетона и материалов подстилающих слоев в покрытии могут возникать области с различной формой протекания деформационных процессов. Если на покрытия воздействует давление, превышающее предел упругости, но меньшее предела структурной прочности, то в покрытии могут формироваться две или одна область с различными формами деформационных процессов. Две области формируются в том случае, если напряжения вертикального сжатия уменьшаются по толщине покрытия таким образом, что на некоторой глубине их значение становится меньше предела упругости. В этом случае в верхней области, где напряжения больше или равны пределу упругости, но меньше предела структурной прочности, формируется зона распространения упруговязких деформаций. В нижней области покрытия, в которой напряжения меньше предела упругости, формируется зона распространения упругих деформаций. Такой характер формирования областей показан на рис. 2.16 кривой 2. Второй случай возникает тогда, когда по всей толщине покрытия напряжения оказываются больше предела упругости, но меньше предела структурной прочности. В данном случае в покрытии формируется только одна зона распространения упруговязких деформаций.
Если на поверхность покрытия оказывает воздействие нагрузка, давление от которой превышает предел структурной прочности асфальтобетона, возможны три схемы деформирования. Наиболее неблагоприятный и в то же время самый простой случай возникает тогда, когда напряжения вертикального сжатия затухают по глубине так, что по всей толщине покрытия оказываются больше предела структурной прочности. Этому случаю соответствует кривая 5 на рис. 2.16. При этом излишек напряжения, превышающий предел структурной прочности, вызывает упруговязкопластическое напряжение, а доля напряжения, равная разности пределов структурной прочности и упругости, - упруговязкое деформирование. От части напряжения, равной пределу упругости, развиваются упругие деформации.
В случае, когда напряжение вертикального сжатия по толщине покрытия уменьшается так, что на некоторых глубинах становится меньше предела структурной прочности и предела упругости, в покрытии формируются три зоны с разными формами деформирования. В верхней области формируется зона упруговязкопластического деформирования, в средней области - зона упруговязкого деформирования, а в нижней области — зона упругих деформаций. В этом случае интегрирование производится по глубине всех трех областей.
Экспериментальные значения показателей реологических свойств асфальтобетона и их математическое моделирование
Для определения нормативных и расчетных значений показателей механических свойств асфальтобетона производилось испытание групп образцов. Каждая группа состояла из 10 образцов, имеющих одинаковый состав композита, одинаковую остаточную пористость и температуру. Давление на каждый образец пршсладывалось ступенями. Для каждой ступени определялись частные значения относительных обратимых и пластических деформаций, при помощи которых производился расчет частных значений модулей сжатия, структурных сопротивлений и параметров процесса релаксации. По частным значениям определялись нормативные значения характеристик для каждой ступени нагрузки в пределах одной группы моделей. Затем с помощью методов математической статистики производилась обработка результатов для выявления выбросов и вычисления расчетных значений показателей. По нормативным значениям характеристик, вычисленных для каждой ступени нагрузки стадий обратимого и упруговязкопластического деформирования, производился расчет среднего значения показателя реологических свойств для соответствующей стадии деформирования. Определение средних значений производилось по формулам предыдущего раздела. Расчет показателей реологических свойств асфальтобетона позволил получить функциональные зависимости этих показателей, заданных таблично, от показателей физических свойств материалов.
В первую очередь определим зависимость модуля мгновенной упругости от температуры образца. Из анализа табл. 3.14 следует, что трехфакторная математическая модель удовлетворительно описывает зависимость модуля мгновенной упругости от температуры асфальтобетона, его остаточной пористости и содержания в нем щебня.
Агшроксимацию опытной зависимости модуля упрутовязкой деформации от температуры асфальтобетона выполним полиномом четвертой степени, который запишем в общем виде По формулам (3.57)- (3.76) вычислялись значения модуля упруговязкой деформации, которые сопоставлялись с экспериментальными данными табл. 3.1 - 3.12. Погрепшость математической модели представлена в табл. 3.16 и составляет от - 15,11 до 10,88 %, что можно считать удовлетворительным результатом для трехфакторной модели.
Выполненное математическое моделирование позволяет рассчитывать показатели реологических свойств асфальтобетонов и производить расчет перемещений покрытий и оснований. При необходимости точного определения показателей реологических свойств асфальтобетона следует интерполировать данные табл. 3.8 -3.20 ирис. 3.20-3.31.
Выводы по главе 3: 1. Экспериментально установлено, что асфальтобетон и слоистые асфальтобетонные покрытия и основания в зависимости от величины приложенной нагрузки могут работать в стадии упругих, упруговязких и упруго-вязкопластических деформаций. 2. Величина давления, соответствующая переходам от упругого к упруговязкому и от упруговязкого к упруговязкопластическому деформированию зависит от температуры асфальтобетона, его остаточной пористости, содержания щебня и марки битума. При воздействии расчетной нагрузки, оказывающей давление 0,6 МПа, асфальтобетоны с содержанием щебня 60 % и остаточной пористостью 3, 4 и 5 % испытывают пластические деформации при температурах 30, 22 и 18 С. При этом зависимость упруго-вязкопластических деформаций от давления имеет линейный характер вплоть до температуры 50 С. В таких же условиях асфальтобетоны с содержанием щебня 30 % и остаточной пористостью 3, 4 и 5 % испытывают пластические деформации при температурах 18, 13 и 8 С. При этом асфальтобетон с остаточной пористостью 5% и содержанием щебня 30% испытывает нелинейные пластические деформации при температурах выше 45 С..
Экспериментальное исследование перемещений дорожных конструкций и асфальтобетонных покрытий и оснований
Экспериментальные исследования заключались в инструментальном измерении общих и обратимых перемещений поверхности асфальтобетонных покрытий автомобильных дорог Омской области. Переход от перемещения всей дорожной конструкции к перемещениям пакета асфальтобетонных слоев осуществлялся при помощи коэффициента, определяемого по полученной нами формуле (4.12). Измерение деформаций производилось посредством штамповых испытаний дорожных одежд статической и динамической нагрузкой.
Динамические испытания выполнялись установкой динамического на-гружения "ДИНА-ЗМ", предназначенной для испытаний несущей способности (прочности) дорожных одежд и земляного полотна путем измерения прогиба поверхности дороги под действием нагрузки. Установка монтируется на одноосном прицепе УАЗ-8109 и позволяет измерять прогиб дорожной конструкции на открытом воздухе в районах с умеренным климатом при температуре от +5 до +40 С автономно или в составе дорожной лаборатории КП-514МП. Метод заключается в определении величин упругого прогиба и радиуса кривизны упругой линии на поверхности испытываемого слоя по амплитудам деформации, полученным от действия ударной силы через круглый жесткий штамп. Величина и время действия ударной силы соответствуют проходу колеса с нагрузкой 50 кН и скоростью 60 км/ч.
Измерительное техническое оборудование состоит из: регистрирующих устройств для измерения и регистрации ударной силы и амплитуд деформации, приспособления для закрепления электрических регистрирующих устройств.
Калибровка установки динамического нагружения (УДН) производится на испытательном стенде, который представляет собой фундаментный блок из бетона массой не менее 2 т с примерными размерами 1,1x1,1x1,1 м. Поверхность блока соединена с примыкающей площадью в одном уровне. В середине поверхности оставляют отверстие, величину которого определяют размером помещаемой в него мессдозы (предельно допускаемая нагрузка не менее 100 кН). Возникающая ударная сила одновременно с регистрацией мессдозы на испытательном стенде фиксируется мессдозой на самой УДН. Если показания мессдоз расходятся более чем на 5 %, калибровку необходимо повторить. При проведении калибровки УДН помещают на мессдозу испытательного стенда. Прибор должен стоять перпендикулярно поверхности. Калибровка состоит в том, чтобы путем изменения высоты падения, массы падающего груза и (или) жесткости амортизирующих элементов определить диапазон нагрузки, необходимой для получения заданного контактного напряжения и времени действия нагрузки.
Перед испытаниями производится очистка поверхности слоя. Точность результатов измерений обеспечивается за счет большого числа испытаний. На месте испытания размещается и монтируется УДН согласно инструкции изготовителя прибора, после чего производится тарировка электрических измерительных и регистрирующих устройств.
Испытания на поверхности покрытия проводят со штампом диаметром 340 мм в следующем порядке: устанавливают высоту падения груза так, чтобы контактное напряжение составляло 0,6 МПа, дважды производят испытания с определением прогибов и ударной силы. Если результаты двух измерений отличаются друг от друга более чем на 20 % (относительно меньшего значения), то проводят дальнейшее нагружение.
Экспериментальные значения и результаты теоретического расчета упруговяз-кого перемещения асфальтобетонного покрытия и основания дорожной одежды по улице Блюхера и их расхожденияНа рис. 4.11 приведены теоретические и экспериментальные значения перемещений асфальтобетонного пакета, а также их расхождения, вычисленные относительно экспериментальных значений.В табл.4.5 представлены экспериментальные значения упругих прогибов дорожной одежды и пакета асфальтобетонных слоев по улице Лермонтова.
Экспериментальные значения и результаты теоретического расчета упруговязкого перемещения асфальтобетонного покрытия и основания дорожной одежды по улице Лермонтова и их расхождения
Для оценки адекватности формул для расчета упруговязкопластических деформаций нами были выполнены штамповые испытания на автомобильных дорогах Омск -Павлодар, Омск-Челябинск, Саргатское-Михайловское, Поповка-Мирная долина. При этом производились измерения перемещений поверхности всей дорожной конструкции, поверхности оснований и земляного полотна и поверхности земляного полотна. Измерение перемещения всей дорожной конструкции производилось при передаче нагрузки на поверхность асфальтобетонного покрытия. Перемещения основания и земляного полотна измерялись при передаче нагрузки на основание после демонтажа асфальтобетонных слоев. Перемещение земляного полотна измерялось при передаче нагрузки только на земляное полотно, после демонтажа слоев основания.
Схема штамповых испытаний автомобильных дорог Омской области: а-испытание всей дорожной конструкции; б - испытание основания и земляного полотна; в - испытание земляного полотна; /-упорная балка, смонтированная на автомобиле; 2-реперная балка; 3,10 к 11 соответственно слои асфальтобетона, основания и грунт земляного полотна; 4-динамометр (ДОСМ); 5-гидравлический домкрат; б-удлинительные звенья; 7 -жесткий круглый штамп; 8 -индикаторы часового типа; 9-система крепления индикаторов на реперной балке
Нагрузка на поверхность каждого элемента дорожной конструкции при кладывалась ступенями. Продолжительность доведения нагрузки до заданной величины было принята 10 с. В течение такого же времени производилось снятие нагрузки. Продолжительность каждой ступени нагрузки и время отдыха конструкции после разгрузки составляло 30 с. Таким образом, нами были получены экспериментальные значения условно-мгновенных и вязких составляющих обратимого и общего перемещения. На рис. 4.14 приведена зависимость перемещений поверхности дорожной конструкции от величины давления, передаваемого штампом на покрытие, при температуре покрытия 31,4 С.
Для определения перемещений пакета асфальтобетонных слоев производили расчет давлений, которые асфальтобетонное покрытие и основание передает на основание и земляное полотно при воздействии на покрытие давления от заданной ступени нагрузки. Расчет производился по формуле (2.15), в которой общий модуль упругости подстилающего пакет асфальтобетонных слоев основания рассчитывался по формуле документа [53]. При этом модуль упругости земляного полотна принимался по экспериментальным данным о фактической влажности грунтов земляного полотна. Перемещение пакета асфальтобетонных слоев определялось как разность экспериментальных значений перемещений всей конструкции при данной ступени нагрузки и поверхности основания при передаче на него давления, рассчитанного по формуле (2.15) для этой же ступени нагрузки. Штамповые испытания земляного полотна проводились с целью определения и проверки модуля упругости земляного полотна. Если в ходе испытания земляного полотна выяснялось, что фактический модуль упругости грунта отличается от значения, принятого при расчете давлений на основание, то величина перемещения основания и земляного полотна, вычитаемая от перемещения дорожной конструкции, корректировалась. Корректировка осуществлялась по построенной графической зависимости перемещений основания и земляного полотна от величины давлений.
Примечание: 1-4 - испытания на автомобильной дороге Омск — Павлодар км 34+200, 35+000, 36+000, 38+000 при температуре покрытия 31,4 ; 38,6; 44,2 и 26,8 С соответственно; 5-7 - испытания на автомобильной дороге Омск -Челябинск км 67+000, 68+000 и 69+000 при температуре покрытия 24,2; 26,2 и 28,2 С соответственно; 8-9 - испытания на автомобильной дороге Поповка - Мирная долина км 3+00 и 4+00 при температуре покрытия 33,2 и 35,4 С соответственно; 10 - испытания на автомобильной дороге Саргат-ское - Михайловское км 1+000, 2+000 и 2+500 при температуре покрытия 18,8; 21,2 и 21,4 С соответственно.
