Прогнозирование повреждений жестких слоев дорожных одежд на основе математического моделирования тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.11, доктор технических наук Носов, Владимир Петрович

• Носов, Владимир Петрович
• доктор технических наук
• 1997

Оглавление диссертации доктор технических наук Носов, Владимир Петрович

Введение

1. Основные предпосылки и задачи исследования по 5 прогнозированию работоспосбности дорожных одежд.

1.1. Основные предпосылки исследования

1.2. Физические модели разрушения цементобетона

1.3. Динамика изменения состояния бетонных покрытий и схемы их разрушения

1.4. Анализ методов прогнозирования работоспсоб-ности и сроков службы дорожных одежд

1.5. Оценка надежности дорожных покрытий и ее связь с долговечностью и работоспособностью

1.6. Основные требования к модели и принципы ее функционирования

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Прогнозирование повреждений жестких слоев дорожных одежд на основе математического моделирования»

Актуальность теш. В конце 1994 года Постановлением правительства N0 1310 была утверждена Федеральная программа развития автомобильных дорог Российской Федерации "Дороги России". Программа предусматривает значительные средства на ремонт и реконструкцию наиболее напряженных автомобильных дорог.

Рациональное использование выделяемых средств зависит от правильности и объективности оценки текущего состояния автомобильных дорог и, в наибольшей степени, от точности прогнозирования процесса накопления повреждений дорожных одежд.

Многочисленные примеры преждевременного разрушения дорожных одежд на автомобильных дорогах являются мощным стимулом к изучению причин этих неблагоприятных явлений и количественной оценки каждого фактора, оказывающего влияние на интенсивность разрушения.

Сложность этой задачи определяется необходимостью иэу-чать процессы на отрезке времени в 15-30 лет, так как именно столько дорожные одежды должны служить до капитального ремонта в соответствии с действующими нормами, а также стохастическим характером воздействий транспортного потока и природной среды.

Постоянные изменения метеорологических условий вызывают сложные физические процессы и явления в грунтах земляного полотна и в материалах дорожных одежд, которые существенным образом изменяют физико-механические свойства и приводят к изменению параметров напряженно-деформированного состояния конструкции.

Под влиянием атмосферных явлений изменяется распределение влажности по глубине грунтового основания, в зимний период при отрицательных температурах появляется слой мерзлого грунта переменной толщины, весной с наступлением устойчивых положительных температур на поверхности мерзлого грунта образуется слой талого грунта, насыщенный влагой.

В результате значительно изменяется интенсивность накопления повреждений, снижаясь при увеличении толщины мерзлого слоя и возрастая при оттаивании и увеличении влажности грунта.

Другой причиной изменения интенсивности накопления повреждений являются переменное температурное поле покрытия, способное либо усиливать повреждения вызываемые проездом автомобилей, либо ослаблять их в те периоды времени, когда напряжения от температуры и автомобильной нагрузки не совпадают по знаку.

Зарубежные исследования в этом направлении были ориентированы на дорогостоящие эксперименты, наиболее масштабным из которых является широко известный эксперимент по программе Американской Ассоциации дорожных организаций (ААБНО), потребовавший для реализации несколько сотен миллионов долларов.

Однако применимость его результатов весьма ограничена, вследствие отсутствия учета климатических факторов в рекомендованных эмпирических зависимостях.

Значительно возросшие возможности современной вычислительной техники позволили с новых позиций подойти к решению данной задачи, применяя более сложные математические модели совсем недавно казавшиеся нереализуемыми из-за чрезвычайно большого объема вычислительной работы.

Таким образом настоящая работа представляет собой новое научное направление в исследовании процессов накопления повреждений дорожных одежд на основе математического моделирования для учета многообразия влияющих факторов и их изменчивости в процессе эксплуатации дороги.

Пелью исследования является разработка новой методики прогнозирования повреждений дорожных покрытий с учетом изменения во времени параметров транспортного потока и метеорологических условий.

Для достижения цели в работе поставлены и решены следующие задачи:

- разработать структуру физико-математической модели системы "земляное полотно - дорожная одежда" и ее математическое описание;

- разработать вероятностную модель метеорологических условий на основе статистических данных по климату;

- разработать физико-математическую модель изменений деформативных характеристик оснований дорожных покрытий с учетом сезонных изменений природных воздействий;

- разработать математическую модель транспортного потока, определяющую нагрузочный режим покрытия;

- разработать кумулятивную модель накопления повреждений в жестких слоях дорожных одежд на новых методологических принципах;

- проверить практическую возможность реализации математических моделей посредством вычислительного эксперимента.

Наичная новизна состоит в создании принципиально нового подхода к исследованию процесса разрушения дорожных одежд на основе математических моделей, позволяющих получать колиявственную оценку процесса накопления повреждений на протяжении 25-30 лет. На основе анализа физических процессов в конструкции создан математический аппарат и программный комплекс для моделирования следующих процессов: процесс изменения метеорологических условий, процесс циклического нагружения дорожной одежды транспортным потоком, процессы влагопереноса, промерзания и оттаивания многослойной системы "земляное полотно - дорожная одежда", процесс изменения напряженно-деформированного состояния покрытия в условиях изменяющихся параметров воздействий и процесс накопления повреждений.

Новая методология позволяет выполнять вычислительные эксперименты для решения практических задач при проектировании дорожных одежд, при оценке последствий отклонений в качестве строительства, при оценке эффективности мероприятий по ремонту и содержанию.

Достоверность теоретических решений определяется строгостью используемых методов строительной механики и теории тепловлагопереноса в капиллярно-пористых средах: Достоверность теоретических моделей подтверждается примерами из практики и результатами специальных экспериментов выполненных на опытных участках.

Реализаиия работы. Результаты исследования были реализованы при разработке следующих документов для практического использования при решении инженерно-технических задач и в учебном процессе при подготовке специалистов:

1. Учебное пособие. Расчет цементобетонных покрытий автомобильных дорог. Ротапринт МАДИ. М. 1980.

2. Пособие по проектированию дорожных одежд внутрихозяйственных автомобильных дорог (к СНиП 2.05.11-83) Ротапринт

Союзпромтрансниироект. М. 1988.

3. Региональные нормы. Проектирование и строительство автомобильных дорог в Нечерноземной зоне РСФСР. Минтранстрой СССР, Госагропром СССР, Минавтодор РСФСР. Издание официальное. М. 1988.

4. Методические указания по проектированию и строительству сборно-монолитных покрытий внутрихозяйственных и внутриплощадочных дорог колхозов и совхозов. РД 10. РСФСР 326.90. М. 1990.

5. Инструкция по Проектированию жестких дорожных одежд ВСН 197-91. Издание официальное, м. 1993.

Апуобаиия уаботы. Основные положения работы и практические результаты обсуждены на научных конференциях МАДИ 1974, 1982, 1985, 1986, 1994, 1995, 1996 гг., на УП Всесоюзном совещании по основным направлениям научно-технического прогресса в дорожном строительстве (1981), на международной конференции по проблемам дорожного строительства в ЧССР г. Жилино (1988), на республиканской научно-технической конференции г. Харьков (1985), на научно-технической конференции посвященной 400-летию г. Архангельска (1984), на семинаре по научно-техническому прогрессу в дорожной отрасли г. Алма-Ата (1991), на научно-технических семинарах по повышению качества строительства автомобильных дорог в Нечерноземной зоне РСФСР г. Владимир (1983, 1984), на научно-технической конференции по проблемам автотранспортного комплекса г. Ташкент (1988).

Основные результаты исследований опубликованы в 31 статье, монографии и трех нормативно-технических документах.

Заключение диссертации по теме «Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей», Носов, Владимир Петрович

Общие выводы

1. Разрушение цементобетонных покрытий является процессом постепенного накопления повреждений.Основными параметрами, определяющими характеристики процесса накопления повреждений являются: параметры транспортного потока, параметры метеорологических условий, параметры процесса влагонакопления и температурного режима конструкции дорожной одежды и земляного полотна.

2. Анализ экспериментальных исследований прочности цементобетона при циклическом нагружении показал, что наиболее существенными параметрами, определяющими долговечность материала являются: число циклов нагружения, уровень напряженности и отношение минимального напряжения в цикле к максимальному.

3. Объективная оценка процесса растрескивания и на этой основе прогнозирование срока службы могут быть выполнены посредством математического моделирования метеорологических условий, транспортного потока, процесса изменения температуры и влажности конструкции, процессов изменения напряженно-деформированного состояния при проезде транспортных средств и изменения температуры покрытия. Статистической основой для построения вероятностных моделей метеорологических условий могут быть результаты многолетних наблюдений на метеорологических станциях и постах, а также обобщенные данные публикации в справочниках по климату.

4. Предложена трехуровневая математическая модель метеорологических условий температуры воздуха, облачности, количество осадков, влажности воздуха, скорость ветра, позволяющая получать реализации параметров с осреднением на месячном, суточном и часовом уровнях.

5. Установлена зависимость состояния земляного полотна водно-теплового режима на основе решения системы дифференциальных уравнений методом скользящих сеток с учетом фазовых переходов при стохастических граничных условиях.

6. Доказана возможность применения имитационной модели транспортного потока, для получения последовательности транспортных средств, интервалов между ними, загрузки транспортных средств и ее распределение по осям и крлесам, скорости и поперечного положения на плите в момент проезда исследуемого сечения.

7. Разработана математическая модель температурного режима цементобетонного покрытия на основе решения дифференциального уравнения теплопроводности с учетом нестационарности процесса изменения температуры на поверхности покрытия.

8. Показана принципиальная возможность применения существующих методов для расчета плит на упругом основании, для оценки единичных повреждений от транспортных нагрузок и переменного температурного режима покрытия с учетом вероятностной природы воздействий.

9. Разработано математическое описание , разработана исходная база данных, получен алгоритм и создан программный комплекс, доказана возможность исследования процесса накопления повреждений в дорожных покрытиях с учетом изменчивости метеорологических условий посредством вычислительного эксперимента. w - 390

Список литературы диссертационного исследования доктор технических наук Носов, Владимир Петрович, 1997 год

1. Апестин В.К. Исследование работы дорожных цементобетонных покрытий под действием транспортных нагрузок и температуры применительно к расчету геометрических параметров плиты. Кандидатская диссертация, 1969.

2. Арутюнян H.X., Абрамян Б.Л. О температурных напряжениях в прямоугольных бетонных блоках. Известия АН Армянской ССР. Серия ФМ и ТН, т. 8, N 4, 1957ф 4. Арутюнян Н.Х. Некоторые вопросы теории ползучести бетона

3. М. : Гостехтеориздат, 1952.

4. Арутюнян Н.Х. Ползучесть стареющих материалов. Ползучесть бетона. Механика твердого тела, 1967, N 6.

5. Бабков В.Ф. Некоторые вопросы расчета толщины бетонных пок-* рытий и оснований. Сб. Цементобетон в дорожном строительстве. М.: Дориздат, 1950.

6. Бабков В.Ф. Методы определения расчетных значений модуля деформации грунтов. М. : Автотрансиздат, 1955.

7. Бабков В.Ф. Сильянов В. В., Дивочкин O.A. и др. Дорожные условия и режим движения автомобилей. М.: Транспорт, 1967.

8. Бабков В.Ф., Могилевич В.Н., Некрасов В.К. Реконструкция• автомобильных дорог. Под ред. Бабкова В.Ф. М.: Транспорт,1978.

9. Баранников А.Я. Расчет железобетонных конструкций на действие длительных переменных нагрузок.-Киев: Будевильник, 1977.

10. Бартошевич Э.С., Цейтлин А.И. О расчете конструкций, лежащих на упругом основании. Ж. Строительная механика и расчет сооружений N 4, 1965.

11. Бельковский C.B. Исследования бетонных дорог на опытнойстанции ЛАДИ. Л.: ОГИЗ Гострансиздат. Ленинградское отделение. 1935.

12. Берг О.Я. Физические основы теории прочности бетона и железобетона. М.: Госстройиздат, 1961.- 391

13. Бируля A.K. Исследование закономерностей автомобильного движения для установления расчетных характеристик проектируемых дорог". Сб. КАДИ Проектирование автомобильных дорог,вып. 9, Киев: Изд. КГУ, 1962.

14. Богословский В.Н. Строительная теплофизика. М., Высшая школа, 1970.

15. Боженова А.П., Бакулин Ф.Г. Экспериментальные исследования механизмов передвижения влаги в промерзающих грунтах // Материалы по лабораторным исследованиям мерзлых грунтов. Вып.З.М.: 1957.

16. Болотин В.В. Методы теории вероятностей и теории надежности в расчетах сооружений. М.: Стройиздат, 1981.

17. Борозинец В.Е., Фельдман Г.М. Вакуумно-фильтрационный механизм образования мощных шлиров льда. Проблемы криолитологин. Вып. IX. М.: Изд. МГУ, 1981.

18. Будак Б.М., Васильев Ф.П., Успенский Ф.П. Разностные методы решения некоторых краевых задач типа Стефана. Сб. Численные методы в газовой динамике, вып. 1У. Тр. МЦМГУ. Изд.4 МГУ, 1965.

19. Будыко М.И. Тепловой баланс земной поверхности. JI.: Гидроме-теоиздат, 1956.

20. Бялко A.B. Наша планета Земля. М.: Наука, 1983.

21. Васильев А.П. Проектирование дорог с учетом влияния климата на условия движения. М.: Транспорт, 1966.

22. Васильев П.И. Реологическая модель тела, обладающего нелинейной ползучестью: Труды МИСИ. Проблемы ползучести и усадки бетона. М.: 1974.

23. Васильев Ф.П., Успенский A.B. О методах конечных разностей для решения двухфазной задачи Стефана для квазилинейного уравнения. ДАН СССР, т.152, N 5, 1963.

24. Виноградов А.П. Надежность и сертификация прочности цементо-бетонных покрытий аэродромов. М.: 1994.

25. Волков М.И., Грушко И.М., Ильин А.Г. Выносливость цементного бетона // Автомобильные дороги. 1966. N 2.• 27. Гансен Г. Ползучесть т релаксация напряжений в бетоне.1. М.: Стройиздат, 1963.

26. Гантмахер Ф.Р. Теория матриц. М.: Наука, 1966.

27. Гвоздев A.A. Ползучесть бетона и пути ее исследования. Исследование прочности, пластичности и ползучести строительных материалов . М.: Стройиздат, 1955.

28. Гладков B.C. Выносливость дорожного бетона. // Автомобильные дороги. 1962. N 3.

29. Глушков Г.И., Манвелов Л.И., Михайлов A.B., Раев-Богос-ловский Б.С. Реконструкция бетонных покрытий аэропортов.М.: Транспорт, 1965.

30. Глушков Г.И., Горшков В.В., Шаров Ф.П. Исследование работы жестких аэродромных покрытий под движущейся нагрузкой. Информационное сообщение НИАТ, 1957.

31. Глушков Г.И., Степушин А.П. Расчет жестких аэродромных покрытий с учетом интенсивности движения самолетов. Сб. научных трудов МАЛИ, 1975, вып. 117.

32. Гмурман В.Е. Руководство к решению задач по теории вероятностей и математической статистике. М.: Высшая школа, 1979.

33. Горбунов-Посадов М.И. Расчет конструкций на упругом основании. М.: Стройиздат, 1973.

34. Горбунов-Посадов М.И. Таблицы для расчета тонких плит на упругом основании. Госстройиздат, 1959.

35. Горецкий Л.И. Бетонные покрытия на аэродромах. М.: Воениздат, 1950.

36. Горецкий Л.И. Теория и расчет цементобетонных покрытий на температурные воздействия.М.: Транспорт, 1965.

37. Гольдштейн М.Н. Деформации земляного полотна и оснований при промерзании и оттаивании. М.: Трансжелдориздат, 1948.

38. Грегори Д.М., Кирхгэм P.M. и др. Бетонные дороги. Перевод с английского под редакцией проф. В.Ф.Бабкова и А.Н. Защепи-на.М.: Автостройиздат. 1959.

39. Грушко И.М., Глущенко Н.Ф., Ильин А.Г. Структура и прочность дорожного цементобетона. Харьков.: ХГУ, 1965.

40. Грушко И.М., Ильин А.Г., Рашевский С.Т. Прочность бетона на растяжение. Харьков.: ХГУ, 1973.- 393

41. Ершов Е.Д. Влагоперенос и криогенные текстуры в промерзающих породах. Сб. Мерзлотные исследования: Вып. 16. м.: Изд. МГУ, 1977.

42. Ершов Э.Д. Влагоперенос и криогенные текстуры в дисперсных породах. М.: МГУ. 1979.

43. Ефименко В.Н. Водно-тепловой режим полотна автомобильных дорог при глубоком промерзании грунтов. Автореферат канди-датскоой диссертации. МАДИ. 1976.

44. Жемочкин Б.Н., Синицын А.П. Практические методы расчета балок и плит на упругом основании без гипотезы Винклера. М.: Стройиздат, 1947.

45. Журков С.Н. Кинетическая концепция прочности твердых тел. Вестник АН СССР. М.: 1968. N 3.

46. Завадский Ю.В. Моделирование случайных процессов.М.: ВИНИТИ, 1974.

47. Замахаев М.С. Установление ширины проезжей части автомобильных дорог. Труды МАДИ, вып. 15. М.: Дориздат, 1963.

48. Защепин А.Н., Левицкий Е.Ф. Бетонные покрытия автомобильных дорог. М.: Автотрансиздат, М.: 1961.

49. Защепин А.Н. Исследование дорожного бетона на выносливость. Доклады и сообщения на научно-техническом совещании по строительству автомобильных дорог.М.: Автотрансиздат. 1962.

50. Защепин А.Н., Апестин В.К. Состояние дорожных бетонных покрытий в зависимости от интенсивности движения и типа основания. Труды Союздорнии, вып. 8, 1965.

51. Защепин А.Н., Апестин В.К. О влиянии интенсивности и состава движения на трещиностойкость цементобетонных плит различной длины. Труды Сооюздорнии, Вып. 1968.

52. Зенкевич 0., Морган К. Конечные элементы и аппроксимация. Перевод с английского под ред. Бахвалова Н.С. М.: Мир, 1986.

53. Золотарь И.А. Теоретические основы применения тонкодис-персных грунтов для возведения земляного полотна автомобильных дорог в северных районах области многолетнемерз-лых грунтов. Ленинград: Изд. ВАТТ, 1961.

54. Золотарь И.А. Расчет испарения с поверхности грунтовых ос- 394 нований в связи с прогнозом их влажности. Сб. Экспериментальные исследования процессов теплообмена в мерзлых горных породах. М.: Наука, 1972.

55. Золотарь И.А., Гладких В. Прогнозирование расчетной влажности и прочности грунта земляного полотна автомобильных дорог. Задачи 96-1; 96-2. ВАТТ. 1976.

56. Иванов Н.С. О моделировании тепловых процессов и мерзлых толщах земной коры. Сб. Процессы тепло- и массообмена в мерзлых горных породах. М.: Наука, 1962.

57. Иванов H.H., Коганзон М.С., Коновалов C.B. Основы новой методики расчета жестких дорожных одежд с учетом повторности воздействия нагрузок.М.: Высшая школа, 1969.

58. Иванов H.H., Тригони В.Е., Садовоой В.Д. Надежность бетонных покрытий дорог и аэродромов в аспекте температур-но-транспортного режима работы. Известие вузов. Строительство и архитектура Ы 2, 1969.

59. Ишкова А.Г., Коренев Б.Г. Изгиб пластинок на упругом основании и упруго-пластическом основании. Труды П Всесоюзного съезда по теоретической и прикладной механике. Механике твердых тел. М. : Наука, 1966.

60. Кадикис К.К. Закономерности изменения интенсивности движения. В кн. Проектирование автомобильных дорог и безопасность движения "Труды МАДИ", 1980.

61. Каменев A.M. Определение расчетной влажности земляного полотна с учетом изменчивости влияющих на нее факторов. Сб. Вопросы проектирования автомобильных дорог. Вып. 7. СибА-ДИ, Омск, 1976.

62. Каранфилов Т.С., Волков Ю.С. Обзор исследований по прочности и деформативности бетона при многократном приложении нагрузки. Труды Гидропроекта. Сб. 10, 1963.

63. Карпухин Н. С. Исследование выносливости бетонных балок под воздействием многократно приложенных нагрузок. Труды МИИТа, выпуск 152, 1962.

64. Киселев В.А. Динамические линии влияния перемещений и внутренних сил в балках, рамах и плитах, простых и на упругом основании от груза, двигающегося с равномерной скоростью. Труды МАДИ. Вып. 18. М.: Автотрансиздат, 1955.67.

65. Кисляков В. М. Силы смерзания между цементобетонной плитой и- 395 грунтовым основанием // Автомобильные дороги, 1957. N 4.

66. Ключников В.А. Исследование работы и расчет бетонных покрытий в комплексе с различными основаниями при многократном нагружении. Кандидатская диссертация, 1967.

67. Коган Б.И., Хрустлев А.Ф. Расчет на прочность жестких покрытий на двухслойном основании. Изв. вузов Строительство и архитектура, N 6, 1959.

68. Коганзон М.С. Метод расчета работоспособности дорожных одежд. Повышение качества и надежности в строительстве и эксплуатации автомобильных дорог. Труды МАДИ. м.: 1988.

69. Коновалов C.B., Коганзон М.С., Яковлев Ю.М. и др. Элементы теории надежности строительства автомобильных дорог. Тр. МАДИ,- вып. 63, М. : 1973.

70. Коренев Б.Г., Ручимский М.П. .Экспериментальные исследования работы моделей плит на упругом основании. В сб. Вопросы расчета плит на упругом основании.М.: Госстройиздат, 1958.

71. Коренев Б.Г.Вопросы расчета плит на упругом основании. Сб. статей под ред. проф. Коренева Б.Г., ЦНИИСК,М.: Госстройиздат. 1958.

72. Корчинский И.Л. Учет явления усталости в строительных конструкциях, М.: Стройиздат, 1956.

73. Кудрявцев В.А., Меламед В.Г., Гарагуля Л.С. К расчету температурного режима многолетнемерзлых пород в слое годовых колебаний температуры. Сб. Мерзлотные исследования, вып.1. ХУ. М.: Изд. МГУ, 1976.

74. Кудрявцев В.А., Ершов Э.Д., Чеверев В.Г. Зависимость коэффициентов влагопереноса водоненасыщенных грунтов от их влажности, гранулометрического состава и плотности, сб. Мерзлотные исследования. Вып. ХШ. М.: Изд. МГУ, 1973.

75. Красников А.Н. Закономерности распределения интервалов между автомобилями на многополосных автомобильных дорогах. Труды МАДИ. Вып. 95. М.: 1975.

76. Левицкий Е.В., Чернигов В.А. Бетонные покрытия автомобильных дорог. М.: Транспорт, 1980.

77. Литвинова Т. А. Влияние ультрапористости и удельной поверх• ности на содержание незамерзшей воды в мерзлых грунтах. Сб. Мерзлотные исследования. Вып. 1. М.: Изд. МГУ, 1961.80