автореферат диссертации по строительству, 05.23.11, диссертация на тему:Диагностика дорожных одежд нежёсткого типа методом сложного нагружения

00501411»

ГУЗНЕНОК СЕРГЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

ДИАГНОСТИКА ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД

НЕЖЁСТКОГО ТИПА МЕТОДОМ СЛОЖНОГО НАГРУЖЕНИЯ

Специальность 05.23.11 — Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

1 5 м«р 20:2

Воронеж-2012

005014119

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждение высшего профессионального образования «Брянская государственная инженерно-технологическая академия».

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук, доцент

Волков Виталий Витальевич

Официальные оппоненты: Зубков Анатолий Фёдорович

доктор технических наук, доцент, Тамбовский государственный технический университет/ кафедра городского строительства и автомобильных дорог, доцент

Тюков Евгений Борисович

кандидат технических наук, доцент, Воронежский государственный архитектурно-строительный университет/ кафедра строительства и эксплуатации автомобильных дорог, доцент

Ведущая организация: Белгородский государственный

технологический университет им. В.Г. Шухова

Защита состоится 22 марта 2012 г. в 10°° часов на заседании диссертационного совета Д 212.033.02 при Воронежском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 394006 г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, д. 84, корпус 3, ауд. 3220, тел./факс: +7(473)271-53-21.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского государственного архитектурно-строительного университета.

Автореферат разослан 24. февраля 2012 г.

Учёный секретарь диссертационного совета

Старцева Н. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Длительное использование автомобильных дорог без надлежащего уровня содержания во многих регионах России привело к их критическому состоянию. Несмотря на то, что отрасль долгое время находилась в рамках жёстких бюджетных ограничений, специалистам-дорожникам удалось сохранить и преумножить положительный опыт по содержанию автомобильных дорог. Существующая практика показала высокие транспортно-эксплуатационные характеристики асфальтобетонных покрытий, и в настоящее время данный материал широко распространён. Но, как и любому материалу, ему свойственны изменения технико-эксплуатационных свойств, связанных с его реологическими характеристиками, изменяющимися в процессе эксплуатации транспортного сооружения.

Транспортные средства оказывают комплексное нагружение дорожной конструкции, выраженное в характеристиках транспортного потока, что приводит к её разрушению. Стандартные методики по определению параметров конструкции дорожной одежды опираются на предельные показатели, получаемых в основном при разрушении образцов в лабораторных условиях, в результате чего они показывают не реальное взаимодействие с транспортным потоком, а только характеризуют свойство самого материала - асфальтобетона. Для правильного прогнозирования долговечности дорожных одежд нежёсткого типа желательно оценивать их соизмеримыми показателями, что вызывает определённую сложность как в проведении таких исследований, так и в оценке получаемых данных.

В нормативной литературе определение «диагностика автомобильных дорог» характеризует обследование, сбор и анализ информации о параметрах, характеристиках и условиях функционирования дорог и дорожных сооружений, наличие дефектов и причин их появления, параметры транспортных потоков и другую необходимую для оценки и прогноза состояния дорог и дорожных сооружений в процессе дальнейшей эксплуатации информацию.

Оценка эксплуатационных параметров дорожного покрытия опирается на большое количество показателей, не связанных между собой, и, к сожалению, зависимости между ними мало коррелированы. В тоже время совершенствование методов расчёта и контроля технологии строительства дорожных конструкций способствует улучшению эксплуатационных характеристик, повышению надёжности и безопасности дорожного движения, а также эффективному использованию финансовых ресурсов отрасли.

Вопросами оценки технико-эксплуатационного качества дорожных одежд нежёсткого типа занимались В. К. Апестин, А. К. Бируля, В. Ф. Бабков, В. П. Мату а, Н. Н. Иванов, С. К. Илиополов, Ю. И. Калгин, Вл. П. Подольский, Г. И. Покровский, Р. М. Раппопорт, М. Я. Якунин и др., исследования которых показали, что напряжённо-деформированное состояние конструкций дорожных одежд нежёсткого типа оказывает влияние на образование остаточных деформаций и разрушение покрытий.

Существует большое количество конструкций дорожных одежд нежёсткого типа, отличающихся количеством слоев и их параметрами. Они могут обладать одинаковой величиной прогиба под статической или динамической нагрузкой, но отличаться параметрами, характеризующими конструктивные слои, что влечёт неоднозначность и, как следствие, переоценку их технико-эксплуатационного качества, проявляемого в процессе эксплуатации в образовании необратимых деформаций и разрушений.

Получение точной оценки технико-эксплуатационного качества слоев дорожных одежд нежёсткого типа - сложный и длительный процесс, требующий большого количества измерений, специализированных приборов и оборудования, а также методик, позволяющих устранить неоднозначность в её определении, и является актуальной научно-технической задачей.

Объект исследования — конструкция дорожной одежды, состоящая из слоев нежёсткого типа.

Предмет исследования - деформации слоев нежёсткого типа возникающие при сложном типе нагружения, эквивалентном транспортному воздействию.

Целью работы является разработка метода диагностики транспортно-эксплуатационного качества слоев дорожных одежд нежёсткого типа методом сложного нагружения.

Основные задачи работы:

- выполнить анализ существующих методов оценки транспортно-эксплуатационного качества слоев дорожных одежд нежёсткого типа;

- разработать математическую модель деформации дорожной одежды нежёсткого типа, подвергаемой транспортному воздействию;

- разработать методики по определению величины деформации сдвига поверхности покрытия и диагностики технико-эксплуатационного качества слоёв дорожных одежд нежёсткого типа;

- провести натурный эксперимент по определению напряжённо-деформированного состояния дорожной конструкции при сложном типе нагружения, выявить закономерности деформаций сдвига верхнего слоя асфальтобетонного покрытия и связи с общим модулем упругости конструкции;

- разработать технический регламент определения общего модуля упругости слоёв дорожных одежд нежёсткого типа при их аппаратурной диагностике методами неразрушающего контроля.

Научная новизна заключается в следующем:

- разработана детерминированная математическая модель нелинейной деформации многослойной дорожной одежды нежёсткого типа, подвергаемой транспортному воздействию, вызывающему сложное нагружение и влияющему на величину деформации слоёв дорожной конструкции; модель отличается от известных внесением величины деформационного сдвига верхнего слоя покрытия в месте контакта с колесом транспортного средства;

- разработана методика диагностики транспортно-эксплуатационного качества дорожных одежд нежёсткого типа, позволяющая определить их напряжённо-деформированное состояние при сложном типе нагружения и повы-

4

шающая точность определения прочности конструкции. Она позволила уменьшить противоречие, вызванное неоднозначностью влияния модуля упругости низлежащих слоев при определении общего модуля упругости дорожной одежды нежёсткого типа;

- получены зависимости деформации сдвига асфальтобетонного покрытия для диагностируемой дорожной конструкции, подвергаемой сложному типу на-гружения, возникающего при воздействии колёсной нагрузки от транспортных средств;

- получена экспоненциальная температурная зависимость деформации сдвига асфальтобетонного покрытия, подвергаемого сложному нагружению. Использование данной зависимости позволяет определить величину горизонтальной деформации верхнего слоя асфальтобетонного покрытия при воздействии нормативной транспортной нагрузки в широком диапазоне температур.

Достоверность полученных результатов, научных положений, выводов и рекомендаций, приведённых в работе, подтверждается объёмом теоретических, лабораторных и опытно-экспериментальных исследований, выполненных в ходе изучения явлений и процессов, лежащих в основе связи между эксплуатационными свойствами дорожной конструкции и характеристиками транспортного потока, с использованием современных методов и приборов, позволяющих провести эксперименты с допустимой погрешностью.

Теоретическую основу исследования составили аналитические и численные решения дифференциальных уравнений величины деформации сдвига дорожной конструкции под воздействием нагрузки в транспортном потоке и связанной с ней необратимой деформации.

Научная значимость заключается в разработке математической модели деформации многослойной дорожной одежды нежёсткого типа при сложном нагружении, а также температурных зависимостей деформаций покрытия, подвергаемого транспортному воздействию.

Практическая значимость работы заключается в разработке методики измерения величины деформации сдвига поверхности покрытия дорожной конструкции нежёсткого типа и разработке экспериментальной установки, позволяющей их измерить при сложном нагружении; а также в разработке методики диагностики транспортно-эксплуатационного качества слоев одежд нежёсткого типа методом сложного нагружения, позволяющей на основе измерений определить напряжённо-деформированное состояние конструкции и технического регламента определения общего модуля упругости слоёв дорожных одежд нежёсткого типа при их аппаратурной диагностике методами неразрушающего контроля.

На защиту выносятся:

- детерминированная математическая модель нелинейной деформации многослойной дорожной одежды нежёсткого типа при сложном нагружении, возникающем от транспортного воздействия. Она отличается от известных моделей использованием величины деформационного сдвига верхнего слоя покрытия в области контакта с колесом транспортного средства;

- методика экспериментального определения величины деформации сдвига поверхности покрытия дорожной конструкции нежёсткого типа, позволяю-

5

щая измерить напряжённо-деформированное состояние дорожной конструкции при сложном нагружении;

- методика диагностики слоёв дорожных одежд нежёсткого типа, повышающая точность определения прочности конструкции. Данная методика позволяет сравнивать параметры качества слоёв дорожной одежды нежёсткого типа на любом этапе жизненного цикла;

- зависимости деформации сдвига асфальтобетонного покрытия для диагностируемой дорожной конструкции, подвергаемой сложному типу нагружения, возникающего при воздействии колёсной нагрузки от транспортных средств;

- температурные зависимости деформации сдвига слоя асфальтобетонного покрытия дорожной конструкции, подверженной сложному нагружению, эквивалентному воздействию от колеса транспортного средства;

- технический регламент определения общего модуля упругости слоёв дорожных одежд нежёсткого типа при их аппаратурной диагностике методами не-разрушающего контроля.

Методы исследования. Работа выполнена с использованием комплексных методов исследования, включающих патентно-информационный анализ, методы численного (с применением решений уравнений в частных производных) и натурного экспериментального моделирования воздействия на дорожные одежды нежёсткого типа, а также с применением измерительных приборов и методов неразрушающего контроля.

Апробация результатов исследований. Основные результаты исследований и научных разработок докладывались и обсуждались на XIX межвузовской научно-практической конференции «Перспектива - 2009» (г. Воронеж, 2009 г.), международной научно-методической конференции «Эффективные материалы, технологии, машины и оборудование для строительства и эксплуатации современных транспортных сооружений» (г. Белгород, 2009 г.), международной научно-методической конференции «Научные исследования, наноси-стемы и ресурсосберегающие технологии в промышленности строительных материалов» (г. Белгород, 2010 г.), международной научно-методической конференции «Инновационные материалы и технологии» (г. Белгород, 2011 г.), всероссийской научно-практической конференции «Современные проблемы и перспективные направления развития авиационных комплексов и систем военного назначения, форм и способов их боевого применения» (г. Воронеж, 2011 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 научных статей общим объёмом 31 страница, из них лично автору принадлежит 23 страницы. Три работы опубликованы в изданиях, включённых в перечень ВАК ведущих рецензируемых журналов, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертации: «Известия ОрелГТУ. Серия: Строительство и транспорт» и «Научный вестник Воронежского ГАСУ. Строительство и архитектура».

В статьях, опубликованных в рекомендованных ВАК изданиях, изложены основные результаты диссертации: в работе [1] рассмотрены вопросы влияния возникающих деформаций на изменение прочности конструкции; в работе [2] рассмотрен вопрос влияния температуры на образование дефектов дорожной конструкции; в работе [3] рассмотрены результаты моделирования влияния мо-

6

дуля сдвига при сложном нагружении нежёсткой дорожной одежды на расчётную величину модуля упругости основания.

Объём и структура диссертации. Работа общим объёмом 147 страниц машинописного текста состоит из введения, четырёх глав, выводов, списка литературы из 133 наименований и приложения. В текст диссертации включены 7 таблиц и 22 рисунка.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследования, показана его научная новизна и практическая значимость для повышения точности оценки технико-эксплуатационного качества слоев дорожных одежд нежёсткого типа методом сложного нагружения.

В первой главе изложено современное состояние вопроса.

Развитие технологии строительства дорог и применение новых материалов, используемых для формирования верхнего слоя дорожных одежд, часто приводит к неоднозначности получаемых результатов при их приёмке и последующей диагностике в процессе эксплуатации. Это выражается в завышении показателя общего модуля упругости в тех случаях, когда слои основания обработаны вяжущим, особенно при тонких слоях асфальтобетона. В то же время величина прогиба, измеряемого статическим нагружением, может давать большие значения, но при этом толщина асфальтобетона превышает нормативную. Это противоречие часто приводит к дискуссиям о том, что важнее - измерение несущих свойств основания или дорожной конструкции в целом.

Исторически сложилось, что в качестве основы для расчёта величины общего модуля упругости дорожной конструкции используется формула Буссине-ска [3]. Простота её использования и, главное, понимание значимости каждого коэффициента способствовало её широкому распространению в дорожной отрасли (в т.ч. в нормативных документах). В первую очередь, это связано с отсутствием необходимой и точной аппаратуры у органов технического надзора. Тем не менее последние теоретические и экспериментальные исследования в области диагностики дорожных конструкций показывают, что использование методов фото- и видеометрии позволяет производить измерение величины прогиба дорожной конструкции с расположением измерителя вне чаши прогиба, с точностью до микрометра.

Одним из противоречий, с которым сталкиваются специалисты дорожной отрасли, является нетождественность прочности конструкции при равном начальном модуле упругости, выражаемой в образовании остаточных деформаций, а для однотипных конструкций имеет место расхождение значений при определённом перио-

7

1 £ J 1 J 1,ЯС1

Рис. 1. Изменение технико-эксплуатационного

качества дороги нежёсткого типа

де эксплуатации (рис. 1). Так, на начальном этапе жизненного цикла дорожной конструкции деформационные процессы, вызванные транспортным воздействием, существенно не отличаются друг от друга, но уже через 2-3 года эксплуатации происходит снижение прочности конструкции и, как следствие, начинает интенсивно развиваться процесс колееобразования, составной частью которого является износ покрытия и разуплотнение основания.

В результате технико-эксплуатационное качество дорог, примерно равное на начальном этапе жизненного цикла, со временем начинает отличаться, что приводит к недооценке разрушения дорожной конструкции. Попытки связать технико-эксплуатационное качество дороги с ровностью зачастую не коррелируют с другими эксплуатационными показателями [1].

Во второй главе рассмотрены вопросы моделирования сложного нагру-жения на дорожную конструкцию.

Известно, что в основе большинства измерений, характеризующих несущие свойства асфальтобетонного покрытия, используются величины прогиба покрытия, который возникает при воздействии штамповой нагрузки, имитирующей одиночное колесо с нормативной нагрузкой на ось. В основе этого лежит определение прочностных свойств, связанных с модулем упругости материалов, из которых изготовлена конструкция, и математическими моделями, характеризующими поведение системы при воздействии транспортной нагрузки.

Математическая модель нелинейной деформации многослойной дорожной одежды нежёсткого типа при сложном нагружении моделирует поведение системы «конструкция-установка» для определения её состояния генерацией радиального механического возмущения поверхности покрытия с учётом конструктивных особенностей дороги. Она позволяет оценить состояние асфальтобетонного покрытия с заданными физико-механическими и геометрическими параметрами для выявления оптимальных конструкций, пригодных для заданного вида транспортного потока. Основой модели является предположение о сложном нагружении покрытия дорожной конструкции колесом транспортного средства (рис. 2).

Рис. 2. Взаимодействие колеса с поверхностью автомобильной дороги:

а) распределение нормальных напряжений под колесом автомобиля;

б) распределение касательных напряжений под колесом автомобиля;

в) форма отпечатка колеса на покрытии, близкая к форме эллипса

На рис. 2 представлено взаимодействие колеса 1 с эквивалентной площадью 5 (вид в), нагрузкой Р на ось автомобиля 3, перемещающегося по поверхности покрытия 2 дороги со скоростью Кис угловой скорость со. В результате возникают нормальные а (вид а) и касательные т (вид б) напряжения в покрытии дороги.

В основу моделирования положены классические дифференциальные уравнения деформации, учитывающие конструктивные особенности дорожной одежды, причём на начальном этапе полупространство отождествлено с изо-

тропным горизонтальным распределением характеристик и свойств структуры. В то же время вертикальная компонента носит анизотропный характер, связанный с технологическими особенностями конструкции.

Используя сложное нагружение штамповой нагрузки на покрытие, можно определить величину деформации сдвига верхнего слоя покрытия а используя следующее выражение, можно получить модуль упругости асфальтобетона Е:

£ = 2(1 + уобщ)С. (1)

В полупространстве, где воздействие нагрузки вызывает деформацию вокруг центра вращения, влияет общий модуль упругости, характеризующий сдвиг асфальтобетона. Модель базируется на нелинейном взаимодействии каждого слоя при радиальном воздействии сил на неограниченный участок, а тангенциальное воздействие прилагается к поверхности в эквиваленте радиуса штамповой нагрузки. Дифференциальные уравнения в частных производных приведены к радиальному воздействию нагрузки на конструкцию, расчётная схема которой приведена на рис. 3.

1 - естественное грунтовое основание;

2 - грунт земляного полотна; 3 — обочина; 4 - (основание) щебёночный слой дорожной одежды; 5 - нижний слои покрытия дорожной одежды; 6- верхний слой покрытия дорожной одежды; 7 - полоса наката; 8 - поверхность, на которую воздействует пневматик колеса; 9 - расчётный отпечаток колеса

Рис. 3. Расчётная схема дорожной конструкции автомобильной дороги II технической категории с имитацией нагружения от колеса транспортного средства

Представленная конструкция позволяет производить математическое моделирование нагружений, имитируя различные условия транспортного воздействия. Заданными параметрами являются нагрузка, диаметр штампа, коэффициент Пуассона Уобщ, который считается постоянным по глубине и свойствам материала, и общий прогиб конструкции.

Существует условный слой асфальтобетонного покрытия с величиной общего модуля упругости, равной величине на её поверхности. Тогда можно предположить, что для многослойной конструкции

где Е\, Е2 - модули упругости слоев дорожной конструкции (в предположении, что слои основания работают как один единый слой); /гь /г2 - эквивалентные толщины слоев асфальтобетона и основания.

В соответствии с положением теории упругости проекции перемещения среды и, V, а могут определяться выражениями

1 ( до> т-2дтЛ 1 ( да т-2дтЛ т-1 1 дю /оч «=--\г—+--Ч;у=--г—н---Ч;® =--со--г— (3)

Алв\ дх т дх ) ду т ду ) 2тпС 4лв &

где й - модуль сдвига; т - число Пуассона; ¿-вертикальная координата.

Анализ влияния изменения величин, входящих в выражение (2), показал, что очень важно определить величину модуля упругости 1-го слоя дорожной конструкции, которую можно узнать только прямым способом при послойном вскрытии всей конструкции или её бурении и последующем нагружении эквивалентной нагрузкой.

Возможно определение модуля упругости 1-го слоя асфальтобетонного покрытия в предположении анизотропного полупространства уплотнённого материала асфальтобетона при определении касательных деформаций в поле сил приложения нагрузки. Однако данный метод не позволяет определять абсолютную деформацию асфальтобетонного покрытия, т.к. касательное нагружение приложено ко всей конструкции.

Для рассмотрения условий моделирования необходимо сделать допущение, которое характеризует метод измерения данного параметра: величина напряжения на поверхности покрытия не превышает предельную величину образования необратимых деформаций, вызывающих разрушения. Нормальное давление вызывает напряжения конструкции и покрытия не выше ограничений, при которых происходит разрушение дорожной конструкции. Будем считать, что модуль упругости изменяется в диапазоне измерения указанной установки на глубину не менее 2 см, при этом нормальное напряжение соответствует 0,3-0,4 сттах, а касательное напряжение в результате вращения - 0,6-0,7 сттах.

Анализ выражения (3) показывает, что при условии формирования многослойной конструкции, когда модули упругости покрытия и основания отличаются в несколько раз (70-3200 МПа), проявляется неоднозначность влияния модуля упругости основания на величину общего модуля конструкции и, как следствие, покрытия, ответственного за передачу основных нагрузок от пневматика колеса транспортного средства. Для расчёта влияния характеристик материалов и толщин слоев конструкции в табл. приведены различные варианты дорожных одежд с одинаковым Е0бЩ.

Таблица

Сравнительные характеристики различных конструкций дорожных одежд

с одинаковым общим модулем упругости

Материал слоя Конструкция

1-я 2-я 3-я 4-я

И, см Е, МПа й, см Е, МПа И, см Е, МПа к, см Е, МПа

А/б 1 слоя 4 3200 4 3200 6 3200 6 2800

А/б 2 слоя 8 2000 8 2000 10 2000 6 1800

А/б 3 слоя 22 2000 22 2000 18 2000 22 1600

Щебень 35 420 14 400 25 320 40 600

Грунт 150 50 150 50 150 50 150 70

Еовщ, МПа 434 434 434 434

Анализ таблицы показывает, что при различных толщинах слоев дорожной конструкции с различными модулями упругости может получиться приблизительно одинаковый общий модуль упругости конструкции. При различной стоимости материалов и сложности работ суммарная стоимость строительства

дороги может существенно различаться. Например, в 4-й конструкции при применении материалов с ненормативными характеристиками, но с более прочным основанием получается такой же общий модуль упругости. Следовательно, основание имеет основополагающую роль для назначения конструкции дорожной одежды и выбора технологии производства работ. При контроле технологии работ используются различные методы определения упругой характеристики конструкции - для устранения возникающего противоречия необходимо произвести моделирование системы «покрытие-основание дорожной конструкции» и выработать подход к использованию дополнительной измеряемой величины - модуля сдвига. Граничные условия определяются геометрическими эквивалентами конструкции дороги, начальные условия воздействия характерны для статического воздействия упругого тела. В главном предположении о свойстве конструкции, подверженной штамповой нагрузке, следует принять, что штамп перемещается на малое расстояние, упругость его не изменяется во времени и край штампа не вызывает деформаций высоких порядков.

Решение математической задачи относительно анизотропного свойства в конструкции сдвиговой деформации показывает возможность возникновения условий для проведения инструментальных исследований. Для оценки величин, возникающих при воздействии нагрузки, и выработки требований к аппаратуре, необходимой для проведения исследования, проведён численный эксперимент методом конечных элементов с использованием математического пакета Сот-бо1 МиШрЬузюз.

Анализ результатов численного эксперимента показал наличие температурной зависимости величины деформаций при нагружении и отличие вертикальных и горизонтальных величин (рис. 4а). На рис. 46 показаны графические зависимости деформаций конструкции, выраженные в его прогибе и сдвиге.

мм 0,2 0.2 ----- - --.---,--- —;

< •

0,1 0 —.— --:— —!— --- - —^ 0,1 0 .....ч'- -

—^ = — I

-0.1 -0.2 § 2 Е -0.1 -0,2 ; Ь

-0 3 х: -0 3

-0.4 -0 5 : -0,4 -0 5 — Г??"

----л- .

-0,6 — --;----- -0.6 .

-3 2 1 / м 2 1 0 м

а) б)

Рис. 4. Графические зависимости: а) изменения деформаций по длине моделируемых дорожных конструкций: 1 - сдвиговые деформации (о - 1-я конструкция, Д - 2-я конструкция); 2,3- прогиб 1 -й и 2-й конструкций; б) сдвиговых деформаций и прогибов дорожной конструкции 1-го типа при различных температурах конструкции: 2, 3 -1\=0 "С; 1,4 — /2=40 °С

Из анализа графической зависимости видно, что при одинаковых температурных условиях (¡2=40 °С) и температурно-независимой деформации основания основное влияние на величину прогиба оказывает асфальтобетонное покрытие. Это удовлетворительно согласуется с работами отечественных и зарубежных исследователей [2]. В то же время значительная величина сдвиговой деформации свидетельствует о большей толщине асфальтобетонного покрытия.

Так как при измерении прогиба существует неоднозначность влияния модуля упругости основания, то можно, используя значение сдвиговой деформации покрытия, определить послойное распределение деформационных величин.

Рассмотренный на рис. 4 случай показывает возможность определения параметров асфальтобетонного покрытия при его сдвиге, но при моделировании важно учесть деформации при экстремальных температурах, отражающих физическое поведение асфальтобетона.

Анализ температурной зависимости прогиба по длине моделируемой конструкции (кривые 3, 4 для температур /,=0 °С; г2=40 °С) показывает влияние на деформацию прогиба асфальтобетонного покрытия при условии температурной независимости основания, экспоненциального роста деформации с возрастанием температуры. Возрастание температуры до 40 °С увеличило деформативность конструкции на 37 %. Сдвиг покрытия при указанных условиях увеличивается в три раза, указывая на наличие дополнительного физического механизма квадратичного изменения реологических свойств асфальтобетонного материала от величины прогиба на толщину асфальтобетонного слоя. Таким образом, учёт сдвиговых деформаций при оценке прочности дорожных конструкций, в первую очередь дорожного покрытия, позволяет более точно учесть влияние реологических свойств на прочностные характеристики асфальтобетонного покрытия.

В третьей главе рассмотрены вопросы экспериментального исследования влияния сложного нагружения на величину деформации сдвига асфальтобетонного покрытия.

Проведение экспериментальных исследований основано на методиках, позволяющих получить максимальную информацию о проявляемых процессах в объекте исследования - асфальтобетонном покрытии.

Развитие теории вычисления пространственного распределения напряжений в анизотропных средах и методов использующих вычислительные системы, показали возможность разрешения главного противоречия в измерении характеристик слоёв дорожной конструкции - отсутствие учёта деформаций сдвига при оценке модуля упругости конструкции. Это противоречие решается с использованием приборов, выполняющих сложное комплексное нагружение, связанное с единым процессом деформации конструкции. Для этих целей разработано устройство (рис. 5), осуществляющее сложное нагружение на покрытие дорожной одежды 1 и измеряющее деформацию конструкции при воздействии статической штамповой 3 нагрузки через эквивалент пневматика 2, а также вращательный сдвиг верхнего слоя покрытия.

Рис. 5. Схема сложного нагружения дорожного покрытия с определением величины прогиба и сдвига асфальтобетона: а) вид сбоку на измерительный прибор для определения величины сдвига асфальтобетона; б) определение касательных напряжений

Для осуществления диагностики качества слоев дорожных одежд нежёсткого типа методом сложного нагружения была сконструирована экспериментальная установка, отвечающая вышеуказанным требованиям. Она позволяет проводить экспериментальные исследования в течение длительного периода времени в различных климатических условиях на дорожных одеждах нежёсткого типа различной конструкции.

Созданная установка позволяет измерить деформации сдвига покрытия с заданными в период строительства физико-механическими и геометрическими параметрами и получить количественную оценку технико-эксплуатационного качества слоев дорожных одежд нежёсткого типа в целях выявления оптимальной конструкции, пригодной для заданного транспортного потока.

Большое количество входных параметров оцениваемой конструкции потребовало установки датчиков: штамповой нагрузки, силы сдвига, прогиба, деформации сдвига и температуры. Все перечисленные измерители и датчики объединены в установке по определению прогиба и сдвига верхнего слоя по-

Измеритель штамповой нагрузки

Измеритель сдвигового нагружения

К 1

Измеритель величины прогиба

Измеритель сдвиговой деформации

Измеритель деформации штампа

Вычислительное устройство

Рис. 6. Экспериментальная установка по определению прогиба конструкции и сдвига верхнего слоя покрытия

Установка состоит из металлического штампа диаметром £>=37 см, на который статически воздействует нагрузка задаваемой величины Р (50...200 кН), а также горизонтальная штанга из прочного металла, выдерживающего создаваемое вращательное усилие от 0 до 100 кН, эквивалентное радиальному на-гружению, в результате воздействия которого происходит вращательный сдвиг верхнего слоя покрытия.

Проскальзывание штампа относительно покрытия во время сложного на-гружения устраняется формированием на нижней поверхности штампа выступов из твердосплавных пластин. Плотность прилегания обеспечивается форми-

рованием внизу штампа прорезиненного слоя. Статические нормальное и вращательное усилие обеспечивается гидравлическими домкратами с грузоподъёмностью 30 и 10 т.

Величина вертикальной нагрузки определяется датчиком давления, сдвиговая сила - датчиком-силомером; деформации покрытия определяются видеометрическим методом, а для компенсации измеряемой величины, вызванной деформацией штампа, используется тензометрирование опорной части. В нижней части штампа также закреплён прижимной резистивный термометр, позволяющий определить температуру на верхней границе покрытия. Установка позволяет проводить испытания, учитывающие реальные величины нагружения, близкие к условиям эксплуатации асфальтобетона, что позволяет определить напряжённо-деформированное состояние, эквивалентное воздействию реального транспортного потока. Определение деформации сдвига и прогиба покрытия на временном интервале измерения при различных температурах позволяет получать реологическую составляющую материала покрытия, необходимую для получения оценки технико-эксплуатационного качества слоёв дорожной одежды нежёсткого типа.

Рис. 7. Температурная зависимость изменения величины прогиба (а) и сдвига (б) покрытия нежёсткой дорожной одежды от воздействия нормированной нагрузки: 1,2 — типовые конструкции дорожных одежд согласно ОДН 218.046-01; 3 - конструкция, исследованная в работе [2]

На рис. 7 изображены температурные зависимости величины прогиба от воздействия нормальной (а) и касательной нагрузки (б). Анализ зависимостей показал, что для различных конструкций существует равенство значений в температурной области; эквивалентные величины прогиба в диапазоне температур от 5 до 25 °С свидетельствуют о стабильности свойств слоя дорожного покрытия при воздействии нагрузки с величиной 130 кН на ось. Уменьшение величины прогиба для 2-й конструкции связано с увеличением жёсткости асфальтобетонного покрытия при низких температурах. В то же время большая толщина асфальтобетонного покрытия при высоких температурах 25 °С и более приводит к появлению деформаций, перераспределяемых в основание. Кривая 3 соответствует деформации при воздействии нагрузки в 100 кН, указывая на идентичность изменения деформаций, как для зависимости (1), т.е. уменьшение прогиба при более высокой температуре свидетельствует о работе покрытия при меньших нагрузках - таким образом, для температурно-зависимых покрытий следует ограничивать величину транспортной нагрузки. Очевидно, что если

знать температурную зависимость изменения прогиба, можно вычислить величину прогиба основания.

На графике температурной зависимости 76 показаны экспоненциально возрастающие величины сдвига одной конструкции (1, 2) при различной величине сдвига 20 (1)-10 (3) кН.

Проявление экспоненциальной зависимости свидетельствует о наличии внутренних процессов, характерных релаксационным проявлениям, свойственным материалам, из которых изготовлено покрытие. Так как температура отражает энергию активации движения молекул, то, используя известные зависимости Журкова С.Н. для энергии активации сдвига (уравнение типа Аррениуса) при транспортном нагружении, можно определить релаксационные константы материалов. На основании известных характеристик используемых материалов можно предложить оптимальные режимы эксплуатации автомобильной дороги. Также, зная характеристики материалов, используемых для проектирования покрытий, отвечающих нормативным требованиям при известных региональных эксплуатационных периодах [2], можно назначить оптимальные периоды эксплуатации автомобильной дороги по характеристикам покрытия.

В четвёртой главе произведён анализ результатов моделирования и экспериментального исследования по диагностике качества слоёв дорожных одежд нежёсткого типа методом сложного нагружения, а также приведены рекомендации по использованию указанной методики в дорожной практике. Равенство области соприкосновения штампа с поверхностью вращения ограниченного площадью соприкосновения штампа, эквивалентному площади пневматика, способствует приведению системы расчёта к цилиндрическим координатам.

Отбрасывая выводы, получаемые из выражений (1)-(3) можно показать, что общий модуль упругости основания дорожной конструкции равен

Е'<*• = 7--2-1т-' (4)

2 2-й> Са(1+у)---П-Р-(\-у1) 6 4

где уаса - коэффициент Пуассона материала основания.

Определяемый модуль упругости верхнего слоя покрытия может свидетельствовать о влиянии толщины сформированного асфальтобетонного покрытия на характеристики всей конструкции. Следует отметить, что существует компромиссное решение, при котором эквивалентная толщина покрытия при соизмеримых толщинах основания даёт общий вклад, соответствующий транспортной нагрузке в условиях «идеального» воздействия.

Анализ величин, полученных в результате моделирования, показал, что слой асфальтобетона чрезвычайно подвержен температурному воздействию, и это даёт возможность на основе комплексной оценки упругих характеристик при различных температурах оценить как само основание, так и релаксационные свойства покрытия, что позволит определять реологические свойства асфальтобетонного материала.

Для практического использования методики диагностики разработана схема производства работ по диагностической оценке транспортно-эксплуатационного качества слоев дорожных одежд нежёсткого типа. Особенностью разработанной схемы является указание расположения места измерения на проезжей части дороги и взаиморасположение измерительных приборов. Исполнение мероприятий по ограждению места производства измерений выполняется в указанной последовательности.

Рекомендуется следующий регламент проведения работ по ограждению места производства работ при диагностике качества слоёв дорожных одежд нежёсткого типа:

1. Проезд транспортного средства на место замеров;

2. Установка на расстоянии 15-30 метров от места производства работ знаков: 4.2.1-4.2.3 «Направление объезда препятствия» и 1.25 - «Ремонтные работы». Знаки рекомендуется устанавливать на переносном заборчике;

3. Установка направляющих конусов от места расположения знаков 1.25 и 4.22 до транспортного средства;

4. Подготовка поверхности (очистка от пыли и грязи);

5. Установка транспортного средства на контрольной точке, установка его на ручной тормоз и блокировка колёс переносными упорами;

6. Поддомкрачивание транспортного средства и установка под заднюю ось экспериментальной установки;

7. Подключение к установке измерительных блоков и датчиков регистрации воздействий и перемещений, которые соединены с помощью кабеля с вычислительным устройством (на котором установлено программное обеспечение, позволяющее осуществлять сбор, обработку и анализ поступающей информации в автоматическом режиме);

8. Нагружение штампа статической нагрузкой и далее осуществление сложного нагружения его вращением;

9. Обработка результатов;

10. Перемещение на следующую контрольную точку.

Установка позволяет проводить испытания, учитывающие величины нагружения, близкие к условиям эксплуатации асфальтобетона, что, в свою очередь, позволяет определить напряжённо-деформированное состояние конструкции дорожной одежды, эквивалентное воздействию реального транспортного потока. Определение деформации сдвига и прогиба покрытия при различных температурах позволяет получать реологическую составляющую материала покрытия, необходимую для получения оценки технико-эксплуатационного качества слоёв дорожной одежды нежёсткого типа.

выводы

1. Получена детерминированная математическая модель нелинейной деформации многослойной дорожной одежды нежёсткого типа при сложном на-гружении, возникающем от транспортного воздействия. Она отличается от известных моделей использованием величины деформационного сдвига верхнего слоя покрытия в области контакта с колесом транспортного средства. Данная модель позволяет рассчитать деформации слоёв дорожной одежды нежёсткого типа при диагностике и определении прочности конструкции в целом.

2. Разработаны методика измерения деформации сдвига поверхности покрытия дорожной конструкции нежёсткого типа и экспериментальная установка, позволяющая произвести измерение напряжённо-деформированного состояния дорожной конструкции при сложном нагружении. Данная методика позволяет произвести измерения с точностью до 0,005 мм от величины деформации сдвига при воздействии штампа экспериментальной установки.

3. Разработана методика диагностики дорожных одежд нежёсткого типа, позволяющая определить их напряжённо-деформированное состояние при сложном типе нагружения и повышающая точность определения общего модуля упругости конструкции. Она позволила уменьшить противоречие, вызванное неоднозначностью влияния модуля упругости низлежащих слоёв при определении общего модуля упругости дорожной одежды нежёсткого типа. Это позволяет определять модуль упругости с точностью 10-20 МПа и соответственно модуль сдвига асфальтобетонного покрытия с точностью 5-10 МПа, что, в свою очередь, позволяет определить осреднённые упругие свойства основания.

4. На основе предложенной методики проведён натурный эксперимент по определению напряжённо-деформированного состояния дорожной конструкции при сложном типе нагружения. Это позволило повысить точность измерения общего модуля упругости слоёв дорожной одежды нежёсткого типа на 10 -15 % и определить на начальном этапе эксплуатации дороги её деформационные характеристики.

5. Получена экспоненциальная температурная зависимость деформаций сдвига асфальтобетонного покрытия подвергаемого сложному нагружению. Использование данной зависимости позволяет определить величины горизонтальной деформации верхнего слоя асфальтобетонного покрытия при воздействии нормативной транспортной нагрузки в диапазоне температур от -20 до +40 °С. Измерение температурных деформаций сдвига по вышеуказанной методике позволяет оценить деформативную устойчивость асфальтобетонного слоя, реологические свойства материала покрытия, а также определить температурную зависимость коэффициента Пуассона.

6. Разработан технический регламент определения общего модуля упругости слоёв дорожных одежд нежёсткого типа при их аппаратурной диагностике методами неразрушающего контроля. Он позволяет получить величины, выраженные в сдвиге, позволяющие оценить надёжность транспортного сооружения, определить его ресурс, а также на стадиях проектирования, строительства и эксплуатации дать качественную и количественную оценку технико-эксплуатационного качества дорожных одежд с асфальтобетонным покрытием.

17

Основные результаты исследований отражены в следующих работах:

Публикации в изданиях, входящих в Перечень ВАК

1. Гузненок, С.А. Деформирование поверхности покрытия дорожной одежды, как следствие изменения прочности дорожной конструкции / З.А. Мевлидинов, С.А. Гузненок // Известия ОрелГТУ. Серия: Строительство и транспорт. - 2009. - № 3-23 (555). - С. 89-92.

2. Гузненок, С.А. Влияние изменения региональных эксплуатационных периодов на образование дефектов дорожной конструкции / Е.В. Романова, Ф.В. Матвиенко, С.А. Гузненок, В.В. Волков // Научный вестник Воронежского ГАСУ. Строительство и архитектура. - 2011. - № 2 (22). - С. 112-119.

3. Гузненок, С.А. Моделирование влияния модуля сдвига при сложном нагружении нежёсткой дорожной одежды на расчётную величину модуля упругости основания / В.В. Волков, С.А. Гузненок, Ю.И. Калгин // Научный вестник Воронежского ГАСУ. Строительство и архитектура. - 2012. - № 1 (25). - С. 110115.

Публикации в других изданиях

4. Гузненок, С.А. Оценка прочности нежёстких дорожных одежд / П.В. Анисимов, З.А. Мевлидинов, С.А. Гузненок // Проблемы строительного и дорожного комплексов: сб. науч. тр. по итогам междунар. науч.-техн. конф. -Брянск: БГИТА, 2006. - Вып. 4. - С. 150-154.

5. Гузненок, С.А. Проблемы оценки прочности нежёстких дорожных одежд и пути их решения / З.А. Мевлидинов, С.А. Гузненок // Повышение долговечности транспортных сооружений и безопасности дорожного движения: сб. науч. тр. всероссийс. науч.-практ. конф. - Казань: КГ АСУ, 2008. - С. 322-324.

6. Гузненок, С.А. Анализ причин возникновения дефектов в основаниях аэродромных покрытий / В.А. Кочетков, В.В. Волков, С.А. Гузненок // Перспектива - 2009: сб. науч.-метод. материалов по итогам XIX межвуз. науч.-практ. конф. - Воронеж: ВАИУ, 2009. - Вып. 32, ч. 3. - С. 99-101.

7. Гузненок, С.А. Модель совместной деформации асфальтобетонного покрытия и основания дороги / В.А. Кочетков, В.В. Волков, С.А. Гузненок // Перспектива - 2009: сб. науч.-метод. материалов по итогам XIX межвуз. науч.-практ. конф. - Воронеж: ВАИУ, 2009. - Вып. 32, ч. 3. - С. 102-105.

8. Гузненок, С.А. Факторы образования остаточной деформации основания и асфальтобетонного покрытия дороги / В.В. Волков, С.А. Гузненок // Эффективные материалы, технологии, машины и оборудование для строительства и эксплуатации современных транспортных сооружений: сб. докл. междунар. на-уч.-практич. конф. - Белгород: Изд-во БГТУ им. В.Г. Шухова, 2009. - С. 66-71.

9. Гузненок, С.А. Диагностика состояния сооружения с применением метода акустической эмиссии / В.В. Волков, А.Г. Белых, A.B. Бураков, С.А. Гузненок И Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в промышленности строительных материалов: сб. докл. междунар. науч.-практ. конф. - Белгород: Изд-во БГТУ, 2010. - С. 106-109.

10. Гузненок, С.А. Методика определения величины модуля упругости искусственного основания автомобильной дороги / С.А. Гузненок, В.В. Волков // Инновационные материалы и технологии: сб. докл. междунар. науч.-практ. конф.-Белгород: Изд-воБГТУ, 2011.-Ч. 1.-С. 139-143.

И. Гузненок, С.А, Методика определения параметров асфальтобетонного покрытия при СВЧ-нагреве / А.Б. Недоносков, С.А. Гузненок, В.В. Волков // Инновационные материалы и технологии: сб. докл. междунар. науч.-практ. конф. - Белгород: Изд-во БГТУ, 2011. - Ч. 2. - С. 30-32.

12. Гузненок, С.А. Сдвиг покрытия из асфальтобетона под воздействием тяжелых транспортных средств / С.А. Гузненок, В.В. Волков // Современные проблемы и перспективные направления развития авиационных комплексов и систем военного назначения, форм и способов их боевого применения: сб. материалов докладов (тезисов) всероссийс. науч.-практ. конф. - Воронеж: ВАИУ, 2011. -Ч.З. -С. 95-96.

13. Пат. 2338827 Российская Федерация, Е01С23/07. Установка для испытания прочности дорожных одежд и грунтовых оснований / П. В. Анисимов, 3. А. Мевлидинов, С. А. Гузненок; заявитель и патентообладатель: Брянск, гос. инженер.-технолог. акад. - Заявл. 18.01.2007; опубл. 20.11.2008, Бюл. № 32. - 3 с.

14. Пат. 2368719 Российская Федерация, Е01СЗ/06. Дорожная конструкция / Анисимов П.В., Лукутцова Н.П., Мевлидинов З.А., Лукашенко М.В., Гузненок С.А.; заявитель и патентообладатель: Брянск, гос. инженер.-технолог. акад. - Заявл. 12.05.2008; опубл. 27.09.2009, Бюл. № 27. -4 с.

Гузненок Сергей Александрович

ДИАГНОСТИКА ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД

НЕЖЁСТКОГО ТИПА МЕТОДОМ СЛОЖНОГО НАГРУЖЕНИЯ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Подписано в печать 20.02.2012. Формат 60x84 1/16. Бумага писчая.

_Усл. печ. л. 1,0. Тираж 120 экз. Заказ № 125._

Отпечатано: отдел оперативной полиграфии Издательства учебной литературы и учебно-методических пособий Воронежского государственного архитектурно-строительного университета 394006 г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84

61 12-5/3122

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования БРЯНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ИНЖЕНЕРНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ

АКАДЕМИЯ

ДИАГНОСТИКА ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД

НЕЖЁСТКОГО ТИПА МЕТОДОМ СЛОЖНОГО НАГРУЖЕНИЯ

Специальность 05.23.11 —Проектирование и строительство дорог,

метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель: канд. физ.-мат. наук, доцент Волков Виталий Витальевич

Брянск-2012

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 4

1 АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ ОЦЕНКИ ТРАНСПОРТНО-ЭКСПЛУАТАЦИОННОГО КАЧЕСТВА ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД НЕЖЁСТКОГО ТИПА 11

1.1 Обзор литературных источников методов оценки транспортно-эксплуатационного качества нежёстких дорожных одежд 12

1.2 Определение деформационно-прочностных характеристик дорожных конструкций 19

1.3 Методы оценки прочности покрытий дорожных одежд нежёсткого типа 27

1.4 Методы и приборы для оценки сдвигоустойчивости асфальтобетонных покрытий 38

1.5 Выводы по главе, постановка задачи на проведение математического моделирования 48

2 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА СЛОЖНОГО НАГРУЖЕНИЯ НА ПОВЕРХНОСТЬ КОНСТРУКЦИИ ДОРОЖНОЙ ОДЕЖДЫ НЕЖЁСТКОГО ТИПА 51

2 Л Решение частной задачи напряжённо-деформированного состояния слоя покрытия дорожной одежды нежёсткого типа, её граничные условия 52

2.2 Математическое моделирование процесса сложного нагружения дорожной одежды нежёсткого типа от транспортного воздействия 58

2.3 Анализ результатов моделирования напряжённо-деформированного состояния слоя покрытия дорожной одежды нежёсткого типа 63

2.4 Расчёт напряжённо-деформированного состояния дорожной одежды под воздействием транспортных средств 69

2.5 Выводы по главе, постановка задачи на отработку методики измерения сдвига покрытия и проведение натурного эксперимента 73

3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРЯЖЁННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ДОРОЖНОЙ КОНСТРУКЦИИ НЕЖЁСТКОГО ТИПА ПРИ СЛОЖНОМ НАГРУЖЕНИИ 75

3.1 Методика определения напряжённо-деформированного состояния дорожной конструкции нежёсткого типа при сложном нагру-жении 76

3.2 Обоснование конструктивных параметров установки на основе метода сложного нагружения для диагностики конструкций 79

3.3 Анализ полученных экспериментальных результатов 85

3.4 Выводы по третьей главе 97

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

И РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКОГО РЕГЛАМЕНТА 98

4.1 Анализ и сопоставление теоретических и экспериментальных результатов 98

4.2 Методика определения характеристик слоев дорожных одежд нежёсткого типа и уравнение общего модуля упругости дорожной конструкции при сложном нагружении 101

4.3 Рекомендации по использованию методики определения характеристик слоев дорожных одежд нежёсткого типа методом сложного нагружения 106 Общие выводы 112 Список литературных источников 114 ПРИЛОЖЕНИЯ 129

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Длительное использование автомобильных дорог без надлежащего уровня содержания во многих регионах России привело к их критическому состоянию. Несмотря на то, что отрасль долгое время находилась в рамках жёстких бюджетных ограничений, специалистам-дорожникам удалось сохранить и преумножить положительный опыт по содержанию автомобильных дорог. Существующая практика показала высокие транспортно-эксплуатационные характеристики асфальтобетонных покрытий, и в настоящее время данный материал широко распространён. Но, как и любому материалу, ему свойственны изменения технико-эксплуатационных свойств, связанных с его реологическими характеристиками, изменяющимися в процессе эксплуатации транспортного сооружения.

Транспортные средства оказывают комплексное нагружение дорожной конструкции, выраженное в характеристиках транспортного потока, что приводит к её разрушению. Стандартные методики по определению параметров конструкции дорожной одежды опираются на предельные показатели, получаемых в основном при разрушении образцов в лабораторных условиях, в результате чего они показывают не реальное взаимодействие с транспортным потоком, а только характеризуют свойство самого материала - асфальтобетона. Для правильного прогнозирования долговечности дорожных одежд нежёсткого типа желательно оценивать их соизмеримыми показателями, что вызывает определённую сложность, как в проведении таких исследований, так и в оценке получаемых данных.

В нормативной литературе определение «диагностика автомобильных дорог» характеризует обследование, сбор и анализ информации о параметрах, характеристиках и условиях функционирования дорог и дорожных сооружений, наличие дефектов и причин их появления, параметры транспортных потоков и другую необходимую для оценки и прогноза состояния дорог и дорожных со-

оружений в процессе дальнейшей эксплуатации информацию [15, 89].

Оценка эксплуатационных параметров дорожного покрытия опирается на большое количество показателей, не связанных между собой, и, к сожалению, зависимости между ними мало коррелированы. В тоже время совершенствование методов расчёта и контроля технологии строительства дорожных конструкций способствует улучшению эксплуатационных характеристик, повышению надёжности и безопасности дорожного движения, а также эффективному использованию финансовых ресурсов отрасли.

Вопросами оценки технико-эксплуатационного качества дорожных одежд нежёсткого типа занимались В. К. Апестин, А. К. Бируля, В. Ф. Баб-ков, В. П. Матуа, Н. Н. Иванов, С. К. Илиополов, Ю. И. Калгин, Вл. П. Подольский, Г. И. Покровский, Р. М. Раппопорт, М. Я. Якунин и др., исследования которых показали, что напряжённо-деформированное состояние конструкций дорожных одежд нежёсткого типа оказывает влияние на образование остаточных деформаций и разрушение покрытий [4, 6, 8, 9, 10, 11, 42, 44, 47, 52, 80,81,96].

Существует большое количество конструкций дорожных одежд нежёсткого типа, отличающихся количеством слоёв и их параметрами. Они могут обладать одинаковой величиной прогиба под статической или динамической нагрузкой, но отличаться параметрами, характеризующими конструктивные слои, что влечёт неоднозначность и, как следствие, переоценку их технико-эксплуатационного качества, проявляемого в процессе эксплуатации в образовании необратимых деформаций и разрушений.

Получение точной оценки технико-эксплуатационного качества слоёв дорожных одежд нежёсткого типа - сложный и длительный процесс, требующий большого количества измерений, специализированных приборов и оборудования, а также методик, позволяющих устранить неоднозначность в её определении, и является актуальной научно-технической задачей.

Объект исследования - конструкция дорожной одежды, состоящая из слоёв нежёсткого типа.

Предмет исследования - деформации слоёв нежёсткого типа возникающие при сложном типе нагружения, эквивалентном транспортному воздействию.

Целью работы является разработка метода диагностики транспортно-эксплуатационного качества слоёв дорожных одежд нежёсткого типа методом сложного нагружения.

Основные задачи работы:

- выполнить анализ существующих методов оценки транспортно-эксплуатационного качества слоёв дорожных одежд нежёсткого типа;

- разработать математическую модель деформации дорожной одежды нежёсткого типа, подвергаемой транспортному воздействию;

- разработать методики по определению величины деформации сдвига поверхности покрытия и диагностики технико-эксплуатационного качества слоёв дорожных одежд нежёсткого типа;

- провести натурный эксперимент по определению напряжённо-деформированного состояния дорожной конструкции при сложном типе нагружения, выявить закономерности деформаций сдвига верхнего слоя асфальтобетонного покрытия и связи с общим модулем упругости конструкции;

- разработать технический регламент определения общего модуля упругости слоёв дорожных одежд нежёсткого типа при их аппаратурной диагностике методами неразрушающего контроля.

Научная новизна заключается в следующем:

- разработана детерминированная математическая модель нелинейной деформации многослойной дорожной одежды нежёсткого типа, подвергаемой транспортному воздействию, вызывающему сложное нагружение и влияющему на величину деформации слоёв дорожной конструкции; модель отличается от известных внесением величины деформационного сдвига верх-

него слоя покрытия в месте контакта с колесом транспортного средства;

- разработана методика диагностики транспортно-эксплуатационного качества дорожных одежд нежёсткого типа, позволяющая определить их напряжённо-деформированное состояние при сложном типе нагружения и повышающая точность определения прочности конструкции. Она позволила уменьшить противоречие, вызванное неоднозначностью влияния модуля упругости низлежащих слоёв при определении общего модуля упругости дорожной одежды нежёсткого типа;

- получены зависимости деформации сдвига асфальтобетонного покрытия для диагностируемой дорожной конструкции, подвергаемой сложному типу нагружения, возникающего при воздействии колёсной нагрузки от транспортных средств;

- получена экспоненциальная температурная зависимость деформации сдвига асфальтобетонного покрытия, подвергаемого сложному нагружению. Использование данной зависимости позволяет определить величину горизонтальной деформации верхнего слоя асфальтобетонного покрытия при воздействии нормативной транспортной нагрузки в широком диапазоне температур.

Достоверность полученных результатов, научных положений, выводов и рекомендаций, приведённых в работе, подтверждается объёмом теоретических, лабораторных и опытно-экспериментальных исследований, выполненных в ходе изучения явлений и процессов, лежащих в основе связи между эксплуатационными свойствами дорожной конструкции и характеристиками транспортного потока, с использованием современных методов и приборов, позволяющих провести эксперименты с допустимой погрешностью.

Теоретическую основу исследования составили аналитические и численные решения дифференциальных уравнений величины деформации сдвига дорожной конструкции под воздействием нагрузки в транспортном потоке и связанной с ней необратимой деформации.

Научная значимость заключается в разработке математической модели деформации многослойной дорожной одежды нежёсткого типа при сложном нагружении, а также температурных зависимостей деформаций покрытия, подвергаемого транспортному воздействию.

Практическая значимость работы заключается в разработке методики измерения величины деформации сдвига поверхности покрытия дорожной конструкции нежёсткого типа и разработке экспериментальной установки, позволяющей их измерить при сложном нагружении; а также в разработке методики диагностики транспортно-эксплуатационного качества слоев одежд нежёсткого типа методом сложного нагружения, позволяющей на основе измерений определить напряжённо-деформированное состояние конструкции и технического регламента определения общего модуля упругости слоёв дорожных одежд нежёсткого типа при их аппаратурной диагностике методами неразрушающего контроля.

На защиту выносятся:

- детерминированная математическая модель нелинейной деформации многослойной дорожной одежды нежёсткого типа при сложном нагружении, возникающем от транспортного воздействия. Она отличается от известных моделей использованием величины деформационного сдвига верхнего слоя покрытия в области контакта с колесом транспортного средства;

- методика экспериментального определения величины деформации сдвига поверхности покрытия дорожной конструкции нежёсткого типа, позволяющая измерить напряжённо-деформированное состояние дорожной конструкции при сложном нагружении;

- методика диагностики слоёв дорожных одежд нежёсткого типа, повышающая точность определения прочности конструкции. Данная методика позволяет сравнивать параметры качества слоёв дорожной одежды нежёсткого типа на любом этапе жизненного цикла;

- зависимости деформации сдвига асфальтобетонного покрытия для ди-

агностируемой дорожной конструкции, подвергаемой сложному типу нагру-жения, возникающего при воздействии колёсной нагрузки от транспортных средств;

- температурные зависимости деформации сдвига слоя асфальтобетонного покрытия дорожной конструкции, подверженной сложному нагруже-нию, эквивалентному воздействию от колеса транспортного средства;

- технический регламент определения общего модуля упругости слоёв дорожных одежд нежёсткого типа при их аппаратурной диагностике методами неразрушающего контроля.

Методы исследования. Работа выполнена с использованием комплексных методов исследования, включающих патентно-информационный анализ, методы численного (с применением решений уравнений в частных производных) и натурного экспериментального моделирования воздействия на дорожные одежды нежёсткого типа, а также с применением измерительных приборов и методов неразрушающего контроля.

Апробация результатов исследований. Основные результаты исследований и научных разработок докладывались и обсуждались на XIX межвузовской научно-практической конференции «Перспектива - 2009» (г. Воронеж, 2009 г.), международной научно-методической конференции «Эффективные материалы, технологии, машины и оборудование для строительства и эксплуатации современных транспортных сооружений» (г. Белгород, 2009 г.), международной научно-методической конференции «Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в промышленности строительных материалов» (г. Белгород, 2010 г.), международной научно-методической конференции «Инновационные материалы и технологии» (г. Белгород, 2011 г.), всероссийской научно-практической конференции «Современные проблемы и перспективные направления развития авиационных комплексов и систем военного назначения, форм и способов их боевого применения» (г. Воронеж, 2011 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 научных статей общим объёмом 31 страница, из них лично автору принадлежит 23 страницы. Три работы опубликованы в изданиях, включённых в перечень ВАК ведущих рецензируемых журналов, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертации: «Известия ОрёлГТУ. Серия: Строительство и транспорт» и «Научный вестник Воронежского ГАСУ. Строительство и архитектура».

В статьях, опубликованных в рекомендованных ВАК изданиях, изложены основные результаты диссертации: в работе [82] рассмотрены вопросы влияния возникающих деформаций на изменение прочности конструкции; в работе [18] рассмотрен вопрос влияния температуры на образование дефектов дорожной конструкции; в работе [19] рассмотрены результаты моделирования влияния модуля сдвига при сложном нагружении нежёсткой дорожной одежды на расчётную величину модуля упругости основания.

Объём и структура диссертации. Работа общим объёмом 147 страниц машинописного текста состоит из введения, четырёх глав, выводов, списка литературы из 133 наименований и приложения. В текст диссертации включены 7 таблиц и 22 рисунка.

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

Автомобильные дороги общего пользования представляют собой комплекс инженерных дорожных сооружений, предназначенных для обеспечения круглогодичного, непрерывного, комфортного, удобного и безопасного движения автомобилей с расчётной нагрузкой и установленными скоростями.

Элементы дороги, её состояние и свойства имеют большое количество параметров, характеристик и показателей.

Различают технико-эксплуатационные качества или характеристики дороги, транспортно-эксплуатационное состояние и транспортно-эксплуатационные показатели дороги, а также технико-экономические показатели работы автомобильного транспорта на данной дороге.

Технические и технико-эксплуатационные качества или характеристики автомобильной дороги - это характеристики надёжности и работоспособности дороги как искусственного сооружения и его технического состояния в процессе эксплуатации. К ним относятся прочность дорожной одежды, ровность, шероховатость и сцепные качества покрытий, устойчивость земляного полотна, показатели наличия инженерного оборудования и обустройства и т.д.

В относительной форме технические параметры и характеристики оценивают системой относительных коэффициентов - показатели прочности, ровности, сцепных качеств и т.д. В нормативной литературе определение технико-эксплуатационное качество ха