Диагностика дорожных одежд нежёсткого типа методом сложного нагружения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.11, кандидат технических наук Гузненок, Сергей Александрович

• Гузненок, Сергей Александрович
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Гузненок, Сергей Александрович

ВВЕДЕНИЕ

1 АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ ОЦЕНКИ ТРАНСПОРТНО-ЭКСПЛУАТАЦИОННОГО КАЧЕСТВА ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД НЕЖЁСТКОГО ТИПА

1.1 Обзор литературных источников методов оценки транспортно-эксплуатационного качества нежёстких дорожных одежд

1.2 Определение деформационно-прочностных характеристик дорожных конструкций

1.3 Методы оценки прочности покрытий дорожных одежд нежёсткого типа

1.4 Методы и приборы для оценки сдвигоустойчивости асфальтобетонных покрытий

1.5 Выводы по главе, постановка задачи на проведение математического моделирования

2 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА СЛОЖНОГО НАГРУЖЕНИЯ НА ПОВЕРХНОСТЬ КОНСТРУКЦИИ ДОРОЖНОЙ ОДЕЖДЫ НЕЖЁСТКОГО ТИПА

2 Л Решение частной задачи напряжённо-деформированного состояния слоя покрытия дорожной одежды нежёсткого типа, её граничные условия

2.2 Математическое моделирование процесса сложного нагружения дорожной одежды нежёсткого типа от транспортного воздействия

2.3 Анализ результатов моделирования напряжённо-деформированного состояния слоя покрытия дорожной одежды нежёсткого типа

2.4 Расчёт напряжённо-деформированного состояния дорожной одежды под воздействием транспортных средств

2.5 Выводы по главе, постановка задачи на отработку методики измерения сдвига покрытия и проведение натурного эксперимента

3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРЯЖЁННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ДОРОЖНОЙ КОНСТРУКЦИИ НЕЖЁСТКОГО ТИПА ПРИ СЛОЖНОМ НАГРУЖЕНИИ

3.1 Методика определения напряжённо-деформированного состояния дорожной конструкции нежёсткого типа при сложном нагру-жении

3.2 Обоснование конструктивных параметров установки на основе метода сложного нагружения для диагностики конструкций

3.3 Анализ полученных экспериментальных результатов

3.4 Выводы по третьей главе

4 АНАЛИЗ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД НЕЖЁСТКОГО ТИПА МЕТОДОМ СЛОЖНОГО НАГРУЖЕНИЯ, ВЫРАБОКА РЕКОМЕНДАЦИЙ

И РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКОГО РЕГЛАМЕНТА

4.1 Анализ и сопоставление теоретических и экспериментальных результатов

4.2 Методика определения характеристик слоев дорожных одежд нежёсткого типа и уравнение общего модуля упругости дорожной конструкции при сложном нагружении

4.3 Рекомендации по использованию методики определения характеристик слоев дорожных одежд нежёсткого типа методом сложного нагружения 106 Общие выводы 112 Список литературных источников 114 ПРИЛОЖЕНИЯ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «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 конструкции; модель 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 нагружении; а 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 конструкции; в работе [18] рассмотрен вопрос влияния температуры на образование дефектов дорожной конструкции; в 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.