Диагностика дорожных одежд нежёсткого типа методом сложного нагружения

Актуальность темы

Длительное использование автомобильных дорог без надлежащего уровня содержания во многих регионах России привело к их критическому состоянию. Несмотря на то, что отрасль долгое время находилась в рамках жёстких бюджетных ограничений, специалистам-дорожникам удалось сохранить и преумножить положительный опыт по содержанию автомобильных дорог. Существующая практика показала высокие транспортно-эксплуатационные характеристики асфальтобетонных покрытий, и в настоящее время данный материал широко распространён. Но, как и любому материалу, ему свойственны изменения технико-эксплуатационных свойств, связанных с его реологическими характеристиками, изменяющимися в процессе эксплуатации транспортного сооружения.

Транспортные средства оказывают комплексное нагружение дорожной конструкции, выраженное в характеристиках транспортного потока, что приводит к её разрушению. Стандартные методики по определению параметров конструкции дорожной одежды опираются на предельные показатели, получаемых в основном при разрушении образцов в лабораторных условиях, в результате чего они показывают не реальное взаимодействие с транспортным потоком, а только характеризуют свойство самого материала — асфальтобетона. Для правильного прогнозирования долговечности дорожных одежд нежёсткого типа желательно оценивать их соизмеримыми показателями, что вызывает определённую сложность, как в проведении таких исследований, так и в оценке получаемых данных.

В нормативной литературе определение «диагностика автомобильных дорог» характеризует обследование, сбор и анализ информации о параметрах, характеристиках и условиях функционирования дорог и дорожных сооружений, наличие дефектов и причин их появления, параметры транспортных потоков и другую необходимую для оценки и прогноза состояния дорог и дорожных сооружений в процессе дальнейшей эксплуатации информацию [15, 89].

Оценка эксплуатационных параметров дорожного покрытия опирается на большое количество показателей, не связанных между собой, и, к сожалению, зависимости между ними мало коррелированы. В тоже время совершенствование методов расчёта и контроля технологии строительства дорожных конструкций способствует улучшению эксплуатационных характеристик, повышению надёжности и безопасности дорожного движения, а также эффективному использованию финансовых ресурсов отрасли.

Вопросами оценки технико-эксплуатационного качества дорожных одежд нежёсткого типа занимались В. К. Апестин, А. К. Бируля, В. Ф. Баб-ков, В. П. Матуа, Н. Н. Иванов, С. К. Илиополов, Ю. И. Калгин, Вл. П. Подольский, Г. И. Покровский, Р. М. Раппопорт, М. Я. Якунин и др., исследования которых показали, что напряжённо-деформированное состояние конструкций дорожных одежд нежёсткого типа оказывает влияние на образование остаточных деформаций и разрушение покрытий [4, 6, 8, 9, 10, 11, 42, 44, 47, 52, 80,81,96].

Существует большое количество конструкций дорожных одежд нежёсткого типа, отличающихся количеством слоёв и их параметрами. Они могут обладать одинаковой величиной прогиба под статической или динамической нагрузкой, но отличаться параметрами, характеризующими конструктивные слои, что влечёт неоднозначность и, как следствие, переоценку их технико-эксплуатационного качества, проявляемого в процессе эксплуатации в образовании необратимых деформаций и разрушений.

Получение точной оценки технико-эксплуатационного качества слоёв дорожных одежд нежёсткого типа — сложный и длительный процесс, требующий большого количества измерений, специализированных приборов и оборудования, а также методик, позволяющих устранить неоднозначность в её определении, и является актуальной научно-технической задачей.

Объект исследования — конструкция дорожной одежды, состоящая из слоёв нежёсткого типа.

Предмет исследования — деформации слоёв нежёсткого типа возникающие при сложном типе нагружения, эквивалентном транспортному воздействию.

Целью работы является разработка метода диагностики транспортно-эксплуатационного качества слоёв дорожных одежд нежёсткого типа методом сложного нагружения.

Основные задачи работы:

— выполнить анализ существующих методов оценки транспортно-эксплуатационного качества слоёв дорожных одежд нежёсткого типа;

— разработать математическую модель деформации дорожной одежды нежёсткого типа, подвергаемой транспортному воздействию;

— разработать методики по определению величины деформации сдвига поверхности покрытия и диагностики технико-эксплуатационного качества слоёв дорожных одежд нежёсткого типа;

— провести натурный эксперимент по определению напряжённо-деформированного состояния дорожной конструкции при сложном типе нагружения, выявить закономерности деформаций сдвига верхнего слоя асфальтобетонного покрытия и связи с общим модулем упругости конструкции;

— разработать технический регламент определения общего модуля упругости слоёв дорожных одежд нежёсткого типа при их аппаратурной диагностике методами неразрушающего контроля.

Научная новизна заключается в следующем:

— разработана детерминированная математическая модель нелинейной деформации многослойной дорожной одежды нежёсткого типа, подвергаемой транспортному воздействию, вызывающему сложное нагружение и влияющему на величину деформации слоёв дорожной конструкциимодель отличается от известных внесением величины деформационного сдвига верхнего слоя покрытия в месте контакта с колесом транспортного средства;

— разработана методика диагностики транспортно-эксплуатационного качества дорожных одежд нежёсткого типа, позволяющая определить их напряжённо-деформированное состояние при сложном типе нагружения и повышающая точность определения прочности конструкции. Она позволила уменьшить противоречие, вызванное неоднозначностью влияния модуля упругости низлежащих слоёв при определении общего модуля упругости дорожной одежды нежёсткого типа;

— получены зависимости деформации сдвига асфальтобетонного покрытия для диагностируемой дорожной конструкции, подвергаемой сложному типу нагружения, возникающего при воздействии колёсной нагрузки от транспортных средств;

— получена экспоненциальная температурная зависимость деформации сдвига асфальтобетонного покрытия, подвергаемого сложному нагружению. Использование данной зависимости позволяет определить величину горизонтальной деформации верхнего слоя асфальтобетонного покрытия при воздействии нормативной транспортной нагрузки в широком диапазоне температур.

Достоверность полученных результатов, научных положений, выводов и рекомендаций, приведённых в работе, подтверждается объёмом теоретических, лабораторных и опытно-экспериментальных исследований, выполненных в ходе изучения явлений и процессов, лежащих в основе связи между эксплуатационными свойствами дорожной конструкции и характеристиками транспортного потока, с использованием современных методов и приборов, позволяющих провести эксперименты с допустимой погрешностью.

Теоретическую основу исследования составили аналитические и численные решения дифференциальных уравнений величины деформации сдвига дорожной конструкции под воздействием нагрузки в транспортном потоке и связанной с ней необратимой деформации.

Научная значимость заключается в разработке математической модели деформации многослойной дорожной одежды нежёсткого типа при сложном нагружении, а также температурных зависимостей деформаций покрытия, подвергаемого транспортному воздействию.

Практическая значимость работы заключается в разработке методики измерения величины деформации сдвига поверхности покрытия дорожной конструкции нежёсткого типа и разработке экспериментальной установки, позволяющей их измерить при сложном нагруженииа также в разработке методики диагностики транспортно-эксплуатационного качества слоев одежд нежёсткого типа методом сложного нагружения, позволяющей на основе измерений определить напряжённо-деформированное состояние конструкции и технического регламента определения общего модуля упругости слоёв дорожных одежд нежёсткого типа при их аппаратурной диагностике методами неразрушающего контроля.

На защиту выносятся:

— детерминированная математическая модель нелинейной деформации многослойной дорожной одежды нежёсткого типа при сложном нагружении, возникающем от транспортного воздействия. Она отличается от известных моделей использованием величины деформационного сдвига верхнего слоя покрытия в области контакта с колесом транспортного средства;

— методика экспериментального определения величины деформации сдвига поверхности покрытия дорожной конструкции нежёсткого типа, позволяющая измерить напряжённо-деформированное состояние дорожной конструкции при сложном нагружении;

— методика диагностики слоёв дорожных одежд нежёсткого типа, повышающая точность определения прочности конструкции. Данная методика позволяет сравнивать параметры качества слоёв дорожной одежды нежёсткого типа на любом этапе жизненного цикла;

— зависимости деформации сдвига асфальтобетонного покрытия для диагностируемой дорожной конструкции, подвергаемой сложному типу нагру-жения, возникающего при воздействии колёсной нагрузки от транспортных средств;

— температурные зависимости деформации сдвига слоя асфальтобетонного покрытия дорожной конструкции, подверженной сложному нагруже-нию, эквивалентному воздействию от колеса транспортного средства;

— технический регламент определения общего модуля упругости слоёв дорожных одежд нежёсткого типа при их аппаратурной диагностике методами неразрушающего контроля.

Методы исследования. Работа выполнена с использованием комплексных методов исследования, включающих патентно-информационный анализ, методы численного (с применением решений уравнений в частных производных) и натурного экспериментального моделирования воздействия на дорожные одежды нежёсткого типа, а также с применением измерительных приборов и методов неразрушающего контроля.

Апробация результатов исследований. Основные результаты исследований и научных разработок докладывались и обсуждались на XIX межвузовской научно-практической конференции «Перспектива — 2009» (г. Воронеж, 2009 г.), международной научно-методической конференции «Эффективные материалы, технологии, машины и оборудование для строительства и эксплуатации современных транспортных сооружений» (г. Белгород, 2009 г.), международной научно-методической конференции «Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в промышленности строительных материалов» (г. Белгород, 2010 г.), международной научно-методической конференции «Инновационные материалы и технологии» (г. Белгород, 2011 г.), всероссийской научно-практической конференции «Современные проблемы и перспективные направления развития авиационных комплексов и систем военного назначения, форм и способов их боевого применения» (г. Воронеж, 2011 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 научных статей общим объёмом 31 страница, из них лично автору принадлежит 23 страницы. Три работы опубликованы в изданиях, включённых в перечень ВАК ведущих рецензируемых журналов, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертации: «Известия ОрёлГТУ. Серия: Строительство и транспорт» и «Научный вестник Воронежского ГАСУ. Строительство и архитектура».

В статьях, опубликованных в рекомендованных ВАК изданиях, изложены основные результаты диссертации: в работе [82] рассмотрены вопросы влияния возникающих деформаций на изменение прочности конструкциив работе [18] рассмотрен вопрос влияния температуры на образование дефектов дорожной конструкциив работе [19] рассмотрены результаты моделирования влияния модуля сдвига при сложном нагружении нежёсткой дорожной одежды на расчётную величину модуля упругости основания.

Объём и структура диссертации. Работа общим объёмом 147 страниц машинописного текста состоит из введения, четырёх глав, выводов, списка литературы из 133 наименований и приложения. В текст диссертации включены 7 таблиц и 22 рисунка.