автореферат диссертации по строительству, 05.23.11, диссертация на тему:Элементы теории и практика повышения технико-эксплуатационных показателей жёсткой дорожной одежды с асфальтобетонным покрытием

На правах рукописи

КОРОЧКИН Андрей Владимирович

ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ И ПРАКТИКА ПОВЫШЕНИЯ ТЕХНИКО - ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЖЁСТКОЙ ДОРОЖНОЙ ОДЕЖДЫ С АСФАЛЬТОБЕТОННЫМ ПОКРЫТИЕМ

Специальность 05.23.11 - «Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей»

АВТОРЕФЕРАТ на соискание учёной степени доктора технических наук

1 о <"-! 2014

005549944

МОСКВА 2014

005549944

Работа выполнена в Московском автомобильно - дорожном государственном техническом университете (МАДИ) на кафедре «Изыскания и проектирование дорог»

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Руденский Андрей Владимирович ФГУП «РосдорНИИ»

доктор технических наук, профессор Подольский Владислав Петрович ВГАСУ

доктор технических наук, профессор Алексиков Сергей Васильевич ВолгГАСУ

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Томский государственный

архитектурно - строительный университет» (ТГАСУ)

Защита состоится «08» июля 2014 г. в 10-00 на заседании диссертационного совета ДМ 303.018.01 при «Научно - исследовательском институте транспортного строительства» (ОАО ЦНИИС) по адресу: 129329, г. Москва, ул. Кольская, д. 1, конференц - зал.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью организации, просим направлять по указанному адресу учёному секретарю диссертационного совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО ЦНИИС по адресу: г. Москва, Игарский пр, д. 2 и на сайте www.tsniis.com.

Автореферат разослан «0$у) 2014 года.

Учёный секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук ■'^¿¿'¿¿Х «с V Петрова Ж. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. В настоящее время стремительно увеличивается интенсивность движения транспортных средств, растут осевые нагрузки и удельный вес грузовых автомобилей в составе транспортного потока. Основная нагрузка ложится на автомобильные магистрали, соединяющие крупные области и районы страны.

Значительная часть автомобильных магистралей имеет жёсткую дорожную одежду, что делает возможным движение тяжёлых транспортных средств с большой интенсивностью.

В наши дни при проектировании и строительстве автомобильных дорог максимальная расчётная нагрузка согласно СНиП 2.05.02-85 «Автомобильные дороги» и ГОСТ Р 52748-2007 «Нормативные нагрузки, расчётные схемы нагружения и габариты приближения» составляет 11,5 т. При этом выпускаемые и поставляемые в Россию грузовые автомобили имеют осевую нагрузку порядка 14 т (МАЗ, Scania, MAN). Обеспечить пропуск движения столь значительной нагрузки с заданной долговечностью позволяют жёсткие конструкции.

Как правило, изначально на автомобильных магистралях была устроена жёсткая цементобетонная дорожная одежда. Далее во время эксплуатации дороги существующее цементобетонное основание перекрывалось слоями асфальтобетона. Устройство асфальтобетонных слоёв на жёсткой плите производилось в целях улучшения эксплуатационных свойств дороги, в частности для улучшения ровности и сцепления. Другими словами устройство асфальтобетонных слоёв применялось как технология ремонта жёсткой дорожной одежды. При этом ранее уложенные слои асфальтобетона не снимались, что приводило к постоянному и неконтролируемому увеличению толщины асфальтобетонных слоёв. К настоящему времени встречаются конструкции дорожной одежды, в которых толщина асфальтобетонных слоёв, уложенных на существующее цементобетонное покрытие, достигает 40...50 см. В таких условиях конструкция работает нерационально, что приводит к преждевременному её износу и разрушению.

Считается, что устройство дополнительных слоёв асфальтобетонного покрытия жёсткой дорожной одежды приводит к увеличению прочности и долговечности конструкции. Однако в большинстве случаев наблюдается

обратная тенденция: чем больше толщина асфальтобетонных слоев, тем больше дефектов имеет покрытие и тем хуже его состояние.

Дорожная одежда является одним из важнейших составных элементов автомобильной дороги. Затраты на её устройство в ряде случаев достигают 60...70 % от общей стоимости строительства, а состояние дорожной одежды в значительной степени влияет на скорость и безопасность движения.

Проектирование и строительство жёсткой дорожной одежды с асфальтобетонным покрытием - сложная комплексная задача, учитывающая большое количество различных компонентов напряжённо - деформированного состояния конструкции. При расчёте основания и покрытия данных дорожных одежд необходимо учесть все факторы, оказывающие разрушающее и изнашивающее воздействие на конструкцию.

В России работы и исследования по вопросам жёстких дорожных одежд с асфальтобетонным покрытием (комбинированных конструкций) были проведены в 1980 - 2010 гг. Наиболее интересными работами являются труды H.H. Иванова, В.Ф. Бабкова, И.А. Медникова, A.M. Богуславского, B.C. Орловского, В.А. Чернигова, C.B. Коновалова, Е.Г. Чистякова, В.Е. Тригони, Т.А. Лищицкой, А.И. Юрченко, Ю.А. Агалакова и других. Несмотря на это, существующие положения теории прочности дорожных одежд показывают недостаток конкретных теоретических и экспериментальных исследований, обуславливающих совместную работу двух конгломератных материалов, и отсутствие системного подхода к определению толщины асфальтобетонных слоёв на цементобетонных основаниях.

Производственные и исследовательские организации постоянно сталкиваются с необходимостью проведения расчётов и обоснования толщины асфальтобетонных слоёв жёсткой дорожной одежды.

Таким образом, актуальность тематики исследований и масштаб проблем вытекают из практики проектирования, строительства и эксплуатации жёстких дорожных одежд с асфальтобетонным покрытием.

Объект исследования. Жёсткая дорожная одежда с асфальтобетонным покрытием.

Цель работы. Совершенствование методов расчёта и проектирования жёсткой дорожной одежды с асфальтобетонным покрытием для обес-

печения достаточной прочности, долговечности и высоких транспортно -

эксплуатационных качеств автомобильной дороги.

Задачи исследований:

• оценка состояния вопроса, анализ и систематизация нормативной документации, изучение теоретических моделей и практического опыта устройства рассматриваемой конструкции;

• определение фактической и перспективной расчётных нагрузок на конструкцию;

• выявление закономерностей воздействия расчётной нагрузки на дорожную одежду;

• постановка проблемы напряжённо - деформированного состояния жёсткой дорожной одежды с асфальтобетонным покрытием;

• конечно — элементный анализ моделирования нагруженного состояния дорожной конструкции;

• разработка математической модели транспортного средства как основного источника силового воздействия на дорожную одежду;

• построение пространственной динамической модели напряжённо -деформированного состояния дорожной конструкции при воздействии движущегося транспортного средства;

• проведение многофакторных экспериментальных исследований с целью определения параметров, свойств и характеристик комбинированной дорожной одежды и идентификации математической модели напряжённо — деформированного состояния конструкции;

• разработка методов расчёта жёсткой дорожной одежды с асфальтобетонным покрытием с применением математической модели нагруженного состояния конструкции;

• использование программного комплекса АЫБУЗ для моделирования нагруженного состояния дорожной конструкции;

• разработка и внедрение рациональных конструктивных мероприятий, направленных на обеспечение прочности и долговечности конструкции с поддержанием заданных транспортно - эксплуатационных показателей;

• формулирование экономических и правовых отношений обеспечения гарантийного срока службы дорожной конструкции;

• проведение оценки технико - экономических показателей предлагаемых конструктивных решений.

Методы исследования. При решении поставленных задач использовались аналитические методы решения алгебраических уравнений и систем дифференциального и интегрального исчисления, структурного моделирования. Разработанные алгоритмы реализованы в программной среде А^УБ. Экспериментальные исследования проводились согласно установленным нормативам на сертифицированном оборудовании ряда производственных и научных организаций.

Достоверность результатов. Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются правомерностью принятых исходных данных и предпосылок, использованием общепринятых математических и статистических методов, применением классических методов теории сопротивления материалов и теоретической механики в моделировании напряжённо - деформированного состояния дорожной одежды, практической реализацией разработанных технологий и конструкций.

Достоверность результатов подтверждается также большим объёмом комплексных экспериментальных исследований по изучению параметров, свойств, характеристик жёсткой дорожной одежды с асфальтобетонным покрытием. Подтверждено соответствие результатов математического моделирования реальным физическим процессам, возникающих в напряжённо - деформированной конструкции.

Достоверность положений диссертации подтверждена положительными результатами внедрения работы в производственных и научных организациях, занимающихся проектированием, строительством и эксплуатацией автомобильных дорог.

Научная новизна. Состоит в создании и реализации принципиально нового подхода к методике проектирования и технологии устройства жёсткой дорожной одежды с асфальтобетонным покрытием на основе математического моделирования динамического напряжённо - деформированного состояния конструкции с учётом комплексного воздействия расчётной нагрузки.

Новые научные результаты состоят в следующем:

- развиты теоретические основы моделирования динамического напряжённо - деформированного состояния дорожной конструкции;

- определены фактическая и перспективная расчётные нагрузки на конструкцию и выявлены закономерности их воздействия;

- построена пространственная динамическая модель напряжённо — деформированного состояния дорожной одежды при воздействии движущегося транспортного средства методом конечных элементов;

- разработан метод расчёта жёсткой дорожной одежды с асфальтобетонным покрытием с применением математической модели нагруженного состояния конструкции;

- определена реальная единая модель работы дорожной конструкции с использованием параметров, свойств и характеристик, полученных на основе всесторонних экспериментальных исследований;

- получены количественные и качественные оценки изменения характеристик динамического напряжённо - деформированного состояния дорожной конструкции и проведена проверка адекватности предложенных механико - математических моделей сопоставлением с результатами натурных экспериментов;

- усовершенствована концепция проектирования и расчёта жёсткой дорожной одежды с асфальтобетонным покрытием с обеспечением высокой прочности и оптимальных транспортно - эксплуатационных качеств.

Практическая значимость работы. Практическое значение диссертационной работы заключается в разработке концепции и алгоритма расчёта толщины асфальтобетонных слоёв жёсткой дорожной одежды. Предложена методика определения оптимальных толщин асфальтобетонного покрытия на цементобетонном основании. Отражена технология устройства данной конструкции.

Основные положения работы в течение нескольких лет используются в процессе проектирования, строительства и эксплуатации основных автомобильных магистралей страны, обеспечивая большую прочность и высокие транспортно - эксплуатационные качества жёсткой дорожной одежды с асфальтобетонным покрытием. На основании предложенных автором методик разработан и утвержден стандарт организации ООО «Мосто-транс» (СТО 26231056-001-2013 «Устройство жёсткой дорожной одежды с асфальтобетонным покрытием»).

Совокупность научных положений, идей и практических результатов исследований составляют новое направление в области теоретических и натурных методов анализа и решения проблемы качества и долговечности дорожной одежды.

Предложенные методы расчёта повышают достоверность результатов, способствуют разработке экономически рациональных конструкций и обеспечивают надёжность и долговечность работы дорожных одежд в период строительства и эксплуатации автомобильных дорог.

Реализация результатов. Реализация результатов осуществлена на участках действующих автомобильных дорог, имеющих жёсткую дорожную одежду с асфальтобетонным покрытием:

• автомобильная магистраль М-2 «Крым»;

• автомобильная магистраль М-9 «Балтия»;

• автомобильная дорога А-107 ММК (Московское малое кольцо);

• автомобильная дорога М-51 «Байкал»;

• Алтуфьевское шоссе, г. Москва.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Динамическая математическая модель напряжённо - деформированного состояния дорожной конструкции при воздействии движущегося транспортного средства, построенная методом конечных элементов.

2. Расчётная нагрузка на дорожную одежду и закономерность её распределения.

3. Метод расчёта и проектирования жёсткой дорожной одежды с асфальтобетонным покрытием, разработанный с применением математической модели напряжённо - деформированного состояния конструкции.

4. Условия, параметры и характеристика реальной работы дорожной конструкции, полученные на основе всесторонних экспериментальных исследований.

5. Предложение высокоэффективных конструктивных мероприятий, направленных на обеспечение требуемой прочности и долговечности конструкции с поддержанием высоких транспортно - эксплуатационных показателей.

6. Технико - экономическое обоснование предлагаемых решений и технологий.

7. Внедрение разработанных и запатентованных рациональных конструкций жёсткой дорожной одежды с асфальтобетонным покрытием.

Апробация диссертации. Основные положения и результаты исследований обсуждались на заседаниях и совещаниях научных и производственных организаций.

Апробация диссертации была представлена на российских конференциях, семинарах, симпозиумах, в том числе:

- 65, 66, 67, 68, 69, 70 научно - методических и научно - исследовательских конференциях Московского автомобильно - дорожного государственного технического университета (МАДИ), г. Москва, 2007 - 2012 гг.;

- конференции «Ремонт и содержание цементобетонных покрытий», г. Калуга, 2008 г.;

- научно - технической конференции «Материалы для дорожного строительства», г. Москва, 2009 г.;

- научной конференции, посвященной 100-летию со дня рождения Бабкова В. Ф., г. Москва, 2010 г.;

- международной научно - практической конференции «Материалы для дорожного строительства: ДОР-СМ», г. Москва, 2010 г.

Публикации. По теме диссертации опубликована 31 научная работа, в том числе 28 в изданиях, включенных в перечень ВАК. Опубликована одна монография и 3 учебных пособия. Также по теме исследований автором зарегистрирован один патент.

Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка используемой литературы (162 наименования), 5 приложений. Общий объём работы 386 страниц машинописного текста, 143 рисунка, 42 таблицы и 69 страниц приложений.

Содержание диссертационной работы.

Во введении обоснованы актуальность и практическая значимость темы, указаны цель и задачи исследования, определены научная новизна и применяемые методы.

В первой главе приводится состояние вопроса, анализ нормативной документации и существующих теоретических моделей, представлен отечественный и зарубежный практический опыт эксплуатации жёстких дорожных одежд с асфальтобетонным покрытием. Рассмотрены особенности

работы жёсткой, нежёсткой и комбинированной конструкций дорожных одежд. Изучена зависимость физико - механических свойств материалов жёсткой дорожной одежды с асфальтобетонным покрытием от температурного воздействия. Определены основные виды разрушений и деформаций асфальтобетонных слоёв, устроенных на цементобетонных основаниях. Проанализированы их причины. Особое внимание уделено отражённым трещинам, сдвигоустойчивости и износу асфальтобетонного покрытия.

Многочисленные исследования, проведённые отечественными учёными, на данный момент времени позволили выработать методику оценки прочности конструкции, включающую в себя как оценку прочности конструкции в целом, так и оценку прочности с учётом напряжений, возникающих в отдельных конструктивных слоях и устанавливаемых с использованием решений теории упругости (рис. 1).

Зачастую после определённого срока эксплуатации цементобетонно-го покрытия возникает необходимость его ремонта. В связи с чем чаще всего в качестве капитального ремонта или реконструкции выполняется укладка асфальтобетонных слоёв поверх старого цементобетонного покрытия различной толщины. Вместе с тем имеется опыт одновременного строительства жёсткой дорожной одежды с асфальтобетонным покрытием.

Рис. 1. Схема деформируемости асфальтобетонного покрытия на це-ментобетонном основании

Одними из первых отечественных учёных, которые внесли огромный вклад в теорию расчёта необходимой толщины асфальтобетонного покрытия устраиваемого поверх старого цементобетонного покрытия, были: H.H. Иванов, В.Ф. Бабков, И.А. Медников, A.M. Богуславский, B.C. Орловский, В.А. Чернигов, C.B. Коновалов, Ю.А. Агалаков и другие.

Колебания температуры окружающей среды приводят к изменению температуры цементобетонного покрытия, изменяя размеры и формы це-ментобетонных плит, выражающиеся в горизонтальных и в вертикальных перемещениях. Именно швы, а также трещины появившиеся при эксплуатации цементобетонных покрытий, являются потенциалом к возникновению над ними отражённых трещин после устройства по ним асфальтобетонных слоёв.

Пути повышения трещиностойкости асфальтобетонных слоёв можно разделить на три направления (рис. 2).

Рис. 2. Пути повышения трещиностойкости асфальтобетонных слоёв

В начале 50-х годов прошлого столетия получили широкое распространение конструкции дорожных одежд с цементобетонным покрытием. Как правило, цементобетонные покрытия устраивались на дорогах с тяжёлым и интенсивным движением. Эксплуатация таких покрытий показала свою состоятельность и они зарекомендовали себя как надёжные покрытия со значительным сроком службы.

На сегодняшний день расчётный срок службы при проектировании конструкции дорожной одежды с цементобетонным покрытием составляет порядка 25 лет. Опыт эксплуатации цементобетонных покрытий в России

показал, что фактический срок службы достигает 30...40 лет. В таких странах как Германия, Австрия, Бельгия, Голландия и в других европейских странах это является обычным делом. Существуют примеры как у нас, так и за рубежом, где срок службы конструкций достигает более 50 лет. Несмотря на такое преимущество цементобетона по сравнению с асфальтобетонным покрытием, значимой проблемой, является его ремонт. Большие затраты на проведение ремонта, технологическая сложность, а иногда и невозможность восстановить покрытие до первоначальных транспортно-эксплуатационных качеств, привели к простому перекрытию его асфальтобетонными слоями.

В последнее время в мировой практике широкое распространение получили тонкие слои износа, а также ультратонкие. Слои износа в первую очередь необходимы для восстановления эксплуатационных показателей, устраиваемых как на асфальтобетонных покрытиях, так и на цементобе-тонных. Их устройство выполняется с целью обеспечения требуемой шероховатости покрытия и улучшения ровности покрытия, а также для защиты поверхности покрытия от вредного воздействия эксплуатационных и климатических факторов.

В главе рассматриваются все существующие виды ремонта цементо-бетонных покрытий, в том числе виброрезонансное разрушение основания и устройство асфальтобетонного покрытия. Проанализирован отечественный и зарубежный опыт устройства тонких и сверхтонких асфальтобетонных слоев на цементобетонном основании. Затронуты вопросы долговечности асфальтобетонных слоев жёсткой дорожной одежды.

Во второй главе представлены теоретические основы математического моделирования напряжённо - деформированного состояния конструкции комбинированной дорожной одежды.

Выполнена постановка проблемы моделирования нагруженного состояния дорожной конструкции. Разработана модель транспортного средства как основного источника силового воздействия на дорожную одежду. С помощью метода конечных элементов (МКЭ) проведено математическое моделирование напряжённо - деформированного состояния конструкции жёсткой дорожной одежды с асфальтобетонным покрытием. Предложена динамическая математическая модель нагружённого состояния дорожной

конструкции при воздействии движущегося транспортного средства. Получена качественная картина напряжённо - деформированного состояния.

Для целей исследования напряженно - деформированного состояния дорожной одежды в рамках данной диссертации, по отношению к большинству существующих теорий, требуется расширение динамической модели в области учета упругих свойств дороги. В настоящей работе автомобильная дорога рассматривается в виде нового объекта - «Дорожная конструкция».

Использование расширенной модели «ДОРОГА — ТРАНСПОРТНОЕ СРЕДСТВО» позволяет учесть все основные элементы системы и их взаимодействие:

- «ДОРОГА» рассматривается как пространственная динамическая система с многослойной дорожной одеждой с учетом реальных инерционных, упругих, реологических свойств используемых в дорожной конструкции материалов;

- использование в современном транспортном процессе на автомобильных дорогах многоосных транспортных средств делает актуальным формирование расчетной нагрузки на элементы дорожной конструкции с учетом сложного пространственного характера нагрузок;

- в разработанных методах учтен временной фактор при формировании расчетного воздействия.

Базовой методологией при решении задачи построения научного описания автомобильных дорог является системный анализ. Целесообразно включать в этап научно - исследовательских работ жизненного цикла дороги как экспертные, так и теоретические модели функционирования дорожной конструкции, а также базы данных по физическим свойствам дорожно-строительных материалов, интегрированных со средствами программной поддержки расчетов по оптимизации качества дорожных конструкций.

Дорожная конструкция как объект исследования её внутреннего напряженного состояния показана на рис. 3.

В процессе детального исследования напряженно-деформированного состояния дорожной одежды была использована предлагаемая модель нагрузки, позволяющая учесть взаимное влияние колес, расположенных на одной оси, на дорожную конструкцию (рис. 4).

Характеристики напряженного состояния элементов дорожной конструкции

Оо среднее напряжение в зоне контакта шины с дорогой

СТ„ изгибное напряжение в плите

Т касательное напряжение на границе асфальтового и бетонного слоёв

Характеристики физических свойств дорожной конструкции

Чаша ппогиба

Сегмент .пластины

Отпечаток^ шины гш

Модули

упругости

слоёв

Ео Эквивалентный модуль упругости основания

Асфальтобетон

Уравнение

чаши

прогиба

Па- толщина (асфальтобетона) Ь - толщина плиты (цементобетон) Гш Отпечаток шины Спр Приведенная жесткость

Бетонная плита

Слои основания

Основание

Эквивалентная

толщина основания

Рис. 3. Элементы расчетной структуры дорожной конструкции

Основание

Рис. 4. Расчетная схема модели «ДОРОЖНАЯ КОНСТРУКЦИЯ -ТРАНСПОРТНОЕ СРЕДСТВО» для движения по дороге с реальным микропрофилем

Позиционирование элементов дорожной конструкции и компоненты напряженного состояния показаны на рис. 5.

Моделирование и анализ работы дорожной конструкции в реальных эксплуатационных условиях требует привлечения мощных средств математического моделирования на основе метода конечных элементов. Для дальнейших исследований используется математический комплекс А^УБ (рис. 6).

Продольная плоскость-3

Продольная плоскость-2

N

продольная плоскость-1

Рис. 5. Позиционирование элементов дорожной конструкции и компоненты напряженного состояния :

- верхний слой (асфальтобетон);

- средний слой (цементобетон);

- нижний слой (основание (щебень, песок));

- подстилающий грунт.

Базовый объект для построения модели жизненного цикла дорожной конструкции - рабочее тело. Его можно представить как обособленный объём дорожной конструкции, включающий все составные части, в котором можно проследить все процессы вне связи с внешними частями. На данном этапе научной проработки проблемы определен базовый объект с ограниченным набором свойств.

Главная продольная плоскость симметрии дорожной полосы

Текущее положение нагрузочной площадки

0.000

4,000

8.000 (Ш)

2.000

6 000

Покрытие

Подвижная площадка контактной нагрузки

Рис. 6. Фрагмент модели конструкции, реализованной в программном комплексе А^УБ

Дорожная конструкция зафиксирована в виде трехслойной конструкции асфальтобетон-цементобетон-подстилающий слой (щебень, песок). Рабочее тело дорожной конструкции, объём которого V, разбивается на элементы (рис. 7).

По границам рабочего тела задаются граничные условия (рис. 8). Физически это означает выполнение условия неподвижности элементов на

границе. Исходя из обеспечения этого требования, выбираются фактические параметры рабочего тела.

Заданные поверхностные силы - Р (давление на покрытие)

Рис 7. Рабочее тело дорожной конструкции - трехмерное представление

В общей постановке задачи о действии подвижной нагрузки на дорожную конструкцию необходимо учитывать массу как нагрузки, так и самой дорожной конструкции.

Зона

иланных

перемещений

Узлы вокруг элемента

Зона снлово! о воздействия

АС ФАЛЫ

Элементы

Вертикальные перемещений

ПЕСОК

Напряжения в исходном состоянии элемента

Главные напряжения

Граничные условия

Рис. 8. Элементы построения модели дорожной конструкции на основе метода конечных элементов (МКЭ)

На рис. 9 приведены примеры расчетов по разработанной методике. Рассматривалось движение двухосного автомобиля. Параметры автомобиля соответствовали экспериментальному автомобилю. Это дало возможность сравнивать полученные расчетные и экспериментальные результаты.

Полученные качественные закономерности взаимодействия транспортного средства с дорожной конструкцией подтверждены также экспериментально, как показано на рис. 10.

Рис. 9. Форма «бегущей волны» на поверхности рабочего тела дорожной конструкции, скорость 10 м/с

Величина вертикального перемещения по слоям конструкции дорожной одежды под действием подвижной динамической нагрузки показана на рис. 11. Нумерация точек приводится сверху вниз по элементам конструкции.

Результаты численного эксперимента, основной целью которого было определение изгибного напряжения в процессе движения транспортного средства показаны на рис. 12 и 13.

— прогиб1 прогиб2

П е Р е м

е Щ

е н и

с м

0,06 0,04 0,02 0

-0,02 -0,04 -0,06 -0,08 -0,1 -0,12 -0,14 -0,16

У х

/ <

о\ 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 Уо 7 Ч 8\ 0 9 / 1

\ /

\ ! J

\ / /

\ / / 1

Ч:

Время, с

Рис. 10. Экспериментальные графики упругих деформаций дорожной конструкции при воздействии движущегося транспортного средства

0,20

5 0,00 г

5 -0,20 1

| -0'40 а

о -0,60

I

V

3

I -1,00 £

£ -1,20

I

- ^г- /

V /_

1 V

--1 —2 —3 --4 —5 --6 --7

Положение нагрузочной площадки, м

Рис. 11. Вертикальные перемещения в слоях дорожной конструкции (точки 1-7, расположенные сверху вниз) при движении по её поверхности подвижной динамической расчётной нагрузки

Толщина асфальтобетонного покрытия, см

Рис. 12. Зависимость напряжений в цементобетонном слое от толщины асфальтобетонного покрытия

При построении данных графиков использовано моделирование работы конструкции, выполненное методом конечных элементов, изложенным ранее. Эти графики показывают, что основываясь на принятой модели, увеличение высоты слоя асфальтобетона до определенного значения увеличивает внутренние напряжения. Только при достаточно большой высоте (более 25-30 см) начинается достаточно медленное снижение напряжений. То есть оптимальная высота слоя асфальтобетонного покрытия в данном случае имеет значение до 0,1 м.

Толщина асфальтобетонного покрытия, см

Рис. 13. График зависимости напряжений в асфальтобетоне от толщины покрытия

Характерной особенностью работы дорожной конструкции в условиях проведенных численных экспериментов является сложный и неоднозначный характер зависимости выходных параметров от варьируемого параметра - толщины слоя асфальтобетона. Можно предположить, что наиболее опасным для работоспособности дорожной конструкции является рост напряжений в асфальтобетонном слое и касательных напряжений в широком диапазоне изменения варьируемого параметра. Почти во всем диапазоне при увеличении толщины покрытия происходит рост индекса усталостного нагружения слоя асфальтобетона, что является причиной снижения долговечности дорожной конструкции. Однако концепция жёсткой дорожной одежды состоит в максимальном использовании цементобе-тонного основания как несущего элемента конструкции. Цементобетон относительно успешно справляется с транспортными нагрузками даже без устройства асфальтобетонных слоев. В связи с этим устройство асфальтобетонного слоя небольшой толщины 10...12 см (как слоя износа) создаст оптимальные условия работы жёсткой дорожной одежды с асфальтобетон-

23

ным покрытием и повысит транспортно - эксплуатационные качества автомобильной дороги.

Вместе с тем, в диссертационной работе нашли отражение модели многоциклового внешнего воздействия, позволяющие с большой достоверностью получить пространственно — временные деформации конструкции и её элементов. Изучена и использована теория длительной и усталостной прочности материалов, предложенная академиком Кишкиным Б. П. в 1976 г. Применительно к данной диссертации, затраченная работа А, направленная на разрушение дорожного покрытия, увязана с напряжённо -деформированным состоянием слоистой конструкции дорожной одежды. Получены численные зависимости, характеризующие величину напряжё-ний и деформаций под воздействием подвижной динамической нагрузки (рис. 8-12).

Отличительной чертой решаемой задачи является возможность стационарного режима движения, при котором прогиб под грузом остается все время постоянным, а груз (реакция транспортного средства на дорожную поверхность) движется по горизонтали. Картина изгиба оси плиты будет неизменной, но равномерно движущейся со скоростью движения груза и как бы сопровождающей груз. Поэтому для транспортного средства, изгиб плиты будет выглядеть все время одинаково; это явление целесообразно назвать бегущей изгибной волной.

Эффект «бегущей волны» позволил глубже понять суть процессов, происходящих в конструкции при движении реального расчётного транспортного средства. Качественные закономерности взаимодействия транспортного средства с дорожной конструкцией подтверждены экспериментально.

Из приведенных в работе результатов можно сделать следующий предварительный вывод: зона деформации дорожной конструкции при воздействии движущегося транспортного средства занимает большое по протяженности пространство дорожной конструкции и значительно превосходит размеры чаши прогиба одиночного точечного воздействия непосредственно вблизи контакта шины с дорогой.

Расчёт силового взаимодействия транспортного средства и дорожной конструкции выявил свойство дорожной одежды воспринимать весь ча-

стотный спектр воздействий, при этом наибольшая доля дисперсии напряжений (более 90 %) расположена в области высокочастотного резонанса.

В процессе теоретических исследований была доказана ключевая роль дорожного покрытия в обеспечении безопасности дорожного движения с экономической составляющей. Поскольку покрытие дорожной одежды воспринимает и распределяет подавляющее количество внешних усилий и напряжений, ему отводится первостепенная роль при моделировании работы дорожной конструкции.

Основа концепции работоспособности дорожного покрытия была получена путём исследования матрицы характеристик дорожного полотна как слоистой системы. Важная роль была отведена самодиагностике состоянию дорожной одежды. Для реализации данной цели предложены методики визуализации необходимости замены асфальтобетонного покрытия жёсткой дорожной одежды. Данными положениями также была подтверждена выдвинутая концепция работы жёсткой дорожной одежды, заключающаяся в максимальном использовании цементобетонного основания как несущего элемента конструкции.

Выполненные исследования позволили выработать методику и алгоритм управления напряжённо — деформированным состоянием жёсткой дорожной одежды с асфальтобетонным покрытием. Результатом проведённой работы также стало формулирование и осуществление экономических и правовых отношений обеспечения гарантийного срока службы дорожной конструкции.

В главе представлены созданные специально в рамках данной диссертации программный комплекс и вспомогательные модули для математического моделирования нагружённого состояния дорожной конструкции. Даны рекомендации по проведению аналитических расчётов напряжённо - деформированного состояния дорожной одежды с целью оптимизации её свойств и параметров.

В третьей главе описано определение фактической и перспективной расчётных нагрузок на жёсткую дорожную одежду с асфальтобетонным покрытием. Установлены особенности воздействия нагрузок. Базой для проведения исследований послужили основные автомобильные магистрали, имеющие данную конструкцию дорожной одежды. К ним относятся

автодороги М-2 «Крым», М-9 «Балтия», А-107 ММК (Московское малое кольцо) и Алтуфьевское шоссе (г. Москва).

Приведена подробная характеристика исследуемых автомобильных дорог и условий движения по ним. Поскольку транспортный поток является основной нагрузкой на конструкцию дорожной одежды, изучение режимов движения транспортных средств, их распределение по полосам движения совместно с анализом состава транспортного потока позволило совершенствовать методику расчёта дорожной одежды, а также определить фактические и перспективные нагрузки на неё.

В настоящей главе приведены результаты исследований движения транспортных потоков на автомобильных магистралях, выполненных в 2003-2009 гг. Определение расчётных нагрузок проводилось на тех же автомобильных дорогах, на которых впоследствии были проведены экспериментальные исследования, изложенные в главе 4 (М-2 «Крым», М-9 «Балтия» и А-107 ММК).

Работы включали:

• исследование интенсивности и состава транспортного потока на автомобильных дорогах, с учётом их распределения по полосам движения;

• определение общего требуемого модуля упругости для всей конструкции в целом;

• расчет требуемых модулей упругости для каждой полосы автомобильной дороги, согласно реальной (фактической) интенсивности движения и составу транспортного потока, движущихся по каждой полосе;

• сопоставление требуемой прочности конструкции на каждой полосе движения, полученной из условия реального транспортного потока с прочностью, определённой для каждой полосы согласно ОДН 218.04601.

Исследование интенсивности движения и состава транспортного потока были организованы специальным образом.

Следует отметить, что интенсивность движения измерялась как в летние месяцы, при наибольшей загрузке пригородных участков автомагистралей, вследствие достаточно большого количества автолюбителей, до-

бирающихся к своим дачным участкам. Так и в зимние месяцы, во время общего спада интенсивности движения.

Кроме того, исследования проводились в разные дни недели, что позволило отразить изменение интенсивности движения в будние, выходные и праздничные дни. Тем самым фактически удалось получить периоды минимальной и максимальной загрузки автомагистралей.

Интенсивность движения определялась непрерывно в процессе измерений и фиксировалась каждые 5 минут. Транспортный поток был разделён на следующие группы автомобилей:

- легковые;

- грузовые, грузоподъёмностью до 2 т;

- грузовые, грузоподъёмностью от 2 до 5 т;

- грузовые, грузоподъёмностью более 5 т;

- автопоезда;

- автобусы.

Определение модулей упругости проводилось согласно ОДН 218.046-01. Несмотря на то, что данный документ распространяется на нежёсткие дорожные одежды, применение его в диссертации позволяет получить представление о величине воздействующей и перспективной нагрузках. Таким образом мы определили расчётную нагрузку и особенность её воздействия на конструкцию.

Для решения данной задачи в период 2003 — 2009 гг. были проведены исследования режимов движения транспортного потока на всех рассматриваемых автомагистралях.

Исходя из транспортно — эксплуатационных требований, согласно СНиП 2.05.02-85 «Автомобильные дороги» и ГОСТ Р 52748-2007 «Нормативные нагрузки, расчётные схемы нагружения и габариты приближения» в качестве расчётного принимается автомобиль с наибольшей нагрузкой на одиночную ось 115 кН (11,5 тс) с расчетным диаметром следа колеса Б=40 см. Руководствуясь действующими нормативными документами по расчёту конструкции дорожных одежд, при определении приведённой интенсивности движения СЫр), необходимо учитывать полосность.

Однако в настоящее время изменилась не только интенсивность движения и состав транспортного потока — изменился характер движения. Транспортный поток распределяется по полосам движения иначе, чем это предусмотрено действующими нормативными документами. Поэтому было проведено сравнение модулей упругости, полученных двумя различными способами. В первом случае общий модуль упругости определялся по формуле, учитывающий коэффициент полосности, во втором случае общий модуль упругости определялся исходя из интенсивности движения, полученной непосредственно для каждой полосы в процессе наблюдений.

Сравнение полученных данных приведено в таблице 1. Для наглядности распределение расчётной нагрузки по полосам движения приводится на рис. 13 и 14.

600,0

500,0

л]

Е 400,0

зГ

н о 2

£ 300,0 с >.

5 200,0

о Е

100,0 0,0

3-я 2-ая 1-ая

Полоса движения

Рис. 13. Распределение общего требуемого модуля упругости по полосам движения, определённого на основе натурных исследований

600,0

500,0

те

г 400,0

ж н

о £

£ 300,0

с

>1

л

с

Ч 200,0 о

г

100,0 0,0

Рис. 14. Распределение общего требуемого модуля упругости по полосам движения, определённого на основе ОДН (Гпол)

В главе представлена методика проведения наблюдений. Натурные исследования позволили получить интенсивность и состав транспортного потока на автомобильных дорогах, с учётом их распределения по полосам движения. На основе полученных данных было проведено определение как фактического, так и перспективного общего требуемого модуля упругости для всей конструкции в целом.

490,0 516,0

400,0

3-я 2-ая 1 -ая

Полоса движения

Магистраль Участок магистра- Номер полосы дви- Е„сщ, определенный через коэф. Е„,-,щ, определенный через интенсивность движении на полосе, МПа

ли жения /„„., (ОДН), МПа

1 528 518

1 2 503 503

3 413 465

s 1 494 511

о. X 2 2 458 449

(N 1 520 530

2 2 484 477

1 516 527

3 2 490 492

3 400 450

4 1 505 512

2 469 466

1 1 548 531

H 2 i 2 512 513

ta 2 1 518 514

ммк 1 1 533 536

Особое внимание уделено расчету требуемых модулей упругости для каждой полосы автомобильной дороги согласно реальным (фактическим) интенсивности движения и составу транспортного потока, движущихся по конкретной полосе. Далее было выполнено сопоставление требуемой прочности конструкции на каждой полосе движения, полученной из условия реального транспортного потока с прочностью, определённой для каждой полосы согласно ОДН 218.046-01. Проведённая работа и последующий анализ позволили сделать выводы о величинах фактической и перспективной нагрузках, а также выявить закономерности их распределения на дорожную одежду.

В четвёртой главе приводятся экспериментальные исследования по теме диссертации. В рамках данной работы выполнены всесторонние комплексные экспериментальные исследования по определению параметров, характеристик, свойств и условий работы жёсткой дорожной одежды с асфальтобетонным покрытием. Описаны уточнённые процессы, способствующие стабильности и долговечности конструкции.

На экспериментальных участках автомобильных дорог были проведены комплексные инженерно - геологические изыскания. Целью проведения работ было определение существующей конструкции и параметров жёсткой дорожной одежды с асфальтобетонным покрытием, а также физико - механических свойств дорожно - строительных материалов, составляющих конструкцию. Данные исследования позволили в полной мере получить сведения о прочности и состоянии дорожной одежды и составляющих её элементов. Эксперименты осуществлены на тех же участках автодорог М-2 «Крым», М-9 «Балтия», А-107 ММК (Московское малое кольцо) и Алтуфьевского шоссе, имеющих различные варианты конструкций комбинированной дорожной одежды и разные условия эксплуатации.

Комплекс инженерно - геологические работ производился буровыми установками и комплектом специализированных станков ПБУ-1ВС, УКБ-12/25С, ШШ ЭО 130 (рис. 15). Все работы проводились в соответствии с СП 11-105-97 «Инженерно-геологические изыскания для строительства». В процессе инженерно-геологических изысканий пробурено порядка 700 скважин. Общий метраж бурения составил более 1400 п.м. Для анализа работы и состояния конструкции были произведены полевые, лабораторные и камеральные работы. В процессе буровых работ отбирались образцы нарушенной и ненарушенной структуры, монолиты, а также производились гидрогеологические наблюдения в скважинах. Далее были определены физико-механические свойства всех дорожно-строительных материалов, составляющих конструкцию.

Инженерно — геологические работы проводились на полосе движения, что позволило получить точные значения параметров конструкции.

Эффективным методом определения свойств дорожно - строительных материалов в конструкции является лабораторный способ. Дорожные

лаборатории, в которых осуществляются исследования, оснащены самым современным оборудованием, прошедшим аттестацию. Исследуемые керны приведены на рис. 16.

Рис. 15. Проведение инженерно - геологических изысканий на экспериментальном участке

В результате исследований на всех рассматриваемых магистралях были получены такие показатели, как:

- толщина цементобетонной плиты;

- толщина асфальтобетона;

- прочность цементобетона на сжатие;

- прочность цементобетона на растяжение при изгибе;

- прочность асфальтобетона при 20 °С и 50 °С;

- плотность цементобетона;

- плотность асфальтобетона.

Выборочные материалы результатов исследований на примере автомагистрали М-9 «Балтия» показаны на рис. 17 - 20.

Рис. 16. Образцы (монолиты) жёсткой дорожной одежды с асфальтобетонным покрытием

Для примера, на автомагистрали М-9 «Балтия» согласно приложению 1, табл. 6 ГОСТ 26633-91 «Бетоны», цементобетон, расположенный в конструкции дорожной одежды на рассматриваемом участке, относится к классу В25 (средняя прочность бетона согласно нормативному документу Я=327,4 кгс/см2). Данному классу соответствует ближайшая марка бетона по прочности М350. Из условия растяжения при изгибе цементобетон относится к классу В Л 3,6 (средняя прочность бетона согласно нормативному документу Я=47,1 кгс/см2). Данному классу соответствует ближайшая марка бетона по прочности РЛ 45.

Анализ результатов показывает, что толщина асфальтобетонных слоев усиления жёсткой дорожной одежды варьируется в больших пределах, в то время как толщина цементобетона относительно постоянна. При этом цементобетон находится в хорошем состоянии и обладает достаточно высокой прочностью. Состояние и прочность асфальтобетонных слоёв конструкции различны на разных участках

25,0

20,0

5 15,0

10,0

19 20 21 22

Толщина цементобетона, см

Рис. 17. График распределения толщины цементобетонной плиты

60,0

50,0

40,0

30,0

20,0

10,0

0,0

5-10 10-15 15-20 20-25 25-30 30-35 Толщина асфальтобетона, см

35-40 40-45

Рис. 18. График распределения толщины асфальтобетона

50,0

28-29 29-30 30-31 31-32 32-33

Прочность образцов, МПа

33-34

Рис. 19. График распределения прочности цементобетона на сжатие

30,0

25,0

20,0

15,0

10,0

3,6-3,8 3,8-4,0 4,0-4,2 4,2-4,4 4,4-4,6 4,6-4,8 4,8-5,0 Прочность образцов при температуре 20 С, МПа

Рис. 20. График распределения прочности асфальтобетона при 20° С

автомобильной магистрали. В ряде случаев прочность асфальтобетона невысокая, что оказывает влияние на состояние покрытия.

Результаты исследования подтверждают, что возможный срок службы цементобетона может составить порядка 40...45 лет. При этом в случае использования асфальтобетона небольшой толщины исключительно как слоя износа существенно повышается долговечность дорожной одежды

Согласно «Методическим рекомендациям по проектированию жёстких дорожных одежд», толщина асфальтобетонных слоёв на цементобетон-ном основании регламентируется табл. 2.3. Однако максимальная прочность бетона на растяжение при изгибе в указанной таблице составляет 3,5 МПа. При данной прочности минимальная толщина асфальтобетонных слоёв должна быть не менее 16,5 см (для нагрузки более 2000 авт/сут). Проведённые автором исследования показали, что величина прочности бетона на растяжение при изгибе на Московском малом кольце составляет в среднем 6,12 МПа. Следуя эмпирическим зависимостям, при существующей прочности цементобетонного основания толщину асфальтобетонных слоёв можно уменьшить до 13-14 см. А при укладке геосинтетических материалов — до 810 см.

На рассматриваемых участках автомобильных дорог было проведено комплексное обследование дорожной одежды. Целью проводимых исследований является выявление и анализ зависимости состояния асфальтобетонных слоёв жёсткой дорожной одежды от толщины покрытия.

Обследование и диагностика покрытия существующей дорожной одежды автомобильных дорог выполнены в соответствии с ОДН 218.1.0522002 «Оценка прочности нежёстких дорожных одежд» и ДНД МО-016(*)/2007 «Методика оценки технико — эксплуатационного состояния автомобильных дорог и улиц Московской области». Количество, разновидность и виды дефектов на дорожном покрытии устанавливались на основе визуальной оценки. Все дефекты, обнаруженные на покрытии, подразделяются на виды в соответствии с характерными особенностями.

Основой научных исследований послужило обследование дорожной одежды, проведенное на данной дороге в 2006 - 2009 гг.

После проведения инженерно - геологических изысканий, были

определены два участка, протяжённостью 50 км каждый. Рассматриваемые участки имеют приблизительно одинаковую конструкцию основания дорожной одежды и схожие геологические условия. Отличие состоит только в толщине асфальтобетонных слоёв.

Таким образом, конструкции дорожных одежд на сравниваемых участках практически идентичны, за исключением толщин асфальтобетонных слоёв. По результатам лабораторных испытаний, физико - механические свойства всех материалов, составляющих обе конструкции, также имеют близкие, сопоставимые значения.

Были определены:

- распределение выбоин на 100 м протяжения для каждого экспериментального участка;

- распределение колеи для каждого экспериментального участка

- распределение шага трещин для каждого экспериментального участка.

Детальный анализ результатов обследования показывает, что толщина асфальтобетонных слоёв усиления жёсткой дорожной одежды оказывает существенное влияние на состояние покрытия. В ряде случаев на участках дороги с толщиной асфальтобетонных слоёв 8... 14 см состояние покрытия оказывается значительно лучше, чем на участках с толщиной асфальтобетонных слоёв более 20 см.

Результаты исследования подтверждают, что жёсткая дорожная одежда обладает значительной прочностью и долговечностью. При этом значительные толщины слоёв из асфальтобетона приводят к преждевременному разрушению покрытия. Для эффективной работы данной конструкции дорожной одежды при её проектировании и строительстве необходимо предусмотреть специальные мероприятия по предотвращению образования отражённых трещин.

В диссертации было выполнено определение прочности дорожной одежды установкой динамического нагружения «Дина-ЗМ». Прочность дорожной одежды определялась на тех же участках автомобильных дорог, где были выполнены все предыдущие исследования. Это позволило учесть результаты инженерно - геологических изысканий и комплексного обследования дороги. Целью данных проводимых экспериментов является

определение и анализ прочности жёсткой дорожной одежды с асфальтобетонным покрытием.

Прочность дорожной одежды определялась на тех же экспериментальных участках автомобильных дорог, где были выполнены все предыдущие исследования (М-2 «Крым», М-9 «Балтия» и А-107 ММК (Московское малое кольцо)) (рис. 21). Это позволило учесть результаты инженерно - геологических изысканий и комплексного обследования дороги, а также величину воздействующей нагрузки. Целью проводимых экспериментов является определение и анализ прочности жёсткой дорожной одежды с асфальтобетонным покрытием.

Рис. 21. Рабочее оборудование установки «Дина-3» в действии на автомагистрали М-9 «Балтия»

По результатам изучения жесткой дорожной одежды с асфальтобетонным покрытием установкой динамического нагружения «Дина-ЗМ» можно сделать вывод, что данная конструкция обладает

большой прочностью. При этом наличие на жёстком основании асфальтобетонных слоёв небольшой толщины значительно улучшает условия работы и повышает транспортно - эксплуатационные качества конструкции.

При проведении экспериментов было изучено воздействие движущегося транспортного средства на дорожную конструкцию. Для этих целей использовалась передвижная лаборатория, включающая мобильный комплекс контрольно-измерительной и регистрирующей аппаратуры (рис. 22). В процессе проведения исследований осуществлялась запись перемещений дорожной поверхности при проезде различных транспортных средств по специально размеченным полосам. В работе приводится выборка и анализ обработки экспериментальных заездов - осциллограммы перемещений на поверхности дороги.

Усилители и интеграторы

Аналого-цифровой преобразователь

Блоки

питания

Компьютер

Датчики ускорений

Рис. 22. Комплект оборудования для экспериментальных исследований

Передвижная лаборатория включала в себя мобильный комплекс контрольно-измерительной и регистрирующей аппаратуры для записи перемещений дорожной поверхности.

При подготовке эксперимента на поверхности дороги закреплялись два высокочувствительных датчика ускорений, технические параметры которых приведены в таблице 2. Схема установки датчиков на дороге показана на рис. 23.

Технические характеристики датчика ускорения - акселерометр f ATI 104 приведены в таблице 2.

Таблица 2

1 Внешний вид ф

2 Диапазон измерения ускорения, g ± 10

3 Номинальное выходное напряжение на диапазоне измерения, В ±5

4 Класс точности А

5 Погрешность крутизны выходной характеристики: отклонение при температуре +21±4 °С, не более, % ±0,5

6 Нелинейность, не более, % от диапазона 0,5

7 Частотная характеристика: нижняя частота, Гц полоса пропускания по уровню 3 дБ, Гц 0 700

8 Напряжение электропитания, В ±(10,8 ... 13,2)

9 Потребляемый ток, мА 20

10 Диапазон рабочих температур, иС -50 ... +60

11 Габариты, мм 29,5x28,5x16

12 Масса, не более, г 15

Рис. 23. Схема установки датчиков на дороге

Экспериментальные графики упругих деформаций дорожной конструкции при воздействии движущегося транспортного средства показаны на рис. 10.

Учёт всех возможных факторов позволил составить полную единую картину работы жёсткой конструкции дорожной одежды с асфальтобетонным покрытием.

Для каждого вида экспериментальных исследований указана методика проведения работ, использованное оборудование, представлены результаты и их анализ. Полученные данные легли в основу теоретических расчетов, приведённых в главе 2, а также послужили основой для подтверждения правильности математической модели напряжённо - деформированного состояния и предлагаемых конструктивных и технологических решений.

В главе приведён успешный опыт применения в качестве покрытия жёсткой дорожной одежды битумоминеральной открытой горячей смеси БМО 65/75 СП толщиной 3-4 см. Экспериментальные исследования были проведены на автомобильной дороге М-51 «Байкал». Исследуемый участок автомобильной дороги был построен в 2004 г. с целью подтверждения предположений об эффективности и надёжности предлагаемой конструкции дорожной одежды.

В пятой главе представлено технико — экономическое обоснование предлагаемых решений. Разработка технико - экономического обоснования заключается в сравнении по суммарным дисконтированным затратам различных вариантов конструкции жёсткой дорожной одежды с асфальтобетонным покрытием. Для эффективности сравнения часть вариантов за-

41

проектирована по существующей (традиционной) технологии, другие варианты разработаны на основе предлагаемых алгоритмов и методик. При этом сравнению подлежат как дорожные одежды на стадии реконструкции, так и на этапе нового строительства.

Для получения достоверной экономической эффективности в работе проведено также технико - экономическое сравнение участков автомобильных дорог, построенных с применением существующих технологий и предлагаемых технических решений. Рассмотрены и учтены особенности эксплуатации автомобильных дорог с различными конструктивными особенностями дорожных одежд.

В главе изложена актуальность выполнения обоснования и указанны все необходимые исходные данные. Представлена методика проведения технико - экономического сравнения. Для определения сметной стоимости сравниваемых вариантов конструкции составлены локальные сметы. Приведены результаты расчётов с формированием экономических показателей: чистый дисконтированный доход (ЧДД), индекс доходности (ИД) и срок окупаемости (СО). Сформулированы выводы об экономической целесообразности предлагаемых конструктивных решений.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Комплекс выполненных теоретических и экспериментальных исследований позволил решить научную проблему повышения уровня надёжности и долговечности жёстких дорожных одежд с асфальтобетонным покрытием, имеющую важное народнохозяйственное значение, при рациональном сочетании экономически целесообразных и обоснованных расчётами конструктивных решений.

2. На основе сформулированной гипотезы были выполнены теоретические исследования, которые позволили разработать пространственную динамическую математическую модель напряжённо - деформированного состояния жёсткой дорожной одежды с асфальтобетонным покрытием с учётом воздействия движущегося транспортного средства. Для построения модели был использован метод конечных элементов (МКЭ), позволивший

в полной мере учесть все многообразие факторов (транспортная нагрузка, температурные перепады), воздействующих на конструкцию, а также физико-механические свойства составляющих её дорожно-строительных материалов.

3. Предложена рациональная конструкция жёсткой дорожной одежды с асфальтобетонным покрытием. Для её расчёта и обоснования был использован программный комплекс по моделированию нагружённого состояния дорожной конструкции, который позволил выполнить численные эксперименты для всех необходимых условий работы и различных сочетаний элементов. Получены количественные и качественные оценки изменения характеристик динамического напряжённо - деформированного состояния дорожной конструкции, такие как деформации, напряжения, структурные изменения и т.д.

4. Выполненные расчёты показали, что внутренние напряжения и индекс усталости в асфальтобетоне возрастают по мере увеличения толщины покрытия, при этом в цементобетоне отмечено их снижение. Это вызвано тем, что асфальтобетонные слои с ростом толщины (до 20-50 см) воспринимают большую часть нагрузки (до 80-90 %), приходящуюся на конструкцию, разгружая тем сам жёсткое основание. Однако концепция работы жёсткой дорожной одежды состоит в максимальном использовании цементобетонного основания как несущего элемента конструкции. В связи с этим устройство асфальтобетонного покрытия толщиной более 10-12 см представляется нерациональным.

5. С использованием предложенных алгоритмов были установлены оптимальные параметры конструкции, обеспечивающие достаточную прочность и высокие транспортно - эксплуатационные качества дорожной одежды (ровность, сцепление и т.д.).

6. Выполненные натурные исследования на автомобильных дорогах, имеющих жёсткую дорожную одежду с асфальтобетонным покрытием, позволили определить фактическую и перспективную расчётные нагрузки на конструкцию. В настоящее время на дорожную одежду воздействует расчётная нагрузка соответствующая требуемому общему модулю упругости конструкции 500-550 МПа. Одновременно с этим отмечено высокое

43

изнашивающее воздействие транспортного потока на дорожное покрытие. Перспективное значение расчётной нагрузки за срок службы дороги (25-30 лет) соответствует требуемому общему модулю упругости конструкции порядка 700-800 МПа.

7. Выявлена особенность распределения расчётной нагрузки. Ввиду сильно изменившегося состава транспортного потока, интенсивности движения и характера движения в целом, существующий метод расчета не отражает в полной мере загруженность автомагистралей. Разница в требуемой прочности на смежных полосах движения составляет не более 5-10%, а между крайними полосами 10-15 %. Проведённые исследования позволяют сделать заключение о необходимости проектирования и расчёта единой по всему поперечному профилю (по всей ширине проезжей части) конструкции дорожной одежды.

8. Анализ результатов всесторонних экспериментальных исследований выявил параметры, характеристики и свойства жёсткой дорожной одежды с асфальтобетонным покрытием. Полученные данные позволили составить полную единую модель работы конструкции. Подтверждены высокая прочность и большая несущая способность жёсткой дорожной одежды с асфальтобетонным покрытием (до 600-700 МПа).

9. Экспериментальные исследования выявили, что возможный срок службы цементобетона может составить порядка 40-45 лет. При этом использование асфальтобетона небольшой толщины, исключительно как слоя износа, существенно повышает долговечность дорожной одежды (до 25-35 лет). Значительные толщины слоев из асфальтобетона приводят к нерациональной работе конструкции и преждевременному разрушению покрытия (существующие сроки службы покрытия до 3-5 лет).

10. В качестве покрытия жёсткой дорожной одежды (слоя износа) для повышения транспортно - эксплуатационных качеств возможно использование тонких слоёв литого асфальтобетона, битумоминеральной открытой горячей смеси (БМО 65/75 СП), щебёночно - мастичного асфальтобетона, обладающих достаточной деформативностью и стабильностью (в пределах 8-12 см). Для эффективной работы данной конструкции дорожной одежды при её проектировании и строительстве необходимо преду-

44

смотреть специальные мероприятия по предотвращению образования отражённых трещин (укладка трещинопрерывающих материалов). Возможно как сплошное перекрытие (100 %), так и частичное, над швами (20-25 %).

11. Проведённые экспериментальные исследования выявили высокую сходимость реальной работы жёсткой дорожной одежды с асфальтобетонным покрытием с данными, полученными путём математического моделирования напряжённо - деформированного состояния конструкции. Разница значений, полученных теоретическими расчётами и экспериментальными исследованиями, составляет порядка 4-11 %.

12. Выполненное технико - экономическое сравнение по основным показателям (чистый дисконтированный доход, индекс доходности и срок окупаемости) показало высокую экономическую эффективность предлагаемых конструкций и технологий. Сравнение двух участков автомобильной дороги, построенных с применением различных конструкций, показало экономическую эффективность варианта дороги, устроенного с применением предлагаемой технологии. При этом полученный в результате расчёта чистый дисконтированный доход (ЧДД) и индекс доходности (ИД) на 15 % выше, чем при использовании традиционной конструкции. Срок окупаемости автомобильной дороги с предлагаемой конструкцией составляет Ток=9-10 лет, что меньше значений, полученных для автомобильной дороги, на которой проектирование и строительство дорожной одежды выполнено с применением традиционных технологий (Ток=11-12 лет).

13. Показана возможность применения разработанных методов и моделей для решения практических задач проектирования и строительства жёстких дорожных одежд с асфальтобетонным покрытием, дана оценка эффективности различных ремонтно - восстановительных мероприятий и продления жизненного цикла дорожной конструкции. Общая продолжительность срока службы дорожной одежды доведена до 45-50 лет.

14. Научная значимость, практическая востребованность и экономическая целесообразность представленных решений и технологий подтверждается эффективной работой конструкций, устроенных на действующих автомобильных дорогах.

СПИСОК ОСНОВНЫХ РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Научные статьи в изданиях, включённых в перечень ВАК РФ

1. Оценка состояния жёсткой дорожной одежды с асфальтобетонным покрытием / Корочкин А. В., Носов В. П. // Транспортное строительство. - 2008. -№ 12.-С. 14-15.

2. Влияние толщины верхних асфальтобетонных слоёв жёсткой дорожной одежды на состояние покрытия / Корочкин А. В. // Транспортное строительство. -2009.-№ 1.-С. 10-11.

3. Влияние дорожно - климатических зон на прочность жёсткой дорожной одежды с асфальтобетонным покрытием / Корочкин А. В. // Строительные материалы. - 2009. - № 1. - С. 62-63.

4. Особенности работы жёсткой дорожной одежды с асфальтобетонным покрытием / Корочкин А. В. // Строительные материалы. - 2009. - № 2. - С. 6466.

5. Расчёт дорожной одежды на четырёхполосных магистралях с учётом современного транспортного потока / Корочкин А. В. // Транспортное строительство.-2009.-№ 3. - С. 9-11.

6. Расчёт цементобетонного покрытия дорожной одежды как бесконечной плиты на упругом основании / Корочкин А. В., Кольцов В. И. // Транспортное строительство. -2009. -№ 7. - С. 22-25.

7. Исследование жёсткого цементобетонного основания комбинированной дорожной одежды на Московском малом кольце / Корочкин А. В. // Строительные материалы. - 2009. - № 7. - С. 4-5.

8. Расчётные параметры асфальтобетонных слоёв на жёстком цементобе-тонном основании / Корочкин А. В. // Строительные материалы. - 2009. - № 9. -С. 61-63.

9. Относительная прочность жёсткой дорожной одежды с асфальтобетонным покрытием / Корочкин А. В. // Транспортное строительство. - 2009. - № 10.-С. 25-27.

10. Расчёт толщины асфальтобетонных слоёв жёсткой дорожной одежды / Корочкин А. В., Кольцов В. И. // Строительные материалы. - 2009. - № 11. - С. 62-64.

11. Зависимость состояния покрытия от толщины асфальтобетонных слоев жёсткой дорожной одежды / Корочкин А. В., Ахметов С. А. // Транспортное строительство. - 2009. - № 12. - С. 27-29.

12. Требуемая прочность жёсткой дорожной одежды с асфальтобетонным покрытием / Корочкин А. В., Мартяхин Д. С. // Строительные материалы. -

2010.-№5.-С. 22-24.

13. Опыт устройства тонких асфальтобетонных слоев на цементобетонном основании / Корочкин А. В. // Строительные материалы. - 2010. - № 10. - С. 5456.

14. Изучение воздействия движущегося транспортного средства на конструкцию дорожной одежды / Корочкин А. В. // Строительные материалы. -

2011.-№ 1.-С. 28-29.

15. Метод конечных элементов как основа моделирования напряжённо -деформированного состояния дорожной одежды / Корочкин А. В. // Научный вестник Воронежского государственного архитектурно - строительного университета. Строительство и архитектура. - 2011.-Вып. № 1.-С. 68-74.

16. Расчёт жёсткой дорожной одежды с учётом воздействия движущегося транспортного средства / Корочкин А. В. Н Наука и техника в дорожной отрасли.-2011.-№ 2. - С. 8-10.

17. Проблемы температурного воздействия на жёсткую дорожную одежду с асфальтобетонным покрытием / Корочкин А. В. // Транспортное строительство. - 2011.-№ 3. - С. 9-11.

18. Алгоритм расчёта покрытий жёсткой дорожной одежды / Корочкин А. В. // Строительные материалы. - 2011. - № 5. - С. 27-29.

19. Технико — экономическое обоснование конструкции жёсткой дорожной одежды с асфальтобетонным покрытием / Корочкин А. В. // Транспортное строительство. -2011. -№ 8. - С. 32-34.

20. Проблема отражённых трещин в асфальтобетонном покрытии, уложенном на цементобетонное основание / Корочкин А. В. // Строительные материалы. - 2011.-№ 10.-С. 46-47.

21. Износ жёстких дорожных одежд с асфальтобетонным покрытием / Корочкин А. В. // Строительные материалы. -2012. -№ 3. - С. 66-67.

22. Исследование цементобетонного основания комбинированной дорожной одежды на Алтуфьевском шоссе / Корочкин А. В. // Бетон и железобетон. -

2012.-№3,-С. 12-14.

23. Способы ремонта жёсткой дорожной одежды с асфальтобетонным покрытием / А. В. Корочкин // Транспортное строительство. - 2012. - № 4. - С. 46.

24. Исследование асфальтобетонного покрытия жёсткой дорожной одежды на Алтуфьевском шоссе / Корочкнн А. В. // Строительные материалы. -2012.-№ 7.-С. 98-99.

25. Исследование жёсткой дорожной одежды с асфальтобетонным покрытием в городских условиях / Корочкин А. В. II Транспортное строительство. -2012.-№ 7.-С. 8-11.

26. Расчёт жёсткой дорожной одежды с асфальтобетонным покрытием с применением программных комплексов / Корочкин А. В., Петров К. М. // Строительные материалы. - 2013. -№ 5. -С. 8-10.

27. Проектирование жёсткой дорожной одежды с асфальтобетонным покрытием / Корочкин А. В., Петров К. М. // Транспортное строительство. - 2013. - № 5. - С. 11-12.

28. Сдвигоустойчивость асфальтобетонных слоев жёсткой дорожной одежды / Корочкин А. В. И Строительные материалы. - 2014. - № 1-2. - С. 6567.

Монография

1. Корочкин А. В. Напряжённо — деформированное состояние жёсткой дорожной одежды с асфальтобетонным покрытием; Монография. - Москва, 2011. - 376 с. - 950 экз. - ISBN 978-5-91587-034-4.

Учебные пособия с грифом УМО

1. Корочкин А. В. Проектирование нежёстких дорожных одежд; Учеб. пособие. - Москва, - МАДИ (ГТУ), 2005. - 130 с.

2. Корочкин А. В. Проектирование усиления дорожных одежд; Учеб. пособие. - Москва, - МАДИ (ГТУ), 2007. - 86 с.

3. Поспелов П. И., Самодурова Т. В., Малофеев А. Г., Корочкин А. В. и др. Основы автоматизированного проектирования автомобильных дорог. Учеб. пособие. - Минск, ПЧУП «Бизнесофсет», 2007. - 215 с.

Основные публикации в прочих изданиях

1. Корочкин А. В. Проектирование усиления дорожных одежд. / Сборник научных трудов МАДИ (ГТУ) «Проектирование автомобильных дорог». - Москва, - МАДИ (ГТУ), 2007. - С. 70-77.

2. Корочкин А. В. Проектирование реконструкции жёсткой дорожной одежды с асфальтобетонным покрытием на участке ЦКАД. / Сборник научных трудов МАДИ (ГТУ) «Проектирование автомобильных дорог». - Москва, -МАДИ (ГТУ), 2009. - С. 183-193.

3. Корочкин А. В. Моделирование силового воздействия на конструкцию дорожной одежды. / Сборник научных трудов МАДИ «Проектирование автомобильных дорог». - Москва, - МАДИ, 2011. - С. 123-132.

Патент на изобретение

1. Устройство дорожной одежды. Корочкин А. В. № 88030. Заявка № 2009127004, зарегистрирован 27 октября 2009 г., опубликован в бюллетене Роспатента «Полезные модели» № 30, 2009 г.

Заказ № 46-а/05/2014 Подписано в печать 19.05.2014 Тираж 110 экз. Усл. п.л. 2

ООО "Цифровичок", тел. (495) 649-83-30 www.cfr.ru; е-тай:zak@cfr.ru

МОСКОВСКИЙ АВТОМОБИЛЬНО - ДОРОЖНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ (МАДИ)

ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ И ПРАКТИКА ПОВЫШЕНИЯ ТЕХНИКО - ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЖЁСТКОЙ ДОРОЖНОЙ ОДЕЖДЫ С АСФАЛЬТОБЕТОННЫМ ПОКРЫТИЕМ

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

На правах рукописи

05201451324

Корочкин Андрей Владимирович

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание учёной степени доктора технических наук

МОСКВА 2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ........................................................................... 5

ГЛАВА 1

Состояние вопроса. Анализ существующих теорий и практического опыта

§1.1. Общие положения расчёта дорожных одежд.......................... 17

§ 1.2. Влияние температуры на физико - механические свойства

покрытий автомобильных дорог.......................................... 32

§ 1.3. Основные виды разрушений и деформаций асфальтобетонных

слоев, устроенных на цементобетонных основаниях................ 42

§ 1.4. Существующие способы ремонта цементобетонных покрытий ... 58 §1.5. Опыт устройства тонких асфальтобетонных слоев на

цементобетонных основаниях............................................ 67

§ 1.6. Долговечность асфальтобетонных покрытий жёстких

дорожных одежд............................................................. 74

§ 1.7. Выводы по главе 1 ........................................................... 78

ГЛАВА 2

Теоретические основы математического моделирования напряжённо — деформированного состояния жёсткой дорожной одежды с асфальтобетонным покрытием

§2.1. Постановка проблемы и аналитические методы моделирования

напряженно - деформированного состояния дорожной

конструкции.................................................................. 80

§2.2. Модель силового воздействия на дорожную одежду................ 106

§ 2.3. Метод конечных элементов (МКЭ) как основа моделирования

нагруженного состояния дорожной конструкции.................... 116

§ 2.4. Динамика напряжённо - деформированного состояния

дорожной одежды при воздействии движущегося транспортного

средства........................................................................ 127

§2.5. Общие рекомендации по проведению расчетов нагруженного состояния дорожной конструкции с целью оптимизации её

эксплуатационных свойств................................................ 141

§ 2.6. Выводы по главе 2........................................................... 148

ГЛАВА 3

Расчёт фактической и перспективной нагрузок. Определение особенностей их воздействия

§3.1. Общая характеристика исследуемых автомобильных дорог

и условий движения по ним............................................... 150

§ 3.2. Методика проведения исследований..................................... 153

§3.3. Анализ результатов наблюдений за интенсивностью движения

и составом транспортного потока на автомобильных дорогах..... 154

§ 3.4. Определение расчётной нагрузки для каждой полосы

движения и всей конструкции в целом................................. 168

§3.5. Выводы по главе 3.......................................................... 187

ГЛАВА 4 Экспериментальные исследования

§4.1. Проведение комплексных инженерно - геологических

изысканий..................................................................... 189

§ 4.2. Выполнение обследования дорожной одежды......................... 226

§4.3. Определение прочности дорожной одежды установкой

динамического нагружения «Дина-ЗМ»................................ 251

§4.4. Изучение воздействия движущегося транспортного

средства на дорожную конструкцию.................................... 258

§4.5. §4.6.

Изучение опытного (экспериментального) участка

автомобильной дороги...................................

Выводы по главе 4........................................

264 270

ГЛАВА 5

Технико - экономическое обоснование предлагаемых конструктивных и технологических решений

§5.1. Актуальность проведения технико - экономического

обоснования......................................................................................................................................272

§ 5.2. Исходные данные для выполнения расчётов......................................................273

§5.3. Методика проведения технико - экономического обоснования .. 276 § 5.4. Составление локальных смет на сравниваемые варианты

дорожной одежды......................................................................................................................280

§5.5. Расчёт технико - экономических показателей вариантов

конструкции дорожной одежды....................................................................................280

§ 5.6. Расчёт экономической эффективности участков

автомобильной дороги............................................................................................................292

§5.7. Выводы по главе 5......................................................................................................................297

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ....................................................................................................................298

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК......................................................................................302

ПРИЛОЖЕНИЯ..............................................................................................................................................317

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследования. В настоящее время стремительно увеличиваются интенсивность движения транспортных средств, растут осевые нагрузки и удельный вес грузовых автомобилей в составе транспортного потока. Основная нагрузка ложится на автомобильные магистрали, соединяющие крупные области и районы страны.

Значительная часть автомобильных магистралей имеет жёсткую дорожную одежду, что делает возможным движение тяжёлых транспортных средств с большой интенсивностью.

В наши дни при проектировании и строительстве автомобильных дорог максимальная расчётная нагрузка согласно СНиП 2.05.02-85 «Автомобильные дороги» и ГОСТ Р 52748-2007 «Нормативные нагрузки, расчётные схемы нагружения и габариты приближения» составляет 11,5 т. При этом выпускаемые и поставляемые в Россию грузовые автомобили имеют осевую нагрузку порядка 14 т (МАЗ, Scania, MAN). Обеспечить пропуск движения столь значительной нагрузки с заданной долговечностью позволяют жёсткие конструкции.

Как правило, изначально на автомобильных магистралях была устроена жёсткая цементобетонная дорожная одежда. Далее во время эксплуатации дороги существующее цементобетонное основание перекрывалось слоями асфальтобетона. Устройство асфальтобетонных слоёв на жёсткой плите производилось в целях улучшения эксплуатационных свойств дороги, в частности для улучшения ровности и сцепления. Другими словами устройство асфальтобетонных слоёв применялось как технология ремонта жёсткой дорожной одежды. При этом ранее уложенные слои асфальтобетона не снимались, что приводило к постоянному и неконтролируемому увеличению толщины асфальтобетонных слоёв. К настоящему времени встречаются конструкции дорожной одежды, в которых толщина асфальтобетонных слоёв, уложенных на существующее цементобетонное покрытие, достигает 40.. .50 см. В таких условиях конструкция работает нерационально, что приводит к преждевременному её износу и разрушению.

Считается, что устройство дополнительных слоев асфальтобетонного покрытия жёсткой дорожной одежды приводит к увеличению прочности и долговечности конструкции. Однако в большинстве случаев наблюдается обратная тенденция: чем больше толщина асфальтобетонных слоев, тем больше дефектов имеет покрытие и тем хуже его состояние.

Дорожная одежда является одним из важнейших составных элементов автомобильной дороги. Затраты на её устройство в ряде случаев достигают 60...70 % от общей стоимости строительства, а состояние дорожной одежды в значительной степени влияет на скорость и безопасность движения.

Проектирование и строительство жёсткой дорожной одежды с асфальтобетонным покрытием - сложная комплексная задача, учитывающая большое количество различных компонентов напряжённо - деформированного состояния конструкции. При расчёте основания и покрытия данных дорожных одежд необходимо учесть все факторы, оказывающие разрушающее и изнашивающее воздействие на конструкцию.

В России работы и исследования по вопросам жёстких дорожных одежд с асфальтобетонным покрытием (комбинированных конструкций) были проведены в 1980 - 2010 гг. Наиболее интересными работами являются труды H.H. Иванова, В.Ф. Бабкова, И.А. Медникова, A.M. Богуславского, B.C. Орловского, В.А. Чернигова, C.B. Коновалова, Е.Г. Чистякова, В.Е. Тригони, Т.А. Лищицкой, А.И. Юрченко, Ю.А. Агалакова и других. Несмотря на это, существующие положения теории прочности дорожных одежд показывают недостаток конкретных теоретических и экспериментальных исследований, обуславливающих совместную работу двух конгломератных материалов, и отсутствие системного подхода к определению толщины асфальтобетонных слоёв на цементобетонных основаниях.

Производственные и исследовательские организации постоянно сталкиваются с необходимостью проведения расчётов и обоснования толщины асфальтобетонных слоёв жёсткой дорожной одежды.

Таким образом, актуальность тематики исследований и масштаб проблем вытекают из практики проектирования, строительства и эксплуатации жёстких дорожных одежд с асфальтобетонным покрытием.

Объект исследования. Жёсткая дорожная одежда с асфальтобетонным покрытием.

Цель работы. Совершенствование методов расчёта и проектирования жёсткой дорожной одежды с асфальтобетонным покрытием для обеспечения достаточной прочности, долговечности и высоких транспортно — эксплуатационных качеств автомобильной дороги.

Задачи исследований:

• оценка состояния вопроса, анализ и систематизация нормативной документации, изучение теоретических моделей и практического опыта устройства рассматриваемой конструкции;

• определение фактической и перспективной расчётных нагрузок на конструкцию;

• выявление закономерностей воздействия расчётной нагрузки на дорожную одежду;

• постановка проблемы напряжённо - деформированного состояния жёсткой дорожной одежды с асфальтобетонным покрытием;

• конечно - элементный анализ моделирования нагруженного состояния дорожной конструкции;

• разработка математической модели транспортного средства как основного источника силового воздействия на дорожную одежду;

• построение пространственной динамической модели напряжённо — деформированного состояния дорожной конструкции при воздействии движущегося транспортного средства;

• проведение многофакторных экспериментальных исследований с целью определения параметров, свойств и характеристик комбинированной дорожной одежды и идентификации математической модели напряжённо- деформированного состояния конструкции;

• разработка методов расчёта жёсткой дорожной одежды с асфальтобетонным покрытием с применением математической модели нагруженного состояния конструкции;

• использование программного комплекса для моделирования нагруженного состояния дорожной конструкции;

• разработка и внедрение рациональных конструктивных мероприятий, направленных на обеспечение прочности и долговечности конструкции с поддержанием заданных транспортно - эксплуатационных показателей;

• формулирование экономических и правовых отношений обеспечения гарантийного срока службы дорожной конструкции;

• проведение оценки технико - экономических показателей предлагаемых конструктивных решений.

Методы исследования. При решении поставленных задач использовались аналитические методы решения алгебраических уравнений и систем дифференциального и интегрального исчисления, структурного моделирования. Разработанные алгоритмы реализованы в программной среде ANS YS. Экспериментальные исследования проводились согласно установленным нормативам на сертифицированном оборудовании ряда производственных и научных организаций.

Достоверность результатов. Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются правомерностью принятых исходных данных и предпосылок, использованием общепринятых математических и статистических методов, применением классических методов теории сопротивления материалов и теоретической механики в моделировании напряжённо — деформированного состояния дорожной одежды, практической реализацией разработанных технологий и конструкций.

Достоверность результатов подтверждается также большим объёмом комплексных экспериментальных исследований по изучению параметров, свойств, характеристик жёсткой дорожной одежды с асфальтобетонным покрытием. Подтверждено соответствие результатов математического моделирования реальным физическим процессам, возникающих в напряжённо - деформированной конструкции.

Достоверность положений диссертации подтверждена положительными результатами внедрения работы в производственные и научные ор-

ганизации, занимающиеся проектированием, строительством и эксплуатацией автомобильных дорог.

Научная новизна. Состоит в создании и реализации принципиально нового подхода к методике проектирования и технологии устройства жёсткой дорожной одежды с асфальтобетонным покрытием на основе математического моделирования динамического напряжённо - деформированного состояния конструкции с учётом комплексного воздействия расчётной нагрузки.

Новые научные результаты состоят в следующем:

- развиты теоретические основы моделирования динамического напряжённо - деформированного состояния дорожной конструкции;

- определены фактическая и перспективная расчётные нагрузки на конструкцию и выявлены закономерности их воздействия;

- построена пространственная динамическая модель напряжённо -деформированного состояния дорожной одежды при воздействии движущегося транспортного средства методом конечных элементов;

- разработан метод расчёта жёсткой дорожной одежды с асфальтобетонным покрытием с применением математической модели нагруженного состояния конструкции;

- определена реальная единая модель работы дорожной конструкции с использованием параметров, свойств и характеристик, полученных на основе всесторонних экспериментальных исследований;

- получены количественные и качественные оценки изменения характеристик динамического напряжённо - деформированного состояния дорожной конструкции и проведена проверка адекватности предложенных механико — математических моделей сопоставлением с результатами натурных экспериментов;

- усовершенствована концепция проектирования и расчёта жёсткой дорожной одежды с асфальтобетонным покрытием с обеспечением высокой прочности и оптимальных транспортов - эксплуатационных качеств.

Практическая значимость работы. Практическое значение диссертационной работы заключается в разработке концепции и алгоритма расчёта толщины асфальтобетонных слоёв жёсткой дорожной одежды. Пред-

ложена методика определения оптимальных толщин асфальтобетонного покрытия на цементобетонном основании. Отражена технология устройства данной конструкции.

Основные положения работы в течение нескольких лет используются в процессе проектирования, строительства и эксплуатации основных автомобильных магистралей страны, обеспечивая большую прочность и высокие транспортно - эксплуатационные качества жёсткой дорожной одежды с асфальтобетонным покрытием. На основании предложенных автором методик разработан и утвержден стандарт организации ООО «Мостотранс» (СТО 26231056-001-2013 «Устройство жёсткой дорожной одежды с асфальтобетонным покрытием»).

Совокупность научных положений, идей и практических результатов исследований составляет новое направление в области теоретических и натурных методов анализа и решения проблемы качества и долговечности дорожной одежды.

Предложенные методы расчёта повышают достоверность результатов, способствуют разработке экономически рациональных конструкций и обеспечивают надёжность и долговечность работы дорожных одежд в период строительства и эксплуатации автомобильных дорог.

Реализация результатов. Реализация результатов осуществлена на участках действующих автомобильных дорог, имеющих жёсткую дорожную одежду с асфальтобетонным покрытием:

• автомобильная магистраль М-2 «Крым»;

• автомобильная магистраль М-9 «Балтия»;

• автомобильная дорога А-107 ММК (Московское малое кольцо);

• автомобильная дорога М-51 «Байкал»;

• Алтуфьевское шоссе, г. Москва.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Динамическая математическая модель напряжённо - деформированного состояния дорожной конструкции при воздействии движущегося транспортного средства, построенная методом конечных элементов.

2. Расчётная нагрузка на дорожную одежду и закономерность её распределения.

3. Метод расчёта и проектирования жёсткой дорожной одежды с асфальтобетонным покрытием, разработанный с применением математической модели напряжённо - деформированного состояния конструкции.

4. Условия, параметры и характеристика реальной работы дорожной конструкции, полученные на основе всесторонних экспериментальных исследований.

5. Предложение высокоэффективных конструктивных мероприятий, направленных на обеспечение требуемой прочности и долговечности конструкции с поддержанием высоких транспортно - эксплуатационных показателей.

6. Технико - экономическое обоснование предлагаемых решений и техно�