автореферат диссертации по строительству, 05.23.11, диссертация на тему:Прогнозирование повреждений жестких слоев дорожных одежд на основе математического моделирования



2 4 ФЕВ ^$7осковский ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ИНСТИТУТ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

На правах рукописи

НОСОВ Владимир Петрович

Прогнозирование повреждений жестких слоев дорожных одежд на основе математического моделирования

(05.23.11 - строительство автомобильных дорог и аэродромов)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 1996

Работа выполнена в Московском автомобильно-дорожном институте (техническом университете)

Официальные оппоненты:

- доктор технических наук, профессор В.А.Семенов

- доктор технических наук, профессор А.П.Виноградов

- доктор технических наук, профессор В.В.Амбарцумян

Ведущая организация - РосдорНИИ

Защита состоится " 6" марта 1997 года в 10 часов на заседании диссертационного совета ДР 133.02.99 при Государственном дорожном научно-исследовательском институте (СоюздорНИИ) по адресу: 143900, Балашиха-6, Московской области, СоюздорНИИ, диссертационный совет.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СоюздорНИИ.

Отзывы в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью учреждения, просим направлять по адресу: 143900, Балашиха-6, Московской области, СоюздорНИИ, диссертационный совет.

Автореферат разослан февраля 1997 года.

По техническим причинам защита состоится в зале Ученого Совета МАДИ-ТУ ауд. 42 по адресу: г. Москва, Ленинградский проспект, 64, 6 марта 1997 г. в 10 часов.

Ученый секретарь Совета МАРЫШЕВ Б. С.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. В конце 1994 года Постановлением Правительства № 1310 была утверждена Федеральная программа развития автомобильных дорог Российской Федерации "Дороги России". Программа предурматривает значительные средства на ремонт и реконструкцию наиболее напряженных автомобильных дорог.

Рациональное использование выделяемых средств зависит от правильности и объективности оценки текущего состояния автомобильных дорог и в наибольшей степени от точности прогнозирования изменений транспортно-эксплуатационных качеств и процесса разрушения дорожных одежд. Многочисленные примеры преждевременного разрушения дорожных одежд на автомобильных дорогах являются мощным стимулом к изучению причин этих неблагоприятных явлений и количественной оценки каждого фактора, оказывающего влияние на интенсивность разрушения.

Сложность этой задачи определяется стохастическим характером воздействий транспортного потока и природной среды, а также необходимостью изучать процессы на протяжении в 15-30 лет, так как именно столько дорожные одежды должны служить до капитального ремонта в соответствии с действующими нормами. Постоянные изменения метеорологических условий вызывают сложные физические процессы и явления в грунтах земляного полотна и в материалах дорожных одежд, которые существенным образом изменяют их физико-механические свойства и приводят к изменению параметров напряженно-деформированного состояния конструкции.

Под влиянием атмосферных явлений изменяется распределение влажности по глубине грунтового основания, в зимний период при отрицательных температурах появляется слой мерзлого грунта переменной толщины, весной с наступлением устойчивых положительных температур на поверхности мерзлого грунта образуется слой талого грунта, насыщенный влагой. В результате значительно изменяется интенсивность накопления повреждений, снижаясь при увеличении толщины мерзлого слоя и возрастая при оттаивании и увеличении влажности грунта. Другой причиной изменения интенсивности накопления повреждений являются переменные температурные поля покрытий, или жестких слоев оснований, способные либо усиливать повреждения, вызываемые проездом автомобилей, либо ослаблять их в те периоды времени, когда напряжения от температуры и автомобильной нагрузки не совпадают по знаку.

Зарубежные исследования в этом направлении были ориентированы на дорогостоящие эксперименты, наиболее масштабным из которых является широко известный эксперимент по

программе Американской Ассоциации дорожных организаций (ААБНО), потребовавший для реализации несколько сотен миллионов долларов. Однако применимость результатов этого уникального эксперимента для других стран весьма ограничена, вследствие невозможного учета климатических особенностей рекомендованными эмпирическими зависимостями.

Значительно возросшие возможности современной вычислительной техники и достижения в развитии численных методов решения дифференциальных уравнений позволили с новых позиций подойти к решению данной задачи, применяя более сложные математические модели, совсем недавно казавшиеся нереализуемыми из-за чрезвычайно большого объема вычислительной работы.

Настоящая работа представляет собой новое научное направление в исследовании процессов накопления повреждений-дорожных одежд на основе математического моделирования для учета стохастического характера воздействий и их изменчивости в процессе эксплуатации дороги.

Целью исследования является разработка новой методики прогнозирования повреждений дорожных покрытий с учетом изменения во времени параметров транспортного потока и метеорологических условий.

Для достижения цели в работе поставлены и решены следующие задачи:

разработать структуру физико-математической модели системы "земляное полотно - дорожная одежда";

разработать вероятностную модель метеорологической среды на период, соответствующий сроку службы дорожных одежд на основе статистических данных по климату;

разработать физико-математическую модель водно-теплового режима конструкции для учета изменений деформативных характеристик грунтов земляного полотна в процессе эксплуатации дороги;

разработать математическую модель транспортного потока, определяющую нагрузочный режим покрытия;

разработать кумулятивную модель накопления повреждений в жестких слоях дорожных одежд на новых методологических принципах;

проверить практическую возможность реализации математических моделей посредством вычислительного эксперимента.

Научная новизна состоит в создании принципиально нового подхода к исследованию процесса разрушения дорожных одежд на основе математических моделей, позволяющих получать количественную оценку процесса накопления повреждений на протяжении 25-30 лет. На основе анализа физических процессов в

конструкции создан математический аппарат и программный комплекс для моделирования следующих процессов: процесса изменения метеорологических условий, процесса циклического- нагружения дорожной одежды транспортным потоком, процессов влагопереноса, промерзания и оттаивания многослойной системы "земляное полотно -дорожная одежда", процесса изменения напряженно-деформированного состояния покрытия в условиях изменяющихся параметров воздействий и процесса накопления повреждений.

Новая методология и программный комплекс на ее основе позволяют выполнять вычислительные эксперименты для решения практических задач при проектировании дорожных одежд, при оценке отклонений в качестве строительства, при оценке эффективности мероприятий по ремонту и содержанию.

Достоверность теоретических решений определяется строгостью используемых методов строительной механики и теории влагопереноса в капиллярно-пористых средах. Достоверность теоретических моделей подтверждается примерами из практики и результатами специальных экспериментов, выполненных на опытных участках.

Реализация работы. Результаты исследования были реализованы при разработке следующих документов для практического использования при решении инженерно-технических задач и в учебном процессе при подготовке специалистов:

1. Учебное пособие. Расчет цементобетонных покрытий автомобильных дорог. Ротапринт МАДИ. М. 1980.

2. Пособие по проектированию дорожных одежд внутрихозяйственных автомобильных дорог (к СНиП 2.05.11-83). Ротапринт Союзпромтрансниипроект. М. 1988.

3. Региональные нормы. Проектирование и строительство автомобильных дорог в Нечерноземной зоне РСФСР. Минтранстрой СССР, Госагропром СССР, Минавтодор РСФСР. Издание официальное. М. 1988.

4. Методические указания по проектированию и строительству 22 сборно-монолитных покрытий внутрихозяйственных и внутриплощадочных дорог колхозов и совхозов. РД 10. РСФСР 326.90. М. 1990.

5. Инструкция по проектированию жестких дорожных одежд ВСН 197-91. Издание официальное. М. 1993.

Апробация работы. Основные положения работы и практические результаты обсуждены на научных конференциях МАДИ 1974, 1982, 1985, 1986, 1994, 1995, 1996 гг., на УП Всесоюзном совещании по основным направлениям научно-технического прогресса в дорожном строительстве (1981), на международной конференции по проблемам дорожного строительства в ЧССР г. Жилино (1988), на республиканской научно-технической конференции г. Харьков (1985),

з

на научно-технической конференции, посвященной 400-летию г. Архангельска (1984), на семинаре по научно-техническому прогрессу в дорожной отрасли, г. Алма-Ата (1991), на научно-технических семинарах по повышению качества строительства автомобильных дорог в Нечерноземной зоне РСФСР, г. Владимир (1983, 1984), на научно-технической конференции по проблемам автотранспортного комплекса, г. Ташкент (1988).

Основные результаты исследований опубликованы в 31 статье, монографии и трех нормативно-технических документах.

Структура и объем. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов и списка литературы. Основной текст изложен на 412 страницах, включает 123 рисунка, 32 таблицы и список литературы 269 наименований.

Содержание работы

Во введении приведено обоснование актуальности прогнозирования повреждений дорожных одежд, отмечена научная новизна и практическая значимость выполненной работы, сформулирована цель исследования.

Первая глава посвящена анализу предпосылок и обоснованию эффективности применения математического моделирования для прогнозирования интенсивности накопления повреждений дорожных одежд. Указано на важность прогнозирования процесса разрушения дорожных одежд как составной части проблемы управления качеством автомобильных дорог. Отмечается, что за рубежом большое распространение получили эмпирические зависимости интенсивности растрескивания от срока эксплуатации дороги на основе широкомасштабных натурных экспериментов (рис. 1).

Рассмотрены физические явления, сопровождающие процесс разрушения цементобетона в слоях дорожных одежд. Проанализирован отечественный и зарубежный опыт строительства цементобетонных покрытий на дорогах различного назначения. Отмечено, что особенность ранее выполненных научных исследований состоит в отсутствии связи сложного напряженного состояния дорожных одежд с механикой разрушения материалов.

Воздействия на конструкцию и ее поведение в процессе эксплуатации являются случайными процессами. Поэтому объективная оценка процесса разрушения возможна лишь с привлечением теории случайных функций.

Случайный характер воздействий в сочетании с постепенностью накопления повреждений являются важнейшими предпосылками к использованию математических моделей для исследования процесса разрушения дорожных одежд.

Тип трещин

3 о о

4 о С

О

о

N Я

Ш &

ев К*

К а>

ю к

У//,-/*'

волосные тонки* средни*

ванны* трецины

толщина основания тип основаних толщина плиты

Тип основания

С - зернистый I - тощий бетон

Рис. 1. Динамика развития трещин на бетонных покрытиях разной толщины

На основе анализа опыта применения цементобетонных покрытий на автомобильных дорогах, обобщения результатов обследования состояния существующих дорог с цементобетонными покрытиями, литературного обзора теории разрушения и методов прогнозирования повреждений дорожных одежд были сделаны следующие выводы:

существует потребность в исследовании динамики изменений состояния дорожных покрытий;

изменение состояния покрытий происходит в результате комплексного воздействия потока транспортных средств и изменяющихся во времени метеорологических условий;

разрушение жестких слоев дорожных одежд можно представить как процесс накопления микроповреждений;

существующие методы прогнозирования повреждений дорожных одежд не учитывают динамики изменения параметров транспортного потока и метеорологических условий по годам, сезонам и времени суток;

в условиях дефицита средств на выполнение масштабных натурных экспериментов наиболее предпочтительным является развитие математического моделирования.

В качестве объекта исследования выделены цементобетонные покрытия и основания дорожных одежд. На основе анализа теоретических и экспериментальных исследований принято, что для объективной количественной оценки процесса накопления повреждений требуется рассмртрение системы "земляное полотно -дорожная одежда".

Система "земляное полотно - дорожная одежда" относится к сложным динамическим системам, для описания ее состояния используют большое число параметров. В составе системы выделяют элементы: земляное полотно, покрытие, основание, дополнительный слой основания, обочины, разделительная полоса и др.

Элементы системы наделены геометрическими размерами, физико-механическими и теплотехническими свойствами, от которых зависит напряженно-деформироьанное состояния системы под воздействием транспортного потока и атмосферных явлений. Физико-механические й теплотехнические свойства элементов системы изменяются с течением времени вследствие изменений влажности и температуры, замерзания и оттаивания.

Потребительские качества автомобильной дороги ухудшаются с течением времени, а интенсивность этого процесса связана с интенсивностью накопления повреждений. Использовано понятие единичного повреждения для количественной оценки воздействия от проезда одной оси транспортного средства как функции параметров зависимости, характеризующей усталость цементобетона.

б

Предложена зависимость единичного повреждения от уровня напряженного состояния элементов конструкции.

Напряженно-деформированное состояние конструкции оценивается на основе решения известного дифференциального уравнения изгиба плиты на упругом основании:

Б V V со (х, у) = я (х, у) - г (х, у) (I)

где И - цилиндрическая жесткость плиты, V V - оператор Лапласса четвертого порядка,

д" д" д" V У=— +2- + —

а 1 з 2 5 2 з *

дх ох-Зу су

ш (х, у) - прогибы плиты, я (х, у) - интенсивность вертикальной нагрузки, г (х, у) - интенсивность вертикальной реакции основания.

Выходные параметры, вызывающие изменения температуры и влажности, задаются моделью атмосферных воздействий. В основу модели, учитывающей стохастический характер атмосферных явлений, положена обширная статистика, фиксируемая на метеостанциях страны.

Для количественной оценки изменений интенсивности и состава движения в сочетании с изменением метеорологических условий необходима модель транспортного потока. Это важно в связи с тем, что изменения интенсивности и состава движения по часам суток, по дням недели и по сезонам года могут случайным образом накладываться на изменения температуры и вызывать повреждения существенно разного уровня.

Сложность поставленной задачи во многом определяется различием в уровне напряженности отдельных точек плиты. При этом важно подчеркнуть, что уровень напряженности плиты изменяется по всем координатам. В зависимости от времени изменяется температура по толщине плиты, а вследствие ограничений ее свободному перемещению, в точках плиты с различными координатами возникают существенно различные напряжения, постоянно изменяющиеся со временем. На это поле напряжений накладываются напряжения от проезда автомобиля, и в результате в отдельных точках процесс накопления повреждений происходит с разной интенсивностью. При оценке надежности таких конструкций эффективно применение так называемых кумулятивных моделей, получивших развитие благодаря трудам В.В.Болотина. Эти модели описывают квазимонотонное ухудшение параметров качества конструкции, происходящее в процессе

Модель атмосферных воздействий

7 '>,

ж й(0 -ур)

Модель водно-

теплового режима системы

то,а

4(1)

Модель транспортного потока

I VI I к | VI [ ¿1'

Модель напряженно-? деформированного состояния

Но(1)

Модель основания

Ор(1)

ОНО

Кумулятивная модель накопления повреждений

О(0

Рис. 2. Структурная блок-схема модели прогнозирования повреждений жестких слоев дорожной одежды

ее эксплуатации и взаимодействия с окружающей средой. Механизм накопления повреждений основан на результатах испытаний цементобетона циклическими нагрузками. Использована гипотеза о линейном суммировании повреждений.

Связь напряженного состояния с изменением влияющих воздействий требует единой шкалы времени для всех процессов. Поэтому блок, отсчитывающий время, является своеобразным каркасом, объединяющим все модели. Началом отсчета, очевидно, должно быть время завершения процесса строительства, т.к. первоначальные трещины могут возникать еще до открытия движения в связи с задержкой нарезки поперечных швов сжатия или нарезкой их на недостаточную глубину.

Основные блоки, определяющие структуру математической модели прогнозирования повреждений, показаны на рис. 2.

Во второй главе приведено обоснование требований и особенностей функционирования вероятностной модели метеорологических условий. Отмечается значительный вклад природных факторов в процессе разрушения дорожных покрытий. Разрушение дорожных одежд происходит вследствие напряжений, возникающих от изменений температуры и влажности бетона, в результате многократного замораживания и оттаивания, под воздействием морозного пучения грунта земляного полотна. Для объективного суждения о роли этих процессов и их количественной оценки при прогнозировании повреждений необходимо задавать количественные параметры метеорологических воздействий для учета особенностей климата отдельных территорий и стохастической природы колебаний этих параметров в течение срока службы дороги.

Особенность и сложность поставленной задачи состоят в том, что существует комплекс глобальных явлений, определяющих климат всей планеты, а также большое число микроособенностей отдельных территорий, делающих их метеорологические условия существенно различными. Современные информационные технологии и новые возможности вычислительной техники позволили отказаться от очень условных моделей, используемых в дорожной сфере, и основанных на средних значениях по таким крупным территориям, какими являются дорожно-климатические зоны, и обратиться к моделям, учитывающим вероятностную природу атмосферных явлений на основе статистических характеристик, получаемых на ближайших метеостанциях.

Была поставлена задача математически описать некоторую условную метеорологическую Среду, в которой в течение 30 лет будет расположена автомобильная дорога и в которой по определенным правилам будуг изменяться параметры атмосферных воздействий.

В основу математической модели метеорологической среды положены результаты наблюдений на метеостанциях и обобщенные данные характеризующие функции распределения Отдельных параметров, публикуемые в справочниках.

Применение метода Монте-Карло позволило получать реализации процессов с теми Же статистическими параметрами, что были использованы в качестве исходных данных по многолетним наблюдениям на метеостанциях.

В соответствии с поставленными задачами из всей совокупности метеорологических параметров выбраны лишь шесть, оказывающих наиболее существенное влияние на процесс изменения температуры дорожной одежды и определяющих водно-тепловой режим земляного полотна и всей конструкции.

Как следует из работ Виноградова А.П., Глушкова Г.И., Горецкого Л:И„ Золотаря И.А., Пузакова H.A., Тригони В.Е., Тулаева А.Я. и др., в число этих факторов достаточно включить: температуру воздуха, солнечную радиацию, облачность, количество осадков, влажность воздуха и скорость ветра. Значения каждого из указанных параметров в фиксированный момент времени являются случайными величинами, а процессы их изменений случайными процессами. В соответствии с принятой классификацией эти процессы следует отнести к случайным нестационарным процессам.

В качестве реализации модели каждого параметра принята функция, однозначно определяющая случайную величину параметра в любой произвольный заданный момент времени, начиная с то, соответствующего моменту окончания строительства и до тк, -момента полного отказа покрытия, то есть за срок, условно оцениваемый в 30 лет.

Предложенная математическая модель метеорологической среды удовлетворяет следующим требованиям:

работа в реальном масштабе времени с обычным календарем; однозначная реализация процесса по каждому метеорологическому параметру на заданном отрезке времени;

помесячное соответствие функций распределения среднесуточных параметров базовым функциям распределения, установленным на основе многолетних наблюдений;

учет годовых, сезонных и суточных отличий процесса, связанных со случайным характером, сезонными и суточными колебаниями погоды;

в зависимости от частной задачи обеспечение возможности представления реализации в различном масштабе времени: месяц, сутки, час, на различных уровнях моделирования.

ю

В качестве исходных данных использованы результаты наблюдений метеорологических станций и постов, некоторые из которых работают уже более 100 лет.

В качестве примера использована информационно-поисковая система, разработанная с участием метеорологической обсерватории МГУ. Большая часть иллюстраций получена с использованием этой системы. Для других регионов были использованы данные климатических справочников. Общая блок-схема математической модели метеорологических параметров представлена на рис. 3.

В третьей главе приведены обоснования и важнейшие характеристики физико-математической модели конструкции дорожной одежды и земляного полотна для прогнозирования водно-теплового режима. В основу предлагаемой модели положены результаты фундаментальных исследований и экспериментальных работ, представленных в научных трудах Лыкова A.B., Тулаева А .Я., Пузакова H.A., Золотаря H.A., Сиденко В.М., Шелопаева Г.И., Рувимского В.И. и др.

Большое разнообразие типов и разновидностей грунтов в сочетании с их неоднородностью не позволяют выработать достаточно простых способов их описания и вынуждают использовать сложные математические модели, характеризуемые большим количеством физико-механических и теплотехнических свойств.

Основная задача состояла в том, чтобы разработать математическую модель, адекватно описывающую явления тепловлагопереноса в многослойной системе и эволюцию таких важнейших характеристик, как влажность грунтовых слоев в течение года W (z, t), толщина мерзлого слоя в течение зимнего периода s (t) и толщина оттаявшего грунта в течение весеннего периода г) (t). Было принято, что именно эти процессы - влагоперенос, промерзание и оттаивание позволяют судить о динамике модуля упругости или коэффициента постели упругого основания покрытия.

В качестве исходных данных, характеризующих метеорологические воздействия, предусмотрена возможность использования результатов моделирования или фактических отчетов ближайших метеЬстанций по процессам изменения температуры воздуха, солнечной радиации, облачности, количества осадков, влажности воздуха и скорости ветра.

Важнейшей особенностью предлагаемой модели является рассмотрение метеорологических воздействий в виде случайных процессов.

В зависимости от диапазона изменения влажности и температуры водно-тепловой режим описывается различными системами уравнений. Согласно общепринятой классификации рассмотрены три расчетные

Рис. 3. Блок-схема математической модели метеорологических условий

схемы, для каждой из которых принята система дифференциальных уравнений, граничных и начальных условий.

На рис. 4 показаны области применения расчетных схем: "С"- 1-я расчетная схема, "Т" - 2 расчетная схема, "М" - 3 схема.

Модель водно-теплового режима учитывает временный состав областей конструкции, для описания которых применяются расчетные схемы. Реализованный в диссертации алгоритм выполняет это переключение автоматически. С математической точки зрения наиболее сложный случай представляет задача об оттаивании, так как в этом случае одновременно присутствуют сразу две подвижных границы.

В работе принята следующая система уравнений, описывающих водно-тепловой режим конструкции для этого периода:

[а 1 -е&\ д: &)\к К=Т-:ф,Ття),К= 7]:г е(Т„,£).

№—!_4*а+1И£)]

[а 1-е-с,<2Л & а:)1

[а' е> а!

Х=М:;е(Гги,Гп),/е[(„/г]

Система уравнений решена при соответствующих граничных

условиях:

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

сЬ

-а(Гп-ГВ1)+Л = 0,

к—— ¿2: &

= 0

т =Т =Т IV -Ц" IV -IV

*и 'Т1 Л> Г| " л/> л/ "к.л/ "яэ.м>

1-еЧ ¿г ¿2:/ г, 1-е-еД <5: ¿Ь;

= /

(7)

(8)

(9)

(10)

Т -Т — Т IV - IV Ш - ЦТ -иг 'и Г2 'л>п и "Л,м "нзм-

При численном интегрировании уравнений с помощью метода конечных разностей возникает необходимость в сглаживании разрыва функции энтальпии теплофизических параметров в окрестности фазовой границы, вводя в качестве параметра эффективную ширину А размазывания разрыва. Методы с явным выделением границ раздела фаз в большинстве случаев достаточно громоздки. Особые трудности для большинства методов представляет расчет многофронтовых задач, а также процедуры зарождения и ликвидации фаз. Одним из высокоэффективных методов расчета таких задач является метод динамической адаптации: Метод разработан в Институте математического моделирования РАН РФ под руководством Мажукина В.И. Применение метода особенно эффективно в задачах о прогнозировании водно-теплового режима, существенно определяемого скоростями фронтов промерзания и оттаивания. Метод обеспечивает высокую точность определения глубин промерзания и оттаивания и позволяет проводить интегрирование на малом числе узлов с большим шагом, что особенно важно при проведении расчетов за многолетний период.

Выполненные расчеты на основе предложенной модели и программного комплекса показали ее работоспособность и возможность учитывать следующие параметры: толщины конструктивных слоев дорожной одежды и грунтов земляного

Лето

Ссень

Зима

Весна

Рис. 4. Годичная схема периодов водкс-теплового режима:

1 - высыхание и влагонакопленле;. 2 - начало промерзания; 3 - промерзание грунта; 4 - начало оттаивания; 5 - оттаивание грунта

полотна, влагопроводностЬ, теплоемкость, теплопроводность, термоградиентный коэффициент, критерий фазового перехода, тип грунта, положение уровня грунтовых вод.

Предложенная модель позволяет вычислить глубину промерзания и оттаивания дорожной одежды и земляного полотна, а также получать реализацию процесса изменения влажности грунта на разных глубинах на основе задаваемых метеорологических условий с учетом нестационарности этого процесса на протяжении до 25-30 лет.

Примеры результатов вычислительного эксперимента показаны на рис. 5, 6.

В. четвертой главе приведены обоснования математической модели циклического нагружения дорожных покрытий. Отмечается, что дорожные покрытия в процессе эксплуатации подвергаются динамическому воздействию транспортных средств, двигающихся по дороге с различными скоростями. Интенсивность и состав движения дорог различного назначения существенно отличаются и изменяются в течений времени. Случайный характер формирования транспортных потоков и постоянное изменение условий движения на дороге являются причинами существенного изменения параметров транспортного потока.

Предложенная математическая модель циклического нагружения основана на теории транспортных потоков, наиболее существенный вклад в развитие которой внесли А.К.Бируля, В.Ф.Бабков, Я.В.Хомяк, А.П.Васильев, В.В.Сильянов, Г.И.Клинковштейн, Н.Ф.Хорошилов и др.

Математическая модель позволяет формировать транспортный поток, соответствующий по заданному набору признаков реальному потоку, наблюдаемому на автомобильной дороге.

В качестве наиболее существенных выделены следующие параметры, влияющие на напряженно-деформированное состояние покрытия: тип автомобиля - ¡, коэффициент загрузки автомобиля - К|, нагрузка на колесо Р!, скорость автомобиля м , интервал времени между ' автомобилями - Ат1 и положение колес автомобиля по отношению к краю покрытия - у|. Все указанные параметры являются случайными величинами и характеризуются некоторыми функциями распределения. На основе анализа результатов ранее выполненных исследований и выявленных особенностей каждого параметра в работе представлены рекомендации по назначению функции распределения указанных параметров.

Математическая модель позволяет к произвольному моменту времени (год - у, месяц - м, день - д, час - н) устанавливать, сколько и каких автомобилей пересекут исследуемый участок дороги в текущий час, выстраивает их в однозначную последовательность, формирует

1=0.1т

ТТ

1986

1®

"■"¿'......'¡Г

1987

6 9 1988

"Т2......3

1989

иах-Ю!*] 32з

о

£28

&24

о20 я 816-с

Я12

1_=0.3т

8

-3 "ё......3"

1986

32э

|28

"йе......3"

"ГТ 1987

1Г

,,м3.......Ъ"

1988

"Шк.............Й

1989

1=0.5т

£"24

§20

£

с в« „

и*6.......5.......й......з.......£......а.......Й......а.......6.......д а ......-6

1986 1987 1988 1989

, Рис. 5. Временные профили влажности и грунте полотна на различном глубине Иф,.г = £) за период 01.00. ЮНО ■ 01.06.1980. лля различных условии: I ■ дополнительный слон основании присутствует, грунтовые ноли залегают глубоко; 2 • дополнительный слой основания отсутствует, грун товые вилы залетают глубоко; 3 • дополнительный слой отнимания нрисугстиусг, труп тные иили залегают близко

Рис. 6. Временные профили глубин промерзания н оттаивания дополнительного слоя основания и грунтов полотна за период 01.06.1986 - 01.06.1939. для различных услоиий: а ■ дополнительный ашй основания ¡/¡шеучствуит, грунты-вие вши залегаюг глуйоко; I) - Ли1шлщпгл1.11ый слой исноианна отсутствует, грунтовые води залегают глубоко; с, - диишнштильный слой исишшшя присутствует, грунтовые води залегают близко

интервалы между автомобилями, моделирует загрузку и скорость автомобилей, задает положение автомобиля по отношению к продольному краю плиты (рис. 7).

Применительно к блоку, обозначенному, как генератор типа транспортных средств, задача состояла в том, чтобы из совокупности элементов потока М, каждому из которых соответствует вероятность Р;, с помощью некоторой процедуры получать случайную реализацию последовательности из числа автомобилей, равного часовой интенсивности Ычас и отвечающую требованиям состава движения. В основу модели положен метод Монте-Карло.

Значительное место в работе уделено моделированию поперечного положения автомобилей. Получена следующая формула для функции распределения величины "у":

Ду) = ■

ехр

(У~Ус>?

2а,

ехр

(У-Усг? ——

(П)

ехр

(У-Уова?

2 а„

где уев, уст, у о во - математическое ожидание величины у для автомобилей, проезжающих расчетный створ соответственно, в свободных условиях, в стесненных условиях и при обгоне; Осе, о сг, а ово - среднеквадратическое отклонение для соответствующих групп автомобилей;

к«, кст, ково - доля соответствующих групп в общем потоке.

Предложенная математическая модель позволяет учитывать следующие параметры: изменение интенсивности по годам в течение срока службы, по месяцам в течение года, по дням: недели и по часам суток, функцию распределения состава движения по типам автомобилей и возможное ее изменение, функцию распределения скорости движения, функцию распределения интервалов между автомобилями и функцию распределения величины "у", характеризующей поперечное положение автомобиля.

В пятой главе приведены обоснование основные зависимости и принципы функционирования кумулятивной математической модели накопления повреждений в цементобетонных слоях дорожной одежды.

В основу математической модели положено предположение о том, что разрушение жестких слоев дорожных одежд происходит

Рис. 7. Блок-схема последовательности моделирования параметров потока

постепенно, с течением времени повреждения накапливаются и, если в начальный период проезд расчетного автомобиля не вызывает видимых повреждений, то через некоторое время проезд тех же автомобилей приводит к тому, что на плитах покрытия появляются трещины. Эти явления обычно связывают с усталостью бетона, а повреждения такого рода относят к усталостным повреждениям.

Принята кумулятивная модель разрушения, описывающая квазимонотонное ухудшение параметров прочности системы в процессе ее эксплуатации под воздействием окружающей среды и циклических нагрузок.

Для оценки меры повреждения использованы результаты испытаний цементобетона изгибающими нагрузками. Учтены два параметра, характеризующих цикл: относительное напряжение - г| и характеристика цикла р. За уровень напряжения г| при этом принято отношение максимального напряжения цикла к пределу прочности, а за характеристику цикла - р, отношение максимального напряжения цикла к минимальному. К настоящему времени выполнено достаточно большое количество исследований, позволяющих установить семейство эмпирических зависимостей, определяющих относительный предел усталости как функцию параметров цикла и числа повторений Ку = Г (т), р, 14). В ряде работ показан случайный характер усталости и содержатся предложения по нормированию этой величины с учетом требуемой надежности.

В соответствии с гипотезой о линейном суммировании повреждений принято, что единичное повреждение является величиной обратной предельному числу циклов Ы:

= ^ • (12)

В качестве меры повреждения принята величина - Э. а условие, определяющее величину меры повреждения после каждого цикла представлено в виде:

= О, +а,

(13)

Текущее состояние конструкции предложено оценивать по величине меры повреждений, вычисляемой к любому произвольному моменту времени, как сумму единичных повреждений, вызываемых каждым проезжающим автомобилем.

В предложенной модели учитывается релаксация температурных напряжений, определяемая возрастом бетона ( и продолжительностью действия температурного напряжения т посредством введения коэффициента релаксации ЧР(т, I):

Для учета изменений деформативных свойств по глубине земляного полотна, происходящих с течением времени, предложена математическая модель, обеспечивающая связь изменений влажности земляного полотна и приведенного модуля упругости основания, на основе решения проф. И.А.Медникова. Реализация процесса, установленная на основе вычислительного эксперимента изменения модуля упругости грунта в течение 3-х лет, представлена на рис. 8.

Напряжения, возникающие в покрытии под влиянием изменяющегося температурного поля, представлены тремя составляющими: напряжениями сжатия или растяжения вследствие ограничений на контуре или трения плиты по основанию т, напряжения, вызванные полным или частичным ограничением коробления плиты - сл, и внутренние напряжения вследствие криволинейности эпюры температуры по толщине плиты - оз.

Характеристика процесса изменения температурного поля покрытия получена, как решение уравнения теплопроводности на основе уточнения условий на границах. Уточнение достигнуто в результат^ учета случайных процессов, определяющих температуру воздуха и интенсивность солнечного облучения.

Решение уравнения теплопроводности реализуется в виде функции Т (г, 0, характеризующей температурное поле и позволяющей оценить температурные напряжения и деформации покрытия. Использованы два интегральных показателя, характеризующие текущее температурное состояние покрытия: средняя температура сечения Т*(ои средний градиент ДТ*к(0, вычисляемые по формулам

Разработан алгоритм вычисления температурных напряжений через каждый час на протяжении срока службы покрытия, блок-схема алгоритма представлена на рис. 9. В зависимости от интегральных показателей температурного режима и конструктивных параметров дорожной одежды предложен метод учета меры напряженности.

о-„=ст,+¥(г,0 -стг .

(14)

" о

(15)

(16)

iiiidivdds эинэьэх a BiHXdi uiooJÄdiiÄ BirXtfon олонхнэиодшне эинэнэиси '0\\¿

'J 6861

'J 8861

'J ¿861

•J 9861

,im i i nTi itnfi i * Г3\ 11 iTPt i m ^ i мП 11ГП n i hTi 11 nfi п n Pi i iml 11 ГГГи i m* t ' и Pi 11ГЛ1 w I nPi 11 Tïïh i и I,

t I I I I • t I I I II • II I I I ( I M I II I II M I II ••• I I I I M It I • I I I I I II I I I II I I • M I M t I t II I I II I M « • « ¡ > I II I I t I I It I I II H I I M I I I I I I

I I I I M I I < I I I II I H I I I I I I I M I I I I 1 I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I II I

IftfrirrrHrrv

111111 M M 11

■ M 111111 11111 « и 11111111 и

•. 1111 111111 !

Vn-fYiiHi-n-n-rrnMtitrrrn'rHTîfm гг'гтгггм ГГП Г Т-Г"8" 4- -î-r V TT^I "i* î" î "î* • • "ít~"

¡ M ¡ M ¡I ¡ i i • t i S Si 'i 'i I I i I I ¡ i ¡ i i t¡« ii ï i¡í i i îi i i î i i i м î î t i î í • Lu i >• î I I I I I î! I M I I I I I I I îî I I I II |<[

111 III11 II 1111 It 111111 11111 il I1II 1111111 11111 111111111 11111 11 I

II 11 11111 1111 I • • 111 III 11

,! » » ï » IJ Ii î 11 » j î j j » #j» j

' [НИМ .......

1111111 • 11 1.11/îi 111J •M-»V ' ' ' ' * ' '

[> 1111 I l\ » I 1111 I+J1111 111| Г I » I I « I I I » I M

11111111111111111111

111111111 1111111111111111 »

II IIIIIH III

i-UUUi Hi-:

i 111 M M IM i 1111111 11

111 M 1111111 "ÎMI i 1111 i*î i

i 111 M I I III t'i 11 i*i M

11 11 il 1111 il 1111111111111111 •

1111111 1111111111 M 1111111 111111 11111111 • i 111111111

1111111111 M |i 11111111111

I » M » » I I I I I »

■HIÍÍ-HÍH-ííh-UH

I iy I I I I I I I I I I I I I M 11 I I I I I I I 11 I

• I I I I II I I I I I I I I I I I I I I I I M I I

> 111 11111 11 11111

11111 « 11 1111

i I I I I I i I I I I II I I I I >1 I

I 1111111 11

«MMitiii ( » 11 » i i ГЧ( «MMiii

-тптКгтг ННгпЧгКфцгг^-frfvl 111111111 11 111111111111

111111 11 I 1 1111111111 i i I I I i ; I M i ^ 111111 I I

11111111111111111Í

i 111 1111 11111 111 m i « t : m ' íi i 111 i 111 M 1111 i » 111

ЧМ4Н-М-И lllllll

<(«(((((< fvrrrrrrnii

• !i 11 ¡i I

l-H-n-mmm-H-i

% 11 1111111 » 11 MI

11111111111

111 i n 1111 I II 111 iiiiiii t\i « i ( i M i M| rHHfiT

iii! S11S

OST

• II 111111 il 111111111111111111

ÎÎmVÎ MlVi'M I I I MMHltni

« i îi m î J11 î ! í ! î i i м ¡ S I ! • • í .......4UU¡-iii;iiiiiiiii4-oH

I ? 111 II 1111 II II I 11II11111 II 11 if

i M ¡ M ¡ S/1 M M I M I ¡ M ¡ M M i H ¡

i I I 11 « 11 I I 11 I I » I I 11 I i 11 I i i II11 i 111 ц ^ч 111 ( I I 11 i I I I I I I 11 I 11 i I I 11 I i i i I 111 111 1111 11111 11111 1111 I 11 1111 11111 I II 1111 11111 1111 11111 11111 III

II 111111111 111 I 111111111 111

I 111 I 11 I 111 11 I Г| I I 1111 I t I I 11 I« 11 I I I I 11 111 I I и I и и I I I I I I I I I I 11 111 I 1111111111111111111111111111111111111111 и 111111111111111111111111

I I I I I M I I I I I I I I i l¡ 11 î 11 ! îi î î î î 11 î

i • 11M « 11111111111111 111111 M i M 11M 111 111111111IIi иiMiM M

11 1111 11111 111111111 I I II 111 11111 1111111 11 111 1111 111 11 11 111 II I

11111111 11 111111111111111111 M I I I I 1Л I I I I I I I I I I I I I I I t I I I I

4ÍTfn-frÍTrn4rrf»TrfírTTm I i ji î iij î î î I j j j j » i 11¡j j iijI

! S i i у\ ! î '• M M I II t \ I M I î M

I lî'l I IX'ÏM'M'M I I I I HMIÍIMTÍ / îi M J I M I I I M J I î î I I ! u !

Il i « 11111111111 ri 11 m 11 11111 111111111 i 11 1111 11111 il 11111 11111 11111 1111 11111 11 11 » 11 Sri i 11111 11 11111 1111111 « i 11 и

I 1111II11111111 111 1111 11111 11111 1111 I 111111 11111 1111111 11111

111 « 1111 11111 I • 1111

* I I II I I I II I I I I I II I I I I I I I I I I I I I I I I II I I I I M I I I I I I I I I IIII I I I I I IIII III II I

" " XJi LI Ji l.l.t lxii.Lt lit îi-î Li О î î I Í S \ I I i S И i 1.1 il i M îî i Llî.' ' ........

1111 11 11111 I

M I I I I I I I I I I I I I I I « I I I I I I I I I I 111 11111 11 11111 111111111

-091

Рис. 9. Блок-схема алгоритма вычислений температурных деформаций и напряжений

определяющей, какая часть температурных деформаций реализуется в напряжения в различные моменты времени.

Выполнен анализ процесса накопления повреждений в цементобетоне на основе учета особенностей напряженно-деформированного состояния в- результате каждого проезда транспортного средства в течение срока службы покрытия. Принято во внимание соотношение величины максимального напряжения в цикле к минимальному, способное существенно изменять уровень единичного повреждения и соответственно влиять на работоспособность покрытия.

Детально рассмотрена совокупность параметров конструкции дорожной одеждьг, определяющих напряженное состояние при воздействии транспортной нагрузки.

В работе приводятся результаты экспериментальных исследований на карьерных дорогах с бетонными покрытиями, позволившие установить зависимость напряжений в покрытии от изменения положения автомобиля на проезжей части при различных толщинах покрытия при нагружении передними и задними колесами.

Основные положения математической модели для прогнозирования повреждений в цементобетонных покрытиях реализованы в виде программного комплекса ROADSIM. Комплекс является 32-разрядным приложением операционной системы WINDOWS-95 и разработан с помощью системы визуального программирования DELPHI-2.0.

Система оснащена стандартными для операционной системы WINDOWS средствами управления (меню, диалоги, инструментальные линейки, кнопки переключения) и системой многооконного представления результатов расчета.

Для ввода исходных данных предусмотрено специальное меню с командами: входа и выхода, записи и вызова ранее записанных исходных данных и результатов. Предусмотрена возможность графического представления введенных параметров движения с распределением по месяцам, дням недели, часам суток, изменений состава движения по сезонам, имеется возможность корректировки весовых характеристик автомобилей, представленных в составе движения.

Специальное окно позволяет вводить и контролировать параметры конструкции дорожной одежды, включая толщины и модули упругости слоев, теплотехнические свойства материалов, расстояние между швами, ширину проезжей части, тип грунта, тип местности по характеру увлажнения.

В состав комплекса включена обширная база климатических данных, созданная метеостанцией МГУ, а также параметры для моделирования метеорологических условий в виде таблиц.

'• *Н=18

-Н=20

- -Н=22

1986 | 1987 |

1988

1989

Рис. 10. Изменение меры повреждений для конструкций с различной толщиной покрытия %

характеризующих функции распределения, выбранных параметров.

В качестве примера на рис. 10 представлены графики, иллюстрирующие особенности накопления повреждений в цементобетонных покрытиях толщиной 18, 20 и 22 см.

Выводы

1. Разрушение цементобетонных покрытий является процессом постепенного накопления повреждений. Основными параметрами, определяющими характеристики процесса накопления повреждений, являютря: параметры транспортного потока, параметры метеорологических условий, параметры процесса влагопереноса и температурного режима конструкции дорожной одежды и земляного полотна.

2. Анализ экспериментальных исследований прочности цементобетона при циклическом нагружении показал, что наиболее существенными параметрами, определяющими долговечность материала являются: количество циклов нагружения, уровень напряженности и отношение минимального напряжения в цикле к максимальному.

3. Объективная оценка процесса накопления повреждений я прогнозирование срока службы дорожных одежд могут быть выполнены на основе математического моделирования метеорологических условий, транспортного потока, процесса изменения температуры и влажности конструкции, процессов изменения напряженно-деформированного состояния при проезде транспортных средств и изменение температуры покрытия. Статистической основой для построения вероятностных моделей метеорологических условий могут бьпъ результаты многолетних наблюдений на метеорологических станциях и постах, а также обобщенные данные, публикуемые в справочниках по климату.

4. Предложена трехуровневая математическая модель метеорологических условий температуры воздуха, облачности, количества осадков, влажности воздуха, скорости ветра, позволяющая получать реализации параметров с усреднением на месячном, суточном и часовом уровнях.

5. Установлена зависимость состояния земляного полотна водно-теплового. режима на основе решения системы дифференциальных уравнений методом скользящих сеток с учетом фазовых переходов при стохастических граничных условиях.

6. Доказана возможность применения имитационной модели транспортного потока для получения последовательности транспортных средств, интервалов между ними, загрузки транспортных средств, распределения массы по осям и колесам,

скорости и поперечного положения на плите в момент проезда исследуемого сечения.

7. Разработана математическая модель температурного режима цементобетонного покрытия на основе решения дифференциального уравнения теплопроводности .с учетом нестационарности процесса изменения температуры на поверхности покрытия.

8. Показана принципиальная возможность применения существующих методов для расчета плит на упругом основании, для оценки единичных повреждений от транспортных нагрузок и переменного температурного режима покрытия с учетом вероятностной природы воздействий.

9. Разработаны математическое описание, исходная база данных, алгоритм и программный комплекс, доказана возможность исследования процесса накопления повреждений в дорожных покрытиях- с учетом изменчивости метеорологических условий посредством вычислительного эксперимента.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Носов В.П., Чубуков В.П. Проектирование одежд автомобильных- дорог с односторонним грузопотоком// Проектирование промышленного транспорта. Вып. 1. 1969.

2. Носов В.П., Цацулин И.В. Режим движения большегрузных автомобилей на карьерных дорогах: Труды МАДИ, вып. 27, 1969.

3. Носов В.П. Расчет бетонйых покрытий автомобильных дорог с ограниченным сроком службы// Проектирование промышленного транспорта. 1977.

4. Носов В.П. Учет повторности автомобильной нагрузки при расчете бетонных покрытий: Труды Промтрансниипроекта, вып. 7. 1977.

5. Носов В.П., Порожняков B.C. Конструкция одежд автомобильных дорог для автосамосвалов особо большой грузоподъемности// Проектирование промышленного транспорта. Вып. 1. 1978.

6. Носов В.П., Порожняков B.C. О пропуске автомобилей особо большой грузоподъемности по бетонным дорогам // Промышленный транспорт. No 11. 1978.

7. Носов В.П. Учет изменчивости деформативных свойств земляного полотна при расчете цементобетонных покрытий: Труды МАДИ, вып. 170, 1979.

8. Носов В.П. Особенности расчета цементобетонных покрытий сельскохозяйственных дорог // Сборник науч. тр. / : МАДИ. Сельскохозяйственные дороги, 1980.

9. Носов В.П. Расчет цементобетонных покрытий автомобильных дорог: Учебное пособие. Ротапринт МАДИ, 1980.

10. Носов В.П. Прогнозирование срока службы цементобетонных покрытий: Сборник науч. тр. / МАДИ. Надежность автомобильных дорог, 1980.

11. Носов В.П. Применение математического моделирования для прогнозирования температурного режима цементобетонных покрытий: Сборник УП Всесоюзное совещание дорожников. Тезисы докладов и сообщений, 1981.

12. Носов В.П. Применение математического моделирования для прогнозирования работоспособности цементобетонных покрытий// Повышение прочности и надежности дорожных одежд и земляного полотна автомобильных дорог: Сборник науч. тр. / МАДИ, 1981.

13. Носов В.П., Морозкин В.И. Применение метода статистического моделирования для прогнозирования величины модуля упругости земляного полотна // Совершенствование методов проектирования и строительства сельскохозяйственных дорог: Сборник науч. тр. / МАДИ, 1982.

14. Носов В.П. Оценка вероятности температурных воздействий при расчете цементобетонных покрытий// Совершенствование методов строительства и эксплуатации автомобильных дорог: Сборник науч. тр./ МАДИ, 1982

15. Носов В.П. Прогнозирование трещинообразования, цементобетонных покрытий автомобильных дорог// Эффективность и качество дорожного строительства: Сборник науч. тр./ МАДИ, 1983.

16. Носов В.П. Стадии работы цементобетонных покрытий автомобильных дорог// Повышение качества строительства

автомобильных дорог в Нечерноземной зоне РСФСР: Тезисы

докладов на научно-технической конференции: Суздаль. 1983.

17. Носов В.П. Математическая модель для прогнозирования срока службы цементобетонных покрытий// Повышение качества строительства автомобильных дорог в Нечерноземной зоне РСФСР. Тезисы докладов на научно-технической конференции: Владимир. 1984.

18. Носов В.П. Приведение нагрузок к расчетной при проектировании цементобетонных покрытий// Пути повышение надежности автомобильных дорог: Сборник науч.тр./МАДИ, 1984.

19. Носов В.П. Математическая модель для прогнозирования срока службы цементобетонных покрытий// Повышение эффективности строительства и эксплуатации автомобильных дорог: Тезисы докладов республиканской научно-технической конференции: Харьков. 1985.

20. Носов В.П. Применение математического моделирования для прогнозирования срока службы цементобетонных покрытий// Проектирование и строительство внутрихозяйственных дорог колхозов и совхозов: Сборник науч. тр./ МАДИ, 1985.

21.-Носов В.П., Савченко В.Г. Имитационное моделирование процесса изменения температуры на поверхности дорожных покрытий// Проектирование и строительство внутрихозяйственных дорог колхозов и совхозов: Сборник науч. тр./ МАДИ, 1985.

22. Носов В.П. Применение вычислительного эксперимента для прогнозирования осадки оснований цементобетонных покрытий// Повышение сроков службы и качества автомобильных дорог: Сборник науч. тр./МАДИ, 1987.

23. Носов В.П. Учет интенсивности солнечной радиации при математическом моделировании температурного режима дорожных одежд// Повышение качества строительства внутрихозяйственных дорог колхозов и совхозов: Сборник науч. тр./ МАДИ, 1988.

24. Носов В.П. Учет природно-климатических факторов при прогнозировании состояния бетонных покрытий// Сельское дорожное строительство Нечерноземной зоны РСФСР: Сборник науч. тр,/ МАДИ, 1988.

25. Носов В.П. Анализ природных воздействий с целью моделирования температурного режима дорожных одежд для условий Сибирии// Сельское дорожное строительство Нечерноземной зоны РСФСР: Сборник науч. тр./МАДИ, 1989.

26. Носов В.П. Прогнозирование температурного режима с целью учета региональных условий при расчете дорожных одежд// Проектирование и расчеты дорожных конструкций при строительстве и реконструкции дорог. Национальный доклад. Раздел 1.2., 1990.

27. Носов В.П. Математическое моделирование метеорологических условий с целью оценки их влияния на безопасность движения// Научно-технический прогресс в дорожной области: Материалы научно-технического семинара. Министерство автомобильных дорог Казахстана, 1991.

28. Жесткие покрытия аэродромов и автомобильных дорог/ В.Ф.Бабков, Г.И. Глушков, В.Е.Тригони, В.П. Носов и др. Издание второе под ред. Глушкова Г.И. М.: Транспорт. 1994.

29. Носов В.П. Математическое моделирование климатических воздействий при прогнозировании динамики изменения дорожных условий// Технический прогресс в дорожном строительстве: Сборник науч. тр./ МАДИ, 1995.

30. Носов В.П. Прогнозирование повреждений дорожных одежд на основе математических моделей транспортных потоков и метеорологических условий: Юбилейный сборник науч. тр к 250-летию дорожной отрасли, 1996 г.

31. Носов В.П. Оценка температурных напряжений в цементобетонных покрытиях при изменении температурного режима// Метод и средства повышения надежности материалов и сооружений с учетом транспортных воздействий: Сборник науч. тр. / МАДИ, 1996.

Подписано в печать 20.12.56г.

Печать офсетная Усл. печ. л Л, 0

Тираж 150экз._Заюз47_

Формат 60x84/16

Ротапринт МАДИ(ТУ). 125829, Москва. Ленинградский проспект, 64

Введение

1. Основные предпосылки и задачи исследования по 5 прогнозированию работоспосбности дорожных одежд.

1.1. Основные предпосылки исследования

1.2. Физические модели разрушения цементобетона

1.3. Динамика изменения состояния бетонных покрытий и схемы их разрушения

1.4. Анализ методов прогнозирования работоспсоб-ности и сроков службы дорожных одежд

1.5. Оценка надежности дорожных покрытий и ее связь с долговечностью и работоспособностью

1.6. Основные требования к модели и принципы ее функционирования

Актуальность теш. В конце 1994 года Постановлением правительства N0 1310 была утверждена Федеральная программа развития автомобильных дорог Российской Федерации "Дороги России". Программа предусматривает значительные средства на ремонт и реконструкцию наиболее напряженных автомобильных дорог.

Рациональное использование выделяемых средств зависит от правильности и объективности оценки текущего состояния автомобильных дорог и, в наибольшей степени, от точности прогнозирования процесса накопления повреждений дорожных одежд.

Многочисленные примеры преждевременного разрушения дорожных одежд на автомобильных дорогах являются мощным стимулом к изучению причин этих неблагоприятных явлений и количественной оценки каждого фактора, оказывающего влияние на интенсивность разрушения.

Сложность этой задачи определяется необходимостью иэу-чать процессы на отрезке времени в 15-30 лет, так как именно столько дорожные одежды должны служить до капитального ремонта в соответствии с действующими нормами, а также стохастическим характером воздействий транспортного потока и природной среды.

Постоянные изменения метеорологических условий вызывают сложные физические процессы и явления в грунтах земляного полотна и в материалах дорожных одежд, которые существенным образом изменяют физико-механические свойства и приводят к изменению параметров напряженно-деформированного состояния конструкции.

Под влиянием атмосферных явлений изменяется распределение влажности по глубине грунтового основания, в зимний период при отрицательных температурах появляется слой мерзлого грунта переменной толщины, весной с наступлением устойчивых положительных температур на поверхности мерзлого грунта образуется слой талого грунта, насыщенный влагой.

В результате значительно изменяется интенсивность накопления повреждений, снижаясь при увеличении толщины мерзлого слоя и возрастая при оттаивании и увеличении влажности грунта.

Другой причиной изменения интенсивности накопления повреждений являются переменное температурное поле покрытия, способное либо усиливать повреждения вызываемые проездом автомобилей, либо ослаблять их в те периоды времени, когда напряжения от температуры и автомобильной нагрузки не совпадают по знаку.

Зарубежные исследования в этом направлении были ориентированы на дорогостоящие эксперименты, наиболее масштабным из которых является широко известный эксперимент по программе Американской Ассоциации дорожных организаций (ААБНО), потребовавший для реализации несколько сотен миллионов долларов.

Однако применимость его результатов весьма ограничена, вследствие отсутствия учета климатических факторов в рекомендованных эмпирических зависимостях.

Значительно возросшие возможности современной вычислительной техники позволили с новых позиций подойти к решению данной задачи, применяя более сложные математические модели совсем недавно казавшиеся нереализуемыми из-за чрезвычайно большого объема вычислительной работы.

Таким образом настоящая работа представляет собой новое научное направление в исследовании процессов накопления повреждений дорожных одежд на основе математического моделирования для учета многообразия влияющих факторов и их изменчивости в процессе эксплуатации дороги.

Пелью исследования является разработка новой методики прогнозирования повреждений дорожных покрытий с учетом изменения во времени параметров транспортного потока и метеорологических условий.

Для достижения цели в работе поставлены и решены следующие задачи:

- разработать структуру физико-математической модели системы "земляное полотно - дорожная одежда" и ее математическое описание;

- разработать вероятностную модель метеорологических условий на основе статистических данных по климату;

- разработать физико-математическую модель изменений деформативных характеристик оснований дорожных покрытий с учетом сезонных изменений природных воздействий;

- разработать математическую модель транспортного потока, определяющую нагрузочный режим покрытия;

- разработать кумулятивную модель накопления повреждений в жестких слоях дорожных одежд на новых методологических принципах;

- проверить практическую возможность реализации математических моделей посредством вычислительного эксперимента.

Наичная новизна состоит в создании принципиально нового подхода к исследованию процесса разрушения дорожных одежд на основе математических моделей, позволяющих получать колиявственную оценку процесса накопления повреждений на протяжении 25-30 лет. На основе анализа физических процессов в конструкции создан математический аппарат и программный комплекс для моделирования следующих процессов: процесс изменения метеорологических условий, процесс циклического нагружения дорожной одежды транспортным потоком, процессы влагопереноса, промерзания и оттаивания многослойной системы "земляное полотно - дорожная одежда", процесс изменения напряженно-деформированного состояния покрытия в условиях изменяющихся параметров воздействий и процесс накопления повреждений.

Новая методология позволяет выполнять вычислительные эксперименты для решения практических задач при проектировании дорожных одежд, при оценке последствий отклонений в качестве строительства, при оценке эффективности мероприятий по ремонту и содержанию.

Достоверность теоретических решений определяется строгостью используемых методов строительной механики и теории тепловлагопереноса в капиллярно-пористых средах: Достоверность теоретических моделей подтверждается примерами из практики и результатами специальных экспериментов выполненных на опытных участках.

Реализаиия работы. Результаты исследования были реализованы при разработке следующих документов для практического использования при решении инженерно-технических задач и в учебном процессе при подготовке специалистов:

1. Учебное пособие. Расчет цементобетонных покрытий автомобильных дорог. Ротапринт МАДИ. М. 1980.

2. Пособие по проектированию дорожных одежд внутрихозяйственных автомобильных дорог (к СНиП 2.05.11-83) Ротапринт

Союзпромтрансниироект. М. 1988.

3. Региональные нормы. Проектирование и строительство автомобильных дорог в Нечерноземной зоне РСФСР. Минтранстрой СССР, Госагропром СССР, Минавтодор РСФСР. Издание официальное. М. 1988.

4. Методические указания по проектированию и строительству сборно-монолитных покрытий внутрихозяйственных и внутриплощадочных дорог колхозов и совхозов. РД 10. РСФСР 326.90. М. 1990.

5. Инструкция по Проектированию жестких дорожных одежд ВСН 197-91. Издание официальное, м. 1993.

Апуобаиия уаботы. Основные положения работы и практические результаты обсуждены на научных конференциях МАДИ 1974, 1982, 1985, 1986, 1994, 1995, 1996 гг., на УП Всесоюзном совещании по основным направлениям научно-технического прогресса в дорожном строительстве (1981), на международной конференции по проблемам дорожного строительства в ЧССР г. Жилино (1988), на республиканской научно-технической конференции г. Харьков (1985), на научно-технической конференции посвященной 400-летию г. Архангельска (1984), на семинаре по научно-техническому прогрессу в дорожной отрасли г. Алма-Ата (1991), на научно-технических семинарах по повышению качества строительства автомобильных дорог в Нечерноземной зоне РСФСР г. Владимир (1983, 1984), на научно-технической конференции по проблемам автотранспортного комплекса г. Ташкент (1988).

Основные результаты исследований опубликованы в 31 статье, монографии и трех нормативно-технических документах.

Общие выводы

1. Разрушение цементобетонных покрытий является процессом постепенного накопления повреждений.Основными параметрами, определяющими характеристики процесса накопления повреждений являются: параметры транспортного потока, параметры метеорологических условий, параметры процесса влагонакопления и температурного режима конструкции дорожной одежды и земляного полотна.

2. Анализ экспериментальных исследований прочности цементобетона при циклическом нагружении показал, что наиболее существенными параметрами, определяющими долговечность материала являются: число циклов нагружения, уровень напряженности и отношение минимального напряжения в цикле к максимальному.

3. Объективная оценка процесса растрескивания и на этой основе прогнозирование срока службы могут быть выполнены посредством математического моделирования метеорологических условий, транспортного потока, процесса изменения температуры и влажности конструкции, процессов изменения напряженно-деформированного состояния при проезде транспортных средств и изменения температуры покрытия. Статистической основой для построения вероятностных моделей метеорологических условий могут быть результаты многолетних наблюдений на метеорологических станциях и постах, а также обобщенные данные публикации в справочниках по климату.

4. Предложена трехуровневая математическая модель метеорологических условий температуры воздуха, облачности, количество осадков, влажности воздуха, скорость ветра, позволяющая получать реализации параметров с осреднением на месячном, суточном и часовом уровнях.

5. Установлена зависимость состояния земляного полотна водно-теплового режима на основе решения системы дифференциальных уравнений методом скользящих сеток с учетом фазовых переходов при стохастических граничных условиях.

6. Доказана возможность применения имитационной модели транспортного потока, для получения последовательности транспортных средств, интервалов между ними, загрузки транспортных средств и ее распределение по осям и крлесам, скорости и поперечного положения на плите в момент проезда исследуемого сечения.

7. Разработана математическая модель температурного режима цементобетонного покрытия на основе решения дифференциального уравнения теплопроводности с учетом нестационарности процесса изменения температуры на поверхности покрытия.

8. Показана принципиальная возможность применения существующих методов для расчета плит на упругом основании, для оценки единичных повреждений от транспортных нагрузок и переменного температурного режима покрытия с учетом вероятностной природы воздействий.

9. Разработано математическое описание , разработана исходная база данных, получен алгоритм и создан программный комплекс, доказана возможность исследования процесса накопления повреждений в дорожных покрытиях с учетом изменчивости метеорологических условий посредством вычислительного эксперимента. w - 390

1. Апестин В.К. Исследование работы дорожных цементобетонных покрытий под действием транспортных нагрузок и температуры применительно к расчету геометрических параметров плиты. Кандидатская диссертация, 1969.

2. Арутюнян H.X., Абрамян Б.Л. О температурных напряжениях в прямоугольных бетонных блоках. Известия АН Армянской ССР. Серия ФМ и ТН, т. 8, N 4, 1957ф 4. Арутюнян Н.Х. Некоторые вопросы теории ползучести бетона

3. М. : Гостехтеориздат, 1952.

4. Арутюнян Н.Х. Ползучесть стареющих материалов. Ползучесть бетона. Механика твердого тела, 1967, N 6.

5. Бабков В.Ф. Некоторые вопросы расчета толщины бетонных пок-* рытий и оснований. Сб. Цементобетон в дорожном строительстве. М.: Дориздат, 1950.

6. Бабков В.Ф. Методы определения расчетных значений модуля деформации грунтов. М. : Автотрансиздат, 1955.

7. Бабков В.Ф. Сильянов В. В., Дивочкин O.A. и др. Дорожные условия и режим движения автомобилей. М.: Транспорт, 1967.

8. Бабков В.Ф., Могилевич В.Н., Некрасов В.К. Реконструкция• автомобильных дорог. Под ред. Бабкова В.Ф. М.: Транспорт,1978.

9. Баранников А.Я. Расчет железобетонных конструкций на действие длительных переменных нагрузок.-Киев: Будевильник, 1977.

10. Бартошевич Э.С., Цейтлин А.И. О расчете конструкций, лежащих на упругом основании. Ж. Строительная механика и расчет сооружений N 4, 1965.

11. Бельковский C.B. Исследования бетонных дорог на опытнойстанции ЛАДИ. Л.: ОГИЗ Гострансиздат. Ленинградское отделение. 1935.

12. Берг О.Я. Физические основы теории прочности бетона и железобетона. М.: Госстройиздат, 1961.- 391

13. Бируля A.K. Исследование закономерностей автомобильного движения для установления расчетных характеристик проектируемых дорог". Сб. КАДИ Проектирование автомобильных дорог,вып. 9, Киев: Изд. КГУ, 1962.

14. Богословский В.Н. Строительная теплофизика. М., Высшая школа, 1970.

15. Боженова А.П., Бакулин Ф.Г. Экспериментальные исследования механизмов передвижения влаги в промерзающих грунтах // Материалы по лабораторным исследованиям мерзлых грунтов. Вып.З.М.: 1957.

16. Болотин В.В. Методы теории вероятностей и теории надежности в расчетах сооружений. М.: Стройиздат, 1981.

17. Борозинец В.Е., Фельдман Г.М. Вакуумно-фильтрационный механизм образования мощных шлиров льда. Проблемы криолитологин. Вып. IX. М.: Изд. МГУ, 1981.

18. Будак Б.М., Васильев Ф.П., Успенский Ф.П. Разностные методы решения некоторых краевых задач типа Стефана. Сб. Численные методы в газовой динамике, вып. 1У. Тр. МЦМГУ. Изд.4 МГУ, 1965.

19. Будыко М.И. Тепловой баланс земной поверхности. JI.: Гидроме-теоиздат, 1956.

20. Бялко A.B. Наша планета Земля. М.: Наука, 1983.

21. Васильев А.П. Проектирование дорог с учетом влияния климата на условия движения. М.: Транспорт, 1966.

22. Васильев П.И. Реологическая модель тела, обладающего нелинейной ползучестью: Труды МИСИ. Проблемы ползучести и усадки бетона. М.: 1974.

23. Васильев Ф.П., Успенский A.B. О методах конечных разностей для решения двухфазной задачи Стефана для квазилинейного уравнения. ДАН СССР, т.152, N 5, 1963.

24. Виноградов А.П. Надежность и сертификация прочности цементо-бетонных покрытий аэродромов. М.: 1994.

25. Волков М.И., Грушко И.М., Ильин А.Г. Выносливость цементного бетона // Автомобильные дороги. 1966. N 2.• 27. Гансен Г. Ползучесть т релаксация напряжений в бетоне.1. М.: Стройиздат, 1963.

26. Гантмахер Ф.Р. Теория матриц. М.: Наука, 1966.

27. Гвоздев A.A. Ползучесть бетона и пути ее исследования. Исследование прочности, пластичности и ползучести строительных материалов . М.: Стройиздат, 1955.

28. Гладков B.C. Выносливость дорожного бетона. // Автомобильные дороги. 1962. N 3.

29. Глушков Г.И., Манвелов Л.И., Михайлов A.B., Раев-Богос-ловский Б.С. Реконструкция бетонных покрытий аэропортов.М.: Транспорт, 1965.

30. Глушков Г.И., Горшков В.В., Шаров Ф.П. Исследование работы жестких аэродромных покрытий под движущейся нагрузкой. Информационное сообщение НИАТ, 1957.

31. Глушков Г.И., Степушин А.П. Расчет жестких аэродромных покрытий с учетом интенсивности движения самолетов. Сб. научных трудов МАЛИ, 1975, вып. 117.

32. Гмурман В.Е. Руководство к решению задач по теории вероятностей и математической статистике. М.: Высшая школа, 1979.

33. Горбунов-Посадов М.И. Расчет конструкций на упругом основании. М.: Стройиздат, 1973.

34. Горбунов-Посадов М.И. Таблицы для расчета тонких плит на упругом основании. Госстройиздат, 1959.

35. Горецкий Л.И. Бетонные покрытия на аэродромах. М.: Воениздат, 1950.

36. Горецкий Л.И. Теория и расчет цементобетонных покрытий на температурные воздействия.М.: Транспорт, 1965.

37. Гольдштейн М.Н. Деформации земляного полотна и оснований при промерзании и оттаивании. М.: Трансжелдориздат, 1948.

38. Грегори Д.М., Кирхгэм P.M. и др. Бетонные дороги. Перевод с английского под редакцией проф. В.Ф.Бабкова и А.Н. Защепи-на.М.: Автостройиздат. 1959.

39. Грушко И.М., Глущенко Н.Ф., Ильин А.Г. Структура и прочность дорожного цементобетона. Харьков.: ХГУ, 1965.

40. Грушко И.М., Ильин А.Г., Рашевский С.Т. Прочность бетона на растяжение. Харьков.: ХГУ, 1973.- 393

41. Ершов Е.Д. Влагоперенос и криогенные текстуры в промерзающих породах. Сб. Мерзлотные исследования: Вып. 16. м.: Изд. МГУ, 1977.

42. Ершов Э.Д. Влагоперенос и криогенные текстуры в дисперсных породах. М.: МГУ. 1979.

43. Ефименко В.Н. Водно-тепловой режим полотна автомобильных дорог при глубоком промерзании грунтов. Автореферат канди-датскоой диссертации. МАДИ. 1976.

44. Жемочкин Б.Н., Синицын А.П. Практические методы расчета балок и плит на упругом основании без гипотезы Винклера. М.: Стройиздат, 1947.

45. Журков С.Н. Кинетическая концепция прочности твердых тел. Вестник АН СССР. М.: 1968. N 3.

46. Завадский Ю.В. Моделирование случайных процессов.М.: ВИНИТИ, 1974.

47. Замахаев М.С. Установление ширины проезжей части автомобильных дорог. Труды МАДИ, вып. 15. М.: Дориздат, 1963.

48. Защепин А.Н., Левицкий Е.Ф. Бетонные покрытия автомобильных дорог. М.: Автотрансиздат, М.: 1961.

49. Защепин А.Н. Исследование дорожного бетона на выносливость. Доклады и сообщения на научно-техническом совещании по строительству автомобильных дорог.М.: Автотрансиздат. 1962.

50. Защепин А.Н., Апестин В.К. Состояние дорожных бетонных покрытий в зависимости от интенсивности движения и типа основания. Труды Союздорнии, вып. 8, 1965.

51. Защепин А.Н., Апестин В.К. О влиянии интенсивности и состава движения на трещиностойкость цементобетонных плит различной длины. Труды Сооюздорнии, Вып. 1968.

52. Зенкевич 0., Морган К. Конечные элементы и аппроксимация. Перевод с английского под ред. Бахвалова Н.С. М.: Мир, 1986.

53. Золотарь И.А. Теоретические основы применения тонкодис-персных грунтов для возведения земляного полотна автомобильных дорог в северных районах области многолетнемерз-лых грунтов. Ленинград: Изд. ВАТТ, 1961.

54. Золотарь И.А. Расчет испарения с поверхности грунтовых ос- 394 нований в связи с прогнозом их влажности. Сб. Экспериментальные исследования процессов теплообмена в мерзлых горных породах. М.: Наука, 1972.

55. Золотарь И.А., Гладких В. Прогнозирование расчетной влажности и прочности грунта земляного полотна автомобильных дорог. Задачи 96-1; 96-2. ВАТТ. 1976.

56. Иванов Н.С. О моделировании тепловых процессов и мерзлых толщах земной коры. Сб. Процессы тепло- и массообмена в мерзлых горных породах. М.: Наука, 1962.

57. Иванов H.H., Коганзон М.С., Коновалов C.B. Основы новой методики расчета жестких дорожных одежд с учетом повторности воздействия нагрузок.М.: Высшая школа, 1969.

58. Иванов H.H., Тригони В.Е., Садовоой В.Д. Надежность бетонных покрытий дорог и аэродромов в аспекте температур-но-транспортного режима работы. Известие вузов. Строительство и архитектура Ы 2, 1969.

59. Ишкова А.Г., Коренев Б.Г. Изгиб пластинок на упругом основании и упруго-пластическом основании. Труды П Всесоюзного съезда по теоретической и прикладной механике. Механике твердых тел. М. : Наука, 1966.

60. Кадикис К.К. Закономерности изменения интенсивности движения. В кн. Проектирование автомобильных дорог и безопасность движения "Труды МАДИ", 1980.

61. Каменев A.M. Определение расчетной влажности земляного полотна с учетом изменчивости влияющих на нее факторов. Сб. Вопросы проектирования автомобильных дорог. Вып. 7. СибА-ДИ, Омск, 1976.

62. Каранфилов Т.С., Волков Ю.С. Обзор исследований по прочности и деформативности бетона при многократном приложении нагрузки. Труды Гидропроекта. Сб. 10, 1963.

63. Карпухин Н. С. Исследование выносливости бетонных балок под воздействием многократно приложенных нагрузок. Труды МИИТа, выпуск 152, 1962.

64. Киселев В.А. Динамические линии влияния перемещений и внутренних сил в балках, рамах и плитах, простых и на упругом основании от груза, двигающегося с равномерной скоростью. Труды МАДИ. Вып. 18. М.: Автотрансиздат, 1955.67.

65. Кисляков В. М. Силы смерзания между цементобетонной плитой и- 395 грунтовым основанием // Автомобильные дороги, 1957. N 4.

66. Ключников В.А. Исследование работы и расчет бетонных покрытий в комплексе с различными основаниями при многократном нагружении. Кандидатская диссертация, 1967.

67. Коган Б.И., Хрустлев А.Ф. Расчет на прочность жестких покрытий на двухслойном основании. Изв. вузов Строительство и архитектура, N 6, 1959.

68. Коганзон М.С. Метод расчета работоспособности дорожных одежд. Повышение качества и надежности в строительстве и эксплуатации автомобильных дорог. Труды МАДИ. м.: 1988.

69. Коновалов C.B., Коганзон М.С., Яковлев Ю.М. и др. Элементы теории надежности строительства автомобильных дорог. Тр. МАДИ,- вып. 63, М. : 1973.

70. Коренев Б.Г., Ручимский М.П. .Экспериментальные исследования работы моделей плит на упругом основании. В сб. Вопросы расчета плит на упругом основании.М.: Госстройиздат, 1958.

71. Коренев Б.Г.Вопросы расчета плит на упругом основании. Сб. статей под ред. проф. Коренева Б.Г., ЦНИИСК,М.: Госстройиздат. 1958.

72. Корчинский И.Л. Учет явления усталости в строительных конструкциях, М.: Стройиздат, 1956.

73. Кудрявцев В.А., Меламед В.Г., Гарагуля Л.С. К расчету температурного режима многолетнемерзлых пород в слое годовых колебаний температуры. Сб. Мерзлотные исследования, вып.1. ХУ. М.: Изд. МГУ, 1976.

74. Кудрявцев В.А., Ершов Э.Д., Чеверев В.Г. Зависимость коэффициентов влагопереноса водоненасыщенных грунтов от их влажности, гранулометрического состава и плотности, сб. Мерзлотные исследования. Вып. ХШ. М.: Изд. МГУ, 1973.

75. Красников А.Н. Закономерности распределения интервалов между автомобилями на многополосных автомобильных дорогах. Труды МАДИ. Вып. 95. М.: 1975.

76. Левицкий Е.В., Чернигов В.А. Бетонные покрытия автомобильных дорог. М.: Транспорт, 1980.

77. Литвинова Т. А. Влияние ультрапористости и удельной поверх• ности на содержание незамерзшей воды в мерзлых грунтах. Сб. Мерзлотные исследования. Вып. 1. М.: Изд. МГУ, 1961.80