автореферат диссертации по строительству, 05.23.11, диссертация на тему:Расчетно-экспериментальный метод оценки модулей упругости элементов нежестких дорожных конструкций на стадии эксплуатации

На правах рукописи

ТИРАТУРЯН АРТЕМ НИКОЛАЕВИЧ

РАС ЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ МЕТОД ОЦЕНКИ МОДУЛЕЙ УПРУГОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ НЕЖЕСТКИХ ДОРОЖНЫХ КОНСТРУКЦИЙ НА СТАДИИ ЭКСПЛУАТАЦИИ

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

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 а ДПР ¿"14

Волгоград, 2014

005546944

005546944

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ростовский государственный строительный университет».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Углова Евгения Владимировна

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Зубков Анатолий Федорович доктор технических наук, доцент кафедры «Городское строительство и автомобильные дороги» ФГБОУ ВПО «Тамбовский государственный технический университет»

Лукин Владимир Александрович кандидат технических наук, доцент кафедры «Строительство и

эксплуатация транспортных

сооружений» ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет»

Северо-Кавказский филиал

«СЕВКАВГИПРОДОРНИИ» открытого акционерного общества «Дорожный проектно-изыскательский и научно-исследовательский институт «Гипродорнии»

Защита состоится 21 мая 2014 г. в 13-00 ч. в ауд Б-203 на заседании диссертационного совета Д 212.026.04 в ФГБОУ ВПО Волгоградском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 400074, г.Волгоград, ул Академическая, 1

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета

Автореферат разослан 25 марта 2014 г.

/7

Ученый секретарь диссертационного совета

Акчурин Талгать Кадимович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность исследований.

В рамках существующих на данный момент методов и средств диагностики транспортно-эксплуатационных качеств автомобильных дорог, серьезнейшее внимание должно уделяться оценке состояния дорожных конструкций на стадии эксплуатации методами неразрушающего контроля. В существующей нормативной методике (ОДН 218.1.052-2002) единственным показателем, характеризующим прочность дорожной конструкции и ее состояние на стадии эксплуатации, определяемым с использованием неразрушающих методов контроля является общий модуль упругости дорожной конструкции, рассчитываемый исходя из максимальной упругой деформации под воздействием расчетной нагрузки. Общий модуль упругости дорожной конструкции достаточно объективно характеризует ее прочность в целом, но не позволяет выявить наиболее ослабленный элемент в ее структуре (покрытие, основание, грунт земляного полотна), что имеет серьезное значение при выборе рациональных ремонтных мероприятий. Оценка состояния элементов дорожной конструкции проводимая на основе разрушающих методов (например отбор и испытание кернов асфальтобетона в лабораторных условиях) сопряжена с высокой трудоемкостью и приводит к образованию новых источников разрушения в дорожной конструкции. При этом методы неразрушающего контроля состояния отдельных элементов дорожной конструкции и их модулей упругости на стадии эксплуатации в практике Российской Федерации отсутствуют полностью.

Таким образом, в настоящее время очевидна актуальность и необходимость разработки неразрушающего метода оценки модулей упругости элементов нежестких дорожных конструкций на стадии эксплуатации.

Теоретической базой для разработки неразрушающего метода оценки модулей упругости элементов нежестких дорожных конструкций должны являться фундаментальные положения динамической теории упругости и вязкоупру-гости, на основе которых возможно создание математических моделей многослойных сред, адекватно описывающих реальные дорожные конструкции, и исследование закономерностей динамического деформирования дорожных конструкций в разных условиях тестового воздействия. Важнейшее значение имеет также применение современного экспериментального оборудования позволяющего регистрировать характеристики деформирования на поверхности дорожной конструкции на различном удалении от точки приложения нагрузки.

Целью диссертационной работы является разработка неразрушающего метода оценки модулей упругости элементов нежестких дорожных конструкций на стадии эксплуатации, базирующегося на комплексном расчетно-экспериментальном подходе к исследованию характеристик динамического деформирования на поверхности дорожной конструкции.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

-провести теоретический анализ современных подходов к решению задачи оценки состояния элементов нежестких дорожных конструкций с использованием методов неразрушающего контроля;

-разработать методику построения расчетных чаш максимальных динамических прогибов поверхности дорожной конструкции при ударном воздействии, на базе аналитической модели динамического НДС многослойного полупространства.

-исследовать основные закономерности изменения геометрии расчетной чаши максимальных динамических прогибов дорожных конструкций различных по прочности при различных соотношениях механических характеристик слоев;

- исследовать влияние условий межслойного сцепления элементов дорожных конструкций на динамические характеристики деформирования, регистрируемые на поверхности дорожного покрытия при ударном воздействии;

- провести экспериментальные работы по регистрации чаш максимальных динамических прогибов и амплитудно-частотных характеристик ускорения поверхности дорожных конструкций на стадии строительства и эксплуатации, и сопоставление полученных результатов с результатами численного эксперимента;

- разработать неразрушающий метод оценки модулей упругости элементов нежестких дорожных конструкций на стадии эксплуатации, базирующийся на комплексном расчетно-экспериментальном подходе к исследованию характеристик динамического деформирования на поверхности дорожной конструкции.

Объект исследования: Нежесткие дорожные конструкции

Научная новизна работы состоит в следующем:

- разработан алгоритм оценки модулей упругости элементов (слоев) нежестких дорожных конструкций на стадии эксплуатации (патент на изобретение № 2451917);

- проведена модернизация существующей аналитической модели динамического НДС многослойного полупространства, обеспечивающая возможность построения расчетной чаши максимальных динамических прогибов на поверхности дорожной конструкции;

- установлены закономерности изменения геометрии чаши максимальных динамических прогибов поверхности дорожных конструкций при различном сочетании модулей упругости их элементов (слоев) для автомобильных дорог различных технических категорий;

- изучены связи между межслойным сцеплением на границах элементов дорожной конструкций и амплитудно-частотной характеристикой ускорения регистрируемой на поверхности дорожной конструкции.

Достоверность результатов, содержащихся в диссертации обеспечена применением современного поверенного экспериментального оборудования и программного обеспечения, а также сходимостью результатов численного моделирования с результатами натурного эксперимента.

Практическая значимость работы:

- разработан метод оценки модулей упругости элементов (слоев) нежестких дорожных конструкций на стадии эксплуатации, позволяющий рационализировать мероприятия по ремонту и реконструкции эксплуатируемых автомобильных дорог;

- разработан программный комплекс для реализации расчетно-экспериментального метода оценки модулей упругости элементов нежестких дорожных конструкций;

- предложен экспериментальный подход к оценке условий сцепления между элементами нежесткой дорожной конструкции на стадии эксплуатации;

- установлены границы применимости аналитической модели динамического НДС многослойного полупространства, используемой в рамках разработанного метода;

На защиту выносятся:

- результаты механико-математического моделирования характеристик деформирования нежестких дорожных конструкций при воздействии ударного нагружения на основе аналитической модели динамического НДС многослойного полупространства;

- результаты натурных опытно-экспериментальных исследований по регистрации чаш максимальных динамических прогибов и амплитудно-частотных характеристик ускорения поверхности дорожной конструкции при ударном нагр ужении;

- расчетно-экспериментальный метод оценки модулей упругости элементов нежестких дорожных конструкций на стадии эксплуатации.

Реализация результатов работы:

Результаты исследований использовались при составлении научно-технических отчетов по темам НИОКР Росавтодора и Государственной компании «Российские автомобильные дороги» в 2009 - 2013 г.:

«Разработка теоретических основ «обратного» расчета модулей упругости слоев дорожных одежд нежесткого типа по результатам полевых испытаний дорожных конструкций установкой ударного нагружения»,

«Разработка методических рекомендаций по предпроектной оценке состояния нежестких дорожных одежд для обоснования технических решений проектов реконструкции и капитального ремонта автомобильных дорог государственной компании «Автодор»;

«Разработка и научное сопровождение внедрения аналитико-эмпирического метода оценки модулей упругости слоев эксплуатируемых дорожных конструкций автомобильных дорог государственной компании «Российские автомобильные дороги»;

Апробация результатов исследования

Основные положения диссертационной работы представлялись и обсуждались на Международных научно-практических конференциях Строительство (г. Ростов-на-Дону 2010, 2011, 2012 г) на 4-й Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов, и молодых ученых «Развитие дорожно-транспортного комплекса и строительной инфраструктуры на основе

рационального природопользования» (г. Омск, 2011 г.), на Международной научно-практической конференции «Проблемы современного строительства» (г. Пенза 2011).

Публикации:

По теме диссертационной работы автором опубликовано 18 научных работ, в том числе 6 работ в ведущих рецензируемых научных журналах, и патент на изобретение № 2451917 «Способ определения фактических значений динамических модулей упругости слоев дорожной конструкции на стадии эксплуатации».

Структура и объем диссертации:

Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения и библиографии. Общий объем диссертации составляет 175 страниц, 99 рисунков, 27 таблиц, библиографический список из 138 наименований, 1 приложение.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, поставлена цель и сформулированы задачи диссертационного исследования, показаны научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе произведен анализ существующих в настоящее время в отечественной и зарубежной практике методов и средств оценки прочности как дорожной конструкции в целом, так и существующих способов оценки состояния элементов (покрытие, основание, грунт земляного полотна) дорожных конструкций.

В Российской Федерации большой вклад в разработку и совершенствование методов диагностики прочности дорожных конструкций внесли ученые: Яковлев Ю.А, Кривисский A.M., Корсунский М.Б, Смирнов А.В, Васильев А.П., Кузнецов Ю. В., Апестин А.К., Лейвак В.А. и др.

На данный момент в практике РФ единственным показателем на основе которого оценивается прочность дорожных конструкций является величина общего модуля упругости, рассчитываемого по результатам регистрации упругого прогиба на ее поверхности в точке нагружения, в соответствии со статическим решением теории упругости. Однако полностью отсутствуют неразруша-ющие методы позволяющие выявить наиболее ослабленный элемент (покрытие, основание, грунт земляного полотна) в структуре дорожной конструкции.

В зарубежной практике большой вклад в развитие и совершенствование методов оценки прочности, как в целом дорожных конструкций, так и их конструктивных элементов внесли такие ученые как: Beckedahl, Viswanathan, Guzi-na В, Alcasawneh W, Nazaryan S и др.

Наиболее распространенным подходом к оценке состояния элементов дорожных конструкций за рубежом является метод «Backcalculation», в рамках которого производится сопоставление экспериментальных величин вертикальных перемещений, замеренных на поверхности покрытия и расчетных величин вертикальных перемещений полученных с использованием моделей НДС слоистых сред (аналитических и МКЭ-моделей). Проведенный анализ показал, что в основе применяемых в зарубежной практике аналитических моделей слоистых

сред лежат положения статической теории упругости, что не соответствует реальным условиям динамического нагружения дорожных конструкций при испытании их ударной нагрузкой. Применение МКЭ-моделей позволяет учитывать динамический характер нагружения, однако сопряжено со сложностями, связанными с необходимостью моделирования неограниченных пространств (в частности грунтового массива) и необходимостью исключения влияния отраженных от границ представительского объема волн.

Преодолеть описанные выше ограничения возможно путем применения аналитической модели динамического НДС многослойного полупространства в осесимметричной постановке, разработанной в РГСУ. Достоинствами данной модели является возможность моделирования динамического нагружения на поверхности многослойного полупространства и возможность исключения при расчете влияния отраженных волн от фиктивных границ исследуемой среды. Следует отметить, что для данной модели необходимо разработать методику построения расчетной чаши прогибов дорожной конструкции при ударном нагружении на поверхности многослойного полупространства.

Как показал проведенный анализ, результаты получаемые с использованием метода «Васкса1си1айоп» не всегда корректны, что связано, с тем что применяемые модели НДС дорожных конструкций базируются на условии жесткого контакта между всеми слоями дорожной конструкции, при этом в процессе эксплуатации возможна потеря межслойного сцепления между отдельными слоями. Однако экспериментальные подходы к оценке межслойного сцепления на стадии эксплуатации на основе неразрушающих методов на данный момент отсутствуют, в то время как своевременное выявление этого фактора позволило бы установить границы применимости для используемых математических моделей и значительно повысило достоверность результатов оценки модулей упругости элементов эксплуатируемой дорожной конструкции.

Таким образом, проведенный анализ приводит к необходимости разработки неразрушающего метода оценки модулей упругости элементов нежестких дорожных конструкций на стадии эксплуатации, базирующегося на комплексном расчетно-экспериментальном подходе к исследованию характеристик динамического деформирования на поверхности дорожной конструкции.

Во второй главе приведена постановка задачи определения модулей упругости элементов нежестких дорожных конструкций на стадии эксплуатации; разработана методика построения расчетной чаши максимальных динамических прогибов нежестких дорожных конструкций при ударном нагружении на базе аналитической модели динамического НДС многослойного полупространства в осесимметричной постановке; приведены результаты механико-математического моделирования чаш максимальных динамических прогибов при различных соотношениях модулей упругости конструктивных слоев покрытия (асфальтобетона), основания, и грунта земляного полотна; установлено влияние межслойного сцепления между элементами нежесткой дорожной конструкции на форму амплитудно-частотной характеристики ускорения поверхности дорожной конструкции.

Определение модулей упругости элементов нежестких дорожных конструкций может осуществляться на основе сопоставления расчетной и экспериментальной чаш динамических прогибов дорожной конструкции, что позволяет свести данную задачу к задаче минимизации функционала ошибки Ф(£,) (рисунок 1).

" («,)) (1) 1-1 У-1

Где:

1/: - вертикальные перемещения, мм;

- расчетная чаша максимальных динамических прогибов;

У¿^(К]) - экспериментальная чаша максимальных динамических прогибов;

Е1 - модули упругости элементов дорожной конструкции, МПа;

Rj - координаты точек наблюдения за деформированием дорожной конструкции.

Км

Рисунок 1 - Расчетная схема к задаче оценки модулей упругости элементов дорожной конструкции на стадии эксплуатации

Функциональная зависимость (£",-,Лу) может быть построена на

основе аналитической модели динамического НДС многослойного полупространства в осесимметричной постановке. Для решения данной задачи необходимо разработать методику построения расчетной чаши максимальных динамических прогибов дорожной конструкции при ударном воздействии.

В рамках разработки методики построения чаши максимальных динамических прогибов дорожной конструкции выявлены три основных блока входных данных: механические характеристики исследуемой конструкции (модули упругости слоев дорожной конструкции - Е;, МПа; толщины слоев дорожной конструкции - Иь см; коэффициенты Пуассона - //,; плотности слоев дорожной конструкции - /),), параметры ударного погружения (масса груза - т, кг; высота падения груза - Л, см; радиус-пятно контакта - г,м; форма и время ударного импульса - е.), параметры исследуемой области - Я, м (точки на поверхности, в которых производится расчет вертикальных перемещений).

На начальном этапе построения расчетной чаши максимальных динамических прогибов дорожной конструкции, определяется интенсивность Реч, ударного воздействия на поверхности дорожной конструкции по формуле:

2л)/(1)с11\(р(г)гс1г V '

о о

Где: т - масса груза установки ударного нагружения, кг; А - высота падения груза, м;

/(^-зависимость формы импульса ударного воздействия от времени; <р(г) - зависимость распределения ударного воздействия по радиус-пятну контакта установки динамического нагружения с покрытием автомобильной дороги.

Важным шагом при учете динамичности воздействия нагрузки является построение спектра ударного нагружения, возбуждаемого на поверхности дорожной конструкции и выделения в нем характерных частот колебаний еок.

щ=кя{Т±т), (3)

где: Т -время наблюдения за деформированием поверхности дорожной конструкции при ударном нагружении, выбираемое из условий затухания предыдущего импульса, с. к= 1,2,... ,М,

где М - кол-во гармоник разложения, определяемое исходя из условий точности аппроксимации импульса Р(1) рядом Фурье, г — время воздействия ударного нагружения, с.

Для заданных сок путем контурного интегрирования рассчитываются амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) перемещений для заданных точек наблюдения в соответствии с обратным преобразованием Ханкеля.

2

иа'МНк,о))= \ Jk(liR)ZPU'nhu,z)■X{J'"\u)udu (4)

п=1

где: ]=1,2,...,Ы;

Р'7'"' - ядро интегрального представления для многослойного полупространства;

Х0>) - трансформанты Ханкеля для напряжения на границах слоев (п=1,2) (определяемые, исходя из граничных условий).

Для выявления максимальных значений вертикальных перемещений на поверхности среды производится их анализ во временной области с построением амплитудно-временной характеристики перемещений и(Л,)(К,г) • Расчет амплитудно-временной характеристики (АВХ) перемещений осуществляется для заданных точек наблюдения на поверхности многослойного полупространства по формуле:

*=1

где рк - полученные коэффициенты ряда Фурье разложения импульса ударного нагружения Р(1):

т

рк = \ + (6) 0

а " действительная и мнимая части век-

тора вертикальных перемещений на заданных частотах щ.

Заключительным шагом построения расчетной чаши максимальных динамических прогибов является вычисление значений максимальных амплитуд вертикальных перемещений точек поверхности среды в исследуемом временном диапазоне - по каждой из заданных на поверхности дорож-

г I I

ной конструкции точек наблюдения, и нанесение их на окончательный график чаши динамических прогибов.

На основе аналитической модели динамического НДС многослойного полупространства в осесимметричной постановке был произведен численный эксперимент по исследованию закономерностей формирования чаш максимальных динамических прогибов дорожной конструкции при различном сочетании модулей упругости элементов дорожных конструкций, соответствующих конструкциям применяемым на автомобильных дорогах I, II, Ш технических категорий. Диапазон варьирования модулей упругости конструктивных элементов нежестких дорожных одежд изменялся в пределах:

Для слоев асфальтобетона (Е1) - 1000 - 10000 МПа (рисунок За);

Для слоев основания (Е2) (несвязные материалы) - от 100 до 1000 МПа (рисунок 36);

Для грунта земляного полотна (ЕЗ) - от 5 до 110 МПа (рисунок Зв).

Проведенный численный эксперимент позволил сделать следующие выводы:

• При снижении общего модуля упругости дорожной конструкции наблюдается увеличение максимальных вертикальных перемещений точек поверхности дорожной конструкции на расстоянии до 2.5 м от точки приложения ударного нагружения для всех рассматриваемых нежестких дорожных конструкций (рисунок 2);

• Модуль упругости конструктивных слоев покрытия (асфальтобетона) оказывает наибольшее влияние на изменение формы чаши максимальных динамических прогибов в зоне 0.00-0.25 м для дорожных конструкций, характеризующихся различной прочностью (рисунок За);

• Изменение вертикальных перемещений поверхности покрытия дорожной конструкции на расстоянии 0.25 м от точки приложения нагрузки связано со значениями модуля упругости как слоев покрытия (асфальтобетона) так и слоя основания. При этом на удалении от нагрузки на расстоянии 0.75 м и 1.25 м возрастает влияние модуля упругости основания дорожной конструкции (рисунок 36);

• Варьирование модуля упругости грунта земляного полотна оказывает наибольшее влияние на дальнюю зону в геометрии чаши максимальных

динамических прогибов на расстоянии 1.25 м - 2.5 м для всех рассматриваемых нежестких дорожных конструкций (рисунок Зв).

Расстояние от п.

ки ударно/о воздействия, л 0.75

I категоои

I кэтегоои

III нэтегоои

Рисунок 2 — Чаши максимальных динамических прогибов для автомобильных дорог 1-111

технических категорий Построение расчетных чаш максимальных динамических прогибов осуществлялось для условий полного (жесткого) межслойного сцепления между элементами дорожных конструкций. Учитывая, что в реальных условиях эксплуатации между элементами дорожной конструкции возможна потеря сцепления необходимо выявить границы применимости используемой аналитической модели. Для решения данной задачи был проведен численный эксперимент по изучению влияния межслойного сцепления между элементами дорожных конструкций на амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) ускорения на поверхности дорожной конструкции.

Так как в условиях контакта слоев с учетом потери межслойного сцепления обеспечивается непрерывность передачи нормальных напряжений (сг^) и перемещений ((УУ"1), а передача касательных напряжений (г^ ) отсутствует, то

постановка условий сцепления между элементами дорожной конструкции при проведении моделирования имела следующий вид:

UlJ\R,ZJ) = U<zJ+1)(R,ZJ); aJz(R,Zj) = aJz+1(R,Z,) 7JRz{R,Zj) = t^\R,Zj) = 0;

(7)

Моделирование влияния межслойного сцепления на форму амплитудно-частотной характеристики ускорения поверхности дорожной конструкции осуществлялось при условии полного сцепления между слоями дорожной конструкции (рисунок 4а), отсутствии сцепления на границе нижнего слоя асфальтобетона (рисунок 46), отсутствие сцепления между слоями покрытия, основания, грунта земляного полотна (рисунок 4в). Потеря межслойного сцепления отражается на форме АЧХ ускорения дорожной конструкции на расстоянии 0.75-2.5 м. В дальнейшем рассматриваются результаты регистрации АЧХ ускорения на расстоянии 0.75 м от точки приложения расчетной нагрузки.

На основе результатов проведенного моделирования можно сделать следующие выводы:

;1-1000 МПа/Е2-450МПа/ЕЗ-40 МП а :1=2000 МПа/Е2=450 МПа/ЕЗ=40 МПа ■1=4000 МПа/Е2=450 МПд/ЕЗ=40 МПа :1=вООО МПа/Е2=4БО МПа/ЕЗ=40 МПа :1=8000 МПа/Е2=450 МПа/ЕЗ=40 МПа 1а/£2=450 МПа/еЗ=40 МП|

=10000 N

а/ЕЗ=40 МПа >/ЕЗ-40МПа )/ЕЗ=40 МПа >/ЕЗ=40 МПа

и ударного воздействия, м 0.75

.=2400 МП»/Е2=100 МПа/ЕЗ«40МПа -2ЛОО МПа/Е2-300 МПа/ЕЗ-ЛОМПа -2400 МПа/Е2-500 МПа/ЕЗ=40МПэ

Расстояние о.

:и ударного воздействия, м

Рисунок 3 — Моделирование влияния модулей упругости различных элементов дорожной конструкции на форму чаши максимальных динамических прогибов покрытия.

• Установлено влияние потери межслойного сцепления на форму амплитудно-частотной характеристики ускорения на поверхности дорожной конструкции. При полном межслойном сцеплении между всеми элементами нежесткой дорожной конструкции на АЧХ ускорения поверхности дорожной конструкции присутствует один четко выделенный экстремум (рисунок 4а).

сти дорожной конструкции при ударном воздействии для различных условий межслой-ного сцепления на границах слоев дорожной конструкции,

• Выявлено, что потеря межслойного сцепления между конструктивными слоями покрытия (асфальтобетона) и основания приводит к образованию двух локальных экстремумов на АЧХ ускорения поверхности дорожной конструкции в частотных диапазонах 0-310 Гц, 310 - 500 Гц (рисунок 46);

• Потеря межслойного сцепления между всеми конструктивными элементами дорожной конструкции приводит к образованию трех локальных экстремумов на АЧХ ускорения поверхности дорожной конструкции в частотных диапазонах 0-180 Гц, 180 - 350 Гц, 350- 500 Гц (рисунок 4в).

В третьей главе представлены результаты экспериментальной регистрации чаш максимальных динамических прогибов, и амплитудно-частотных характеристик ускорения поверхности дорожных конструкций. Экспериментально обоснована адекватность разработанной методики построения расчетных чаш максимальных динамических прогибов дорожной конструкции. Экспериментально обоснована адекватность результатов исследования влияния межслойного сцепления на форму амплитудно-частотной характеристики ускорения поверхности дорожной конструкции.

Экспериментальная регистрация чаш максимальных динамических прогибов и АЧХ ускорения поверхности дорожной конструкции осуществлялась на участках автомобильных дорог I технической категории (автомобильные дороги А-135 и М 4 «ДОН»), По результатам визуальной оценки на обследуемом участке автомобильной дороги А-135 была выявлена колейность глубиной до 2 см. Фактическое значение общего модуля упругости дорожной конструкции на данном участке, полученное в ходе традиционных измерений прочности дорожной конструкции с использованием длиннобазового рычажного прогибоме-ра и рассчитываемое в соответствии с методикой ОДН 218.1.052-2002) составило 329 МПа. На обследуемых участках автомобильной дороги М-4 «ДОН» бы-

ли отмечены такие дефекты как: сетка трещин, поперечные трещины, колей-ность. На данных участках фактическое значение общего модуля упругости составило 240 МПа.

В качестве экспериментального оборудования для регистрации чаш максимальных динамических прогибов и амплитудно-частотных характеристик ускорения поверхности дорожной конструкции применялся мобильный вибро-измерительпый комплекс ВИК-1, разработанный в РГСУ. Схема проведения регистрации чаш максимальных динамических прогибов приведена на рисунке 5. Точки расположения датчиков выбирались исходя из результатов проведенного численного эксперимента по исследованию закономерностей формирования чаш прогибов дорожной конструкции при различном сочетании модулей упругости элементов дорожных конструкций. Для обработки зарегистрированных в ходе натурных измерений данных был разработан программный комплекс «УДАР».

/~~7~ / "ч / "Лк.

Установка ударного нэтружвния

Рисунок 5-Схема проведения экспериментальных работ по регистрации чаш максимальных динамических прогибов на поверхности покрытия (1,2,3,4 - датчики-

акселерометры)

Результаты экспериментальной регистрации чаш максимальных динамических прогибов (рисунок 6) и амплитудно-частотных характеристик ускорения точек поверхности дорожной конструкции позволили сделать следующие вы-

ВОДЫРасстояние от точки ударного воздействия, м

Расстояние от точки ударного воздействия, м

0.75 1.25

Рисунок 6 - Экспериментальные чаши максимальных динамических прогибов, зарегистрированные на участках автомобильной дороги А-135(а) и М4 «ДОН»(б)

• Максимальные значения вертикальных прогибов зарегистрированных на участке автомобильной дороги М4 «ДОН» (рисунок 66) значительно превышают аналогичные значения, регистрируемые на участках автомобильной дороги А-135 (рисунок 6а), что согласуется с результатами оценки фактического общего модуля упругости дорожной конструкции на данных участках. При этом существенные различия имеет геометрия чаш максимальных динамических прогибов на обследованных участках, что связано с различным состоянием элементов дорожной конструкции на стадии эксплуатации.

• Амплитудно-частотная характеристика ускорения, зарегистрированная на поверхности дорожной конструкции может иметь различную форму для различных обследуемых участков автомобильных дорог. Так на автомобильной дороге А-135 выявлен ряд участков, характеризующихся наличием одного локального экстремума на АЧХ ускорения поверхности дорожной конструкции, что опираясь на результаты математического моделирования свидетельствует о полном межслойном сцеплении между конструктивными элементами дорожной конструкции и согласованности в их работе при ударном воздействии. На ряде участков автомобильной дороги М4 «ДОН» зарегистрированы АЧХ ускорения характеризуемые наличием 2-3 локальных экстремумов, что свидетельствует о потере сцепления между элементами нежестких дорожных конструкций на данных участках.

Оценка адекватности разработанной методики построения расчетной чаши максимальных динамических прогибов дорожной конструкции производилась на участке строительства новой дорожной конструкции.

Экспериментальная регистрация чаш максимальных динамических прогибов производилась на поверхности каждого вновь устраиваемого слоя дорожной конструкции. Для сопоставления результатов экспериментальной регистрации чаш максимальных динамических прогибов и результатов численного моделирования на основе аналитической модели динамического НДС многослойного полупространства, было произведено послойное моделирование динамического воздействия малогабаритной установки ударного нагружения с построением расчетных чаш максимальных динамических прогибов на поверхности:

-грунта земляного полотна (рисунок 7а);

- слоя основания из щебня, уложенного по способу заклинки (рисунок 7

б);

- слоя основания из тощего бетона (рисунок 7в).

Результаты сопоставления расчетных и экспериментальных чаш максимальных динамических прогибов приведены на рисунке 7.

Также на обследованных участках автомобильных дорог проведена проверка адекватности результатов расчета АЧХ ускорения точек поверхности дорожной конструкции, и результатов экспериментальной регистрации данной характеристики. Сопоставление расчетных и экспериментальных форм АЧХ ускорения позволило сделать вывод о достаточно хорошей сходимости получаемых результатов, что подтверждается соответствием экспериментальных значений частотных экстремумов рассчитанным величинам, и экспериментально

обосновать возможность выявления участков дорожной конструкции на кото-

динамических прогибов, зарегистрированной на границах слоев дорожной конструкции

на стадии строительства В четвертой главе разработан расчетно-экспериментальный метод, позволяющий производить оценку модулей упругости конструктивных элементов эксплуатируемых дорожных конструкций. Обоснована адекватность разработанного метода. Проведена апробация разработанного метода для участков эксплуатируемых автомобильных дорог.

Па основе проведенных численных и экспериментальных исследований разработан неразрушающий метод оценки модулей упругости элементов нежестких дорожных конструкций на стадии эксплуатации, базирующийся на комплексном расчетно - экспериментальном подходе к исследованию характеристик динамического деформирования на поверхности дорожной конструкции, реализованный в программном комплексе «У1Ьго1аЬ»

В рамках данного метода производится экспериментальная регистрация сигнала отклика дорожной конструкции при ударном воздействии с использованием датчиков - акселерометров. После цифровой обработки зарегистрированного в полевых условиях сигнала получаем АЧХ ускорения точек поверхности дорожной конструкции, и амплитудно-временные характеристики вертикальных перемещений поверхности дорожной конструкции, максимальные значения которых формируют экспериментальную чашу максимальных динамических прогибов дорожной конструкции.

На основе анализа формы АЧХ ускорения поверхности дорожной конструкции проводится анализ условий сцепления между ее элементами. О полном (жестком) межслойном сцеплении между элементами дорожной конструкции свидетельствует наличие одного частотного экстремума на АЧХ ускорения, зарегистрированной на поверхности покрытия.

0-00 100.00 200.00 300.00 400 00 500.00

Сопоставление расчетной и экспериментальной АЧХ ускорения точек поверхности дорожной конструкции при условии полного межслоиного сцепления между ее элементами

Частота (Н), Гц

А, м/с2

стик АЧХ ускорения на участке с учетом потерн сцепления между всеми элементами дорожной конструкции.

0.00 100.00 200.00 300.00 400.00 600.00

Сопоставление экспериментальной и расчетной характеристик АЧХ ускорения с учетом потери сцепления на нижней границе слоев асфальтобетона

Рисунок 8 - Сопоставление экспериментальных (верхний ряд) и расчетных (нижний ряд) форм ампчитудно-частотных характеристик ускорения поверхности дорожных конструкций

Наличие двух и более частотных экстремумов свидетельствует о потере межслойного сцепления между отдельными элементами нежесткой дорожной конструкции.

В случае обеспеченности межслойного сцепления производится построение экспериментальной и расчетной чаш максимальных динамических прогибов поверхности дорожной конструкции.

Заключительным этапом определения модулей упругости элементов нежестких дорожных конструкций на стадии эксплуатации является корректировка расчетных чаш максимальных динамических прогибов относительно чаш динамических прогибов, зарегистрированных экспериментально.

Для параметров расчетной модели применяется методика последовательной корректировки модулей упругости элементов дорожной конструкции. При процедуре последовательной корректировки число определяемых параметров (модулей упругости элементов дорожной конструкции) не должно превышать количество точек регистрации чаш максимальных динамических прогибов.

В силу различного влияния изменения модуля упругости на геометрию чаши максимальных прогибов процедуру корректировки целесообразно начинать с корректировки модуля упругости грунта земляного полотна по датчику, расположенному на расстоянии 1,25-2,5 м. Далее путем варьирования модуля упругости слоя основания достигается соответствие, с заданной точностью, экспериментальной и расчетной чаш максимальных динамических прогибов по точкам удаленным от места ударного воздействия на расстоянии 0,25-1,25 м.

На последнем этапе происходит окончательная корректировка модуля упругости асфальтобетона путем сопоставления максимальных динамических прогибов в наиболее близкой к источнику ударного воздействия зоне 0 - 0,25 м. Относительная погрешность между расчетными и экспериментальными значениями вертикальных перемещений точек поверхности дорожной конструкции не должна превышать 10 %. Алгоритм разработанного расчетно-экспериментального метода оценки модулей упругости элементов нежестких дорожных конструкций на стадии эксплуатации приведен на рисунке 9.

Для оценки адекватности разработанного расчетно-экспериментального метода производилось сопоставление результатов измерения упругого прогиба, замеренного с использованием длиннобазового рычажного прогибомера, и рассчитанного по аналитической модели НДС многослойного полупространства на основе модулей упругости элементов дорожной конструкции, полученных с использованием разработанного расчетно-экспериментального метода. На основе полученных результатов (таблица 1) доказана адекватность разработанного метода.

Таблица 1- Сопоставление экспериментальных и расчетных значений прогиба дорожной конструкции __

Участок автомобильной дороги Экспериментальное значение, полученное с использованием прогибомера, мм Расчет по аналитической модели с откорректированными модулями упругости, мм

ПК 417+00 0.30 0.31

ПК 424+30 0.44 0.42

1ЭТАП

Натурные испытания дорожных конструкций X

II ЭТАП

Численное моделирование деформирования дорожных конструкций

Регистра пия амплитудно-временной характеристики ускорений в точках наблюдения прн испытании дорожной конструкция ударным нагружением

Построение на основе преобразования Фурье ЛЧХ ускорений н АВХ перемещений в точках наблюдения

Анализ формы АЧХ ускорений на расстоянии 0.75 м от точки ударного нагружения

Параметры нагрузки,

- Масса груза - т, кг

- Радиус штампа - г, м -Высота падения груза - Ь, м

• Нормативные модули упругости слоев дорожной констр.-^ МПа;

• Толщины слоев - Л*, см;

• Коэффициенты Пуассона - щ,

• Плотности слоев-рь кг м3.

• Точки наблюдения на

поверхности дерожной конструкции-К, м. (точкнв которых производится расчет вертикальных перемещений)

Более одного локального экстремума

Вывод об ( межслонног между эл дорожной к жутствин о сцепления ¡ментами онструкции

Один экстремум на АЧХ ускорений

Построение экспериментальной чаши максимальных динамических прогибов на текущем этапе эксплуатации

Аналитическая модель динамического НДС многослойного полупространства

Построение расчетной чашн максимальных динамических прогибов

ШЭТАП

Определение модулей упругости элементов дорожной конструкции на стадии эксплуатации

Чашн максимальных динамических прогибов совпадают (допустимая погрешность 5- не более 10 ••■•)

Неприменимость аналитической модели с условиями полного (жеегкого) сцепления мевду элементами дорожной конструкции

X

Значения модулей упругости элементов дорожной конструкция на текущем этапе эксплуатации, Е?

Корректировка модулей упругости слоев дорожной конструкции

Рисунок 9 - Алгоритм расчетно-эксперименталъного метода оценки модулей упругости элементов эксплуатируемых

дорожных конструкций

Апробация разработанного метода осуществлялась на участках эксплуатируемых автомобильных дорог, на которых было выявлено полное межслой-ное сцепление между элементами дорожных конструкций.

Данные о дорожных конструкциях на данных участках автомобильных дорог принимались в соответствии с результатами бурения. Результаты определения толщин слоев приведены в таблице 2:

Таблица 2 - Дорожные конструкции на обследуемом участке автомобильной дороги______

Наименование конструктивного слоя Толщины слоев дорожной конструкции (см) на участках

Км 0+200 Км 0+500 Км 1+700 Км 2+600

Асфальтобетон (Е|) 30 30 26 28

Гравийно-песчаная смесь (Ег) 48 48 50 46

Суглинок (супесь) (Ез) со 00 00 со

Нормативные значения модулей упругости элементов дорожной конструкции принимались по ОДН 218.046-01 в виде средневзвешенных величин.

Расчетные и экспериментальные чаши максимальных динамических прогибов дорожной конструкции до и после корректировки приведены на рисунке 10.

Рисунок 10 - Экспериментальная и расчетные чаши максимальных динамических прогибов дорожной конструкции до и после корректировки на участке а/д 1 категории

км 0+200

Результаты определения модулей упругости элементов нежестких дорожных конструкций на стадии эксплуатации приведены в таблице 3.

Таблица 3 - Результаты оценки модулей упругости конструктивных элементов нежестких дорожных конструкций на участках автомобильных дорог, характеризующихся полным межслойным сцеплением_

Элемент дорожной конструкции Нормативное значение модуля упругости, МПа. Эксплуатационные значения модулей упругости (МПа) на участках

км 0+200 км 0+500 км 1+700 км 2+600

Е, 2500 1600 2100 1900 1000

е2 300 130 170 200 150

Ез 46 20 20 30 30

По результатам оценки значений модулей упругости элементов нежестких дорожных конструкций на стадии эксплуатации можно сделать вывод о

снижении модулей упругости покрытия, основания, и грунта земляного полотна дорожной конструкции относительно нормативных значений на обследуемых участках км 0+200, км 0+500, км 1+700, км 2+600 автомобильной дороги.

Разработанный расчетно-экспериментальный метод оценки модулей упругости элементов эксплуатируемых нежестких дорожных конструкций был внедрен при проведении диагностики на участке автомобильной дороги А-280 «Ростов-на-Дону - Таганрог - Государственная граница с Украиной» км 29+300 - км 36+000. На основе результатов проведенной оценки были выявлены «ослабленные» элементы эксплуатируемой дорожной конструкции на данном участке и предложены мероприятия по повышению ее прочности до требуемых значений.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Проведенный анализ показал, что в основе применяемых в зарубежной практике аналитических моделей слоистых сред лежат положения статической теории упругости, что не соответствует реальным условиям динамического нагружения дорожных конструкций при испытании их ударной нагрузкой. Преодолеть данные ограничения возможно путем применения аналитической модели динамического НДС многослойного полупространства. Достоинствами данной модели является возможность моделирования динамического нагружения на поверхности многослойного полупространства и возможность исключения при расчете влияния отраженных воли от фиктивных границ исследуемой среды

2. На базе аналитической модели динамического напряженно-деформированного состояния многослойного полупространства разработана методика построения расчетной чаши максимальных динамических прогибов поверхности дорожной конструкции при ударном нагружения;

3. На основе аналитической модели динамического НДС многослойного полупространства исследованы закономерности изменения геометрии расчетной чаши максимальных динамических прогибов дорожных конструкций различных по прочности при различных соотношениях механических характеристик слоев. Анализ полученных результатов позволил сделать следующие выводы:

• При снижении общего модуля упругости дорожной конструкции наблюдается увеличение максимальных вертикальных перемещений точек поверхности дорожной конструкции на расстоянии до 2.5 м от точки приложения ударного нагружения для всех рассматриваемых нежестких дорожных конструкций;

• Модуль упругости конструктивных слоев покрытия (асфальтобетона) оказывает наибольшее влияние на изменение формы чаши максимальных динамических прогибов в зоне 0.00-0.25 м для дорожных конструкций, характеризующихся различной прочностью;

• Изменение вертикальных перемещений поверхности покрытия дорожной конструкции на расстоянии 0.25 м от точки приложения нагрузки связано со значениями модуля упругости как слоев покрытия (асфальтобетона) так и слоя основания. При этом на удалении от нагрузки на расстоянии 0.75 м и 1.25 м возрастает влияние модуля упругости основания дорожной конструкции;

• Варьирование модуля упругости грунта земляного полотна оказывает наибольшее влияние на дальнюю зону в геометрии чаши максимальных динамических прогибов на расстоянии 1.25 м - 2.5 м для всех рассматриваемых нежестких дорожных конструкций;

4. Исследовано влияние условий межсловного сцепления на характеристики динамического деформирования поверхности дорожной конструкции при ударном воздействии. Анализ полученных результатов позволил сделать следующие выводы:

• При полном межслойном сцеплении между всеми элементами нежесткой дорожной конструкции на АЧХ ускорения поверхности дорожной конструкции присутствует одии четко выделенный экстремум;

• Выявлено, что потеря межслойного сцепления между конструктивными слоями покрытия (асфальтобетона) и основания приводит к образованию двух локальных экстремумов на АЧХ ускорения поверхности дорожной конструкции в частотных диапазонах 0-310 Гц, 310 - 500 Гц;

• Потеря межслойного сцепления между всеми конструктивными элементами дорожной конструкции приводит к образованию трех локальных экстремумов на АЧХ ускорения поверхности дорожной конструкции в частотных диапазонах 0-180 Гц, 180 - 350 Гц, 350 - 500 Гц.

5. Проведены экспериментальные работы по регистрации чаш максимальных динамических прогибов поверхности дорожной конструкции и регистрации амплитудно-частотных характеристик ускорения поверхности новых и эксплуатируемых дорожных конструкций. Проведено сопоставление результатов натурных экспериментальных исследований и результатов получепных путем механико-математического моделирования. Показана адекватность разработанной методики построения расчетных чаш максимальных динамических прогибов дорожной конструкции. Экспериментально обосновано и доказано путем сопоставления с результатами моделирования влияние потери межслойного сцепления на амплитудно-частотную характеристику ускорений поверхности нежесткой дорожной конструкции.

6. Разработан расчетно-экспериментальный метод оценки модулей упругости элементов нежестких дорожных конструкций на стадии эксплуатации, и выявлены границы применимости используемой в рамках данного метода аналитической модели динамического НДС многослойного полупространства с условиями полного (жесткого) межслойного сцепления.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях:

1. Тиратурян, А. Н. Анализ программ для «обратного» расчета модулей упругости конструктивных элементов нежестких дорожных одежд [Текст] / А. Н. Тиратурян // Строительство и реконструкция. - 2012. - №4 (42) - С. 78-84

2. Тиратурян, А. Н. Использование метода "обратного" расчета при эксплуатации автомобильных дорог [Текст] / В. В. Мизонов, А. Н. Тиратурян // Наука и техника в дорожной отрасли,- 2011. - № 1- С. 25-27

3. Тиратурян, А. Н. Программный комплекс для «обратного» расчета динамических модулей упругости эксплуатируемых дорожных конструкций с учетом параметров воздействия установок нагружения дорожных одежд/ А.Н.Тиратурян, Е.В.Углова // Интернет-журнал «Науковедение». 2012 №3 (12) [Электронный ресурс]. - М. 2012 - Режим доступа: http://naukovedenie.ru/sbornikl2/12-120.pdf, свободный - Загл. с экрана.

4. Тиратурян, А. Н. Влияние межслойного сцепления на спектральные характеристики отклика нежестких дорожных одежд [Текст] / А. Н. Тиратурян, Е. В. Углова, А. А. Ляпин // Вестник ВолгГАСУ. Серия «Строительство и архитектура». - 2012. - № 28 (47) - С. 102-109

5. Тиратурян, А. Н Оценка эксплуатационного состояния элементов дорожной конструкции усовершенствованным методом спектрального анализа волновых полей [Текст] / Е. В. Углова, В. В. Мизонов, А. Н. Тиратурян, // Вестник ВолгГАСУ. Серия «Строительство и архитектура». - 2011. - № 23 (42) - С. 97-103

6. Тиратурян, А. Н Обратная задача об определении значений модулей упругости слоев эксплуатируемых дорожных конструкций [Текст] / В. В. Мизонов, А. А. Ляпин., А.Н. Тиратурян и др. // Строительство и реконструкция. - 2011. - № 2 (34) - С. 88-93

Патенты РФ на изобретения и полезные модели

7. Патент РФ № 2451917 С1 С0Ш7/00 от 25.02.2011г. «Способ определения фактических значений динамических модулей упругости слоев дорожной конструкции на стадии эксплуатации» [Электронный ресурс] / С. К. Илиополов, Е. В. Углова, А. Н. Тиратурян и др. - Режим доступа: http://wwwl.fips.ru/fips_servl/fips_servlet

в других изданиях

8. Тиратурян, А. Н. Обратные задачи в дорожно - строительной практике [Текст] / А. Н. Тиратурян, Е. В. Углова // Сб. Международ. НПК «Строи-тельство-2012». - Ростов-н/Д, 2012. - С. 43 - 45

9. Тиратурян, А. Н. Обзор геофизических методов неразрушающего контроля прочности дорожных конструкций / Д. А. Николенко, А. Н. Тиратурян, А. И. Фалынсков и др.// Сб. Международ. НПК «Строительство-2012». -Ростов-н/Д, 2012.-С. 23-25

10. Тиратурян, А. Н. Оценка состояния нежестких дорожных конструкций путем экспериментального анализа волновых полей при импульсном воздействии [Текст] / А. Н. Тиратурян, В. В. Мизонов, Р. Ф. Капитоненко и др.

// Сб. Международ. НПК «Строительство-2012». - Ростов-н/Д, 2012. - С 45 -47

11. Тиратурян, Л. Н. Сравнительный анализ требований к дорожно-строительным материалам, применяемым в практике Российской Федерации и Федеративной республики Германия [Текст] / Е. В. Углова, А. Н. Тиратурян, А.

A. Лукашова // Сб. Международ. НПК «Строительство-2012». - Ростов-н/Д, 2012.-С. 47-49

12. Тиратурян, А. Н. Изучение зарубежного опыта выполнения «обратного» расчета модулей упругости слоев дорожной одежды [Текст] / С. К. Илиополов, В. В. Мизонов, А. Н. Тиратурян // Сб. Международ. НПК «Строи-тельство-2010». - Ростов-н/Д, 2010. - С. 22 - 23

13. Тиратурян, А. Н. Анализ расчетных значений динамических модулей упругости асфальтобетонов [Текст] / О. В. Конорева, А. Н. Тиратурян, В. В. Мизонов и др. // Сб. Международ. НПК «Строительство-2011». - Ростов-н/Д, 2011.-С. 7-8

14. Тиратурян, А. Н. К определению диссипативных свойств асфальтобетонных слоев дорожной одежды [Текст] / А. А. Ляпин, В. В. Мизонов, А. Н. Тиратурян // Сб. Международ. НПК «Строительство-2011». - Ростов-н/Д, 2011.-С. 9- 10

15. Тиратурян, А. Н. Определение эксплуатационных значений модулей упругости элементов дорожной конструкции [Текст] / А. Н. Тиратурян, В.

B. Мизонов // Материалы VI всероссийской НПК «Развитие дорожно-транспортного комплекса и строительной инфраструктуры на основе рационального природопользования». - Омск, 2011. - С. 38 - 41

16. Тиратурян, А. Н. Разработка теоретических основ «обратного» расчета модулей упругости слоев дорожной конструкции па стадии эксплуатации [Текст] / Е. В. Углова, А. Н. Тиратурян, В. В. Мизонов // Известия Ростовского государственного строительного университета. - Ростов-н/Д, 2011. - № 15.-С. 84-89

17. Тиратурян, А. Н. Обратная коэффициентная задача определения модулей упругости элементов многослойной среды [Текст] / Е. В. Углова, А. А. Ляпин, А.Н. Тиратурян и др. // Сборник МНПК «Проблемы современного строительства». - Пенза, 2011. - С. 212-216

18. Тиратурян, А. Н. Межслойное сцепление [Текст] / Е. В. Углова, А. А. Ляпин, А. Н. Тиратурян // Автомобильные дороги. - 2013. - №2 (975). - Февраль. - С. 70 -73

Подписано в печать 18.03.2014 г. Формат 60x84 1/16. Бумага писчая. Ризограф.

_Уч.-изд. л. 2,0. Тираж 120. Заказ № 3346._

Ростовский государственный строительный университет 344022, г. Ростов-на-Дону, ул. Социалистическая, 162. Отпечатано в КМЦ «КОГШЦЕНТР» 344006, г. Ростов-на-Дону, ул. Суворова, 19, тел. 247-34-88

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОСТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ .

УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

04201457519

ТИРАТУРЯН Артем Николаевич

РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ МЕТОД ОЦЕНКИ МОДУЛЕЙ УПРУГОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ НЕЖЕСТКИХ ДОРОЖНЫХ КОНСТРУКЦИЙ НА СТАДИИ ЭКСПЛУАТАЦИИ

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

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Углова Евгения Владимировна

Волгоград, 2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

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

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ......11

1.1 Обзор расчетных моделей для анализа напряженно-деформированного состояния дорожных конструкций.......................................................11

1.2 Обзор технических средств и методов экспериментальной оценки состояния дорожных конструкций на стадии эксплуатации, применяемых в практике Российской Федерации..............................19

1.3 Обзор технических средств и методов экспериментальной оценки состояния дорожных конструкций на стадии эксплуатации в зарубежной практике............................................................................25

1.4 Обзор технических средств и методов оценки состояния дорожных конструкций на стадии эксплуатации на основе чаши прогибов.......29

1.5 ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ................................................44

2 МЕХАНИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ДЕФОРМИРОВАНИЯ НЕЖЕСТКИХ ДОРОЖНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПРИ УДАРНОМ ВОЗДЕЙСТВИИ............................47

2.1 Постановка задачи определения модулей упругости элементов

нежестких дорожных конструкций на основе экспериментальной чаши динамических прогибов........................................................................47

2.2 Разработка методики построения расчетной чаши максимальных

динамических прогибов нежесткой дорожной конструкции на основе аналитической модели динамического НДС многослойного полупространства..................................................................................49

2.2.1 Входные данные для построения расчетной чаши максимальных динамических прогибов.....................................................................................49

2.2.2 Механические характеристики исследуемой конструкции..............50

2.2.3 Параметры ударного нагружения.......................................................52

2.2.4 Параметры исследуемой области........................................................55

2.2.5 Методика построения расчетной чаши максимальных динамических прогибов дорожной конструкции на базе аналитической модели динамического НДС многослойного полупространства............................................................55

2.2.6 Учет диссипации энергии ударного воздействия в слоях асфальтобетона...................................................................................................62

2.3 Механико-математическое моделирование чаш максимальных

динамических прогибов дорожных конструкций...............................64

2.4 Исследование влияния потери межслойного сцепления между

элементами нежестких дорожных конструкций при ударном воздействии...........................................................................................78

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2...........................................................................................86

3 ПРОВЕДЕНИЕ КОМПЛЕКСА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ РАБОТ ПО РЕГИСТРАЦИИ ХАРАКТЕРИСТИК ДИНАМИЧЕСКОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ НА ПОВЕРХНОСТИ НЕЖЕСТКИХ ДОРОЖНЫХ КОНСТРУКЦИЙ...............................................................88

3.1 Модификация комплекта пьезокерамических виброакселерометров для регистрации экспериментальной чаши максимальных динамических прогибов................................................................................................91

3.2. Методика проведения натурных испытаний............................................95

3.3 Программный комплекс для обработки экспериментальных данных, получаемых в ходе регистрации чаш динамических прогибов.....................100

3.3.1 Отбор опытов для анализа и выбор типичного опыта. Построение АЧХ ускорений..........................................................................................................105

3.3.2 Построение АВХ перемещений и чаши прогиба............................107

3.4 Проведение экспериментальных работ по регистрации характеристик деформирования эксплуатируемых дорожных конструкций...........109

3.5 Оценка корректности методики построения расчетных чаш максимальных динамических прогибов точек поверхности нежесткой дорожной конструкции.......................................................................119

3.6 Оценка адекватности результатов моделирования амплитудно-частотных характеристик ускорения поверхности дорожной конструкции с учетом влияния межслойного сцепления.................125

4 РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ МЕТОД ОЦЕНКИ МОДУЛЕЙ УПРУГОСТИ КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ НЕЖЕСТКИХ ДОРОЖНЫХ КОНСТРУКЦИЙ НА СТАДИИ ЭКСПЛУАТАЦИИ... 133

4.1 Основные положения расчетно-экспериментального метода оценки модулей упругости элементов нежестких дорожных конструкций. 133

4.2 Оценка адекватности расчетно-экспериментального метода оценки динамических модулей упругости конструктивных элементов

нежестких дорожных конструкций на стадии эксплуатации...........137

4.3 Оценка модулей упругости элементов нежестких дорожных конструкций на стадии эксплуатации................................................141

4.4 Внедрение разработанного метода на участке эксплуатируемой дорожной конструкции при проведении работ по диагностике............................148

ВЫВОДЫ ПО IV ГЛАВЕ.......................................................................................153

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.................................................................................................155

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ......................................................................................158

ПРИЛОЖЕНИЕ......................................................................................................172

ВВЕДЕНИЕ

Важнейшей задачей стоящей перед дорожной отраслью Российской Федерации является увеличение срока службы эксплуатируемых автомобильных дорог. Добиться этой цели можно за счет рационального выбора дорожно - ремонтных работ, основой для которого должны служить результаты диагностики состояния автомобильной дороги на стадии эксплуатации.

В рамках, существующих на данный момент методов и средств диагностики транспортно-эксплуатационного состояния автомобильных дорог, серьезнейшее внимание следует уделять оценке прочности дорожных конструкций на стадии эксплуатации. В существующей нормативной методике (ОДН 218.1.052-2002) [37] единственным показателем, характеризующим прочность эксплуатируемой дорожной конструкции, определяемым с использованием неразрушающих методов контроля является общий модуль упругости. Общий модуль упругости дорожной конструкции достаточно объективно характеризует ее прочность в целом, но не позволяет выявить наиболее ослабленный элемент в ее структуре (покрытие, основание, грунт земляного полотна).

Для оценки состояния слоев или элементов дорожных конструкций в практике РФ применяют только разрушающие методы контроля, в частности отбор кернов асфальтобетона (с последующим испытанием материала в лабораторных условиях), устройство вырубок на проезжей части и.т.д. Применение данных методов трудоемко и приводит к образованию дополнительных источников разрушения дорожной конструкции. Методы же неразрушающего контроля на основе которых возможно было бы получить значения модулей упругости элементов дорожных конструкций на стадии эксплуатации в отечественной практике отсутствуют полностью.

Таким образом в настоящее время очевидна актуальность и необходимость разработки неразрушающего метода оценки состояния элементов нежестких дорожных конструкций на стадии эксплуатации, путем определения их модулей упругости

Разработка подобных методов на современном этапе невозможна без привлечения фундаментальных положений динамической теории упругости и вязкоупругости, на основе которых возможно создание математических моделей многослойных сред, адекватно описывающих реальные дорожные конструкции, и исследование закономерностей динамического деформирования дорожных конструкций в разных условиях тестового воздействия. Важнейшее значение имеет также и применение современного экспериментального оборудования позволяющего регистрировать характеристики деформирования на поверхности дорожной конструкции на различном удалении от точки приложения нагрузки.

Целью диссертационной работы является разработка неразрушающего метода оценки модулей упругости элементов нежестких дорожных конструкций на стадии эксплуатации, базирующегося на комплексном расчетно-экспериментальном подходе к исследованию характеристик динамического деформирования на поверхности дорожной конструкции.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

-провести теоретический анализ современных подходов к решению задачи оценки состояния элементов нежестких дорожных конструкций с использованием методов неразрушающего контроля;

-разработать методику построения расчетных чаш максимальных динамических прогибов поверхности дорожной конструкции при ударном воздействии, на базе аналитической модели динамического НДС многослойного полупространства.

-исследовать основные закономерности изменения геометрии расчетной чаши максимальных динамических прогибов дорожных конструкций

различных по прочности при различных соотношениях механических характеристик слоев;

- исследовать влияние условий межслойного сцепления элементов дорожных конструкций на динамические характеристики деформирования, регистрируемые на поверхности дорожного покрытия при ударном воздействии;

- провести экспериментальные работы по регистрации чаш максимальных динамических прогибов и амплитудно-частотных характеристик ускорения поверхности дорожных конструкций на стадии строительства и эксплуатации, и сопоставление полученных результатов с результатами численного эксперимента;

- разработать неразрушающий метод оценки модулей упругости элементов нежестких дорожных конструкций на стадии эксплуатации, базирующийся на комплексном расчетно-экспериментальном подходе к исследованию характеристик динамического деформирования на поверхности дорожной конструкции.

Объект исследования: Нежесткие дорожные конструкции

Методы исследования: Результаты диссертационного исследования получены методами документального изучения, механико-математического моделирования, и натурного исследования.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- разработан алгоритм оценки модулей упругости элементов (слоев) нежестких дорожных конструкций на стадии эксплуатации (патент на изобретение № 2451917)

- проведена модернизация существующей аналитической модели динамического НДС многослойного полупространства, обеспечивающая

возможность построения расчетной чаши максимальных динамических прогибов на поверхности дорожной конструкции;

- установлены закономерности изменения геометрии чаши максимальных динамических прогибов поверхности дорожных конструкций при различном сочетании модулей упругости их элементов (слоев) для автомобильных дорог различных технических категорий

- изучены связи между межслойным сцеплением на границах элементов дорожной конструкций и амплитудно-частотной характеристикой ускорения регистрируемой на поверхности дорожной конструкции.

Достоверность результатов, содержащихся в диссертации обеспечена применением современного поверенного экспериментального оборудования и программного обеспечения, а также сходимостью результатов численного моделирования с результатами натурного эксперимента.

Практическая значимость работы:

- разработан метод оценки модулей упругости элементов (слоев) нежестких дорожных конструкций на стадии эксплуатации, позволяющий рационализировать мероприятия по ремонту и реконструкции эксплуатируемых автомобильных дорог;

- разработан программный комплекс для реализации расчетно-экспериментального метода оценки модулей упругости элементов нежестких дорожных конструкций;

- предложен экспериментальный подход к оценке условий сцепления между элементами нежесткой дорожной конструкции на стадии эксплуатации;

установлены границы применимости аналитической модели динамического НДС многослойного полупространства, используемой в рамках разработанного метода.

На защиту выносятся:

- результаты механико-математического моделирования характеристик деформирования нежестких дорожных конструкций при воздействии ударного нагружения на основе аналитической модели динамического НДС многослойного полупространства;

- результаты натурных опытно-экспериментальных исследований по регистрации чаш максимальных динамических прогибов и амплитудно-частотных характеристик ускорения поверхности дорожной конструкции при ударном нагружении;

- расчетно-экспериментальный метод оценки модулей упругости элементов нежестких дорожных конструкций на стадии эксплуатации.

Реализация результатов работы:

Результаты исследований использовались при составлении научно-технических отчетов по темам НИОКР Росавтодора и Государственной компании «Российские автомобильные дороги» в 2009 - 2013 г:

«Разработка теоретических основ «обратного» расчета модулей упругости слоев дорожных одежд нежесткого типа по результатам полевых испытаний дорожных конструкций установкой ударного нагружения»,

«Разработка методических рекомендаций по предпроектной оценке состояния нежестких дорожных одежд для обоснования технических решений проектов реконструкции и капитального ремонта автомобильных дорог государственной компании «Автодор»;

«Разработка и научное сопровождение внедрения аналитико-эмпирического метода оценки модулей упругости слоев эксплуатируемых дорожных конструкций автомобильных дорог государственной компании «Российские автомобильные дороги»;

. Апробация результатов исследования

Основные положения диссертационной работы представлялись и обсуждались на Международных научно-практических конференциях Строительство (г. Ростов-на-Дону 2010, 2011, 2012) на 4-й Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов, и молодых ученых «Развитие дорожно-транспортного комплекса и строительной инфраструктуры на основе рационального природопользования» (г. Омск, 2011 г.), на Международной научно-практической конференции «Проблемы современного строительства» (г. Пенза 2011).

Публикации:

По теме диссертационной работы автором опубликовано 18 научных работ, в том числе 6 работ в ведущих рецензируемых научных журналах, и патент на изобретение № 2451917 «Способ определения фактических значений динамических модулей упругости слоев дорожной конструкции на стадии эксплуатации», Приоритет изобретения 25.02.2011. Зарегистрировано в ГОСРЕЕСТРЕ изобретений РФ 27.05.2012.

Структура и объем диссертации:

Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения и библиографии. Общий объем диссертации составляет 175 страниц, 99 рисунков, 27 таблиц, библиографический список из 138 наименований, 1 приложение.

Автор выражает искреннюю благодарность своему научному руководителю доктору технических наук, профессору Евгении Владимировне Угловой за внимание, помощь, ценные советы и замечания в процессе работы над диссертацией.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1 Обзор расчетных моделей для анализа напряженно-деформированного состояния дорожных конструкций

В основе большинства существующих на данный момент аналитических моделей для анализа напряженно-деформированного состояния дорожных конструкций лежит решение, полученное профессором Колумбийского университета Д. Бурмистером [81-83] для многослойной системы при воздействии неподвижной нагрузки.

В основе его решения лежат следующие гипотезы:

• гомогенности, упругости и однородности каждого слоя многослойной среды;

• верхний слой многослойной среды обладает бесконечной протяженностью в горизонтальном направлении;

• нижний слой не ограничен ни в горизонтальном ни в вертикальном направлении.

Дальнейшие исследования Бурмистера были направлены на решение задачи об определении НДС трехслойной среды, и ему удалось получить уравнение для определения деформации поверхностного слоя [81] В дальнейшем основываясь на работах Бурмистера ученые Acum и Fox получили решение в закрытой форме для граничных напряжений под центром области нагружения [72]. В 1962 Schiffman получил окончательное решение для многослойной среды, которое до сих пор служит основой для программных комплексов анализа напряженно-деформированного состояния дорожной конструкции [128]

Однако, несмотря на глубокую проработку данного решения в первую очередь для двухслойной среды решение Бурмистера долгое время не имело широкого распространения в дорожной практике, что в первую очередь было

связано с громоздкостью уравнений полученных им в общем виде. Сложность «доведения до числа» данного реше�