Delist.ru

Совершенствование метода определения прочности нежестких дорожных одежд динамическим нагружением (18.04.2011)

Автор: Мордвин Сергей Сергеевич

Рис 3. Теоретические зависимости снижения модуля упругости с повышением температуры при различной толщине связных слоев

При температуре связных слоев +50°С их роль в обеспечении прочности дорожной одежды чрезвычайно низка. Уже при температуре +30°С увеличение толщины связного слоя с 10 до 25 см приводит к увеличению модуля всего на 100 МПа, тогда как при температуре +10°С такое увеличение толщины приводит к возрастанию модуля на 260 МПа.

На основе изложенного можно сделать вывод, что оценку прочности целесообразно проводить при температурах связных слоев, близких к расчетным, и не выполнять измерения при температурах свыше +30°С. Адекватно компенсировать поправками существенное снижение прочности сложно, поскольку представляет определенную трудность учет фактического распределения температур по глубине связного слоя

Для практического исследования влияния температуры на модули упругости одежд на семи участках автомобильной дороги с различными конструкциями дорожных одежд в диапазоне температур от 5 до 30°С были экспериментально определены прогибы, и по прогибам рассчитаны модули упругости. Температуру определяли на поверхности дорожного покрытия летом в различное время суток. Результаты натурного эксперимента отражены на рис.4. Из его рассмотрения следует, что на различных конструкциях дорожных одежд с повышением температуры покрытия прослеживается тенденция снижения модуля упругости по зависимостям, близким к линейным.

Рис.4. Зависимость модуля упругости дорожных одежд от температуры покрытия

Как в результате теоретического расчета, так и при измерениях выявлено существенное снижение модуля упругости при увеличении температуры связных слоев. Однако конфигурации теоретически рассчитанных и экспериментально определенных кривых несколько отличаются. Обращает на себя внимание и то, что при эксперименте зафиксировано более существенное влияние повышения температуры на снижение общего модуля упругости дорожных одежд. Некоторое расхождение теории с практикой может объясняться многими причинами – несоответствием использованной в расчете зависимости модуля упругости от температуры асфальтобетона фактической, присущей испытуемому асфальтобетону, погрешностями, допускаемыми при замерах температуры покрытия, отличием измеренной при эксперименте температуры поверхности асфальтобетонного покрытия от температуры всего связного слоя и т.д.

При проведении диагностики достаточно просто определить температуру поверхности покрытия, тогда как определение температуры всего связного слоя сопряжено с большими сложностями. На практике в дорожной одежде распределение температуры по глубине определяется многими факторами – временем суток, солнечной активностью, температурой слоев основания и их теплопроводностью, скоростью ветра, влажностью и температурой земляного полотна и т.д. В ходе выполнения измерений прочности дорожной одежды в полной мере учесть влияние всех этих факторов на распределение температуры в связных слоях не представляется возможным. В работе исследованы величины погрешностей, которые могут быть внесены в результаты при учете только лишь температуры поверхности асфальтобетонного покрытия, а не всего связного слоя. Сравнение модулей, полученных с учетом изменения температуры по глубине связного слоя, с модулями, определенными с учетом только температуры поверхности покрытия без учета её изменения по глубине слоя, показывает, что в летнее время в результаты может быть привнесена ошибка до 6%.

Наименьшая разница между модулем, определенным с учетом распределения температуры по глубине связного слоя, и модулем, рассчитанным с учетом температуры лишь на поверхности покрытия, будет получена в утреннее время, когда температура на поверхности близка средней температуре всего связного слоя. Наибольшая ошибка может быть получена в дневное и ночное время, когда температура на поверхности существенно отличается от средней температуры всего слоя.

При проведении диагностики допустимо учитывать температуру связных слоев по результатам замеров лишь температуры поверхности покрытия, однако измерения целесообразно проводить в утренние и вечерние часы. При этом ошибка, связанная с некорректным учетом температуры, не превысит 2…3%.

В результате теоретических и экспериментальных рассмотрений получена зависимость величины поправки модуля от температуры и толщины связных слоев.

где T – температура связных слоев, °С;

k, b – коэффициенты зависимости.

Установленные в работе значения коэффициентов k и b могут быть определены по приведенным в работе графикам.

При выполнении измерений прочности на дорогах, находящихся в эксплуатации в течение многих лет, толщина связных слоев может существенно меняться по длине дороги, что связано с проведением ремонта картами, ямочным ремонтом, укладкой выравнивающих слоев. В этом случае получить достоверные сведения о толщине связных слоев не представляется возможным. В таком случае в полевых условиях можно воспользоваться номограммой (рис. 5), которая построена по средним значениям величины снижения модуля упругости в процентах в зависимости от температуры покрытия и толщины связных слоев.

Рис. 5. График определения величины температурной поправки в полевых условиях в зависимости от толщины связных слоев

При разрушениях дорожной одеждой сеткой трещин температурную поправку учитывать не требуется, а в полной мере её необходимо учитывать только тогда, когда дорожная одежда не разрушена трещинами. Для выявления влияния трещин на прогибы дорожного покрытия были выполнены измерения прогибов при различном расстоянии штампа установки динамического нагружения до трещины, а затем рассчитан коэффициент снижения прочности дорожной одежды в зависимости от расстояния до трещины. Измерения показали, что при установке штампа на трещине прогибы увеличивались на 25…30%, тогда как при расположении штампа установки более 3 м от трещины её наличие никак не сказывалось на прочности дорожной одежды. Это можно объяснить тем, что при расстоянии от трещины более 3 м она оказывается вне чаши прогиба и не влияет на прогибы. Располагая штамп на одиночной трещине, необходимо снижать температурную поправку, поскольку в этом случае связные слои уже работают не в полной мере и в большей степени в работу вовлекается несвязное основание, прочностные свойства которого не зависят от температуры. В работе рассчитаны коэффициенты снижения температурной поправки, учитывающие влияние степени разрушения связного слоя трещинами.

При проведении исследования большое количество опытов было выполнено в весенний период. Работы проводились с целью выявления влияния весеннего переувлажнения на прогибы дорожных одежд при динамическом нагружении. Исследовалась сеть дорог Калужской области, где было выбрано 70 участков, отличающихся конструкцией дорожной одежды, сроком службы покрытия, грунтами и рабочими отметками земляного полотна. Автомобильные дороги, на которых проводили замеры прочности, существенно различались интенсивностью и составом движения. Исследования начали проводить в ноябре до появления отрицательных температур, а завершили работы в июне следующего года.

В результате анализа изменения прогибов во времени не было выявлено их зависимости от влажности грунтов. Было замечено, что на дорогах с высокой интенсивностью движения снижение прочности после оттаивания грунта не было столь существенным, как на дороге с низкой интенсивностью. Результаты наблюдений показали, что в период оттаивания земляного полотна грузовое движение ускоряет процесс доуплотнения разрыхленного грунта и тем самым благоприятно влияет на снижение прогибов дорожной одежды при полном оттаивании.

Установлено, что в процессе весеннего оттаивания и после него интенсивность и состав движения оказывают значительно большее влияние на динамические прогибы, чем влажность земляного полотна. На дорогах с одиночным и нетяжелым движением после полного оттаивания по мере уплотнения грунта прочность увеличивается медленно. В июне после просыхания земляного полотна модуль упругости на таких участках достигал лишь 0,6…0,7 модуля упругости в осенний период. На основе проведенного исследования сделан вывод о нецелесообразности проведения измерений прочности динамическим нагружением до момента уплотнения разрыхленного при оттаивании грунта.

В главе 4 разработана методика оценки прочности на участках ремонта. Действующая методика, реализующая при определении минимального модуля вероятностный подход, не гарантирует наличия на каком–то определенном, локальном месте участка ремонта модуля, значение которого будет меньше рассчитанного, о чем свидетельствуют результаты оценки прочности при приемочных испытаниях.

В то же время представляется чрезвычайно затратным назначать конструкцию усиления на всем 3…5 – километровом участке исходя из прочности наиболее слабого места. Такой подход был вполне оправдан в условиях, когда из-за большой трудоемкости измерений найти этот слабый участок не представлялось возможным. На Сегодняшний день с появлением установок высокой производительности имеются технические возможности выполнения детального обследования состояния прочности по всей длине назначенного участка ремонта с интервалами между измерениями 20…25м и менее.

В последние годы на участках ремонта, как правило, с целью выравнивания производится фрезерование покрытия. При фрезеровании в отдельных местах снимается слой асфальтобетона до 10, а иногда и более сантиметров. Чрезмерно глубокое фрезерование покрытия также может являться причиной неудовлетворительной прочности отремонтированного участка. В работе рассмотрено влияние глубины фрезерования на прочность и сделан вывод о нецелесообразности выполнения фрезерования при небольших толщинах связных слоев ремонтируемой дороги.

Рис. 6. Результаты измерения прочности до и после фрезерования покрытия дорожной одежды

На практике, из-за большой трудоемкости выполнения измерений прочности как статическим, так и динамическим способами, при проведении диагностики представляется возможным произвести не более одного-двух замеров на 1 км дороги. В связи с тем, что при такой диагностике не представляется возможным выявить фактическое состояние прочности дорожной одежды, на участке ремонта чаще всего назначенной конструкцией усиления не удается повсеместно обеспечить требуемый модуль упругости.

Поскольку экономические потери, которые несут пользователи дороги, не зависят от состояния прочности дорожной одежды, а определяются ровностью проезжей части, целесообразно адреса ремонта назначать по результатам мониторинга ровности дорожного покрытия без учета состояния прочности дорожных одежд. Отказ при выполнении диагностики от проведения измерений прочности на всем протяжении обследуемой дороги позволит использовать имеющиеся установки только на участках планируемого ремонта, что дает возможность получения фактических показателей прочности на всем протяжении выбранного участка с существенно большей достоверностью. Повышением достоверности результатов оценки прочности может быть достигнуто снижение строительных затрат как по причине отсутствия участков с избыточной прочностью, так и в результате ликвидации мест с показателями прочности ниже требуемой величины. С целью обнаружения мест с пониженной прочностью на участке будущего капитального ремонта могут быть выполнены измерения прочности по полосам движения с интервалом до 50 м по каждой полосе со смещением в шахматном порядке, а в местах существенного снижения прочности (там, где укладкой планируемых слоев конструкции не будет достигнут требуемый модуль) необходимо проводить дополнительные измерения через 5…10 м в обе стороны от точки измерения. Целью данной операции является более точное определение границ участка с пониженной прочностью. На выявленных участках для определения причин снижения прочности необходимо провести дополнительные обследования, например, выполнить бурение покрытия с целью определения оставшейся толщины связных слоев одежды, взять пробу грунта для определения процентного содержания пылеватых частиц, оценить толщину и состояние щебеночного и песчаного слоёв.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Проведенные исследования влияния параметров динамического импульса позволили определить их оптимальные значения. Установлена связь между параметрами динамического импульса и модулем упругости дорожной одежды. Полученные зависимости дают возможность для различных конструкций устройств динамического нагружения по параметрам динамического импульса и замеренным прогибам определять модули упругости дорожной одежды, что обеспечивает единство измерений приборами динамического нагружения, отличающимися конструктивными особенностями.

2. Разработана методика учета влияния температуры связных слоев дорожной одежды и степени их разрушения на упругие прогибы, что позволяет выполнить коррекцию определяемых по прогибам модулей упругости.

3. При температуре связных слоев свыше 30°С роль связных слоев в обеспечении общей прочности дорожной одежды резко снижается. В связи с этим представляется нецелесообразным в этих условиях выполнять экспериментальную оценку прочности дорожных одежд.

4. Установлено, что увеличение динамических прогибов дорожной одежды в весенний период в большей мере связано с процессом разрыхления подстилающего грунта земляного полотна при его оттаивании, нежели с увеличением влажности.

5. Весной в период оттаивания грунта земляного полотна движение грузовых автомобилей может играть положительную роль. На дорогах с интенсивным движением грузовых автомобилей в период оттаивания грунта при полном его оттаивании прочность дорожной одежды снижается в меньшей степени, чем на дорогах с менее интенсивным движением, что можно объяснить фактором послойного уплотнения разрыхленного при оттаивании грунта по мере продвижения положительных температур к границе промерзания.

6. Разработана методика оценки прочности на участках проектируемого ремонта, позволяющая выявить места, на которых планируемой конструкцией усиления требуемый модуль упругости достигнут не будет.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ ОТРАЖЕНЫ В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ.

Кузнецов, Ю.В. Проблемы оценки прочности нежёстких дорожных одежд/ Ю.В. Кузнецов, С.С. Мордвин // Проектирование автомобильных дорог: сб. науч. тр. МАДИ (ГТУ). – М., 2007. – С.56–69.

Кузнецов, Ю.В. Динамика изменения прочности нежестких дорожных одежд в осенне–весенний период/ Ю.В. Кузнецов, С.С. Мордвин // Проектирование автомобильных дорог: сб. науч. тр. МАДИ (ГТУ). – М., 2009. – С. 174–182.

Кузнецов, Ю.В. Оценка прочности дорожной одежды динамическим нагружением/ Ю.В. Кузнецов, С.С. Мордвин // Транспортное строительство. –2010. – № 2. – С. 15–17.

Мордвин, С.С. Влияние температуры дорожной одежды на величину динамического прогиба/ С.С. Мордвин // Наука и техника в дорожной отрасли. – 2010. – №2. – С. 31–34.

загрузка...