Содержание к диссертации
Введение
1. Влияние деформационных свойств асфальтобетона на накопление остаточных деформаций при пространственном динамическом нагружении дорожных конструкций 12
1.1 Состояние вопроса 12
1.2 Описание режимов загружения, применяемых при испытаниях битумоминеральных материалов 23
1.3 Методы определения устойчивости асфальтобетона к колееобра-зованию 26
1.4 Теоретические предпосылки уточнения коэффициента Пуассона 30
Выводы по главе 41
2. Исследование напряженно-деформированного состояния асфальтобетонных слоев покрытия дорожных конструкций под воздействием динамических нагрузок и температурных факторов с использованием механико-математической модели 43
2.1 Описание механико-математической модели прогнозирования накопления остаточных деформаций 43
2.2 Реализация механико-математической модели 51
Выводы по главе 61
3. Экспериментальные исследования динамики накопления остаточных деформаций в асфальтобетоне под воздействием расчетных нагрузок и температур при испытании на ползучесть 63
3.1 Конструкция прибора и методика испытания асфальтобетона на ползучесть 63
3.2 Экспериментальные исследования ползучести асфальтобетона 68
3.2.1 Обоснование геометрических характеристик экспериментальной модели по определению ползучести асфальтобетона 66
3.2.2 Методика проведения эксперимента по определению деформаций ползучести асфальтобетонных образцов 76
3.3 Экспериментальные исследования изменения коэффициента Пуассона асфальтобетона 84
3.3.1 Конструкция лабораторного стенда для исследования изменения коэффициента Пуассона 84
Выводы по главе 87
4. Методика прогнозирования накопления остаточных деформаций в асфальтобетонных слоях дорожных конструкций 88
4.1 Основные положения 88
4.2 Инструкция к программному комплексу расчета накопления остаточных деформаций в конструкциях нежесткой дорожной одежды 91
4.2.1 Введение 91
4.2.1.1 Общее описание 91
4.2.1.2 Структура комплекса 92
4.2.1.3 Требования к оборудованию 94
4.2.1.4 Ограничение на комплекс 95
4.2.1.4.1 Ограничения постановки 95
4.2.1.4.2 Ограничения реализации 96
4.2.2 Описание программного комплекса расчета накопления остаточных деформаций в конструкциях нежесткой дорожной одежды 96
4.3 Пример расчета дорожной конструкции на накопление остаточных деформаций 109
4.4 Экономическое сравнение предложенных вариантов конструкции дорожной одежды 124
Выводы по главе 128
5. Исследование динамики накопления остаточных деформаций на поверхности покрытий экспериментальных участков автомобильных дорог 129
5.1 Создание наблюдательных станций и описание методики определения вертикальных перемещений дорожных покрытий 129
5.2 Определение вертикальных перемещений дорожных покрытий . 134
5.3 Мониторинг накопления остаточных деформаций в элементах дорожных конструкций 142
5.3.7 Разработка конструкции зонда оказывающей минимальное влияние на работу дорожной конструкции 142
5.3.2 Разработка технологии установки зондов в дорожную конструкцию экспериментального участка автомобильной дороги 148
5.3.3 Создание наблюдательной станции на экспериментальном участке дороги по исследованию накопления остаточных деформаций в элементах дорожных конструкций 150
Выводы по главе 155
Общие выводы 157
Литература 159
Приложения 177
- Описание режимов загружения, применяемых при испытаниях битумоминеральных материалов
- Описание механико-математической модели прогнозирования накопления остаточных деформаций
- Обоснование геометрических характеристик экспериментальной модели по определению ползучести асфальтобетона
- Описание программного комплекса расчета накопления остаточных деформаций в конструкциях нежесткой дорожной одежды
Введение к работе
Актуальность темы. В последние годы, в связи с быстрым ростом интенсивности, скорости движения и осевых нагрузок, как на дорогах федерального, так и местного значения, наблюдается значительное повышение скорости накопления остаточных деформаций в верхних слоях асфальтобетонного покрытия, выраженных в колееобразовании и других видах поперечной и продольной неровности. Под воздействием многократно повторяющихся нагрузок уже на ранней стадии их эксплуатации наблюдается накопление необратимых (остаточных) деформаций во всех слоях дорожных одежд. Постепенное накопление пластических деформаций в элементах дорожных конструкций приводит к нарушению ровности поверхности дороги, что в свою очередь способствует значительному росту динамических воздействий от движущихся автомобилей и ускоренному образованию деформаций различных форм и размеров.
Вследствие этого, исследования, направленные на совершенствование методики проектирования дорожных одежд нежесткого типа, остаются весьма актуальными как в России, так и за рубежом. Основной базой при этом должны служить, разработанные в последние годы в строительной механике фундаментальные принципы и численные методы решения нелинейных наследственных задач статики и динамики строительных конструкций, а также обобщение эмпирических данных, полученных в теории строительства и эксплуатации автомобильных дорог.
В последние годы над этой проблемой трудятся ряд авторских коллективов, как у нас в стране, так и за рубежом. Следует отметить прежде всего определенный вклад в решение данного вопроса профессоров А.П. Васильева, В.Д. Казарновского, М.С. Коганзона, Ю.М. Яковлева, А.В. Смирнова и др. На базе ВСН 46-83 разработан межгосударственный нормативный документ МСН «Проектирование нежестких дорожных одежд», ОДН 218.046-01 [102]. Значительным вкладом в методику расчета дорожных одежд с произвольной в плане и по глубине «геометрией», учитывающей различные граничные условия, неоднородность материалов слоев и грунта земляного полотна, включение дополнительных конструктивных элементов, являются работы С.К. Илиополова и М.Г. Селезнева [32]. Однако в их исследованиях задачи решаются в вязкоупругой постановке, не позволяющей прогнозировать и учитывать процесс накопления необратимых, остаточных деформаций в исследуемых системах.
До настоящего времени не получены решения на должном теоретическом уровне и не установлены закономерности процессов развития и накопления остаточных деформаций в слоях дорожных одежд и земляном полотне и характер влияния этих деформаций на развитие неровностей покрытия. В действующих нормативных документах в расчетах используется осесиммет-ричная модель упругого полупространства, не учитывающая инерционность движущейся массы и осность автомобиля, влияние на НДС конечных поперечных размеров автодороги и расположения нагрузки на проезжей части. Учет динамических процессов осуществляется с помощью эмпирических коэффициентов, которые зачастую перечеркивают точность расчетных формул при получении конечных результатов.
Следует также добавить, что исследования в области совершенствования методов конструирования нежестких дорожных одежд не должны ограничиваться лишь модернизацией расчетной базы, они должны развиваться в направлении конструирования дорожных одежд. Такой подход подразумевает выработку окончательного решения с учетом материаловедческих факторов.
Изучение вязкоупругопластических свойств материалов позволит получить необходимые сведения о границах работоспособности материалов, типичных для них релаксационных переходах и о роли каждого из компонентов в релаксационных процессах, происходящих в системе под воздействием погодно-климатических и динамических факторов. Наиболее полно свойства связных дорожно-строительных материалов можно определить при решении практических задач методами реологии - науки, рассматривающей общие законы течения, т.е. образование и развитие деформаций во времени.
В напряженно-деформированном состоянии асфальтобетон проявляет ряд сложных свойств: упругость, пластичность, ползучесть, релаксацию напряжений, изменение прочности в зависимости от скорости деформирования, накопление деформаций при многократных приложениях нагрузки и т.д. [23]. В зависимости от проявления тех или иных свойств к асфальтобетону применимы законы, вытекающие из теории упругости или пластичности (теории ползучести).
Известно, что асфальтобетон относится к связнодисперсным системам, характер структурных связей в которых определяется их механическими свойствами, к числу которых относятся упругость, вязкость, пластичность, прочность, ползучесть и т.д., и, поскольку, реология, как известно, исследует эти механические свойства по проявлению деформации внешних напряжений, реологический метод экспериментальных исследований наиболее применим для изучения структурно-механических свойств в подобного рода системах.
Основная идея работы состоит:
- в необходимости учета упруго-вязко-пластичных свойств материалов дорожных одежд и грунта земляного полотна при расчете дорожных конструкций;
- в необходимости разработки механико-математической модели, адекватно описывающей реальные процессы, протекающие в дорожной конструкции, и позволяющей учитывать такие факторы, как инерционность подвижного состава и дорожной конструкции, переменную во времени интенсивность грузопотока, скорость движения транспортных средств и расположение движущихся автомобилей на проезжей части, влияние переменных во времени температурно-влажностных факторов и т.д. Объектом исследования являются верхние слои
асфальтобетонных покрытий и дорожные конструкции в целом.
Предмет исследования — закономерности изменения реологических характеристик верхних слоев асфальтобетонных покрытий под воздействием реальных нагрузок и погодно-климатических факторов.
Цель работы - разработка методики повышения устойчивости нежестких дорожных одежд к накоплению остаточных деформаций на основе прогнозирования реологического поведения асфальтобетона под воздействием реальных пространственных динамических нагрузок и погодно-климатических факторов.
Задачи исследования:
провести теоретические исследования в области прогнозирования накопления остаточных деформаций в слоях дорожных конструкций с учетов реологического поведения асфальтобетона под воздействием пространственных динамических нагрузок;
разработать конструкцию прибора для лабораторных исследований ползучести асфальтобетона;
исследовать кинетику накопления остаточных деформаций асфальтобетона под воздействием различных нагрузок и температур;
разработать механико-математическую модель, позволяющую прогнозировать скорость накопления остаточных деформаций в асфальтобетонных покрытиях в реальных условиях их эксплуатации;
создать наблюдательные станции на экспериментальных участках автомобильных дорог по исследованию накоплению остаточных деформаций в элементах дорожных конструкций;
разработать методику повышения устойчивости дорожных конструкций по критерию минимума накопления остаточных деформаций в асфальтобетонных покрытиях. Научная новизна работы:
теоретически обоснована необходимость проведения экспериментальных исследований ползучести асфальтобетонов различных типов и марок;
предложена механико-математическая модель с достаточной точностью и достоверностью описывающая работу дорожной конструкции в реальных условиях эксплуатации и учитывающая такие факторы, как инерционность подвижного состава и дорожной конструкции, переменную во времени интенсивность грузопотока, скорость движения транспортных средств и расположение движущихся автомобилей на проезжей части, влияние переменных во времени температурно-влажностных факторов, а также эффекты старения материалов, изменение характеристик и геометрических параметров дорожной конструкции вследствие ее неравномерного деформирования;
проведены экспериментальные исследования ползучести различных типов асфальтобетона и установлены зависимости скорости накопления остаточных деформаций по отношению к скорости накопления полных деформаций. Зная это отношение и, в дальнейшем, проводя исследования ползучести можно с достоверной точностью говорить о численном значении пластической составляющей в полной деформации различных типов асфальтобетонов;
теоретически обоснована необходимость учета изменения коэффициента Пуассона асфальтобетона под воздействием различных температур при расчете нежестких дорожных одежд;
выполнены экспериментальные исследования изменения коэффициента Пуассона асфальтобетона под действием различных температур;
предложена методика прогнозирования остаточных деформаций в элементах дорожных конструкций с учетом реальных пространственных динамических нагрузок и погодно-климатических факторов;
разработано приборное обеспечение по исследованию накопления остаточных деформаций и температурного режима в грунте земляного полотна и дорожной одежде, на которое получен патент № 68694. Практическое значение работы:
разработана механико-математическая модель для анализа напряженно-деформированного состояния дорожной конструкции при воздействии реальных динамических нагрузок и погодно-климатических факторов;
разработана экспериментальная установка для получения значений скорости накопления остаточных деформаций, а также изменения коэффициента Пуассона асфальтобетона при воздействии различных нагрузок и температур;
получены зависимости скорости накопления остаточных деформаций, доли остаточных деформаций в составе полных и изменения коэффициента Пуассона при воздействии различных нагрузок и температур;
разработан программный комплекс «Прогнозирование и учет накопления остаточных деформаций при проектировании нежестких дорожных одежд», позволяющий учитывать такие факторы, как инерционность подвижного состава и дорожной конструкции, переменную во времени (в течение года и суток) интенсивность грузопотока, скорость движения транспортных средств и расположение движущихся автомобилей на проезжей части, влияние переменных во времени температурно-влажностных факторов, эффекты старения материалов и т.д. На защиту выносятся;
комплекс теоретических и экспериментальных исследований влияния реальных динамических нагрузок и погодно-климатических факторов на напряженно-деформированное состояние асфальтобетонных покрытий;
механико-математическая модель, описывающая упруговязкопластич-ные свойства дорожно-строительных материалов и позволяющая прогнозировать накопление остаточных деформаций в элементах дорожных конструкций в реальных условиях их эксплуатации;
результаты исследований ползучести различных типов асфальтобетона под воздействием различных нагрузок и температур; результаты исследования зависимости скорости и доли накопления остаточных деформаций в составе полных деформаций;
результаты исследования влияния различных нагрузок и температур на изменение коэффициента Пуассона асфальтобетона.
Достоверность исследований, научных положений и выводов, содержащихся в работе, обеспечивается применением комплексной методики исследований, использованием современного приборного обеспечения и подтверждается соответствием результатов численных и натурных экспериментов.
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 реконструкции автомагистрали М4 «ДОН» на участке км982+000-км 1000+000, капитальном ремонте автомобильных дорог Ставропольского края «с.Сенгилеев-ское-д.Новотроицкая» и «с.Греческое-г.Мин. Воды», а также в учебном процессе при курсовом проектировании по дисциплине «Технология и организация сроительства автомобильных дорог» по кафедре «Автомобильные дороги» РГСУ.
Апробация работы. Положения работы доложены и обсуждались. на международных научно-практических конференциях «Строительство 2004», «Строительство 2005», «Строительство 2006», «Строительство 2007» (Ростов-на-Дону, 2004, 2005, 2006, 2007), «Пути совершенствования системы управления, финансирования и нормативно-технической базы дорожной отрасли» (Астана-Алматы, 2004), «Современные технологии и материалы в дорожном хозяйстве» (Харьков, 2006), Всероссийских научно-практических конференциях «Проблемы проектирования, строительства и эксплуатации автомобильных дорог. Охрана окружающей среды» (Пермь, 2005), «Проблемы проектирования, строительства эксплуатации транспортных сооружений» (Омск, 2006).
Публикации. По результатам исследований опубликовано 17 работ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка литературы из 166 источников, в том числе иностранных и 4 приложений. Работа изложена на 158 страницах машинописного текста, содержит 12 таблиц и 99 рисунков.
Описание режимов загружения, применяемых при испытаниях битумоминеральных материалов
В последние годы сделаны серьезные шаги в теоретическом рассмотрении процесса развития пластических деформаций в дорожных конструкциях и, в частности отмечается, что в наибольшей степени подвержен воздействию транспортных средств верхний слой асфальтобетонных покрытий. Большое развитие получили методы прогнозирования полевых наблюдений и лабораторных исследований колееобразования на асфальтобетонных покрытиях [53,54,98,101,103,139].
В зарубежной практике научных исследований для оценки качества асфальтобетона все шире применяются новые методы определения устойчивости асфальтобетонных смесей к колееобразованию. Наибольшее распространение получили следующие методы [101]: 1. Метод с помощью установки ускоренного нагружен ия (FHWA Accelerated Loading Facility - ALF) С помощью установки ALF проводят исследования дорожного покрытия в условиях максимально приближенных к реальным в течение 6 месяцев транспортной нагрузкой, эквивалентной общей нагрузке движущихся машин за срок работы покрытия 20 лет. Прикладывается нагрузка в пределах от 43 до 100 кН через колесный агрегат, который имитирует 1,5 нагрузки одинар 27 ной оси грузового автомобиля. Движение осуществляется на максимальной скорости 18,5 км/ч на 10 метровом испытательном участке. Измеряются следующие показатели: температура и влажность в основании дробленого каменного материала и в нижележащем слое, температура по глубине асфальтобетонного слоя, температура воздуха, выпадение дождевых осадков, и прогибы покрытия с использованием дефлектометра свободного падения. Усталостные трещины и глубину колеи, полученные в результате измерений, сопоставляют с количеством проходов колеса. 2. Метод с использованием французского прибора для испытания по крытий на колееобразование (French Pavement Rutting Tester - FPRT). По этому методу испытьтваются плиты на пластические деформации при 60С, используя перемещающуюся возвратно-поступательную гладкую резиновую шину с давлением 0,6±0,03МПа. Средняя скорость колеса 7км/ч. Колесо проходит 380мм перед изменением направления и устройство совершает приблизительно 67 циклов в минуту. Средняя глубина колеи в процентах рассчитывается по отношению к начальной толщине плиты. На приложение 3000 циклов требуется 1,5 часа, хотя процесс может быть завершен за 45 мин., однако после каждого измерения глубины колеи требуется восстановление температуры плиты, поскольку измерение осуществляется вручную, а для этого требуется открытие климатической камеры. Данный метод действителен только для смесей с максимальным размером частиц не более 20мм и имеет очень важный недостаток — данные, полученные в результате испытаний, не могут быть использованы для анализа механики покрытий и определения модуля упругости смеси из-за сложности и неизвестности напряженно-деформированного состояния в плите. 3. Метод с помощью испытательной установки нагружения колесом штата Джорджия (Georgia Loaded — Wheel Tester - GLWT). Установка измеряет чувствительность к колееобразованию путем катания стального колеса перпендикулярно шлангу, находящемуся под давлением и расположенным на поверхности асфальтобетонной балки при температуре 41 С. Стальное колесо, нагруженное грузами, катается взад-вперед по поверхности этого шланга для создания колеи за 2000 циклов. Балка во время испытаний со всех сторон обжата стальными пластинами, не доходя 12,7мм до верхней кромки. Средняя скорость колеса приблизительно 2км/ч, колесо проходит приблизительно 330мм прежде, чем изменит направление. Деформации измеряют в трех положениях: в центре балки, 51мм левее от центра и 51мм правее от центра и берут среднее арифметическое. Если средняя глубина колеи для трех балок превышает 7,6мм, то смесь чувствительна к колееобразованию. 4. Метод с помощью Гамбургского устройства колееобразования (HWTD). HWTD измеряет общий эффект колееобразования и разрушения от воды или движения стального колеса вдоль поверхности плиты из асфальтобетона, которая погружена в горячую воду. Испытания выполняются при 9540 проходах колеса и температуре 40 или 50С. Устройство испытывает плиты двумя вращающимися возвратно-поступательными стальными колесами. Колеса имеют диаметр 203,5мм и ширину 47мм. Установленная нагрузка 685Н и среднее напряжение при контакте составляет 0,73МПа. Средняя скорость колеса 1,1 км/ч. Глубина колеи в плите измеряется автоматически и непрерывно линей но-переменным дифференциальным преобразователем с точностью до 0,01мм. ..». «Кривая ползучести » используется для измерения предрасположенности к колееобразованию. Измеряются накопленные пластические деформации, прежде всего от механического воздействия. Она представляет собой обратную зависимость от скорости деформации (число проходов колеса на 1мм глубины колеи), или прямой участок на графике (рисунок 1.8) до «точки разрушения». По кривой разрушения определяют предрасположенность к колееобразованию вместо глубины колеи. Форма получаемой кривой (рисунок 1.8) подобна типичным кривым пластических деформаций, получаемых при испытаниях на ползучесть и циклическую нагрузку. SST - устройство для испытания на сдвиг по Суперпейв. SST это система гидропривода, которая может создавать осевые нагрузки, сдвигающие нагрузки и трехосное сжатие на асфальтобетонные образцы при заданных температурах. Реакция асфальтобетона на данные нагрузки может использоваться как входные данные для алгоритма, прогнозирующего поведение в период эксплуатации. Прибор позволяет проводить шесть видов испытаний: объемное сжатие; одноосное сжатие; циклический сдвиг при постоянной высоте; циклический сдвиг при постоянном коэффициенте асимметрии цикла напряжения; - простой сдвиг при постоянной высоте; - синусоидальное напряжение при постоянной высоте. Эти испытания детально описываются в стандарте AASHTO ТР7 [151]. Не трудно заметить, что большинство методов испытания асфальтобетонов на устойчивость к колееобразованию сводится к тому, что на стендах или установках пытаются имитировать движение автотранспорта по автомобильной дороге. Однако насколько бы ни были эти методы приближены к эксплуатационным условиям работы асфальтобетона, в сущности, они не в состоянии отразить реальное напряженно-деформированное состояние дорожной конструкции, поскольку не учитывают влияние слоев дорожной одежды, влияние земляного полотна, краевые эффекты и др.
Анализируя опыт отечественных и зарубежных исследований по вопросам колееобразования на автомобильных дорогах, профессор Васильев А.П. делает вывод: «К настоящему времени ни один из известных методов расчета и прогнозирования глубины колеи не позволяет с достаточной полнотой, точностью и достоверностью решать эту задачу» [10].
Описание механико-математической модели прогнозирования накопления остаточных деформаций
Асфальтобетон, являясь упруго-вязко-пластичным телом, подвергается в эксплуатационных условиях воздействию различных факторов — транспортных нагрузок, нагреву, охлаждению, увлажнению и т. п. Между тем расчет нежестких дорожных одежд, в том числе с асфальтобетонным покрытием, в соответствии с ОДН 218.046-01, в отношении прочности от воздействия транспортных нагрузок выполняется только в упругой постановке. И хотя в последние годы ряд отечественных и зарубежных исследователей разработали методы расчета дорожных одежд в упруго-вязкой постановке задачи, возможность образования на поверхности покрытий сдвиговых деформаций в жаркое время или температурных трещин при охлаждении зимой при расчете практически не учитывается или учитывается только косвенно [6,7,102]. В то же время влияние температурного воздействия на асфальтобетон не менее важно, чем динамическое воздействие от автомобильного транспорта: Асфальтобетон при различных видах воздействий, как уже отмечалось выше, ведет себя как упругое, упруго-вязкое или пластическое тело. Наиболее полно описывает поведение асфальтобетона в напряженно деформированном состоянии реология — наука о течении материалов.
Разными авторами (Максвелл, Кельвин, Шведов, Бингам и др.) предлагались различные механические модели и их описания. Как показали расчеты, математические уравнения этих моделей недостаточно полно описывают напряженно-деформированное состояние асфальтобетона. Ряд ученых пошли по пути объединения простейших механических моделей в одну более сложную с математическим описанием их работы. Одна из таких механических-моделей и наиболее близких к описанию упруго-вязких свойств асфальтобетонов - модель Богуславского (рис. 2.1). В этой модели элементы Максвелла и Кельвина, соединенные параллельно, описывают упруго-вязкие свойства асфальтобетона,а элемент Сен-Венана — пластические свойства [30]. Причем пластическая деформация развивается здесь не сразу, а после достижения а значения а0, причем оо может быть сколь угодно мало. Кроме того, при снятии нагрузки при релаксации или ретардации, пластическая деформация еп остается неизменной [30].
Однако данная модель представляет большую математическую сложность, поскольку дифференциальное уравнение этой модели не позволяет одновременно учитывать пластические свойства (модель Сен-Венана) и имеет где в- время релаксации, с; г- время ретардации (или время запаздывания деформации), с; Е - модуль упругости, МПа; є- относительная дефор-мация; t- время действия нагрузки, с; TJ- коэффициент вязкости, Н с/см ; т-напряжение, МПа. Разработкой механико-математических моделей, описывающих реальную работу асфальтобетона и всей дорожной конструкции, в разное время занимались ряд авторов как в нашей стране, так и за рубежом. Следует отметить прежде всего значительный вклад в решение данного вопроса профессоров А.П. Васильева, Ю.М. Васильева, Д.Б. Вольпер, Л.Б. Гезенцвея, И.В. Го-релышева, В.А. Золотарева, В.Д. Казарновского, М.С. Коганзона, Б.С. Радов-ского, И.А. Рыбьева, А.В. Смирнова, Ю.М. Яковлева [13,16,27,17,23,34-41,49,28,29,107-109,115-118,129,131-138,147,148]и др. Совершенствованием методики конструирования и расчета дорожных одежд в разное время также занимались такие ученые, как О.Т. Батраков, Г.С. Бахрах, П.И. Теля-ев[6,7,140], Однако до настоящего времени не получены решения на должном теоретическом уровне и не установлены закономерности процессов развития и накопления остаточных деформаций в элементах дорожных конструкций с учетом их реального пространственного нагружения и воздействия погодно-климатических факторов. Значительным вкладом в методику расчёта дорожных одежд с произвольной в плане и по глубине «геометрией», учитывающей различные граничные условия, неоднородность материалов слоев и грунта земляного полотна, включение дополнительных конструктивных элементов, являются работы С.К. Илиополова и М.Г. Селезнева[31-33]і Однако в их исследованиях задачи решаются в вязкоупругой постановке, не позволяющей прогнозировать и учитывать процесс накопления необратимых, остаточных деформаций в исследуемых системах.
В связи с изложенным, необходима разработка механиков математической модели, адекватно описывающей реальное строение и:пространственный характер нагружения анизотропной и многослойной дорожной конструкции и позволяющей учитывать: инерционность подвижного состава и дорожной конструкции; переменную во времени (в течение года и суток) интенсивность грузопотока, скорость движения транспортных средств и расположение движущихся автомобилей на проезжей части; влияние переменных во времени температурно-влажностных факторов; эффекты старения материалов, изменение характеристик и геометрических параметров дорожной конструкции вследствие ее неравномерного деформирования.
Подобная механико-математическая модель, позволяющая учитывать все перечисленные факторы была разработана в Ростовском Государственном Строительном Университете под руководством профессора В.П. Ма-туа[75-92]. В работе использован наиболее популярный при решении плоских и пространственных задач теории упругости и пластичности метод конечных элементов (МКЭ) в форме метода перемещений, позволяющий рассматривать области со сложной топологией при различных граничных условиях ].
Суть метода конечного элемента (МКЭ) состоит в подразделении модели сложной геометрической формы на мелкие части (конечные элементы) сравнительно простой формы, в пределах которых ищется приближённое решение. Результатом такого моделирования является поле напряжений и смещений в целой конструкции. Решение задачи с применением МКЭ состоит из следующих основных этапов [5]: создание геометрии модели; присвоение физических параметров элементам модели; разбиение на сетку конечных элементов; приложение к модели конечных условий; численное решение системы уравнений.
Обоснование геометрических характеристик экспериментальной модели по определению ползучести асфальтобетона
Теория ползучести максимально приближает расчет конструкций к действительным условиям их работы, устанавливающим зависимость между деформациями и напряжениями с учетом фактора времени. Введение координаты времени в расчеты сооружений само по себе не является новым, поскольку время всегда участвовало в задачах динамики сооружений, где учитывались силы инерции, пропорциональные ускорениям масс, и часто силы внутреннего трения, зависящие от скоростей деформации. В дальнейшем оказалось, что общие методы, разработанные в теории ползучести, без особого труда могут быть распространены и на «быстрые» процессы, и таким образом динамика сооружений оказывается в известном смысле частным случаем общей теории ползучести, поскольку она оперирует дифференциальными соотношениями между деформациями и усилиями, внешне совершенно аналогичными дифференциальным соотношениям теории ползучести. Стоит добавить к тому же, что теория упругости и теория пластичности также могут считаться частными и предельными случаями теории ползучести, в которых время может быть исключено из уравнений решаемых задач [124].
Первые практические методы расчета на ползучесть, появившиеся в 20-х годах прошлого века, были довольно примитивны, и не всегда теоретически обоснованы (следует отметить, что эти недостатки практических расчетов ползучести не вполне преодолены и в настоящее время). Тогда были предложены физические зависимости между деформациями и напряжениями, выражаемые следующими формулами: 1) функциональная связь между напряжениями и деформациями, включающая в себя время t: (так называемая теория старения); 2) такая же зависимость, но с заменой деформаций на их скорости є: (так называемая теория течения). Эти функциональные зависимости легко находятся из экспериментов на загружение образцов постоянными во времени напряжениями cr=const. Распространение указанных зависимостей на иные случаи загружения не является законным [124]. Более приемлемая форма зависимости между напряжениями и деформациями была предложена впервые Надай [163] и Дэйвенпортом [157]: где Е — модуль упругости материала. Эта форма имеет то преимущество, что в нее не входит явно время, и следовательно, закон деформирования не зависит от начала отсчета времени, как и должно быть для материалов с постоянными физико-механическими свойствами. Методы расчета, основанные на данной зависимости, получили название теории упрочнения. Эта теория и сейчас широко применяется на практике наравне с другими теориями. В 40-х годах ХХ-го века усилился интерес к линейной теории ползучести, главным образом в связи с использованием полимеров в качестве конструкционных материалов. Здесь получили распространение схематические представления структуры материала в виде моделей, подобных тем моделям, которыми оперировали в своих работах Максвелл, Кельвин, Фойгт. Для таких моделей соотношения между напряжениями и деформациями получаются в виде дифференциальных зависимостей, включающих в себя производные от напряжений и деформаций по времени первого и более высоких порядков. Дифференциальные соотношения, получаемые из рассмотрения моделей, не могли точно описать поведение образца в первые моменты времени после мгновенного приложения нагрузки. Поэтому вскоре на первое место в линейной ползучести выдвинулись более общие интегральные, так называемые наследственные, соотношения, теория которых была разработана Больцманом и Вольтерра. Развитие этой теории шло по линии связи ее с экспериментами, уточнения ядер интегральных зависимостей и применения к различным задачам практики. Здесь следует отметить работы Ю.Н. Работ-нова [111-114], М.И. Розовского [124,126], Г.Н. Маслова [74], Н.Х. Арутюня-на [3,4] и др. Ю. Н.Работновым и М. И. Розовским [126] были предложены формы наследственных зависимостей, пригодные для описания нелинейных процессов ползучести. В последнее время появились более общие нелиней--ные интегральные представления зависимостей напряжений от деформаций, включающих в себя многократные интегралы по времени [164-167]. Теория ползучести часто развивалась обособленно в различных отраслях техники, связанных с использованием различных материаловЮбщая линейная наследственная теория ползучести была предложена для бетона старого возраста с инвариантными во времени ядрами интегральных зависимостей А.Р. Ржаницыным [124]. Теория ползучести разрабатывается также применительно к расчетам грунтовых оснований [142-145], мерзлых грунтов [20], каменных конструкций [105], деревянных конструкций и т. д.
Проведение исследований ползучести асфальтобетона может стать одним из путей решения проблемы адекватного описания работы асфальтобетона в дорожном покрытии. Сама по себе ползучесть может дать только данные о накоплении полных деформаций, т.е. сумму из двух деформаций - обратимых (упругих) и необратимых (пластических). Фактически же для адекватной работы ранее описанного программного комплекса необходимо иметь данные не только по полным деформациям, но и по накоплению остаточных (необратимых) деформаций в асфальтобетонных слоях дорожных конструкций. Подобного рода данные можно получить путем проведения испытаний с попеременным загружением - разгружением асфальтобетонных образцов. В результате проведения таких испытаний может быть получена характерная кривая циклической деформации образцов, когда деформация нарастает после приложения нагрузки и спадает после снятия напряжения, т.е. происходит постепенное восстановление геометрической формы образца. Характер подобной кривой показан на рис. 2.4.
Описание программного комплекса расчета накопления остаточных деформаций в конструкциях нежесткой дорожной одежды
В соответствии с предлагаемой в диссертационной работе методикой осуществляется прогнозирование и учет развития поперечной неровности дорожных покрытий вследствие накопления остаточных деформаций в слоях нежестких дорожных одежд и земляном полотне.
Данная методика основана на разработанной под руководством проф. Матуа В.П. механико-математической модели, реализованной в программном комплексе «Прогнозирование и учет накопления остаточных деформаций при проектировании нежестких дорожных одежд» [96].
Действующая методика расчета нежестких дорожных одежд на прочность по ОДН 218.046-01 [102] недостаточно учитывает упруго-вязко-пластические свойства грунтов и материалов конструктивных слоев дорожной одежды, проявляющиеся при воздействии многократных кратковременных нагрузок. В расчетах используется не пространственная постановка задачи, а ее частный случай - осесимметричная модель упругого полупространства, ко торая не позволяет учитывать инерционность движущейся массы и осность автомобиля, а также влияние на напряженно-деформированное состояние (НДС) конечных поперечных размеров автомобильной дороги и места распо ложения нагрузки на проезжей части. Решение перечисленных задач предлагается в пространственной постановке при рассмотрении полной системы уравнений движения. Это позволяет определять не только величину конечных перемещений точек элементов дорожных конструкций в равновесном состоянии, но и исследовать процесс достижения этого состояния во времени. Для объективной оценки НДС дорожных конструкций применение статических методов решения, как это предусмотрено в действующих нормативных документах, недостаточно. Необходимо использование более общих - динамических уравнений. В соответствии с разработанной методикой предлагается проектирование дорожных одежд нежесткого типа осуществлять в два этапа: Первый этап - конструирование и расчет нежестких дорожных одежд в соответствии с ОДН 218.046-01 «Проектирование нежестких дорожных одежд» [102], что предусматривает: S расчет конструкции по допускаемому упругому прогибу; S расчет по условию сдвигоустойчивости подстилающего грунта и малосвязных конструктивных слоев; S расчет конструкции на сопротивление монолитных слоев усталостному разрушению от растяжения при изгибе. При необходимости проводится проверка дорожной конструкции на морозоустойчивость и проектируются устройства по ее осушению. Второй этап — проверка дорожной конструкции на накопление остаточных деформаций в ее элементах при комплексном воздействии пространственных динамических нагрузок и погодно-климатических факторов. Прогнозирование накопления остаточных деформаций осуществляется с помощью разработанной механико-математической модели, адекватно описывающей реальное строение и динамический характер нагружения анизотропной и многослойной дорожной конструкции, позволяющей рассматривать задачу в пространственной постановке и учитывать: S инерционность подвижного состава и дорожной конструкции; S переменную во времени (в течение года и суток) интенсивность грузопотока, скорость движения транспортных средств и расположение движущихся автомобилей на проезжей части; S влияние переменных во времени температурно-влажностных факторов; S изменение характеристик и геометрических параметров дорожной конструкции вследствие ее неравномерного деформирования. Для оценки напряженно - деформированного состояния дорожной конструкции производится преобразование динамической нагрузки к переменной во времени «квазистатической», постоянной в пределах некоторых «базовых» временных интервалов. В качестве таковых выбираются промежутки времени, в течение которых интенсивность и состав движения можно принять достаточно постоянным (в работе принят 1 час). Учет сезонных и суточных колебаний температурно-влажностных факторов в дорожной конструкции будут обеспечиваться автоматически, т.к. на их чувствительное изменение требуется гораздо больше времени. Методика построения "квазистатической нагрузки" состоит из четырех последовательных шагов: 1 шаг: проводится серия динамических расчетов на воздействие раз личных автотранспортных средств (АТС) на дорожную конструкцию в пространственной постановке с учетом фактической и перспективной интенсивности и состава движения, скорости движения автомобилей и их расположения на проезжей части. 2 шаг: для каждого возможного варианта динамического воздействия АТС вначале определяется максимальная «квазистатическая нагрузка» из условия равенства максимальных перемещений в точках поперечного сечения дороги (от движущегося автомобиля и максимальной приведенной нагрузки). 3 шаг: определяется «приведенная нагрузка» для данного варианта воздействия автомобиля и расчетного периода времени Т. Следует отметить, что подобная операция проводится для каждого транспортного средства, предполагаемого для включения в состав движения. 4 шаг: проводится суммирование всех «приведенных нагрузок» от тех транспортных средств, которые включаются в пакет движения за период времени Т. Для прогнозирования накопления остаточных деформаций материалов конструктивных слоев дорожных одежд принята реологическая модель вязкого течения в форме Шведова-Бингама, модифицированная с учетом изменяющихся во времени входящих в ее уравнения параметров. Укрупненная блок-схема программного комплекса прогнозирования накопления остаточных деформаций в дорожных конструкциях приведена на рис. 2.2.
В случае накопления за межремонтный срок в элементах дорожных конструкций остаточных деформаций, превышающих предельно допустимые значения (с точки зрения предусмотренных действующими нормативными документами требований к ровности покрытия) (табл. 4.2, 4.3) дорожную одежду корректируют.
