Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обоснование проведения исследования, состояние вопроса, цель и задачи 10 - 43
1.1. Стратегическое значение повышения надежности и долговечности ремонтируемых дорожных одежд 10-15
1.2. Существующие представления о трещинообра-зовании на дорожных покрытиях 16-21
1.3. Температурная трещиностойкость как фактор долговечности 21-26
1.4. Существующие методы борьбы с температурными трещинами в асфальтобетонных покрытиях, устраиваемых на конструктивных слоях со швами и трещинами 27-35
1.5. Имеющиеся предложения по количественной оценке температурной трещиностойкости конструкции 36-41
1.6. Выводы по главе 1. Цель и задачи исследования 41-43
Глава 2. Теоретические основы прогнозирования и количественной оценки температурной трещиностоикости асфальтобетонных покрытий, устраиваемых на нижележащих слоях со швами и трещинами 44 - 77
2.1. Расчетная схема для оценки температурной трещиностоикости асфальтобетонных покрытий, устраиваемых на основании со швами и трещинами 44 - 49
2.2. Вывод основных расчетных зависимостей для количественной оценки температурных напряжений в асфальтобетонном покрытии 49-58
2.3. Принцип количественной оценки температурной трещиностоикости конструкции дорожной одежды 58 - 63
2.4. Численный анализ значимости факторов, влияющих на температурную трещиностойкость асфальтобетонных покрытий на основаниях сошвами или трещинами по полученным зависимостям 64 - 73
2.5. Общая классификация методов повышения температурной трещиностоикости асфальтобетонных покрытий, устраиваемых на основании со швами и трещинами 74 - 76
2.6. Выводы по главе 2 77
Глава 3. Разработка конструктивно-технологических решений, направленных на повышение трещиностоикости асфальтобетонных покрытий, устраиваемых при усилении старых дорожных одежд 78 - 119
3.1. Исследование методом фотоупругости влияния условий контактирования основания с покрытием на трещиностойкость последнего 78 -101
3.2. Разработка конструкций дорожных одежд с обеспечением температурной трещиностоикости асфальтобетонных покрытий за счет регулирования расстояния между швами и трещинами в нижележащих слоях 102-105
3.3. Разработка конструкций дорожных одежд с обеспечением температурной трещиностоикости асфальтобетонных покрытий за счет устройства в нижележащих слоях различного рода вставок 105-110
3.4. Разработка комплексных конструктивных решений, направленных на повышение температурной трещиностоикости асфальтобетонных покрытий, устраиваемых при усилении дорожных одежд. Основные технологические операции при реализации предлагаемых конструктивных решений 111-114
3.5. Общая процедура выбора эффективных конструктивных решений для конкретных условий 114-116
3.6. Выводы по главе 3 117-119
Глава 4. Опытно-производственная проверка результатов теоретических и экспериментальных исследований 120-136
4.1. Задачи опытно-производственных работ 120
4.2. Технология усиления старых трещиноватых дорожных одежд с применением решений, предусматривающих обеспечение требуемых расстояний между швами и трещинами в основании 121-125
4.3. Технология усиления старых трещиноватых дорожных одежд с применением решений, предусматривающих устройство вставок в растрескавшемся покрытии 126-129
4.4. Наблюдения за состоянием построенных опытных участков и их анализ 130-134
4.5. Выводы по главе 4 135-136
Общие выводы 137-138
Литература 139-152
Приложение 153-162
- Существующие методы борьбы с температурными трещинами в асфальтобетонных покрытиях, устраиваемых на конструктивных слоях со швами и трещинами
- Принцип количественной оценки температурной трещиностоикости конструкции дорожной одежды
- Разработка конструкций дорожных одежд с обеспечением температурной трещиностоикости асфальтобетонных покрытий за счет устройства в нижележащих слоях различного рода вставок
- Технология усиления старых трещиноватых дорожных одежд с применением решений, предусматривающих устройство вставок в растрескавшемся покрытии
Введение к работе
Актуальность проблемы
В большинстве развитых стран мира в последнее время значительно увеличились объемы работ по усилению существующих дорожных одежд. Это объясняется многими причинами, основными из которых являются: исчерпание дорожными одеждами расчетного срока службы, увеличение интенсивности движения и нагрузок на ось, влияние природно-климатических факторов, качество эксплуатации дорог и многое другое.
Из множества существующих покрытий на автомобильных дорогах асфальтобетонные являются наиболее распространенными. В Европе количество дорог с такими покрытиями составляет около 97% от протяженности автомагистралей с усовершенствованными покрытиями, в США около - 90%, в России - около 95%.
Широкое применение асфальтобетона в качестве материала покрытия для автомобильных дорог связано с целым рядом положительных свойств этого уникального строительного материала, включая технологичность устройства из него слоев дорожной одежды, возможность открытия движения по устроенным слоям сразу же после их уплотнения, полную механизацию процессов изготовления и укладки смеси, хорошую демпфирующую способность и возможность обеспечения необходимого сцепления колеса с поверхностью покрытия, достаточную простоту содержания, ремонта и многое другое.
Вместе с тем, асфальтобетону присущи и серьезные недостатки, основным из которых является большая зависимость его механических свойств от температуры, когда прочность при сжатии может изменяться от долей МПа летом, до десятков МПа зимой. Такая за-
висимость физико-механических свойств асфальтобетона от температуры приводит к образованию на покрытиях различных дефектов: волн, наплывов, колей в жаркий период и трещин при низких температурах.
Особые проблемы у дорожников возникают при усилении старых трещиноватых дорожных одежд, т.к. при устройстве новых слоев из асфальтобетона приходится решать не только проблему усиления исчерпавшей свою несущую способность дорожной одежды, но и проблему обеспечения трещиностойкостй вновь устраиваемых слоев. Практика показывает, что большинство трещин из старого покрытия с течением времени прорастает, отражается в новое покрытие. Такие трещины называют отраженными.
Вновь появившиеся на покрытии отраженные трещины вначале не оказывают существенного влияния на его транспортно- эксплуатационные качества. В дальнейшем же они становятся первопричиной прогрессирующих разрушений, приводящих к существенному снижению сроков службы покрытий и дорожных одежд в целом.
До сегодняшнего дня заделка трещин остается достаточно сложным, трудоемким и естественно дорогим процессом. При этом очень часто выполненные ремонтные работы не обеспечивают необходимой надежности, не устраняют отрицательного влияния трещин на работоспособность дорожной одежды. Образование отраженных трещин значительно опаснее трещинообразования в покрытиях при новом строительстве, т.к. в короткие сроки (1-3 года) вновь устроенные слои усиления покрываются трещинами, на образование которых в нижележащем покрытии уходили иногда десятки лет. Время, уходящее на раскрытие отраженных трещин, т.е. на увеличение ширины трещины от 0,5-1 мм до 7 мм и более, также в несколько раз
меньше, чем во вновь построенных дорожных одеждах, а значит и сроки службы отремонтированных дорожных одежд значительно сокращаются. Главным образом образование отраженных трещин зависит от природно-климатических условий, конструктивных особенностей дорожной одежды, физико-механических характеристик асфальтобетона.
Несмотря на то, что проблема отраженного трещинообразова-ния наглядна, а ущерб от ее нерешенности велик, эффективного и всестороннего ее решения до сегодняшнего дня нет.
Анализ существующих методов расчета асфальтобетонных покрытий на температурную трещиностойкость [12; 13; 14; 83; 84; 114; 126; 130] и борьбы с отраженным трещинообразованием показывает, что в исследованиях недостаточное внимание уделяется конструктивно-технологическим решениям. Такие решения в сочетании с другими методами, прежде всего с материаловедческими, могли бы способствовать эффективному решению стоящих задач.
Направленность работы по развитию конструктивно-технологических методов повышения температурной трещиностой-кости покрытий при усилении дорожных одежд определяет ее актуальность в плане развития конкретного направления.
Актуальность данной работы в широком плане обусловлена в первую очередь необходимостью решения важной народнохозяйственной проблемы, заключающейся в увеличении срока службы отремонтированных покрытий дорожных одежд и снижении затрат на их содержание за счет повышения устойчивости устраиваемых слоев усиления к отраженному трещинообразованию.
Целью работы является научное обоснование и разработка
эффективных конструктивно-технологических мероприятий по по
вышению температурной трещиностойкости асфаль-
тобетонных покрытий, устраиваемых при усилении старых трещиноватых дорожных одежд, и создание научной и методологической основы для их широкого внедрения в производство.
Научная новизна работы заключается в том, что на основе комплексного подхода к проблеме отраженного трещинообразова-ния, предложена усовершенствованная модель образования отраженных трещин, и на ее основе разработана методика, позволяющая делать количественные оценки трещиностоикости покрытия при различных конструктивно-технологических решениях.
Дано научное обоснование новых экономичных вариантов дорожных одежд повышенной трещиностоикости: - с армированными слоями усиления; - с регулируемыми условиями сцепления покрытия с основанием; - с регулированием расстояний между швами и трещинами в старом трещиноватом покрытии.
Исследована работоспособность асфальтобетонных покрытий в новых конструкциях дорожных одежд.
Практическое значение. Разработана методика оценки асфальтобетонных слоев усиления, устраиваемых при ремонте дорожных одежд, на устойчивость к отраженному трещинообразова-нию, применение которой при проектировании позволяет принимать рациональные решения. Разработаны конструкции усиленных дорожных одежд с повышенной трещиностойкостью. Комплекс выполненных разработок позволяет реально до 20-25% увеличить срок службы отремонтированных дорожных одежд и до 10-20% снизить расходы на содержание дорог после ремонта покрытия.
Автор приносит благодарность научному руководителю доктору технических наук Кретову В.А., научному консультанту доктору технических наук, профессору, заведующему кафедрой Шу-ваеву А.Н., специалистам, оказавшим помощь в проведении работ
на разных ее этапах: доктору технических наук, профессору Казарновскому В.Д., канд.техн.наук. Медведеву Н.В. (Союздорнии), ст. преподователю Пановой Н.В. (ТюмГАСА), научным сотрудникам ГП Росдорнии Силкину А.В., Кудрявцеву В.Г., Карпинской И.М., Вороновой О.Б., Капусткиной В.Н., Рубинской Н.Н., Шипковой М.Н., Гладковой Л.В., канд.техн.наук Гладкову В.Ю., Братчиковой Е.Г., начальнику Заводоуковского "Автодорстроя" Гордиенко В.И., директору Тюмендорпроекта Шмырову В.Ф.
Существующие методы борьбы с температурными трещинами в асфальтобетонных покрытиях, устраиваемых на конструктивных слоях со швами и трещинами
Температурные трещины на поверхности асфальтобетонных покрытий появляются от возникновения в асфальтобетоне растягивающих напряжений. При этом установлено, что основными факторами, способствующими образованию опасных растягивающих напряжений, являются: - резкие перепады температур воздуха, вызывающие неравномерное охлаждение конструктивных слоев дорожной одежды [13; 15]; - несвободное сокращение покрытия при охлаждении [67; 114]; - дефекты покрытия; - наличие трещиновато-блочных нижележащих слоев при больших размерах блоков и их температурных деформациях [62; 64; 65; 67]. Влияют на величину растягивающих напряжений и другие факторы, в том числе связанные с характеристиками самого асфальтобетона и материалов нижележащих конструктивных слоев дороги, включая и земляное полотно [67; 114]. Может существовать множество комбинаций совместного действия перечисленных факторов. Однако считается, что основой температурного трещинообразования являются температурные воздействия. Исследования с целью обеспечения температурной трещино-стойкости асфальтобетонных покрытий выполняются по нескольким направлениям. Одно из направлений связано с улучшением свойств асфальтобетонов на восприятие растягивающих напряжений при отрицательных температурах. Ю.Е. Никольский в своей работе [84] высказывает предположение, что при значительных перепадах температур трещины возникают в любых асфальтобетонных покрытиях. Практика показывает, что добиться абсолютного отсутствия температурных трещин трудно, но обеспечить значительное уменьшение их количества и увеличение срока работы покрытия без трещин, задача вполне реальная. К такому же выводу приходят авторы, в работах [23; 27; 31; 34; 35; 66; 68], предлагая обеспечить необходимую деформативность асфальтобетона при низких температурах за счет понижения вязкости битума и применения оптимального количества смолистых кау-чукоподобных добавок. Обеспечение температурной трещиностойкости за счет регулирования свойств асфальтобетона является одним из достаточно эффективных путей. Это подтверждают многочисленные исследования, выполненные учеными в нашей стране и за рубежом. К таким исследованиям можно отнести работы И.И. Баловневой, A.M. Богуславского, Н.В. Горелышева, Э.А. Казарновской, А.С. Колба-новской, И.В. Королева, В.В. Михайлова, И.А. Плотниковой, Л.В. Поздняевой, А.В. Руденского, И.М. Руденской, И.А. Рыбьева, Г.К. Сюньи и многих других. В работах того же Ю.Е. Никольского [84] предлагается деформационные свойства асфальтобетона регулировать помимо изменения вязкости битума, изменением содержания щебня, соотношением минерального порошка и битума с примене 29 ниєм добавок, типа кубовых остатков производства метилстирола, этилбензола, бутилбензола или синтетических каучуков. В работах Л.М.Гохмана [33] доказывается высокая эффективность модификации битумов введением дивинилстирольных термоэластопластов, резины. Первые работы, связанные с улучшением свойств битумов добавками каучука, относятся к 1898 г.
Важные исследования и опытно-производственные работы с целью использования асфальтобетона с добавкой резины, полученной от переработки старых автомобильных шин, проводились такими отечественными учеными, как Н.В. Горелышев, А.И. Лысихина, А.В. Руденский, Г.К. Сюньи, Б.М.Слепая и др.
В работах [26; 27; 30; 66] показано большое влияние содержания битума на деформативность асфальтобетона, а так же влияние на температурную трещиностойкость коэффициента температурного расширения асфальтобетона. За рубежом достаточно давно применяют смеси с повышенным содержанием битума. В работах Абади Р., Лорана Г. и Моленара М. [72; 79] показано, что смеси с повышенным содержанием битума хорошо зарекомендовали себя с точки зрения предотвращения отраженного трещинообразования. Однако обращается внимание, что увеличение содержания вяжущего может привести к деформациям в летний период.
Добавка некоторых типов волокон позволяет приготовлять асфальтобетонные смеси с высоким содержанием вяжущего, что является благоприятным фактором для обеспечения устойчивости к тре-щинообразованию. Используемое волокно в виде очень тонких и коротких нитей может быть минеральным (камень или стекло) или органическим (целлюлоза). Волокно действует, с одной стороны, как стабилизатор (закрепление значительного количества битума) и, с другой стороны, в качестве микроарматуры. Данный эффект объясняется образованием очень толстой пленки мастики, обеспечивающей хорошую устойчивость против усталости, старения, воздействия воды, растяжения при изгибе, при полном сохранении удовлетворительной устойчивости к ползучести.
Вопросами повышения температурной устойчивости асфальтобетонных покрытий на трещиновато-блочных основаниях за счет конструктивно-технологических решений из отечественных ученых занимались: М.К. Блумер [10], В.Н. Кононов [50], В.Д. Казарновский [62;67], В.А. Кретов [55;56;59], О.Н. Нагаевская [81], А.А. Надежко [82], В.А. Чернигов [113; 114], И.П. Шульгинский [117].
Из зарубежных исследований наибольший интерес представляют работы М. Виллежье и М. Шансолма [20 ], в которых отмечено, что первые технические решения, направленные на устройство промежуточных слоев, были применены более 10 лет назад. В данном случае речь идет об укладке между слоем усиления и трещиноватым основанием материала с модулем жесткости, значительно отличающимся от модулей материалов окружающих его слоев. Предполагается, что низкий модуль позволяет создать «ловушку» для трещин. Механическая энергия, развиваемая в месте трещины под действием температурных изменений и подвижной нагрузки, должна распространиться в горизонтальном направлении вместо того, чтобы концентрироваться в основании слоя усиления.
Принцип количественной оценки температурной трещиностоикости конструкции дорожной одежды
Общий механизм образования отраженных трещин связан с влиянием различных факторов. Важнейшими из них являются температурные деформации основания в виде укорочения блоков, образованных в результате возникновения трещин в монолитном (или омоноличенном) скосе основания при понижении температуры, и влияние подвижной нагрузки, вызывающей повышенные деформации конструкции при прохождении ее через сечения, в которых располагаются трещины. Могут иметь значение теплофизические и прочностные свойства материала самого покрытия и сочетание этих свойств с аналогичными свойствами материала основания. По-видимому, определенное значение в ряде случаев может иметь неравномерность морозного пучения конструкции.
Однако, как показывают многочисленные исследования, при прочих равных условиях основное значение имеют температурные деформации основания: чем больше по величине эти деформации (перемещения), тем больше вероятность образования трещин в покрытии над швами или трещинами в основании.
В связи с этим представляется целесообразным рассмотреть возможность количественной оценки опасности возникновения отраженных трещин под воздействием температурных изменений в конструкции дорожной одежды, содержащей асфальтобетонное покрытие и основание со швами и трещинами.
Выполненные ранее работы позволяют в качестве принципиальной расчетной схемы выбрать схему, изображенную трис.2.1.
Здесь асфальтобетонное покрытие толщиной hn располагается на основании со швами или трещинами. Участки основания, разделенные швами, будем в дальнейшем называть плитами, имеющими толщину h0. В таком основании имеется вертикальный шов (или трещина), который может быть сомкнутым в исходном положении, но который предотвращает связь соседних плит при их температурных деформациях сжатия в горизонтальном направлении. Длину плит основания примем одинаковой и равной L. Плиты основания располагаются на земляном полотне или дополнительном слое основания. Материал покрытия характеризуется коэффициентом температурных деформаций (ап), расчетным модулем деформации при растяжении (Еп) и расчетной прочностью при растяжении (R) .
Материал основания характеризуется коэффициентом температурных деформаций (а0) и модулем деформации при растяжении Существенное значение в работе конструкции могут иметь условия на контактах основания с подстилающим грунтом и покрытия с основанием.
В отношении условий на контакте основания с подстилающим грунтом будем исходить из следующих представлений (cM.pnc.Zi): при сокращении плиты основания на контакте возникают усилия, препятствующие перемещению плит в горизонтальном направлении. Характер этих усилий на контакте и эпюра их воздействия на плиту в принципе могут быть различными. Возможен случай полного сцепления (например, смерзания) плиты с основанием. В этом случае силы на контакте должны зависеть от деформативных свойств подстилающего массива, а величина усилия сопротивления будет возрастать по мере увеличения перемещений плиты. Вместе с тем в существующей практике дорожного строительства дорожные плиты обычно укладывают на дискретный (песчаный) выравнивающий слой или на геотекстильную прослойку. Если ориентироваться на этот самый распространенный случай, то можно представить, что по нижней грани плиты при ее сокращении возникают некоторые силы трения. Предположим, что сила трения зависит от перемещения плиты. В этом случае принципиально могут быть различные эпюры этих сил. Крайние варианты этих эпюр - треугольная и прямоугольная (рис. 2.2). Очевидно, что при треугольной эпюре общее (суммарное) усилие трения будет минимальным, а при прямоугольном - максимальным.
Из дальнейших рассуждений будет ясно, что в данном случае целесообразно ориентироваться на минимальное усилие трения, так как при этом варианте создаются самые невыгодные условия с точки зрения трещиностоикости покрытия. Пока же можно исходить из некоторой осредненной величины трения по подошве плиты, равной т0 при равномерной эпюре. Вопрос об условиях на контакте основания с покрытием представляется более сложным. Ранее В.А. Кретовым было показано большое влияние на напряженное состояние конструкции при температурных перепадах наличия так называемого "свободного" или "проскальзывающего" контакта. Длина этого контакта зависит от технологии устройства конструкции и сил сцепления покрытия с основанием. Однако будем исходить в дальнейших рассуждениях из представлений, что "проскальзывающий" контакт в любом случае имеет место и длина его с каждой стороны плиты равняется 0.
Таким образом, исходим из того, что на длине плиты, т.е. на всей длине контактирования покрытия с данной плитой основания, имеют место два участка: - участок, на котором при температурных перемещениях плит происходит проскальзывание основания относительно покрытия, имеющий длину 0 (с каждой стороны плиты); - участок, на котором проскальзывания не происходит и сохраняется полное сцепление покрытия с основанием. Длина этого участка на каждой плите, очевидно, будет равна L - 20.
Наконец, примем, что на участке проскальзывания развиваются остаточные (после начала проскальзывания) силы трения, равные тп (средняя величина). Эпюра этих сил может быть в принципе также любой, в виде прямоугольника или треугольника. В данном случае, при максимальном суммарном усилии трения, с точки зрения тре-щиностойкости покрытия, создаются наиболее невыгодные условия. Поэтому можно расчетную эпюру сил на проскальзывающем контакте принять в виде прямоугольника.
Разработка конструкций дорожных одежд с обеспечением температурной трещиностоикости асфальтобетонных покрытий за счет устройства в нижележащих слоях различного рода вставок
Анализ проведённых ранее исследований [12; 13; 14; 55; 113; 114], в которых изучалась проблема температурной трещиностойкости асфальтобетонных покрытий на основаниях со швами и трещинами, показывает, что они не в полной мере раскрывают механизм взаимодействия покрытия и основания при температурных воздействиях. Конкретизируя, можно сказать, что недостаточно учитывалась специфика влияния на напряжённо-деформированное состояние асфальтобетонного покрытия условий контакта покрытия и основания, а также состояния нижележащих слоев в зоне.
Ранее в работе В.А. Кретова [55] было уделено внимание роли свободного контакта в зонах швов (трещин) основания. Но вместе с тем, в выполненных исследованиях не учитывалось наличие сил трения определённой величины (в зависимости от конструкции) в зоне «свободного контакта», возникающих, прежде всего, от собственного веса слоя усиления.
Как показано в главе 2, на повышение температурной трещиностойкости наряду с материаловедческими мероприятиями (уменьшением модуля деформации покрытия и основания Ел и Ео, уменьшение коэффициентов. температурных деформаций ап и осо как основания, так и покрытия) оказывают влияние и конструктивные решения: уменьшение толщины основания h0; увеличение толщины основания hn ; увеличение длины скользящего контакта уменьшение расстояния между швами или трещинами в основании.
При этом первые два из этих конструктивных решений являются в большинстве случаев неоправданными, т.к. толщина основания определяется расчётом по несущей способности и уменьшение её толщины ведёт к потере прочности всей конструкции в целом. Другим решением, наиболее распространенным в нашей стране, является увеличение толщины покрытия. Это во-первых, удорожает строительство, и во-вторых- недостаточно эффективно, так как по причине суровых природно-климатических условий распространение отражённых трещин в новом слое асфальтобетонного покрытия всё равно происходит, хотя и на один-два года позднее, чем в случаях с типовым решением устройства покрытия.
В такой ситуации наиболее выгодным представляется решение, предусматривающее устройство скользящего контакта между покрытием и основанием. В этом случае рекомендуется длину скользящего контакта определять в соответствии с зависимостью (2.17).
Изменение условий контактирования покрытия с основанием может быть осуществлено, как при новом строительстве, так и при усилении дорожных одежд. В зависимости от существующих конструкций дорожных одежд схемы устройства скользящего контакта могут быть различными.
Формулировка «зона скользящего контакта» подразумевает собой площадь, где контактирование между покрытием и основанием сведено к минимуму и осуществляется лишь путём проскальзывания их относительно друг друга во время температурной усадки основания и покрытия. Эффект проскальзывания может быть достигнут при помощи материалов, которые могут иметь сцепления только с одним из конструктивных слоев дорожной одежды.
Наиболее доступными к применению и технологичными материалами являются: пергамин, рубероид (имеется плотный контакт с покрытием из асфальтобетона и скользящий контакт по основанию), а также жидкие отходы производства, содержащие в значительной мере масла. Ещё одним вариантом изменения условия контактирования может быть нанесение гашёной извести на основание в зоне свободного контакта.
Более эффективным представляется также использование в зоне контакта высокодеформативного материала, например поли-мербитума. В этом случае можно обеспечить достаточную связь в вертикальном направлении и подвижность в горизонтальном.
Для достижения большего эффекта в работе дорожной одежды в период зимнего трещинообразования представляется целесообразным применять предложенный метод расчёта и устройства слоев усиления в сочетании с рекомендованной ранее [55] формой стыка фрагментов основания, разделённых швом или трещиной. Применение такого рода сопряжения плит в основании дорожной одежды способствует снижению величины горизонтальных напряжений в зонах швов более, чем в 2 раза. Для подтверждения такого характера работы дорожной одежды, включающей плиты основания со скосами и асфальтобетонные покрытия, подверженные температурным деформациям, а также для выявления влияния неравномерности приложения нагрузки к конструктивным слоям дорожной одежды (основания и покрытие) была проведена серия экспериментов методом фотоупругости. Исследования проводились на моделях в условиях плоской задачи. Для этого были изготовлены двухслойные системы, в которых нижний слой являлся моделью с различной формой стыков основания, а верхний - асфальтобетонным покрытием переменной толщины. В отличие от исследований, выполненных в работе [55], в качестве материала покрытия использовалась эпоксидная смола, на наш взгляд, более реально отражающая свойства охлаждённого асфальтобетона. Кроме того, испытания моделей производились при различных схемах приложения нагрузки.
Для оценки условий образования отраженных температурных трещин и напряженно-деформированного состояния покрытия в зоне стыка основания был проведен цикл специальных исследований на фотоупругих моделях.
Одной из основных задач цикла была оценка влияния конфигурации стыка и условий на границе слоев покрытия и основания в зоне стыка на особенности напряженно-деформированного состояния конструкции.
С этой целью были изготовлены двухслойные системы, в которых нижний слой моделировал блочное основание с различной конфигурацией стыков, а верхний - асфальтобетонное покрытие (рис. 3.1). Исходные размеры моделей принимали равными, в сантиметрах :
Технология усиления старых трещиноватых дорожных одежд с применением решений, предусматривающих устройство вставок в растрескавшемся покрытии
Следовательно, тензор касательных напряжений в зоне над стыком колеблется в пределах от 4.51 до 2.05 МПа.
Рис.3.4,а иллюстрирует внецентренное растяжение верхнего слоя модели при наличии скользящего участка (гладкого контакта) длиной 10/2, расположенного симметрично над зоной стыка. Из картины изохром видно появление краевых касательных напряжений в подошве и верхней части скользящей зоны верхнего слоя. Максимальное касательное напряжение, возникающее в слое над стыком, после приложения усилия 800 Н, составляет 1,23 МПа.
Таким образом, использование скользящего участка позволило: - снизить максимальные касательные напряжения в опасной точке практически в 2 раза, по сравнению с данными рис.3.3,а при условии распределения напряжений вдоль слоев, а не поперек; - уменьшить в 3 раза максимальные касательные напряжения в верхнем слое непосредственно над стыком.
На рис.3.4,6 изображено асимметричное внецентренное растяжение. На картинах изохром видны две явно выраженные опасные точки непосредственно в зоне начала склейки слоев, что закономерно из-за возникновения концентрации напряжений при резком изменении рабочего сечения материала модели. При растягивающем усилии 200 Н максимальное касательное напряжение в левой опасной точке у подошвы верхнего слоя равно 3,69 МПа, а в зоне над точкой в верхнем крае слоя - 1,23 МПа. Во второй опасной точке у подошвы верхнего слоя максимальное напряжение составляет 2,87 МПа. Касательные напряжения от сил сжатия над опасной точкой отсутствуют. Максимальные касательные напряжения над зоной стыка колеблются от 3,28 до 0,61 МПа.
Следовательно, по сравнению с данными рис.3.3, максимальные касательные напряжения в опасной точке снижены на 18%, а точка сама расположена над сплошным нижним слоем, а не над стыком.
Иа.рис.3.4,в показано внецентренное растяжение модели в зоне дефектного нижнего слоя. Картина изохром выявляет две опасные точки у подошвы верхнего слоя в зонах склейки слоев. Максимальные касательные напряжения в них одинаковы: 3,69 МПа - при растягивающем усилии 200Н. Касательные напряжения до 2,05 МПа действуют на глубину 0,5 h от подошвы слоя до нейтральной оси. Касательные напряжения от сжимающих сил, возникающих при изгибе в поверхностном слое, распределяются на глубину 0,25 h при максимальных касательных напряжениях 2,05 МПа. В скользящей зоне верхнего слоя линии изохром параллельны слою, т.е. действуют в плоскости наибольшего сечения материала.
Таким образом, по сравнению с данными рис. 3.3,в, величина максимальных касательных напряжений в опасной точке осталась прежней. Однако опасная точка (см. рис.3.4,в ) расположена над монолитным слоем, а не над стыком. Непосредственно над стыком действуют те же напряжения, что в материале слоя.
Из вышесказанного следует, что устройство скользящего слоя над стыком позволило устранить концентрацию напряжений в его зоне и перенести опасные точки на монолитный нижний слой.
Рис. 3.5,а иллюстрирует внецентренное растяжение верхнего слоя модели. Модель имеет у подошвы верхнего слоя в зонах формирования клинообразного уширения с углом скоса нижнего слоя относительно горизонтальной плоскости в 45 град, две опасные точки. В каждой опасной точке просматриваются три вектора максимальных касательных напряжений: два вектора в плоскости склейки слоев развернуты на 180 град., а третий действует перпендикулярно верхнему слою модели. Максимальные касательные напряжения всех векторов при нагрузке 800 Н составляют 2,87 МПа.
Следовательно, устройство клинообразного уширения позволяет снизить максимальные касательные напряжения в опасной точке на 22% и переместить опасную точку на 1,2 h в сторону от зоны стыка. При этом максимальные касательные напряжения в клине непосредственно над зоной стыка в 2 раза ниже, чем у модели карис.3.3,а и составляют 2.05МШ.
Нарис.3.5,6 показано асимметричное внецентренное растяжение модели с клинообразным уширением в 45 град. Модель имеет две опасные точки, расположенные аналогично предыдущей модели. В каждой точке имеются три вектора касательных напряжений различной величины. Рассмотрим левую опасную точку. Максимальное касательное напряжение у векторов, расположенных в горизонтальной плоскости и развернутых на 180 град., при растягивающем усилии 200 Н равно 3,69 МПа. Вертикальный вектор имеет максимальное касательное напряжение 2,05 МПа. Над опасными точками на поверхности слоя есть два участка, в которых касательные напряжения от сжимающих усилий составляют 1,23 МПа.
Правая опасная точка имеет горизонтальный вектор, направленный к стыку с максимальным касательным напряжением 3,69 МПа и вектор прямо противоположный с напряжением 2,87 МПа. Третий вертикальный вектор обладает максимальным касательным напряжением 1,23 МПа. Непосредственно над стыком этот показатель составляет 2,05 МПа.
Следовательно, в сечении, перпендикулярном верхнему слою и проходящему по опасной точке, максимальные касательные напряжения составляют от 1,23 до 2,05 МПа. Напряжения в клинообразном уширении непосредственно над стыком в 2 раза ниже, чем у модели, представленной на рис. 3.3, б.
На рис.3.5,в представлена модель с внецентренным растяжением, имеющая клинообразное уширение с углом в 45 град, в зоне дефектного (нижнего) слоя. В модели есть две ярко выраженные опасные точки в подошве верхнего слоя в зонах начала формирования клина, каждая из которых имеет три вектора максимальных касательных напряжений. Два из них действуют диаметрально противоположно в плоскости склейки слоев с равными по величине напряжениями. Максимальные касательные напряжения при усилии 200 Н равны 3,69 МПа. Расстояние между опасными точками 2,Ah. Третий вектор действует перпендикулярно верхнему слою модели с максимальными касательными напряжениями 2,05 МПа на глубине 0,6/г от подошвы верхнего слоя. На расстоянии 0,4 h непосредственно над указанным вектором от действия сил сжатия возникают максимальные касательные напряжения равные 2,50 МПа. Максимальные касательные напряжения в клинообразном уширении непосредственно над стыком составляют 2,05 МПа.
