автореферат диссертации по строительству, 05.23.11, диссертация на тему:Обоснование суммарного размера движения для расчета нежестких дорожных одежд с учетом процесса накопления остаточных деформаций

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ИНСТИТУТ

(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

На правах рукописи

ГОРЯЧЕВ Михаил Геннадьевич

ОБОСНОВАНИЕ СУММАРНОГО РАЗМЕРА ДВИЖЕНИЯ ДЛЯ РАСЧЁТА НЕЖЁСТКИХ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД С УЧЁТОМ ПРОЦЕССА НАКОПЛЕНИЯ ОСТАТОЧНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ

05.23.11 - Строительство автомобильных дорог и аэродромов

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Ю.М. Яковлев

Москва 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение...............................................5

ГЛАВА 1. Обоснование темы, цель и задачи исследования..9

1.1.Роль суммарного размера движения в современных методах расчёта

дорожных одежд нежёсткого типа................9

1.2. Основные факторы, определяющие суммарный размер движения по условиям накопления остаточных деформаций........................18

1.3. Анализ современного состояния транспортного потока и возможности его учёта...............21

1.4. Влияние природно-климатических условий

на деформативные свойства дорожных одежд и суммарный размер движения....................25

1.5. Выводы. Цель и задачи исследования...........39

ГЛАВА 2. Моделирование процесса накопления

остаточных деформаций........................42

2.1. Теоретические предпосылки................42

2.2. Функциональное описание процессов влаго-накопления грунта земляного полотна и изменения температуры асфальтобетонных покрытий.....................................4 8

2.3. Учёт сезонного промерзания и оттаивания грунта земляного полотна при моделировании процесса накопления остаточных деформаций.... 62

2.4. Модель транспортного потока для определения длительности накопления остаточных деформаций...................................7 4

2.5. Комплексная модель процесса накопления остаточных деформаций........................82

2.6. Выводы...................................84

ГЛАВА 3. Учёт влияния сезонного изменения параметров

водно-теплового режима на модель накопления остаточных деформаций........................85

3.1. Процесс влагонакопления в грунте земляного полотна......................................85

3.2. Учёт однородности связных грунтов по влажности в модели накопления

остаточных деформаций........................96

3 . 3 . Деформативная устойчивость асфальтобетонного покрытия..........................103

3.4. Процесс сезонного промерзания и оттаивания грунта земляного полотна....................109

3.5. Выводы......................................114

Глава 4. Учёт влияния фактора движения в модели

процесса накопления остаточных деформаций... 115

4.1. Основные положения методики исследования.... 115

4.2. Обоснование группировки транспортных

средств.....................................117

4.3. Обоснование продолжительности разовых замеров

и анализ результатов исследования...........120

4.4. Определение коэффициента годовой неравномерности движения...........................12 6

4.5. Выводы......................................131

ГЛАВА 5. Методика определения суммарного размера

движения для расчёта нежёстких дорожных

одежд.......................................132

5 .1. Анализ результатов эксперимента.............132

5.2. Обоснование суммарного размера движения с учётом процесса накопления остаточных деформаций..................................143

5.3. Методика определения суммарного размера движения и пример расчёта...................154

5.4. Технико-экономическое обоснование методики определения суммарного размера движения.....159

5.5. Выводы......................................168

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ............................169

ЛИТЕРАТУРА...........................................171

ПРИЛОЖЕНИЕ 1.........................................189

ПРИЛОЖЕНИЕ 2.........................................192

ПРИЛОЖЕНИЕ 3.........................................195

ПРИЛОЖЕНИЕ 4.........................................198

ПРИЛОЖЕНИЕ 5.........................................205

ПРИЛОЖЕНИЕ б.........................................212

ПРИЛОЖЕНИЕ 7.........................................216

ПРИЛОЖЕНИЕ 8.........................................220

ПРИЛОЖЕНИЕ 9.........................................230

ПРИЛОЖЕНИЕ 10........................................240

Введение.

Актуальность темы. Одной из важнейших причин частного отказа автомобильных дорог РФ по ровности, нередко приводящего к значительному падению скоростей транспортного потока, ухудшению комфортных и безопасных условий движения, является недостаточная несущая способность дорожных конструкций. Процесс деградации ровности связан с накоплением дорожной одеждой неравномерных остаточных деформаций под действием многократно повторяющейся транспортной нагрузки.

Снижение транспортно-эксплуатационных качеств

дорожной одежды из-за недоучёта условий их работы на стадии проектирования становится необратимым процессом и препятствием на пути рационального использования средств, выделяемых на дорожные цели.

До настоящего времени в рамках существующего метода расчёта дорожных одежд нежёсткого типа во многом игнорируются индивидуальные особенности эксплуатации проектируемых конструкций: характер изменения

интенсивности и состава движения в течение срока службы, сезонные изменения процессов, связанных с водно-тепловым режимом, в слоях одежды и грунте земляного полотна и т.п. Также отсутствует чёткая увязка с потребительскими свойствами, предъявляемыми к автомобильным дорогам в целом.

Теоретические и экспериментальные исследования, выполненные широким кругом научных работников и специалистов за последние десятилетия, способствовали формированию принципиально новой, отвечающей современным

запросам, концепции проектирования и расчёта дорожных одежд нежёсткого типа с учётом процесса накопления остаточных деформаций, наибольший вклад в развитие которой внесли H.H. Иванов, А.К. Бируля, А.П. Васильев, И. А. Золотарь, В. Д. Казарновский, B.C. Радовский, A.B. Смирнов, А.Я. Тулаев, Ю.М. Яковлев, В.К. Апестин, В.А. Давыдов, М.С. Коганзон, С.Ю. Каныгина, З.А. Мевлидинов, A.B. Эдельман и др.

Требуемая прочность нежёстких дорожных одежд, назначаемая по данной методике, является функцией суммарного размера расчётного движения за период эксплуатации. Суммарное движение в значительной степени определяется показателем расчётного периода

деформирования системы «дорожная одежда-земляное полотно», характеризующего и учитывающего различные переменные условия накопления остаточных деформаций. Исследований, направленных на изучение указанного показателя, учитывающих комплекс основных факторов, от которых зависит работа нежёсткой дорожной одежды, до настоящего времени не проводилось.

В связи с вышеизложенным, тема диссертации, посвящённая обоснованию суммарного размера движения для расчёта нежёстких дорожных одежд с учётом процесса накопления остаточных деформаций, является актуальной.

Цель диссертации предусматривает исследование основных факторов, оказывающих влияние на процесс накопления остаточных деформаций, и их учёт при определении суммарного движения для расчёта нежёстких дорожных одежд.

Научная новизна состоит в том, что на основе теоретических и экспериментальных исследований

разработана комплексная модель процесса накопления остаточных деформаций в грунте земляного полотна в течение года, позволяющая определять расчётную длительность деформирования дорожных одежд нежёсткого типа для назначения суммарного размера движения при их расчёте.

Практическая ценность заключается в возможности использования предлагаемой методики определения суммарного размера движения для расчёта нежёстких дорожных одежд с учётом процесса накопления остаточных деформаций.

Реализация работы включает разработку предложений по методике определения суммарного движения при расчёте дорожных одежд нежёсткого типа с учётом накопления остаточных деформаций. Результаты выполненных

исследований могут быть использованы при переработке методики проектирования и расчёта дорожных одежд нежёсткого типа.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на 56-й (1998г.), 57-й (1999г.) научно-методических и научно-исследовательских конференциях МАДИ (ТУ), международной научно-практической конференции в г.Санкт-Петербург (1997г.), всероссийском семинаре-совещании руководителей дорожных научных и проектных организаций в г.Суздаль (1998г.), международной научно-технической конференции в г.Брянск (1998г.), международной научно-практической конференции в г.Ростов-

на-Дону (1998г.), международной научно-технической конференции в г.Архангельск (1999г.).

По результатам исследований опубликовано девять печатных работ (статьи, доклады и тезисы докладов).

На защиту выносится модель накопления остаточных деформаций в грунте земляного полотна в течение года, позволяющая определять значения расчётного периода деформирования дорожных одежд нежёсткого типа для назначения суммарного размера движения при их расчёте.

Автор выражает искреннюю благодарность канд. техн. наук, профессору М.С.. Коганзону за помощь, ценные замечания и советы, высказанные в процессе выполнения работы.

Объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы и приложений. Она содержит 250 страниц, включая 34 рисунка, 30 таблиц и 10 приложений. Список используемой литературы содержит 157 наименований работ российских и зарубежных авторов.

Глава 1. Обоснование темы, цель и задачи

исследования.

1.1. Роль суммарного размера движения в современных методах расчёта дорожных одежд

нежёсткого типа.

Эффективность работы автомобильного транспорта существенным образом зависит от эксплуатационного состояния автомобильных дорог и их основного элемента -дорожной одежды. Поддержание дорожных одежд в необходимом состоянии непосредственно связано с проблемой обеспечения их работоспособности, что является комплексной научно-технической проблемой [54].

А. К. Бируля рассматривал понятие работоспособности дорожной одежды как свойство или способность одежды удовлетворять в данный момент времени основным транспортно-эксплуатационным показателям: прочности, ровности и сцеплению колеса с поверхностью покрытия [5].

Как показывают исследования [54,55] ровность и прочность дорожной одежды тесно связаны между собой.

Прочность является одним из основных факторов, влияющих на изменение ровности дорожной одежды в процессе эксплуатации. Поэтому обеспечение работоспособности дорожных одежд предусматривает в первую очередь обеспечение прочности и затем уже на этой основе обеспечение ровности и сцепных свойств [54,55].

Прочной считают такую дорожную одежду, которая в течение заданного срока службы под воздействием

многократно повторяющейся нагрузки от проезда транспорта и различных погодно-климатических факторов сохраняет ровность и сплошность поверхности, обеспечивая скорость, комфортность и безопасность движения в допустимых пределах [57].

В настоящее время в нашей стране проектирование дорожных одежд нежёсткого типа производят в соответствии с Инструкцией ВСН 4 6-83 [38], которая является развитием ранее действовавших методик, лежащих в основе ВСН 4 6-60 и ВСН 46-72 [36,37]. Расчёт на прочность осуществляется по трём критериям (или условиям необходимой общей прочности), назначаемых с учётом требуемой ровности.

Капитальные и облегчённые дорожные одежды рассчитывают на работу без накопления остаточных деформаций [38].

В настоящее время получены более точные теоретические решения и разработаны программы для ЭВМ для вычисления напряжений и деформаций в многослойных системах, которыми являются современные дорожные одежды, с любым числом слоев под действием движущейся нагрузки [69,79,157]. Также уточнены расчётные параметры различных материалов, используемых при строительстве дорожных одежд.

A.B. Смирнов разработал теорию работоспособности, основным элементом которой является обобщённый критерий, представляющий собой отношение суммарной потенциальной энергии деформаций всех слоёв системы «дорожная одежда-земляное полотно» к работе нагрузок от транспортных средств по деформированию одежд за период их эксплуатации до заданного конечного эксплуатационного состояния поверхности покрытия [110].

Наиболее широкое распространение в зарубежной практике (США, Франция, Канада, Великобритания и др.) получили методы расчёта и конструирования нежёстких дорожных одежд эмпирического характера без достаточно обоснованных положений о напряжённо-деформированном состоянии системы «дорожная одежда-земляное полотно» [57,149,152,153]. Они основаны на обобщении практического опыта наблюдения за дорогами в процессе эксплуатации и анализе результатов полевых экспериментов, к числу которых принадлежат масштабные исследования ИАБНО и ААБНО [57,152]. Однако экспериментальные данные о механических характеристиках грунтов и материалов слоёв дорожной одежды дают надёжные конструкции только в районах, где данный метод проверен, что значительно сужает их практическое использование и неизбежно приводит к возникновению значительного числа модификаций таких спрбобов проектирования дорожных конструкций

7,149,152,153].

Анализ конструкций дорожных одежд за рубежом в сопоставимых с Россией природно-климатических условиях показывает, что они отличаются от отечественных конструкций значительной толщиной, включая толщину асфальтобетонного покрытия [57,14 9,152,153].

Задача дальнейшего совершенствования методов расчёта дорожных одежд нежёсткого типа вызывает необходимость более чёткой увязки проектной прочности дорожной одежды с её потребительскими свойствами (скоростью, безопасностью и удобством движения), которые существенным образом зависят от ровности дорожной поверхности. Одной из наиболее важных причин снижения ровности в процессе

эксплуатации является недостаточная проектная прочность дорожной одежды, приводящая к накоплению неравномерных остаточных деформаций [1,9,25,32,33,39-44,4 9,50,52,56,73, 75,77,81,112,134]. Поэтому основой указанного подхода должен стать критерий работоспособности, в явной форме связывающий суммарное время действия расчётной транспортной нагрузки, приводящее к снижению транспортно-эксплуатационных качеств дорожной одежды, с её требуемой проектной прочностью. За рубежом всё явственней отмечается тенденция к учёту процесса пластического деформирования дорожной конструкции в процессе эксплуатации [142,14 9,155,156].

Разработано несколько конкурирующих моделей, предназначенных для описания процесса накопления остаточных деформаций в дорожной одежде и, особенно, в грунте земляного полотна [9,21,25,43,44,69,73,77,86, 134, 155] .

В. Д Казарновским и M.JI. Поповым предложена математическая модель механизма работы дорожной одежды под воздействием многократных кратковременных нагрузок, в основу которой положены два основных процесса: усталостные явления в слоях покрытия и процесс формоизменения, т.е. накопления остаточных деформаций, главным образом в подстилающем грунте и дополнительных слоях дорожной одежды.

Значительный интерес представляет методика проектирования дорожных одежд, предложенная М.С. Коганзоном и Ю.М. Яковлевым, разработанная под руководством А. П. Васильева в МАДИ-ТУ [9,56,75], которая явилась результатом обобщения научных исследований Н.Н Иванова,

А.П. Васильева, В.Д. Казарновского, O.A. Красикова, Ю.М. Яковлева, М.С. Коганзона, В.М. Смирнова, А.Н. Елгонова, С.Ю. Каныгиной, З.А. Мевлидинова, A.A. Негомедзянова, A.B. Эдельмана и опыта эксплуатации автомобильных дорог в России и за рубежом.

Согласно данной методике расчёт осуществляется по требуемому модулю упругости ЕТР., величина которого назначается из условия, что прочность дорожной одежды к концу срока её службы обеспечивает снижение ровности в пределах, соответствующих допустимому (оптимальному) снижению скорости движения. Такой подход позволяет более тесно связать требования к прочности дорожной одежды с требованием к её транспортно-эксплуатационному состоянию.

Новая концепция проектирования и расчёта дорожных одежд нежёсткого типа основана на учёте влияния процесса пластического деформирования грунта земляного полотна и конструктивных слоёв под действием суммарного за срок службы расчётного размера движения на эксплуатационное состояние дорожных одежд [9,56,75].

Учёт суммарного движения позволяет наиболее полно и чётко отразить особенности работы нежёсткой дорожной конструкции за период эксплуатации, в течение которого она постепенно исчерпывает свой рабочий ресурс по транспортно-эксплуатационным качествам, что неизбежно приводит к ухудшению потребительских свойств и, как следствие, неэффективному функционированию всей автомобильной дороги. Ещё одним существенным достоинством такого подхода является возможность более гибкого учёта изменения интенсивности и состава движения от года к году за срок службы, которое может не только расти, но

оставаться неизменным или даже снижаться как в целом, так и по отдельным типам транспортных средств.

Поэтому в зависимости, предложенные для определения требуемого модуля упругости для дорог различных категорий, входит показатель суммарного количества расчётных автомобилей [75]

ЕтР=а-Кдв-К0-а1'