Совершенствование определения расчетных характеристик слоев дорожных одежд методом сферического штампа тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.11, кандидат технических наук Волокитина, Ольга Анатольевна

• Волокитина, Ольга Анатольевна
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Волокитина, Ольга Анатольевна

Введение.

1. Состояние вопроса. Обоснование необходимости использования расчетных характеристик, полученных экспериментальным путем, при расчете и конструировании.

1.1. Принципы конструирования и расчета нежестких дорожных одежд.

1.2. Анализ причин, обусловливающих недостаточную надежность запроектированных дорожных одежд.

1.3. Цель и задачи исследования.

2. Оценка влияния расчетных характеристик конструктивных слоев на деформационно-прочностные характеристики дорожной одежды.

2.1. Распределение усилий и напряжений в конструкции дорожной одежды нежесткого типа.

2.2. Влияние изменений толщины слоев и их расчетных характеристик на уровень надежности дорожных конструкций.

2.3. Оценка значимости расчетных характеристик различных конструктивных слоев

2.4. Выводы по главе.

3. Экспериментально - теоретическое обоснование определения расчетных характеристик конструктивных слоев.

3.1. Методы определения расчетных характеристик слоев дорожной одежды.

3.2. Использование метода вдавливания сферического штампа для определения расчетных характеристик конструктивных слоев: грунта земляного полотна, основания дорожной одежды, асфальтобетонных покрытий.

3.2.1. Обоснование размеров сферического штампа.

3.2.2. Определение расчетных значений модуля упругости слоя с использованием метода сферического штампа.

3.2.3. Определение расчетного значения коэффициента Пуассона.

3.2.4. Определение угла внутреннего трения и сцепления слоя.

3.3. Экспериментальные исследования по определению расчетных характеристик конструктивных слоев.

3.4. Выводы по главе.

4. Особенности проектирования и расчета нежестких дорожных одежд на основе характеристик конструктивных слоев, полученных экспериментальным путем.

4.1. Формирование исходной базы данных для расчета дорожной одежды.

4.2. Расчет конструкции на основе расчетных характеристик, полученных в результате испытаний.

4.3. Контроль качества устройства конструктивных слоев.

4.4. Выводы по главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование определения расчетных характеристик слоев дорожных одежд методом сферического штампа»

Общая тенденция автомобилестроения к увеличению грузоподъемности автомобилей, повышению скорости и безопасности движения предопределяет необходимость строительства большого количества новых дорог и содержания существующих.

На автомобильных дорогах, особенно на магистральных, значительно повысилась интенсивность движения, а возросший поток автомобилей соответственно значительно увеличил силовые воздействия на проезжую часть и в частности на конструкцию дорожной одежды.

В настоящее время значительно повышаются требования к транспорт-но-эксплуатационному состоянию автомобильных дорог и, в большей мере, к деформационно-прочностным характеристикам дорожных одежд. Для Российской Федерации, исходя из погодно-климатических условий, наиболее распространенными являются конструкции дорожных одежд нежесткого типа. Сложившаяся к настоящему времени научно-теоретическая база позволяет учесть при проектировании конструкций нежестких дорожных одежд возникшие изменения в нагрузках и воздействиях на автомобильную дорогу, т.е. при конструировании и расчете можно создавать конструкции дорожных одежд, обеспечивающие достаточные прочностные характеристики и долговечность в период расчетного срока службы.

Решающая роль в обеспечении прочности и долговечности конструкции принадлежит верхним асфальтобетонным слоям, которые, с одной стороны, должны иметь необходимые деформационно-прочностные свойства для восприятия нагрузок от транспорта в условиях изменяющихся погодно-климатических воздействий, а с другой стороны, должны снижать и перераспределять эти воздействия на нижележащие слои дорожной одежды. Поэтому на стадии конструирования и расчета дорожных одежд нежесткого типа особо важным вопросом является знание реальных прочностных и деформационных показателей конструктивных слоев.

В существующей нормативной базе по конструированию и расчету нежестких дорожных одежд (ОДН 218.046-01, ранее ВСН 46-83) сложились определенные несоответствия между показателями свойств материалов и теми необходимыми характеристиками, которые отражают их свойства и используются при расчете.

При рассмотрении асфальтобетонного покрытия эти несоответствия обусловливаются тем, что в одном случае асфальтобетон рассматривается как дорожно-строительный материал, классифицируется и нормируется по температуре приготовления и укладке, крупности зернового состава, плотности, во-донасыщению, набуханию и прочностным показателям, полученным при доведении образцов до разрушения при свободном сжатии при температурах 0, 20 и 50 °С. При этом определение деформативных характеристик (таких как модуль упругость, предел прочности при изгибе и др.) не предусматривается.

При расчете конструкций дорожных одежд основными расчетными характеристиками являются модуль упругости при статическом и динамическом нагружении при различных температурах, прочность при изгибе, внутреннее трение и сцепление между частицами. Данные показатели определяются дополнительными методами, а в качестве расчетных используются усредненные значения, полученные на основе статистической обработки результатов испытаний образцов материалов конструктивных слоев. При этом используемые статические или динамические схемы испытания образцов существенно отличаются от работы материала слоя в реальных условиях эксплуатации.

Дорожная одежда является многослойной конструкцией, элементы которой должны воспринимать нагрузку комплексно, то есть во взаимосвязи друг с другом. Следовательно, рассматривая влияние свойств асфальтобетона на формирование эксплуатационно-прочностных показателей покрытий автомобильной дороги, необходимо учитывать определенную долю влияния свойств слоев основания, которые участвуют в работе конструкции и вносят определенные особенности в процессы формирования дорожной одежды, а также слоя подстилающего грунта.

Слои основания, их качество и качество применяемых материалов в главной степени отвечают за прочностные свойства всей дорожной конструкции. Работая совместно со слоями покрытия, они должны воспринимать все расчетные нагрузки от проходящих транспортных средств и работать по расчету в упругой стадии без возникновения остаточных деформаций, обеспечивая тем самым прочность дорожной одежды в целом.

Для повышения качества проектирования дорожных одежд и качества технологии строительства необходима разработка таких методов оценки расчетных характеристик конструктивных слоев, которые бы позволяли получать адекватные показатели свойств, могли бы являться расчетными при проектировании конструкции дорожных одежд и контролируемыми в процессе строительства и эксплуатации.

В этих условиях особенно актуальны исследования деформационно-прочностных характеристик конструктивных слоев дорожной одежды.

Актуальность проблемы. В результате перераспределения транспортных потоков между различными видами транспорта за последние 15-20 лет произошло значительное увеличение грузонапряженности и пассажиронап-ряженности автомобильных дорог всех технических категорий.

Произошло значительное увеличение нагрузок на ось грузовых автомобилей, увеличилась частота воздействий на дорожную одежду от всех видов транспортных нагрузок. Особо это проявляется на магистральных дорогах федерального значения.

Произошли значительные климатические изменения, особенно для Европейской части России, - увеличилось количество переходов через 0 °С в зимний период (частые оттепели), сокращение периода избыточного переувлажнения земляного полотна, увеличилась продолжительность максимальных летних температур.

Учет этих особенностей при конструировании и расчете нежестких дорожных одежд в ОДН 218.046-01, в отличие от ВСН 46-83, осуществлен путем введения различных коэффициентов, учитывающих влияние расчетной глубины залегания грунтовых вод, степень уплотнения грунта рабочего слоя, расчетной влажности грунта, гранулометрического состава грунта основания, влияние нагрузки от собственного веса вышележащей конструкции на грунт, зависящий от глубины промерзания.

Расчетные характеристики конструктивных слоев, представленные в ОДН 218.046-01 и ранее в ВСН 46-83, полученные на основе исследований, проведенных в 60-70 годах 20 вв., имеют широкий диапазон в численных значениях. Отсутствуют расчетные характеристики для новых материалов и технологий, в частности для щебеночно-мастичного асфальтобетона (ЩМА), в случае применения геотекстильных материалов и различных укрепленных местных материалов.

При устройстве конструктивных слоев дорожных одежд отсутствуют методы контроля, позволяющие производить оценку соответствия натурных характеристик слоя с характеристиками, принятыми при расчете.

Все вышеперечисленные факторы не обеспечивают достаточной надежности при конструировании и расчете дорожных одежд, а также высокой работоспособности и обеспечения потребительских свойств на период до капитального ремонта. Во многих случаях происходит перерасходование денежных средств на проведение ремонтных работ, особенно на федеральных дорогах, для обеспечения потребительских свойств.

В работе предлагается для обеспечения потребительских свойств на расчетный период повысить надежность конструирования и расчета нежестких дорожных одежд за счет использования реальных расчетных характеристик конструктивных слоев.

Решение задачи повышения надежности при конструировании и расчете вызывает необходимость разработки ускоренного метода для оценки необходимых расчетных характеристик конструктивных слоев дорожных одежд. При этом данный метод должен позволять получать адекватные показатели в лабораторных и натурных условиях.

Внедрение ускоренного метода в определении расчетных характеристик при контроле качества устройства конструктивных слоев позволит повысить надежность конструкции в целом.

Комплексное решение вопроса конструирования и расчета дорожных одежд совместно с контролем качества устройства отдельных конструктивных слоев позволит получить значительный экономический эффект за счет снижения затрат на ремонтные работы.

Цель диссертационной работы состоит в совершенствовании определения расчетных характеристик слоя щебеночного основания, песчаного подстилающего слоя и грунта земляного полотна нежестких дорожных одежд методом вдавливания сферического штампа.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи исследования:

- установить аналитические зависимости диапазона изменения прочности конструкции в зависимости от толщины слоев и модуля упругости;

- обосновать величины нагрузок и параметры сферического штампа, учитывающие характеристики материала слоя для испытания щебеночного основания, песчаного подстилающего слоя и грунта земляного полотна с целью определения модуля упругости, угла внутреннего трения и коэффициента сцепления между частицами материала;

- обосновать циклическое приложение нагрузок при исследовании конструктивных слоев щебеночного основания, песчаного подстилающего слоя и грунта земляного полотна для определения прочности ненарушенной структуры;

- произвести учет напряжений на границе контакта конструктивных слоев в методе расчета конструкции нежестких дорожных одежд;

- разработать методику применения вдавливания сферического штампа для контроля качества устройства конструктивных слоев нежесткой дорожной одежды.

Научная новизна работы состоит в следующих положениях:

- предложены аналитические зависимости диапазона изменения прочности конструкции в зависимости от толщины слоев и модуля упругости;

- обоснованы величины нагрузок для испытания щебеночного основания, песчаного подстилающего слоя и грунта земляного полотна с целью определения модуля упругости, угла внутреннего трения и коэффициента сцепления между частицами материала;

- определены параметры сферического штампа для испытания конструктивных слоев щебеночного и песчаного основания, грунта земляного полотна, учитывающие характеристики материала слоя;

- обосновано циклическое приложение нагрузок при исследовании конструктивных слоев щебеночного основания, песчаного подстилающего слоя и грунта земляного полотна для определения прочности ненарушенной структуры;

- впервые предложен учет напряжений на границе контакта конструктивных слоев при расчете конструкции нежестких дорожных одежд;

- разработана методика применения вдавливания сферического штампа для контроля качества устройства конструктивных слоев дорожной одежды.

Достоверность полученных результатов обеспечена применением научно-обоснованных методов экспериментальных исследований, математического и регрессионного анализа результатов, статистической обработкой полученных данных, обеспечивающей доверительную вероятность 0,95, экспериментальной и опытной проверкой результатов исследований и использованием поверенных приборов, а также согласованием основных положений работы с результатами исследований других авторов.

Личный творческий вклад автора в получении результатов научных исследований, изложенных в диссертации, заключается в формулировании цели и основной гипотезы, самостоятельном выполнении теоретических и экспериментальных исследований, обобщении результатов:

- на основе теоретических исследований проведена математическая обработка численного эксперимента по определению оценки влияния расчетных характеристик конструктивных слоев на итоговое значение требуемого модуля упругости конструкции дорожной одежды;

- разработана форма для ЭВМ - «НАПРЯЖЕНИЯ» (в электронных таблицах EXCEL) для обработки результатов испытаний методом вдавливания сферического штампа с учетом напряжений на границе контакта различных конструктивных слоев;

- разработана методика применения вдавливания сферического штампа для контроля качества устройства конструктивных слоев дорожной одежды.

Практическая ценность работы заключается в разработке рекомендаций по применению вдавливания сферического штампа для контроля качества устройства конструктивных слоев дорожной одежды.

Реализация работы. Методика определения расчетных характеристик грунта земляного полотна, слоев основания и покрытия с применением сферического штампа апробирована при строительстве элементов транспортной развязки на км 208+192 автомобильной дороги М-6 «Каспий» в Рязанской области, а также при ремонте и реконструкции участков автомобильных дорог в Тамбовской и Липецкой областях. Расчет конструкций нежесткой дорожной одежды с учетом напряжений на границе контакта был применен в ООО «Центр Дорпроект», а также используется в учебном процессе Воронежского ГАСУ в лекционных курсах, на лабораторных и практических занятиях по дисциплине «Основы проектирования автомобильных дорог» для специальности 270205 «Автомобильные дороги и аэродромы».

Апробация работы. Основные положения диссертации обсуждены и одобрены на всероссийских научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава, научных работников и аспирантов университета с участием представителей исследовательских, проектно-конструкторских, строительных и общественных организаций «Инновации в сфере науки, образования и высоких технологий» Воронежского ГАСУ (2007 -2011 гг.), международной научно-технической конференции «Молодежь и научно-технический прогресс в дорожной отрасли юга России» (Волгоград, 2010), научно-практическом семинаре «Применение новейших технологий и материалов в дорожном строительстве» (Саратов, 2010), II международной научно-практической конференции «Проблемы инновационного биосферносовместимого социально-экономического развития в строительном, жилищно-коммунальном и дорожном комплексах» (Брянск, 2010).

На защиту выносятся:

- аналитические зависимости диапазона изменения прочности конструкции в зависимости от толщины слоев и модуля упругости;

- математическая модель вдавливания сферического штампа в деформируемую среду щебеночного основания, песчаного подстилающего слоя и грунта земляного полотна;

- обоснование применения метода вдавливания сферического штампа с определением величины нагрузок для щебеночного слоя основания, песчаного подстилающего слоя и грунта земляного полотна с целью определения модуля упругости, угла внутреннего трения и коэффициента сцепления;

- результаты определения расчетных характеристик конструктивных слоев нежестких дорожных одежд, полученные в ходе испытаний;

- метод расчета конструкции нежесткой дорожной одежды с учетом напряжений на границе контакта конструктивных слоев;

- методика применения вдавливания сферического штампа для контроля качества устройства конструктивных слоев дорожной одежды.

Публикации. По материалам исследований опубликовано 10 научных работ общим объемом 158 страниц. Личный вклад автора составляет 88 страниц. Пять статей опубликованы в изданиях, включенных в перечень ВАК РФ: «Научный вестник Воронежского ГАСУ. Строительство и архитектура»; «Строительство и реконструкция»; «Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Строительство и архитектура»; «Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета».

Объем работы. Диссертационная работа общим объёмом 164 страницы машинописного текста состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы из 178 наименований, 5 приложений. В текст диссертации включено 15 таблиц и 19 рисунков.

Заключение диссертации по теме «Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей», Волокитина, Ольга Анатольевна

4.4. Выводы по главе

1. Разработана блок-схема по конструированию, расчету и контролю качества строительства дорожных одежд на основе реальных расчетных характеристик конструктивных слоев.

2. Разработана программа для определения и учета напряжений на границе контакта слоев с целью достижения работы конструкции нежесткой дорожной одежды в упругой стадии.

3. Экспериментальные исследования показали возможность использования метода вдавливания сферического штампа для контроля качества проведения работ при строительстве автомобильных дорог, а также для своевременной оценки состояния покрытий в процессе эксплуатации и выявления факторов, снижающих эксплуатационную надежность и приводящих к повышению затрат на их содержание.