автореферат диссертации по строительству, 05.23.17, диссертация на тему:Анализ напряженно-деформированного состояния материалов земляного полотна и дорожной одежды автомобильных дорог

ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ГОРШКОВ Николай Иванович

УДК 625.731.7/.9.001.2

АНАЛИЗ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ МАТЕРИАЛОВ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА И ДОРОЖНОЙ ОДЕЖДЫ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ

Специальности: 05.23.17 -05.23.0i -

Строительная механика Строительные конструкции, здания и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Владивосток 1997

Работа выполнена в Хабаровском государственном техническом университете

Научный руководитель: Научный консультант: Официальные оппоненты:

доктор технических З.Г. Тер-Мартиросян доктор технических В.И. Кулиш доктор технических П.А. Аббасов кандидат технических Э.Ш. Меламед

наук, профессор

наук, профессор

наук, профессор

наук, профессор

Ведущее предприятие: ОАО Проектно-изыскательский институт транспортного строительства Дальтипротранс

Защита состоится 2$ июня 1997 г. в 10 часов на заседании специализированного совета К 064.01.04 при Дальневосточном государственном техническом университете г. Владивосток, проспект Красного Знамени, 66, ауд. С-807

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке университета

Просим Вас принять участие в защите и направить Ваш отзыв двух экземплярах по адресу: 690014, г.Владивосток, проспект Красного Знамени, 66, Ученый совет К064.01. 04

Автореферат разослан 26 мая 1997 г.

Ученый секретарь специализированного совета

ВТ. Гуляев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Работа посвящена исследованию напряженно-деформированного состояния (НДС) и разработке метода расчета основных компонентов тела автомобильной дороги - земляного полотна и конструкции дорожной одежды, с учетом их взаимодействия с геологической средой.

В системе проектирования элементов автомобильной дороги вначале проектируется земляное полотно, а затем конструкция дорожной одежды.

На первом этапе проектирования, основные размеры земполотна автодороги назначаются или определяются расчетом по теории предельного равновесия для плоских расчетных схем, в которых материалы земполотна и грунты

геологической среды принимаются весомыми, а их физическое состояние описывается уравнениями для идеалыю-жесткопластических тел. Геологическая среда на этом этапе, учитывается при выборе параметров поперечного сечения земполотна, при назначении высоты земполотна, при расчете устойчивости против оползания откосов (в этом случае учитывается только та часть геосреды, которая находится выше расчетной поверхности скольжения) и при расчете осадки основания земполотна на слабых грунтах (в пределах сжимаемой толщи основания одномерной расчетной схемы).

На втором этапе проектирования, когда определены размеры земляного полотна, проектируется дорожная одежда на основе решения осесимметричной задачи теории линейной упругости, для невесомого и безииерционного двух-, трехслойного полупространства с распределенной по площади круга на поверхности полупространства нагрузкой от транспортных средств.

Расчетная схема по проектированию нежестких покрытий автодорог предопределяет "неопределенность" в местоположении (по ширине покрытия) расчетного сечения - сечения в котором выполняются проверки по принятым в этой методике критериям. В нормативной расчетной схеме, согласно инструкции ВСН 46-83, это сечение по центральной оси круга, расположенного на поверхности полупространства и загруженного распределенной нагрузкой от транспорта. Оценка прочности материалов дорожной одежды и земполотна выполняется в точках сечения, а его выбор не завиешГширины покрытия, количества полос движения, их местоположения на поверхности покрытия реальной автодороги и схем загружения покрытия транспортной нагрузкой.

Таким образом, две основные расчетные схемы по которым при проектировании получается основная несущая конструкция автодороги - ее тело, существенно отличаются друг от друга. Расчетные схемы, которые должны адекватно отражать реальные свойства автомобильной дороги и реальные свойства геологической среды вмещающей автодорогу, основываются на результатах решений прикладных задач механики сплошной среды с принципиально различными упрощениями и допущениями. Это определило актуальность проведения исследований.

Целью работы является разработка основ методики расчетно-теоретического прогноза напряженно-деформированного состояния дорожных сооружений взаимодействующих с геологической средой на основе расчетной схемы

(модели), учитывающей совместную работу материалов элементов в конструкции дорожной одежды, в земполотне и в природных грунтах геосреды.

На защиту выносятся:

- результаты выполненного анализа существующего геомеханического обеспечения, применяемого при исследовании и проектировании элементов поперечного сечения автомобильных дорог, в виде предложений по применению для расчета напряженно-деформированного состояния материалов модели системы "автодорога-геосреда" новых расчетных схем на основе метода конечных элементов (МКЭ), в которых учитываются все основные и определяющие факторы, характеризующие взаимодействие реальной автодороги и вмещающей ее геологической среды;

- основы методики расчетно-теоретического исследования напряженно-деформированного состояния модели системы "автодорога-геосреда";

- результаты выполненного количественного исследования взаимодействия автодороги с геосредой.

Научная новизна работы подтверждается:

- выявленными особенностями взаимодействия компонентов системы "автодорога-геосреда", которые не учитывались в расчетах НДС материалов такой системы;

- законченной методикой расчета НДС материалов системы "автодорога-геосреда", в которой учитывается совместная работа основных компонентов системы: материалов дорожной одежды, земполотна и природных грунтов геосреды в поле действия объемных сил гравитации и поверхностных нагрузок от транспортных потоков;

- результатами расчетных исследований НДС дорожной одежды в рамках расчетной схемы "автодорога-геосреда", доказывающее необходимость учета следующих факторов: типа поперечного сечения автодороги ( в насыпи, выемке и их разновидностях, в том числе для городских условий); параметров транспортных потоков (число полос движения и условий их размещения на поверхности покрытия); параметров геосреды;

- разработкой новых конструкций дорожных одежд, способных лучше сопротивляться разрушению.

Практическая ценность работы. Разработаны основы количественного метода исследования напряженно-деформированного состояния дорожных конструкций взаимодействующих с геологической средой, что позволит решать конкретные задачи (исследовательского, экспертного, проектного, учебного направлений) возникающие при проектировании, строительстве, эксплуатации автомобильных дорог, в том числе для строящейся на Дальнем Востоке автодороги федерального значения "Чита-Хабаровск-Находка" и городских дорог г. Хабаровска.

Внедрение результатов работы осуществляется в проекте "№ 513 / Автомобильная дорога "Восток" на участке "обход города Хабаровска", автомобильная дорога 1-6 категории, в проекте "473/1 скоростная городская магистраль в г. Хабаровске" ОАО Проектно-изыскательского института транспортного строительства Дальгипротранс.

Аппробация работы. Основные результаты работы доложены и одобрены на научно-технических конференциях Хабаровского политехнического института (1982, 1983, 1984, 1985, 1986, 1987, 1989 гг); на научно-практической конференции

по строительству автомобильных дорог Сахалинской области (г. Южно-Сахалинск, 1982 г.); на 1-ом Всесоюзном симпозиуме по численным методам в геомеханике и геофизике (г. Тбилиси, 1982 г.); на семинаре городской лаборатории, секция земляного полотна МАДИ (г. Москва, 1984 г.); на секции оснований и фундаментов ДальНИСа (г. Владивосток, 1991 г.); на семинаре "Контроль качества работ на строительстве дороги Чита-Находка" (г. Хабаровск, 1997 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 печатных работы.

Достоверность полученных результатов подтверждается сравнением результатов теоретических исследований с данными полевых обследований материалов покрытий автомобильных дорог.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных литературных источников из 144 наименований, 10 приложений и содержит 238 страниц машинописного текста, 34 рисунка. ,

Работа выполнена на кафедре "Мосты, основания и фундаменты" Хабаровского государственного технического университета при моральной поддержке и научной консультации заведующего кафедрой "Мосты, основания и фундаменты", члена-корреспондента АТР, профессора, д.т.н. В.И. Кулиша. Реализация алгоритмов на компьютерах выполнена О.П. Колбаскиным при участии Е.Г. Горшкова. Автор искренне благодарен всем сотрудникам ДВАДИ ХГТУ, Региональной дирекции строящихся дорог на Дальнем Востоке, ОАО Дальгипротранс, которые оказывали моральную поддержку при выполнении этой работы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается необходимость проведения исследований напряженно-деформированного состояния дорожных сооружений в рамках модели системы "автодорога-геосреда", вскрывается новизна и практическая значимость работы, перечисляются основные положения работы, определяется состав и объем, дается краткая характеристика работы по разделам.

В первой главе рассмотрены конструктивные особенности реальной автомобильной дороги и вмещающей ее реальной геологической среды, дан анализ учета выявленных конструктивных особенностей в нормативных расчетных схемах земляного полотна и конструкции дорожной одежды, кратко показано состояния элементов дорожной одежды и земполотна по материалам обследований автодорог юга Дальнего Востока, поставлены задачи исследования.

Проблема инженерных исследований столь сложного объекта как автомобильная дорога должна решаться в соответствии со средствами ее реализации, т.е. принципиально важной является оценка возможностей исследователя по учету особенностей конструкции автодороги, строения, состава, состояния грунтов вмещающей ее геологической среды.

В конечном счете это использование количественных методов исследования, одними из которых являются аналитические расчеты, выполняемые на основе замкнутых (строгих) и приближенных (численных) решений механики сплошной среды. При этом во внимание принимаются все ограничения налагаемые этой отраслью знаний, где объектом исследования является не реальные конструкции

автодороги и строение геологической среды, а некоторая модель, адекватно отражающая действительность.

Ниже выделены только существенные признаки, которые влияют на выбор расчетной схемы дорожной конструкции:

- протяженность автомобильной дороги как инженерного сооружения;

- линейность конструктивных элементов дорожной одежды и земполотна;

- "квазилинейность" движущейся нагрузки от транспортных средств;

- разная форма исполнения тела автодороги в природном ландшафте местности;

- работоспособность материалов и принятые технологии строительства тела автодороги должны обеспечить линейно-упругую работу всех конструктивных элементов при ее эксплуатации.

При удовлетворении последнего признака, на практике могут встретиться трудности при эксплуатации автодороги из-за того что, работа верхней ее части, в первую очередь материалов конструкции дорожной одежды и верхней части земполотна, зависит от природных циклов промерзания-оттаивания, из которых наиболее опасны циклы оттаивания (весной), в таких циклах материалы работают в упругопластической стадии в условиях полного водоиасыщения при невозможности дренирования гравитационной поровой воды по мерзлым дренирующим слоям основания дорожной одежды за ее пределы;

В период эксплуатации, все материалы элементов конструкции автодороги деформируются как вязкоупругопластические тела, так как постоянно находятся в ноле действия объемных, сил гравитации и динамических воздействий временной нагрузки от транспортных средств.

Кроме того, значения физико-механических и других параметров материалов конструктивных элементов в дорожной одежде, обочинах и земполотне, которые имеют конечные размеры поперечного сечения и определенное пространственное положение в теле автодороги, сильно отличаются друг от друга, иногда на порядки, при этом во временных природных циклах это отличие проявляется в большей степени, особенно весной.

Основные отличительные признаки геологической среды вмещающей автомобильную дорогу, которые небходимо учитывать при проектировании элементов ее поперечного сечения, следующие:

- геосреда, как часть пространства Земной коры вмещающая автомобильную дорогу, имеет сложное неоднородное строение, а элементы учавствующие в ее строении, это природные грунты, отличающиеся друг от друга по составу, структуре, текстуре, состоянию и др.;

- поверхность ограничивающая геосреду (рельеф местности), как правило криволинейная;

- все элементы геосреды, вмещающей автомобильную дорогу, находятся в поле действия объемных сил гравитации и других природных воздействий.

В системе проектирования элементов автомобильной дороги вначале проектируется земляное полотно, а затем конструкция дорожной одежды. Эта система базируется на следующем принципе - дорожная одежда должна находиться на заведомо прочном, устойчивом и стабильном земляном полотне.

Выделенные выше, особенные признаки геотехногенной системы "автодорога-геосреда" в нормативной расчетной схеме земляного полотна учитываются следугцим образом:

1) по размерности (учет протяженности автодороги и линейности ее конструктивных элементов) - плоская двумерная схема в расчетах устойчивости откосов земполотна и одномерная в расчетах осадки основания;

2) по учету "квазилинейности" и многополосности приложения транспортной нагрузки на поверхности покрытия - в принципе, расчетная схема земполотна может учитывать ее линейность и мпогополосность;

3) по типу и размерам поперечного сечения автодороги - учитывает;

4) по соотношениям между напряжениями и деформациями - нелинейные в расчетах устойчивости (идеально-жесткопластическое тело, у которого деформации формоизменения уже произошли) н линейные (упругое или линейно-деформируемое тело) при расчете осадки основания; ,

5) по учету собственного веса материалов и грунтов - учитывает только для вертикальной компоненты тензора напряжений;

6) по конструкции дорожной одежды - учитывает ее собственный вес, если на стадии проектирования земполотна известна ее конструкция;

7) по геологической среде - учитывает частично (геосреда определяет параметры поперечного сечения земполотна, отметку низа дорожной одежды, а в расчетах принимается только та часть геосреды, которая расположена выше расчетной поверхности скольжения при расчете устойчивости и в пределах сжимаемой толщи основания при расчете осадки);

8) по природному рельефу геосреды - учитывает;

9) по природным воздействиям - учитывает в необходимых случаях в рамках принятой расчетной схемы гидростатическое и гидродинамическое давление воды, а также сейсмические воздействия через коэффициент сейсмичности.

Кроме этого, существует важное отличие в кинематических схемах деформирования материалов, грунтов насыпей и выемок, которые находятся в поле действия объемных сил гравитации и своими формами образуют новый рельеф местности. Это отличие наблюдается в период строительства и эксплуатации автодорог в насыпях, выемках и их разновидностях.

В любом случае, как для насыпей, так и для выемок, различие проявляется в противоположном по знаку виде совместной деформации их поверхностей, а сходство проявляется в концентрации напряжений в верхней части насыпей (в материалах конструкции дорожной одежды и верхней части земполотна), вблизи поверхности дна выемки (в материалах конструкции дорожной одежды и природном грунте поверхностного слоя ниже дна выемки) и вблизи поверхности геосреды за бровкой откосов выемки (в природных грунтах). В местах концентрации напряжений возможен различный вид напряженного состояния для насыпей и для выемок, в том числе такой опасный для природных и искусственных нескальных фунтов, как растяжение.

Выделенные выше, особенные признаки геотехногенной системы "автодорога-геосреда", в нормативной расчетной схеме конструкции дорожной одежды учитываются следущим образом:

1) по размерности (учет протяженности автодороги и линейности ее конструктивных элементов) - пространственная с осевой симметрией, не учитывает линейность;

2) по учету "квазилинейности" и многополосности приложения транспортной нагрузки на поверхности покрытия - не учитывает этот важный признак, гак как распределенная нагрузка приложена к поверхности полупространства по площади круга, равновеликого площади отпечатка колеса расчетного автомобиля;

3) по типу и размерам поперечного сечения автодороги - не учитывает (все элементы конструкции тела автодороги и геосреды представляются в виде двух-, трехслойного полупространства);

4) по соотношениям между напряжениями и деформациями - линейные (упругое тело);

5) по учету собственного веса - не учитывает (частичный учет собственного веса дорожной одежды выполняется при проверке по второму критерию действующей инструкции ВСН 46-83);

6) по конструкции земляного полотна - учитывает только самый верхний слой земполотна (в этой расчетной схеме вся конструкция земполотна представлена в виде нижнего слоя двух-, трехслойного полупространства);

7) по учету геологической среды - не учитывается вообще;

8) по природным воздействиям - в расчетной схеме дорожной одежды для наиболее опасного времени года (весны), параметры деформируемости и прочности материалов основания и земполотна назначаются по минимуму, как функция влажности материалов на этот период года.

Следует обратить внимание и на такое противоречие - решения линейной теории упругости (расчет материалов конструкции дорожной одежды) применяются после расчета по теории предельного состояния (расчет материалов конструкции земполотна), а не наоборот, как это известно из теории деформирования материалов, когда линейная теория упругости верна для начального участка ветвей нагружения большинства диаграмм деформирования материалов и для всего участка ветвей разгрузки.

В существующей системе проектирования автомобильных дорог, такие конструктивные элементы земполотна и дорожной одежды как, дренажные, морозозащитные, прерывающие, армирующие и др., проектируются после основных расчетов конструкции земполотна или дорожной одежды.

Методика расчета конструктивных элементов и принимаемые в ней расчетные схемы определяются основными функциями работы элементов в конструкциях земполотна или в дорожной одежде. На основе этого принципа определяются основные параметры конструктивных элементов.

Можно подчеркнуть, что в рамках существующих функциональных методик расчета конструктивных элементов тела автодороги, невозможно оценить количественно их роль в изменении НДС материалов всей системы "автодорога-геосреда" и особенно в материалах конструкции дорожной одежды.

По материалам исследования автора (1974... 1989 гг) на многих построенных автомобильных дорогах зафиксированы повсеместные отказы. Например такие, как колейность на поверхности покрытия, поперечные (температурного характера) и продольные трещины в материалах покрытия, которые не вызывают отказа всей автомобильной дороги, но уменьшают срок службы элементов дорожной одежды и

требуют значительных эксплуатационных расходов для обеспечения расчетного срока службы материалов покрытия и обеспечения расчетной скорости движения транспортных средств.

Процесс образования колейности, возникновения и развития продольных и других трещин на поверхности покрытий, был известен до создания существующей методики расчета нежесткой дорожной одежды на основе решения осесимметричной задачи линейной теории упругости под действием повторных нагрузок от транспортных средств.

Продольные трещины разной величины раскрытия, в материалах нежестких покрытий между полосами наката, есть практически на каждой автодороге. Процесс их появления на поверхности нежестких покрытий по М.Б. Корсунскому (1966) следующий: "Вначале образуется прогиб одежды но полосам наката, и на покрытии в отдельных местах, посередине полос, появляются продольные узкие (волосные) трещины. Далее изогнутость полос наката увеличивается ... , все более ясно выражается осевая трещина, образуются поперечные трещины, ... , и в ряде мест происходит полное разрушение дорожной одежды."

Таким образом, индикатором начала разрушения покрытия можно считать образование продольных трещин.

Выполненный краткий обзор состояния вопроса показывает, что в рамках принятых в нормах расчетных схем земполотна и конструкции дорожной одежды, многие факторы отражающие реальную систему "автодорога-геосреда" не учитываются в расчетах НДС материалов этой системы. Кроме этого, в таких схемах не просматриваются перспективы в исследованиях по учету влияния технологии возведения земполотна и устройстве дорожной одежды, трудно учесть и оценить всю полноту природных циклических воздействий, а также не видны перспективы совместного расчета взаимодействующих между собой элементов геосреды, земполотна, дорожной одежды, транспортных потоков.

Таким образом, исследование условий взаимодействия и взаимного влияния элементов геотехногенной системы "автодорога-геосреда" на основе прикладных расчетно-теоретических методов позволит раскрыть степени влияния того или иного фактора (признака) при взаимодействии элементов этой системы и на такой основе достаточно эффективно запроектировать элементы поперечного сечения тела автомобильных дорог.

В заключении главы сформулированы задачи исследования:

1) выявить и оценить особенности строения и условий взаимодействия элементов реальной геотехногенной системы "автодорога-геосреда" при интенсивном движении транспортньк средств, с точки зрения их влияния на обоснованный выбор расчетных схем и количественных методов исследования напряженно-деформированного состояния материалов модели такой системы;

2) выполнить оценку состояния геомеханического обеспечения по расчету напряженно-деформированного состояния материалов дорожных конструкций, в том числе дорожной одежды, земполотна и геосреды, с точки зрения учета выявленных особенностей реальной системы "автодорога-геосреда", а также построить расчетную схему, отражающую условия работы такой системы;

3) разработать основы методики расчетно-теоретического прогноза напряженно-деформированного состояния материалов дорожных сооружений

взаимодействующих с геологической средой на основе современных методов расчета строительных конструкций и современной вычислительной техники;

4) выполнить сравнительные расчеты и проанализировать влияние на напряженно-деформированное состояние материалов системы "автодорога-геосреда" основных и определяющих факторов, которые не учитываются в существующих нормативных расчетных схемах;

5) разработать рекомендации по применению новых конструктивных решений дорожных одежд па основе анализа выполненных расчетов напряженно-деформированного состояния материалов модели системы "автодорога-геосреда".

Во второй главе показаны возможности и особенности применения метода конечных элементов (МКЭ) для расчета напряженно-деформированного состояния материалов дорожных сооружений взаимодействующих с природными грунтами геологической среды. Для модели системы "автодорога-геосреда" построена расчетная схема, сделан выбор расчетно-теоретического метода исследования и рассмотрены особенности создания пакета прикладных программ МКЭ для расчета НДС материалов модели этой системы.

Обзор применения метода конечных элементов для расчета НДС системы "автодорога-геосреда", выполнен как для автомобильных дорог, так и для других инженерных сооружений и их элементов, которые работают в условиях аналогичных условиям работы автодороги и искусственных сооружений на ней. При этом, большее внимание удалялось тем факторам (признакам), которые определяют взаимодействие элементов системы "автодорога-геосреда".

Исследованиями напряженно-деформированного состояния материалов дорожньгх конструкций занимались многие специалисты. Здесь следует отметить работы H.H. Иванова, А.К. Бируля, О.Т. Батракова, В.М. Сиденко, М.Б. Корсунского, Ю.М. Васильева, А.О. Салль, П.И. Теляева, A.M. Кривисского, В.П. Плевако, А.К. Приварникова, Б.С. Радовского, Г.И Глушкова, В.Ф. Бабкова, М.С. Коганзона, Ю.М. Яковлева, А.Я. Тулаева, H.A. Пузакова, В.И. Кулиша, Н.Я. Хархута, В.Д. Казарновского, Э.М. Доброва, В.И. Рувинского и др. Из зарубежных исследователей можно выделить работу Г.Р. Седергрена.

Возможности применения МКЭ к проблемам геомеханики в горнотехническом, гидротехническом, гражданском, дорожном и других видах строительства показали следующие исследователи - Б.З. Амусин, А.Б. Фадеев, С.Б.Ухов, Ж.С. Ержанов, Г.Д. Каримбаев, JI.A. Розин, Л.Б. Гольдин, А.К Бугров, A.C. Городецкий, JI.H. Рассказов и др. Этому способствовали переведенные на русский язык под редакцией Ю.К. Зарецкого книги О. Зенкевича.

В России, в дорожном строительстве, расчеты МКЭ по видимому начинались аспирантами МДДИ В.Д. Браславским и М.И. Колончаковым под руководством профессора H.H. Маслова.

Успех, который выпал на долю метода конечных элементов , одного из численных методов решения задач механики сплошной среды, в значительной степени определяется тем фактом, что результаты которые он дает подтверждаются экспериментальными исследованиями.

Таким образом, построение геомеханической модели системы "автодорога -геосреда" было выполнено на основе метода конечных элементов.

На настоящее время принципиальных трудностей в применении алгоритмов МКЭ не видно, они хорошо разработаны и описаны в научной литературе.

Существует одна, но серьезная проблема - это применение в прикладных науках того что уже сделано, наработка собственного опыта. По разным причинам

исторического характера в дорожном строительстве это делается очень медленно.

Выполненный анализ современного состояния геомеханического обеспечения, который используется при исследовании работы дорожных сооружений позволяет заключить, что численные методы расчета и применяемые на их основе расчетные схемы способны более верно отражать действительную работу элементов конструкции автомобильной дороги при взаимодействии ее с геологической средой, чем нормативные методы расчета и расчетные схемы.

В третьей главе приводятся основные уравнения МКЭ, которые реализуются в разработанном программном обеспечении, дается описание его назначения и условий применения, а также дано описание предлагаемой методики расчета НДС материалов модели системы "автодорога-геосреда".

В основе предлагаемой методики расчета НДС материалов модели системы "автодорога-геосреда" используется теория линейно-упругого (деформируемого) тела. Методика расчета НДС материалов и грунтов модели системы "автодорога-геосреда" разработана для решения прикладных задач дорожного строительства в статической постановке. Во всех расчетах НДС материалов автодороги и природных грунтов геосреды можно учитывать их собственный вес. Параметры поверхностной нагрузки от транспортных средств принимаются по действующей инструкции ВСН 46-83, а ее размещение на поверхности покрытия, при моделирование транспортных потоков, производится по рекомендациям справочников инженера-дорожника.

Общий вид выражения для расчета по деформациям модели системы "автодорога-геосреда" записывается в стандартной форме СНиП 2.02.01-83:

Я ^ , (I)

где 5 и - расчетные и предельные значения совместной деформации элементов элементов системы "автодорога-геосреда".

Такая запись уравнения (1), подразумевает несколько вариантов расчета по деформациям для разных этапов строительства и эксплуатации автодороги.

При расчете дорожной одежды по деформациям, на эксплуатационные нагрузки, в качестве параметров деформируемости материалов и грунтов используются модули упругости, а в качестве критерия предельной совместной деформации можно использовать относительные перемещения поверхности покрытия между точками максимума прогиба (на полосах наката) и максимума выгиба (по центральной оси или посредине между полосами наката).

Полноценное прогнозирование процесса трещинообразования предполагает выбор метода расчета НДС исследуемой конструкции, а также применение моделей физического состояния материалов, которые позволят автоматически обнаруживать место возникновения трещин, моделировать создание трещин, их рост, движение и работу конструкции с трещинами вплоть до потери несущей способности или устойчивости. На настоящее время делаются только попытки такого прогнозирования, более или менее удачные для однородных материалов и простых конструкций. В грунтах и сооружениях из фунтов, как материалах дискретных и многофазных, такое моделирование выполнить более сложно, чем для металла и

бетона, где есть некоторые успехи. И поэтому, оценка прочности (трещиностойкости) материалов в конструкции дорожной одежды выполняется на основе анализа результатов единого расчета НДС модели системы "автодорога-геосреда" на поверхностные эксплуатационные нагрузки от транспортных потоков и действие объемных сил.

Основные выражения для оценки деформируемости и прочности материалов конструкции дорожной одежды системы "автодорога-геосреда" записаны в терминах прикладной геомеханики и кратко рассматриваются ниже.

Первый критерий - конструкция дорожной одежды должна удовлетворять требованиям надежности и деформируемости по критерию уравнения (1).

После расчета НДС материалов конструкции дорожной одежды, в случае удовлетворения первому критерию, выполняется его анализ и выбираются наиболее опасные точки, сечения по всей площади ее поперечного сечения, отдельно для материалов покрытия и монолитных конструктивных слоев основания, и отдельно для материалов нижележащих слоев основания и рабочего слоя земполотна, затем выполняются проверки по соответствующим критериям.

Второй критерий - в материалах слоев основания и верхних слоях земляного полотна, подстилающих материалы покрытия и монолитные слои основания, должна быть выполнена проверка на объемное растяжение. В качестве критерия принимается шаровый инвариант тензора напряжений (среднее нормальное напряжение). Это условие записывается следущим образом:

<т„ < 0 , (2)

где <7„- среднее нормальное напряжение.

Третий критерий - расчет монолитных материалов покрытия и слоев основания дорожной одежды на растяжение при изгибе. Растягивающие напряжения в материалах монолитных слоев дорожной одежды, возникающие при ее прогибе (выгибе) под действием повторных кратковременных нагрузок от транспортных потоков на поверхности покрытия, не должны вызывать нарушения структуры материалов и приводить к образованию трещин. Это условие записывается в следующем виде:

о", < Я > (3)

где сг, и Я,- расчетное наибольшее растягивающее напряжение и предел прочности материла на растяжение при изгибе.

Проверка этого условия производится для материалов в точках сечений расположенных посредине между полосами наката и движения.

Четвертый критерий - расчет материалов элементов конструкции дорожной одежды на сдвиг. В материалах конструкции дорожной одежды и верхней части земполотна, на контактах наблюдается концентрация касательных напряжений. И поэтому условие, при котором обеспечивается их сопротивление сдвигу, записывается в следующем виде:

г< г„ ,

(4)

где г и г,- расчетное максимальное касательное напряжение и предельное максимальное касательное напряжение определяемое из условия прочности Кулона-Мора.

Проверка этого условия производится для материалов покрытия и монолитных слоев основания в точках сечений расположенных между полосами наката вблизи краев полос загружения. В качестве ограничения сдвигоустойчивости ддя таких материалов, может быть принято значение величины сцепления найденное в эксперименте или принятое по инструкции ВСН 46-83. Для других материалов дорожной одежды и верхних слоев земполотна, проверка производится в местах пиков эгаор максимальных касательных напряжений, построенных по линиям контакта материалов по всей ширине конструкции дорожной одежды. Для монолитных и немонолитных материалов дорожной одежды и земляного полотна, это условие можно проверять используя выражение для коэффициента запаса прочности. В случае монолитных материалов используются коэффициенты запаса прочности по Ю.Б. Мгалобелову (1977), в случае несвязных и связных материалов и грунтов по З.Г. Тер-Мартиросяну и Д.М. Ахпателову (1969). Если в какой-либо точке материала этот коэффициент меньше единицы, в этой точке возможно разрушение.

Расчет материалов конструкции дорожной одежды считается законченным, если в принятой последователь/госта расчета удовлетворяются условия всех проверок. В отличии от нормативной методики, где проверяются условия в конкретных точках по оси под нагрузкой, результаты численных расчетов оцениваются сложнее. В этом случае важен опыт, знания и интуиция исследователя, так как выводы нужно делать при анализе сечений, площадей элементов конструкции. При развитом интерфейсе, выводы можно делать с помощью изолиний критериальных, оценок. Например, при проверке условий (2) или (3), не должно быть замкнутых изолиний с положительными значениями величин критериальных оценок в соответствующих материалах. При проверке условия (4) возможны варианты, при которых, в некоторых местах материалов, коэффициенты прочности всегда будут меньше единицы. В этом случае необходимо учитывать площадь влияния критериального параметра.

Проверку устойчивости откосов и склонов против их оползания, при проектировании автодорог на высоких насыпях, в глубоких выемках и на косогорах, а также устойчивости автодороги в насыпи против расползания (выдавливания) при ее прохождении по слабым грунтам, предлагается выполнять используя следующее стандартное выражение:

, (5)

где к и ки - расчетный коэффициент запаса устойчивости определяемый по той или иной теории устойчивости склонов и откосов, и предельный (требуемый) коэффициент запаса устойчивости, учитывающий инженерно-геологические условия и метод расчета устойчивости.

Расчет устойчивости выполняется для разных стадий строительства и эксплуатации автодороги, и всегда начинается с анализа НДС материалов элементов верхней части ее поперечного сечения или природных грунтов геосреды в случае прохождения автодороги по косогору. В этом анализе определяются места

возможного образования продольных (закольных) трещин. Как известно, они являются предвестниками большинства оползневых процессов. На основании анализа НДС определяется потенциальное местоположение трещины и назначаются ее параметры - длина и ширина раскрытия. Выбор значений параметров трещин зависит от опыта, интуиции, здравого смысла инженера. Если выполняется оценка устойчивости эксплуатируемой автодороги с известным расположением и размерами закольных трещин, они легко моделируются в принятой расчетной схеме. Места моделируемых трещин становятся новыми зонами по неоднородности. Все значения параметров материалов в таких зонах равны нулю. В принятой схеме расчета, в отличии от общепринятого подхода в расчетах устойчивости грунтовых откосов МКЭ, предполагаемые поверхности скольжения определяются сразу.

По предлагаемой методике, в расчетной области аппроксиммированной конечными элементами, выделяются начальный и конечный узлы на потенциальной поверхности скольжения. Начальным узлом может быть узел расположенный на поверхности покрытия, обочины или откоса. Если в материалах дорожной одежды, обочины или откоса возможно образование трещины, начальным узлом становится вершина смоделированной вертикальной трещины. Последним узлом может быть узел на поверхности откоса или на поверхности геосреды ниже подножия откоса. Любой вариант линии скольжения расположен между этими узлами, а сама линия представляется суммой отрезков, роль которых выполняют стороны конечных элементов. Измененяя координаты узлов конечных элементов смежных с предполагаемой линией поверхности скольжения, можно получить несколько вариантов поверхности скольжения в процессе итерационного расчета устойчивости системы и найти поверхность с минимальным коэффициентом запаса устойчивости.

Таким образом можно задать любую кривизну предполагаемой поверхности скольжения, в том числе круглоцилиндрическуго. При такой схеме расчета, отпадает этап сложных вычислений компонент тензора напряжений на предполагаемых поверхностях скольжений методом интерполяции, как это обычно делается в МКЭ. В принятой методике, сразу, в узлах любой поверхности скольжения вычисляются коэффициенты запаса прочности.

Коэффициент запаса устойчивости вдоль любой поверхности скольжения вычисляется как частное от деления суммы коэффициентов запаса прочности для всех узлов линии скольжения на число узлов.

Качественной особенностью решения задач устойчивости откосов МКЭ, которая отмечается многими исследователями, является то, что в этом решении при вычислении усилий или коэффициентов запаса прочности используются все компоненты тензора напряжений, а не только одна вертикальная составляющая, вычисляемая как функция силы тяжести в стандартных методиках расчета.

В четвертой главе приводятся результаты количественного исследования НДС материалов модели системы "автодорога-геосреда".

Целью количественного исследования являлось проведение сравнительной оценки результатов расчета НДС материалов эталонной конструкции дорожной одежды для примера действующей инструкции ВСН 46-83, изучение НДС материалов эталонной конструкции дорожнойюдежды модели системы "автодорога-геосреда" на основе принятых в данном исследовании расчетных схем метода конечных элементов, в которых отражаются реальности конструкции автомобильной дороги, как протяженного инженерного сооружения

взаимодействующего с геологической средой и которые не учитываются в нормативных расчетных схемах. При этом ставились задачи дать оценку:

- результатов расчетов по предлагаемой методике в сравнении с результатами расчетов НДС материалов эталонной конструкции дорожной одежды, приведенной в примере действующей инструкции ВСН 46-83;

влияния типа и конечных размеров поперечного сечения автодороги, размеров и собственного веса составляющих ее элементов;

- влияния параметров транспортных потоков;

- влияния параметров геосреды;

- влияния параметров земляного полотна;

- влияния параметров конструкции дорожной одежды;

- устойчивости откосов автодороги по модифицированной методике;

- работоспособности материалов новых конструкций дорожных одежд.

В качестве эталона принят пример 1 приложения 4 инструкции ВСН 46-83 расчета конструкции дорожной одежды для автодороги II технической категории с шириной проезжей части 7.5 м и шириной обочин 2*3.75 м. В расчетах по методике инструкции не учитывается тип поперечного сечения автодороги, ее геометрические размеры в соответствии с принятой категорией автодороги, строение и свойства природных грунтов геосреды, размеры поперечного сечения и собственный вес материалов конструктивных элементов, параметры транспортной нагрузки на поверхности покрытия. Поэтому, для тех случаев, которые не учитывает инструкция, приводятся соответствующие обоснования при назначении необходимых для расчета новых параметров.

Минимальная высота насыпи для грунтовых и климатических условий II дорожно-климатической зоны, для суглинка тяжелого пылеватого, равна 1.8 м. Из этих условий принята минимальная высота автодороги в насыпи и выемке (считая ее от дна кювета), равная 2.0 м. Заложение откоса принято 1:1.5, как минимально возможное для принятого типа материала земполотна. Обочины в расчетной схеме приняты с полосами укрепления шириной 0.75 м. Конструктивно, полосы укрепления являются продолжением слоев асфальтобетона. Поперечные уклоны: проезжей части 0,02, неукрепленных обочин 0.04, поверхности земполотна 0.04.

Размещение нагрузки от транспортных средств на поверхности покрытия выполнено в соответствии с рекомендациями справочника инженера-дорожника (1977). Правый край правой полосы загружения расположен в 1.00 м от кромки проезжей части. Расстояние между осями полос загружения 1.37 м. Ширина одной полосы загружения 0.37 м. Интенсивность распределенной по полосе загружения нагрузки равна 0.60 МПа 1м.

Размеры модели геосреды из однородного грунта определялись пробными расчетами для каждой задачи, при этом учитывался опыт расчетов аналогичных задач выполненных другими исследователями при помощи МКЭ. Размеры модели, с цель уменьшения влияния граничных условий на результаты расчетов, приняты одинаковыми для всех расчетных схем и равны 5Н в глубину и 6Н в ширину от подножия насыпи (бровки выемки), где Н - высота (глубина) насыпи (выемки).

Как и в примере, все элементы дорожной одежды, земполотна и геосреды упругие, однородные, изотропные и что важно здесь, весомые. На контакте слоев принято полное сцепление, как и в методике инструкции.

Результаты расчетов по принятой методике МКЭ, приводятся в виде графиков эпюр компонент тензора напряжений, главных напряжений, их инвариантов и коэффициентов запаса прочности для различных сечений по глубине и ширине конструкции дорожной одежды отдельно для материалов покрытия и основания.

Результаты расчетов для эталонного примера показывают, что зона растяжения наблюдается в материалах верхнего слоя покрытия между полосами загружения (наката) и на укрепленных полосах обочин. Значения минимальных главных растягивающих напряжений в этой зоне, более чем на два порядка меньше предела прочности асфальтобетона на растяжение, равного в примере 1.22 МПа. Между тем, в примере, радиальные растягивающие напряжения в материалах нижнего слоя покрытия, по оси под нагрузкой, равны +1.20 МПа. В материалах верхнего слоя покрытия действуют значительные сжимающие горизонтальные нормальные и максимальные касательные напряжения. В точке, расположенной в материале верхнего слоя асфальтобетона вблизи поверхности и посредине полос загружения, реализуется сложное напряженное состояние. Значения главных нормальных и максимальных касательных напряжений в этой точке, в принятом в геомеханике порядке, когда сжимающие напряжения являются отрицательными по величине, равны -2.00, -0.48, +0.002 и 1.00 МПа соответственно, а значения коэффициентов запаса прочности меньше единицы. Такое их значение можно объяснить высокими значениями максимальных касательных напряжений действующих в материалах покрытия.

В примере инструкции не приводится расчет слоев асфальтобетона на сопротивление сдвшу. По приложению 3 и формуле (3.18) ВСН 46-83, максимальное значение допускаемого напряжения сдвига равно 1.6*0.30 = 0.48 МПа, что меньше средних значений максимальных касательных напряжений действующих в материалах покрытия, вычисленных по предлагаемой методике.

Можно отметить, что принятые в предлагаемой методике расчета как критерии коэффициенты запаса прочности, качественно отражают действительную работу материалов покрытия. В местах, посредине между полосами наката, где их значения близки к нулю, на практике происходит разрушение материалов покрытия.

Действующие средние значения максимальных касательных напряжений в сечении посредине полос загружения, для песчаного слоя конструкции дорожной одежды равны 0.023 МПа, для суглинка земляного полотна равны 0.045 МПа, а определенные по методике инструкции допускаемые сдвигающие напряжения, в сечении по оси под нагрузкой, равны 0.0151 МПа, 0.0067 МПа для песка и для материала земполотна соответственно. Значения коэффициентов запаса прочности, вычисленные по предлагаемой методике расчета, в большей части сечения для песчаного слоя и верхней части земполотна, меньше единицы.

Величины вертикальных компонент вектора перемещений поверхности покрытия от действия только транспортной нагрузки меняются от 0.043684 м на центральной оси до 0.033086 м на кромке покрытия. Максимальное значение этой компоненты наблюдается в точке под правым краем правой полосы загружения и равно 0.043967 м. Большие значения величин перемещений объясняются малым значением модулей упругости материала земполотна и природного грунта геосреды (Е=33 МПа). Выгиб покрытия на экране компьютера хорошо виден по центральной оси автодороги и только при установке большого масштаба смещений виден и посредине полос наката.

Влияние факторов, которые не учитываются нормативными расчетными схемами, оценивались на основе анализа результатов решения задач с исходными данными для конструкции дорожной одежды эталонного примера инструкции.

В самом простом случае, для рассмотренного выше эталонного примера, для семи типов материалов и грунтов расчетной схемы, число изменяемых параметров физико-механического состояния равно 35. Число изменяемых значимых геометрических параметров (толщины слоев, высота насыпи, заложение откосов) для этой автодороги И-ой технической категории в насыпи равно 8. Поэтому в исследовании рассматриваются только основные и определяющие факторы, которые позволяют оценить не только НДС материалов всей системы "автодорога-геосреда", но и оценить их влияние на работу основных элементов системы, на материалы конструкции дорожной одежды.

Оценка влияния типа и конечных размеров поперечного сечения автодороги, размеров и собственного веса ее конструктивных элементов на НДС материалов системы выполнялась для пяти расчетных схем с эталонной конструкцией дорожной одежды, таких как, автодорога в насыпи высотой 2.0 и 12.0 м, городская автодорога, автодорога в выемке глубиной 2.0 и 12.0 м. Были выполнены расчеты на действие объемных сил тяжести (начальное напряженное состояние), на действие поверхностной нагрузки от транспорта (с целью проверки действия принципа суперпозиции), на совместное действие объемной и поверхностной нагрузки.

Анализ результатов расчетов для трех типов поперечного сечения автодороги показывает, что наблюдаются значительные различия в значениях величин компонент тензора напряжений, вида напряженного состояния в материалах дорожной одежды для вертикальных сечений по ширине покрытия.

Начальное НДС в материалах элементов конструкции поперечного сечения автодороги определяется действием собственного веса, деформируемостью материалов элементов дорожной одежды, земполотна и грунтов геосреды, зависит от типа поперечника автодороги, рельефа местности и его необходимо учитывать в последующих расчетах на действие транспортной нагрузки.

Для автодорог в насыпях и выемках наблюдаются качественные и количественные отличия в начальном НДС материалов конструкции дорояшой одежды, что, как здесь стало известно, определяется различиями в технологии их строительства и условиями взаимодействия с геологической средой.

Для автодорог в насыпях, в материалах покрытия и верхних слоях основания дорожной одежды действуют значительные по величине сжимающие горизонтальные нормальные и максимальные касательные напряжения. Их величина, при прочих равных условиях, зависит от высоты насыпей, при этом, наблюдается концентрация касательных напряжений в виде сгущения изолиний в районе кромки покрытия, в материалах обочины и основания. В материалах покрытия эталонной конструкции дорожной одежды, в сечении по центральной оси автодороги с высотой насыпи равной 2.0 м, среднее значение горизонтальных нормальных напряжений равно -0.76 МПа, а максимальных касательных напряжений равно 0.58 МПа.

Для автодорог в выемках, в материалах покрытия и верхних слоях основания дорожной одежды действуют малые по величине растягивающие горизонтальные нормальные напряжения, при этом их величина, при прочих равных условиях,

практически не зависит от глубины выемки. В материалах покрытия эталонной конструкции дорожной одежды, в сечении по центральной оси автодороги с глубиной выемки равной 2.0 м, среднее значение горизонтальных нормальных напряжений равно +0.025 МПа, а максимальных касательных напряжений равно 0.08 МПа.

При приложении нагрузки от транспорта, эгаоры горизонтальных нормальных напряжений становятся качественно подобными, но наблюдается их количественное отличие в материалах верхней части дорожной одежды, более существенное для автодорог в насыпях, чем для автодорог в выемках, что определяется их начальным напряженным состоянием.

В результате действия поверхностной нагрузки и объемных сил, в сечении посредине между полосами загружения, в материалах основания, которые не сопротивляются растяжению, возникают растягивающие горизонтальные нормальные напряжения, среднее значение которых для эталонной конструкции дорожной одежды автодороги в насыпи высотой 2.0 м равно +0,005 МПа, а для автодороги с глубиной выемки равной 2.0 м равно +0.010 МПа.

Вертикальные нормальные напряжения сжатия, значимы только в местах приложения поверхностной нагрузки, причем в материалах покрытия, по центральной оси автодороги, между правой полосой загружения и кромкой покрытия они растягивающие. В материалах покрытия эталонной конструкции дорожной одежды, в сечении посредине между полосами загружения, их среднее значение для автодороги в насыпи высотой 2.0 м равно -0,022 МПа, а для автодороги в выемке с глубиной равной 2.0 м равно -0.017 МПа;

Наибольшие касательные напряжения, а также максимальные касательные напряжения действуют в материалах покрытия, вблизи внутренних краев полос загружения. Для эталонной конструкции дорожной оденоды автодороги в насыпи высотой 2.0 м, среднее значение максимальных касательных напряжений равно 1,00 МПа, а для автодороги в выемке с глубиной равной 2.0 м равно 0.92 МПа. Эшоры максимальных касательных напряжений в материалах покрытия автодорог в насыпи и выемке (при учете только объемных сил), для сечений по ширине проезжей части, имеют различный вид. Для автодороги в выемке, в месте правой полосы загружения, в эпюрах наблюдается резкий пик по максимуму.

При анализе результатов расчетов выявлены наиболее опасные сечения, в которых необходимо выполнять критериальные оценки НДС материалов дорожной одежды по прочности. Это сечения: по центральной оси (место расположения технологического шва), посредине между полосами движения (при числе полос более двух), посредине между полосами загружения (наката).

В таких наиболее опасных сечениях, в реальной практике эксплуатации материалов нежестких покрытий автодорог, возникают и развиваются продольные трещины, и их местоположение невозможно определить при помощи действующей нормативной методики расчета конструкции дорожной одежды.

Влияние параметров поверхностной нагрузки от транспортных потоков на НДС материалов эталонной конструкции дорожной одежды оценивалось по результатам расчетов выполненных для следующих двух случаев:

а) для автодороги II технической категории в насыпи высотой 2.00 м, при движении в одну сторону по одной полосе - две полосы загружения в месте полос

наката, с тремя вариантами нагрузки - одна полоса загружения справа, другая полоса слева и с двумя полосами загружения;

б) для городской автодороги при движении в одну сторону по двум полосам движения с тремя вариантами нагрузки - на одной полосе движения справа (две полосы загружения), на другой полосе слева (две полосы загружения), на двух полосах движения (четыре полосы загружения).

Взаимовлияние полос загружения сказывается на значениях величин компонент тензора напряжений при увеличении числа полос. При этом, происходит увеличение горизонтальных нормальных напряжений в материалах покрытия в 2... 4 раза, в сравнениис с действием одной полосы загружения.

Для многополосных автодорог, в том числе городских, материалы покрытия и верхних слоев основания дорожной одежды работают в условиях быстропротекающего переменного сложного напряженного состояния. При этом, в зависимости от условий загружения поверхности покрытия транспортной нагрузкой (по полосам движения), материал покрытия испытывает разные виды напряженного состояния по ширине покрытия - растяжение или сжатие.

Основной вывод при такой сравнительной оценке следующий - число и местоположение полос загружения (полос движения) на поверхности покрытия определяет места возможного трещинообразования в материалах покрытия. Это места с низкими значениями величин вертикальных нормальных напряжений и высокими значениями величин горизонтальных нормальных и максимальных касательных напряжений. В таких местах возможно образование трещин "сплющивания", плоскости которых перпендикулярны направлению сжимающих усилий и располагаются обычно примерно посредине между плоскостями приложения внешних сил (К.Ф. Сергеев, 1989).

Влияние параметров геосреды на НДС материалов эталонной конструкции дорожной одежды оценивалось на основе двух расчетов: в первом расчете - грунт однородной геосреды суглинок тяжелый (нескальный), с такими же параметрами как и в примере инструкции; во втором расчете - грунт однородной геосреды скальный, с модулем упругости на два порядка выше, чем для суглинка и коэффициентом Пуассона равным 0.20.

Наиболее сильное отлитие результатов расчета для материалов покрытия наблюдается в значениях величин горизонтальных нормальных напряжений, при этом происходит изменение вида напряженного состояния с сжатия на растяжение в материалах покрытия вблизи центральной оси автодороги.

Анализ результатов расчетов показывает, что расчет НДС материалов тела автодороги должен выполняться в рамках модели системы "автодорога-геосреда". Кроме этого, на наш взгляд, неоднородность в строении геосреды и криволинейный рельеф ее поверхности также очень сильно влияют на НДС материалов в конструкции дорожной одежды. При использовании МКЭ в расчетах НДС модели системы "автодорога-геосреда", все особенности геосреды учитываются достаточно легко и просто.

Учитывая, что параметров характеризующих земляное полотно, дорожную одежду и геосреду довольно много, в исследовании заведомо ограничивалось их число и вариации. И поэтому, оценивалось влияния следующих факторов: - высоты (глубины) насыпи (выемки);

- ширины земполотна для автодорог II, III технических категорий в насыпи и в выемке;

- заложения откосов земполотна для автодорог в насыпи и в выемке;

- параметров деформируемости земполотна автодороги в насыпи.

Ширина покрытия и обочин дгм автодорог II и III технической категорий, при прочих равных условиях - высоты тела автодороги, заложении откосов, конструкции дорожной одежды, влияет на НДС материалов покрытия, что сказывается на уменьшении максимальных касательных напряжений и увеличении горизонтальных нормальных напряжений в основании дорожной одежды для автодорог более низких технических категорий.

Заложение откоса тела автодороги в насыпи и выемке мало влияет на значения величин компонент тензора напряжений в материалах покрытия и основания конструкции дорожной одежды эталонного примера, и заметно влияет на концентрацию напряжений в материалах обочины сразу за кромкой покрытия для автодорог в насыпях, что необходимо учитывать при расчете устойчивости откосов на оползание.

Глубина выемки в однородных грунтах практически не влияет на НДС материалов дорожной одежды. Для выемок более 12.0 м, происходит небольшое увеличение сжимающих нормальных напряжений в основании дорожной одежды.

Напряженное состояние материалов конструкции дорожной одежды городских дорог количественно мало отличается от напряженного состояния материалов аналогичной по конструкции дорожной одежды автодороги в выемке.

Высота насыпи для автодорог на однородных основаниях, с одинаковым заложением откосов земполотна, существенно влияет на НДС материалов дорожной одежды. Так, для примера с эталонной конструкцией дорожной одежды, для сечения посредине полос загружения, среднее значение максимального касательного напряжения в верхнем слое асфальтобетона для насыпей высотой 2.0, 6.0, 12.0 м равно 0.90, 1.10, 1.40 МПа соответственно.

Исследование влияния параметров материалов конструктивных слоев дорожной одежды многообразно, поэтому и здесь, число изменяемых значимых параметров заранее ограничивалось и рассматривались следующие задачи:

первая - в конструкцию дорожной одежды вводился монолитный верхний слой основания из щебня укрепленного цементом толщиной 0.15 м, т.е. в основной эталонной расчетной схеме, половина слоя щебня по толщине укреплялась неорганическим вяжущим;

вторая - в конструкции дорожной одежды вместо двух слоев из плотного и пористого асфальтобетона устраивался один слой из плотного асфальтобетона толщиной 0.13 м;

третья - в расчетной схеме моделировалась депланация слоев покрытия, которая проявляется на поверхности покрытия в виде так называемой колейности, возникающей при длительной эксплуатации автодорог, при этом на контакте нижнего слоя асфальтобетона с щебнем, между полосами наката, на 2/3 от ширины между полосами загружения, моделировалось отлипание асфальтобетона от слоя щебня;

четвертая - в основной расчетной схеме, в материалах двухслойного покрытия, моделировались продольные трещины посредине полос наката, которые часто образуются при эксплуатации реальных автомобильных дорог.

Влияние монолитного верхнего слоя основания сказывается в материалах верхней части покрытия и нижележащих слоях основания конструкции дорожной одежды. На экране компьютера исчезает зона растяжения в основании дорожной одежды, которая наблюдается для примера с эталонной конструкцией дорожной одежды, уменьшаются значения величин вертикальных компонент вектора перемещений поверхности покрытия. Таким образом, устройство укрепленного основания действительно улучшает работу материалов покрытия.

Устройство однослойного покрытия из плотного асфальтобетона также улучшает работу всей конструкции дорожной одежды, при этом, практически во всех материалах конструкции, коэффициенты запаса прочности больше единицы.

При моделировании процесса образования колей на поверхности покрытия, была выполнена серия расчетов, в которых глубина колей в месте полос наката изменялась через 2.0 см от 0.0 см до 10.0 см. В этой задаче, в конструкции дорожной одежды депланировались только слои асфальтобетона, при этом их толщина не менялась в процессе моделирования. Возможность отлипания асфальтобетона от щебня, моделировалось введением новой зоны по неоднородности материалов толщиной 0.04 м (средний размер фракции щебня заклинки), в которой все параметры принимались равными нулю. Анализ результатов расчетов показал, что прн увеличении глубины колей, коэффициенты запаса прочности в материалах покрытия стремятся к нулю, что подтверждается наличием продольных трещин при полевых обследованиях материалов покрытий длительно эксплуатирующихся автомобильных дорог.

Моделирование продольной трещины в материалах покрытия, при ее расположении посредине между полосами загруження (наката), выполнялось введением новой зоны по неоднородности, в которой все параметры материалов принимались равными нулю. В поперечном направлении, ширина трещины увеличивалась при каждом варианте расчета через 0.01м, начиная с 0.01м до 0.05 м. Расчетными исследованиями выяснено, что в этом случае улучшается работа материалов покрытия, коэффициенты запаса прочности для материалов сечения по центральной оси автодороги становятся больше единицы, но при этом, ухудшается работа материалов основания. В месте трещины, при больших величинах ее раскрытия, в материале верхнего слоя основания возникают значительные по величине сжимающие нормальные напряжения.

Расчет устойчивости откосов для автодорог в насыпи выполнялся в рамках единого расчета НДС материалов модели системы "автодорога-геосреда" и являлся его заключительной частью. Он производился после анализа НДС материалов модели, на основе которого выбирались местоположения предполагаемых поверхностей скольжения, а по ним, при помощи коэффициентов запаса прочности, оценивалась устойчивость всей системы.

Выполненные в работе демонстрационные расчеты по оценке общей устойчивости системы "автодорога-геосреда" показывают, что в процессе итерационного расчета можно довольно легко отыскать поверхность скольжения с минимальным коэффициентом запаса устойчивости. Для автодороги Н-ой технической категории в насыпи, высотой 12.01 м, с параметрами эталонного примера, поверхность скольжения с минимальным коэффициентом запаса устойчивости начинается с вершины трещины у кромки покрытия и выходит к подножию поверхности откоса. Все другие варианты поверхностей скольжения, в

том числе выходящие за подножие откоса насыпи, имели коэффициент запаса устойчивости больше единицы.

Детальный анализ влияния основных и определяющих факторов на напряженно-деформированное состояние материалов конструкции дорожной одежды позволил разработать рекомендации по созданию новых конкурентоспособных типов конструкций дорожных одежд. В соавторстве с В.И. Кулишом поданы заявки на изобретения. В предложенных конструкциях дорожных одежд учитывается работа всех ее элементов по глубине и ширине, включая вид напряженного состояния материалов и особенности работы формируемой конструкции.

На наш взгляд, проблема трещиностойкости покрытий дорожных одежд, на настоящее время, является в большей степени проблемой создания новых конструкций дорожных одежд на основе компьютерного моделирования, чем проблемой создания новых материалов, а предлагаемая методика расчета НДС материалов элементов поперечного сечения автодорог, в рамках единого расчета на основе МКЭ, учитывает все основные реальности автомобильной дороги как линейного инженерного сооружения взаимодействующего с геологической средой и может стать основой для разработки более сложных расчетных схем.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Анализ существующих нормативных расчетных схем, которые применяются в настоящее время при проектировании элементов поперечного сечения автомобильной дороги, показал перспективность использования расчетных схем моделирующих работу элементов системы "автодорога-геосреда" на основе метода конечных элементов.

2. Принятые в работе расчетные схемы метода конечных элементов отражают следующие реальности конструкции автомобильной дороги как протяженного инженерного сооружения, которые не учитываются в нормативных расчетных схемах:

- протяженность автодороги и линейность всех ее основных конструктивных элементов;

- "квазилинейность" и многополосность двшкущейся по поверхности покрытия транспортной нагрузки;

- конечные размеры и тип поперечного сечения автодороги;

- конечные размеры всех ее конструктивных элементов, их весомость и совместную деформируемость в рамках примятой расчетной схемы;

- взаимодействие автодороги с вмещающей ее геологической средой.

3. В разработанной методике статического расчета НДС материалов модели системы "автодорога-геосреда" используется теория линейно-упругого (деформируемого) тела, при этом, на всех этапах единого расчета, выполняется оценка его результатов для материалов любых элементов конструкции автодороги по деформируемости, прочности, а на заключительном этапе, выполняется оценка общей устойчивости системы.

4. Проведенные исследования НДС материалов модели системы "автодорога-геосреда" подтвердили правильность предлагаемого подхода к изучению взаимодействия дорожных сооружений с геологической средой, когда можно

оценить влияние каждого элемента системы "автодорога-геосреда" на прочность и деформируемость материалов конструкции дорожной одежды, на устойчивость всей системы в целом.

5. При помощи предлагаемой методики расчета НДС материалов модели системы "автодорога-геосреда" выявлены наиболее опасные места работы материалов конструкции дорожной одежды - места, в которых возможно разрушение материалов покрытия, что подтверждается практикой обследования покрытий автомобильных дорог.

6. Детальный анализ влияния основных и определяющих факторов на НДС материалов конструкции дорожной одежды позволил разработать рекомендации по созданию принципиально новых типов конструкций дорожных одежд, новизна конструкции которых заключается в учете работы всех элементов системы "автодорога-геосреда".

7. Реализованные на компьютере алгоритмы и методика расчета MIO НДС материалов модели системы "автодорога-геосреда" могут стать основой современного геомеханического обеспечения САПР автомобильных дорог.

8. Использование предлагаемой методики расчета НДС позволит более полно оценивать работоспособность всех элементов конструкции поперечного сечения автодороги и природных элементов геосреды при их совместном взаимодействии, и на этой основе проектировать более рациональные конструкции и элементы дорожных сооружений, что даст возможность увеличить срок службы материалов покрытия, как наиболее важной, материалоемкой и дорогостоящей части автомобильной дороги.

ПУБЛИКАЦИЯ ПО РАБОТЕ

1. Горшков НИ., Собин Г.П. Особенности напряженно-деформированного состояния дорожных конструкций с одеждами нежесткого типа. // Инженерно-геологические и мерзлотные исследования Дальнего Востока: Сборник научных трудов. Хабаровск: Хабар, политехи, ин-т. 1983. - С. 153-159.

2. Горшков Н.И. Оценка результатов решения некоторых задач геомеханики методом конечных элементов. // Проблемы развития строительного комплекса Дальнего Востока. Материалы научно-технической региональной конференции 9-10 февраля 1987 года. Часть II. Хабаровск: ХВВСУ, 1987. - С. 188.

3. Горшков Н.И., Отческий A.C. Необходимые базы данных при моделировании поведения горных пород методом конечного элемента // Сборник научных трудов НИИ KT. Хабаровск: Изд-во Хабар, гос. тех. ун-та, 1993. - С. 211214.

4. Горшков Н.И. Некоторые аспекты проектирования элементов поперечного сечения автомобильных дорог и применение численных методов расчета напряженно-деформированного состояния системы "автодорога-геосреда" // Известия вузов. Строительство. 1997, - № 5. - С.