автореферат диссертации по строительству, 05.23.11, диссертация на тему:Разработка основ комплексного учета динамических воздействий для расчета и конструирования дорожных одежд

Ростовский государственный строительный университет

На правах рукописи

илиополов

Сергей Константинович

РАЗРАБОТКА ОСНОВ КОМПЛЕКСНОГО УЧЕТА ДИНАМИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ ДЛЯ РАСЧЕТА И КОНСТРУИРОВАНИЯ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД

05.23.11 - строительство автомобильных дорог и аэродромов

СИЛЬЯНОВ В.В.

Ростов-на-Дону, 1998

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 6

1. МЕХАНИКО - МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ СИСТЕМЫ "КОНСТРУКЦИЯ ДОРОЖНОЙ ОДЕЖДЫ - ГРУНТ" 19 1.1 Постановка пространственной модельной краевой задачи

механики сплошной среды 22

1.2. Решение вспомогательных задач. 26

1.2.1. Построение общих решений системы уравнений Ляме 27

1.2.2. Решение вспомогательной задачи для бесконечного слоя 32

1.2.3. Решение вспомогательной задачи для полупространства 40

1.2.4. Решение задачи для гетерогенной среды 42

1.3. Задача о динамическом пространственном нагружении

полосы конечной толщины 52

1.4. Воздействие на конструкцию нагрузки, движущейся

с постоянной скоростью 57

1.5. Модельная краевая задача в плоской постановке 59

1.6. Плоские модели с локализованными дефектами 61

1.7. Упрощенные постановки модельных задач 66

2. МЕТОДЫ РЕШЕНИЯ МОДЕЛЬНЫХ КРАЕВЫХ ЗАДАЧ 68

2.1. Решение задачи для многослойного полупространства 70

2.2. Плоские модели исследуемой системы 75

2.2.1. Статическое нагружение конструкции 79

2.2.2. Нестационарное динамическое воздействие

на конструкцию 85

2.3. Алгоритм решения модельной задачи в пространственной постановке 90

2.4. Некоторые частные случаи исследуемой пространственной 98

задачи

3. ОСОБЕННОСТИ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ "СИСТЕМЫ" ПРИ СТАТИЧЕСКОМ И ДИНАМИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ 107

3.1. Особенности воздействия движущегося транспорта на 107

поверхность конструкции дорожной одежды

3.2. Особенности пространственного НДС системы 117 при динамическом нагружении

3.3. Анализ НДС многослойного полупространства при 128 динамическом нагружении

3.4. Анализ возможностей плоской модели системы 140

4. НЕКОТОРЫЕ ПРАКТИЧЕСКИЕ ПРИЛОЖЕНИЯ МЕХАНИКО -МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ СИСТЕМЫ "ДОРОЖНАЯ КОНСТРУКЦИЯ - ГРУНТ" 151

4.1. Влияние динамичности нагружения конструкции на состояние

ее элементов 153

4.2. Резонансные явления в системе "конструкция дорожной

одежды- грунт" и в ее элементах 158

4.2.1. Влияние микро- и макрорезонансов на долговечность автомобильных дорог 160

4.2.2. Учет резонансных явлений при усилении существующих конструкций дорожных одежд 167

4.2.3. Влияние резонансных факторов на устойчивость исследуемой системы в "расчетный" период при максимальном ослаблении грунта земляного полотна 171

4.2.4. Краевые эффекты, возникающие в системе

"дорожная конструкция-грунт" 177

4.2.5. О влиянии микрорезонансных явлений на состояние конструктивных элементов исследуемой системы 183

4.3. Влияние степени уплотнения земляного полотна на развитие разрушений в конструктивных слоях дорожных одежд 187

4.4. Влияние неровностей покрытия автомобильных дорог на сокращение межремонтных сроков 191

4.5. Влияние сверхнормативных нагрузок на долговечность конструкций 194

4.6. Особенности напряженно-деформированного состояния конструкций дорожных одежд с плитами в нижнем слое покрытия 200

4.7. Обоснование выбора оптимальной формы раскрытия поперечных трещин покрытий при их ремонте 213

4.8. Особенности напряженно-деформированного состояния исследуемой системы при наличии подземных коммуникаций

или искусственных сооружений 220

4.9. Некоторые особенности эксплуатации городских автомобильных дорог 229

5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В СИСТЕМЕ "ДОРОЖНАЯ КОНСТРУКЦИЯ-ГРУНТ" 233

5.1. Характер сейсмических процессов в окрестности автомобильных дорог 234

5.2. Методика мониторинга локальных участков

автомобильных дорог и прилегающих территорий 236

5.2.1. Методы расчета и построения сейсмоакустических широкополосных приемников колебательной скорости 239

5.2.2. Характеристики сейсмоакустического приемника 240

5.2.3. Краткая инженерно-геологическая характеристика испытательных участков 243

5.3. Анализ экспериментальных исследований техногенных

воздействий на автомобильные дороги. Локальные резонансы 244

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ 265

ЛИТЕРАТУРА 268 ПРИЛОЖЕНИЯ:

1. Методика расчета напряженно-деформированного состояния 285 дорожных конструкций по "базисной" модели

2. Методика расчета частот "глобального" резонанса дорожных 295

^ I* ч II

конструкции по модели многослойного полупространства

3. Методика расчета напряжений и деформаций в поперечном 300

и II к

сечении дорожной конструкции по плоской модели

4. Пакет прикладных программ для ПЭВМ 307

5. Акты внедрения результатов исследований 363

ВВЕДЕНИЕ

В современных условиях резкого усиления роли автомобильных перевозок в общем объеме грузопотоков, значительного увеличения грузоподъемности транспорта и скоростей его движения происходит ускоренное развитие процессов накопления остаточных деформаций и различных нарушений в конструктивных слоях дорожных одежд, что приводит к преждевременному разрушению покрытий автомобильных дорог и существенному сокращению их межремонтных сроков. Это, наряду с целым рядом других причин, предопределяет в качестве важнейшей проблемы -совершенствование методов проектирования дорожных одежд, ужесточения требований к их конструктивных элементам

Остановимся подробнее на анализе наиболее распространенных в настоящее время методов расчета напряженно-деформированного состояния (НДС) конструкций дорожных одежд.

Для определения необходимой толщины слоев дорожной одежды наиболее распространена расчетная схема, базирующаяся на анализе модели слоистого упругого полупространства при воздействии на его поверхность неподвижной статической нагрузки. Использование этой расчетной схемы при разработке методов проектирования дорожной одежды было важным шагом вперед и позволило достичь больших успехов. В 40-х годах в нашей стране и за рубежом на основе расчетов Б.И.Когана, Г.С.Шапиро, Д.Бурмистер [93, 170,182] получено решение задачи о напряженно-деформированном состоянии упругого полупространства при следующих предположениях:

- все слои многослойной конструкции состоят из изотропных линейно-упругих материалов и ограничены двумя параллельными плоскостями (кроме нижнего представляющего собой полупространство);

- конструктивные слои жестко связаны между собой или имеют возможность свободного перемещения в плоскости контакта без трения;

- на горизонтальную поверхность слоистого полупространства действует нормальная осесимметричная нагрузка.

Полученное решение позволяет рассчитать в произвольной точке любого слоя все компоненты тензора напряжения и вектора перемещения. В дальнейшем Р.М.Раппопортом, А.К.Приварниковым, В.С.Никишиным, Б.Новотным и А.Ганушкой (ЧССР) [114,126,132] были найдены более эффективные решения этой задачи с использованием ЭВМ. Для определения напряжений, перемещений и деформаций в любом слое дорожной одежды на основе решения Д.Бурмистера были разработаны такие программы для ЭВМ, как CHEV5L (компания по производству нефтебитума "Шеврон" в США); BISTRO, а затем BISAR (англо-голландская нефтяная компания "Шелл"); ALIZE (Центральная лаборатория дорог и мостов Франции); ELZYM (Калифорнийский университет) и др.

Следует отметить, что работа дорожных одежд в реальных условиях не полностью соответствует описанной выше теоретической модели. Для повышения надежности проектируемых дорожных одежд коллективом ученых под руководством Н.Н.Иванова [64,65] был разработан метод расчета дорожных конструкций, в котором при выполнении теоретических расчетов вводились поправки и коэффициенты, полученные в результате наблюдений за состоянием эксплуатируемых автодорог, а также в лаборатории на моделях и образцах. В 70-х годах Ч.Джеррард и Л.Вардль (Австралия) получили решение задачи и разработали программу CIRCLY для определения напряжения и перемещений трансверсально-изотропного полупространства, упругие свойства которого характеризуется двумя, различными по своим значениям, модулями упругости в вертикальном и горизонтальном направлениях. Также эффективными являются отечест-

венные программа РАК 81, разработанная в ДГУ и реализующая решение

A.К.Приварникова и программа ВЦ АН СССР, реализующая решение

B.С.Никишина. Разработка и совершенствование теоретических решений и программ проходило по инициативе и при активном творческом участии ученых-дорожников: А.К.Бируля, О.Т.Батракова, А.П.Васильева, Н.Н.Иванова, М.Б.Корсунского, А.М.Кривисского, П.И.Теляева, Ю.М.Яковлева,

C.Брауна, К.Монисмита, Н.Эверса и др. [17, 19,20,23,53, 64,65,76,84,87,92, 93,108,120,127,139,140,155,162,166,173, 182].

В настоящее время в ряде стран при проектировании дорожных одежд для определения напряжений, перемещений и относительных деформаций в зависимости от параметров нагрузки, толщин и механических характеристик слоев применяются перечисленные решения теории упругости для слоистого полупространства в виде расчетных номограмм или программ, реализующих эти решения на ЭВМ. Однако практика последних лет показала, что реальные сроки службы покрытий значительно меньше расчетных. Исследованию причин и разработке путей повышения долговечности дорожных одежд посвящены работы А.П.Васильева, В.Д.Казарновского, М.С.Коганзона, Ю.М.Яковлева [74-78, 83,84,172]. Рассмотрена модель, описывающая процесс неравномерного пластического деформирования грунта земляного полотна в результате воздействия многократно повторяющихся нагрузок от движущихся автомобилей и позволяющая прогнозировать накопление остаточных деформаций конструкции дорожной одежды. Вместе с тем, в расчетной схеме конструкции дорожной одежды необходимо учитывать и вязкоупругие свойства грунтов и материалов, проявляющиеся при воздействии многократных кратковременных нагрузок.

В последние годы разработаны решения задач о НДС слоистого ли-нейновязкоупругого полупространства при неподвижной и движущейся

нагрузках. Этому вопросу посвящены работы отечественных и зарубежных исследователей: И.И. Леоновича, А.К. Приварникова, Б.С. Радовского, и A.C. Супруна (СССР), В. Кениса, Д. Крафта, Ф. Мовензаде, Дж. Эллиота (США), и др. [139-142, 127-129, 173-182]. Разработанные решения позволяют учитывать наряду с упругими, вязкие свойства материалов дорожной одежды, т.е. вычислять напряжения и перемещения в зависимости от скорости движения нагрузки, ее колебаний и интервалов между последовательными проездами колес. Для реализации этих решений на ЭВМ составлены программы; СТЕНД (СССР), VESYS (США), VESTRA (Италия). Следует отметить, что при создании рассмотренных выше механико-математических моделей широко используются соотношения теории пластин при описании НДС отдельно взятого слоя. Это делает невозможным корректное исследование эффектов, связанных с толщинными деформациями и резонансами в пакете слоев.

Используемые в настоящее время при расчете конструкций дорожных одежд методы и решения задач о напряженно-деформированном состоянии слоистого упругого и вязкоупругого полупространства, тем не менее, не отражают в полной мере реальных условий работы дорожных конструкций поскольку не учитывают:

- пространственность НДС элементов конструкции при реальном динамическом нагружении;

- ограниченность конструкции дорожной одежды по ширине, так как она представляет собой не слоистое полупространство, а пакет полос, лежащий на слоистом полупространстве (грунте), что приводит к невозможности исследования краевых эффектов НДС;

- особенностей сложного динамического характера нагружения конструкции, учитывающих неровности поверхности покрытия (динамические перегрузки на дорожную конструкцию).

Вследствие этого, известные в настоящее время решения и методы расчета дорожной одежды не позволяют решить задачи, актуальность которых представляется несомненной:

1. Определить НДС сплошного слоя, опирающегося на основание, имеющее разрывы сплошности. Практическая необходимость теоретического решения, позволяющего рассчитать на изгиб слой усиления, уложенный поверх существующего покрытия или основания, имеющего трещины (швы), очевидна и важна;

2. Выявить предельное состояние дорожной одежды на основе не-разрушающих методов дефектоскопии;

3. Принять обоснованные решения об усилении и оптимальном выборе комплекса ремонтно-восстановительных работ дорожных одежд на основе моделирования НДС конструкции с учетом содержания локальных разрушений и трещин в ее элементах;

4. Исследовать особенности развития деформаций и напряжений в элементах дорожных конструкций с учетом развивающихся при эксплуатации неровностей покрытия;

5. Произвести уточненный расчет конструктивных слоев с учетом их пористости и насыщенности водой (использование вместо уравнений теории вязкоупругости соотношений механики многофазных гетерогенных сред), а также содержания микро- и макротрещин;

6. Отработать критерии создания новых материалов для конструктивных слоев дорожных одежд с заранее заданными свойствами, снижающими выявленные негативные эффекты, приводящие к развитию нарушений различного типа.

Необходимо отметить, что большое количество публикаций связано с фундаментальными разработками, нацеленными на создание новых эффективных методов решения сложных краевых статических и динамиче-

ских задач механики сплошной среды, реализующих их на ЭВМ алгоритмов и прикладных программ. Эти разработки, по ряду причин, не всегда пригодны к непосредственному практическому использованию в дорожной отрасли. Тем не менее, накопленный в этой сфере исследований опыт может быть использован при отработке современных механико-математических моделей, позволяющих ответить на сформулированные выше вопросы, связанные с имеющимися ограничениями возможностей используемых в дорожной отрасли расчетных моделей. Работы по развитию фундаментальных исследований в области механики сплошной среды вели ведущие научные коллективы в нашей стране и за рубежом. Существенный вклад в развитие методов исследования задач динамики и статики теории упругости и вязкоупругости для слоистых сред внесли [15,16,18,21,36,37,40, 44, 46,48,49,51,52,59,91,96,97, 121, 123, 132, 133, 145, 145,163, 168], В.М.Александров, Н.Х.Арутюнян, В.А.Бабешко, В.М.Бабич, Н.М.Борода-чев, Л.М.Бреховских, И.И.Ворович, В.Т.Гринченко, А.Н.Гузь,

A.С.Космо-дамианский, В.Д.Купрадзе, В.А.Кульчицкий, М.Д.Мартыненко, В.И.Ма-лый, И.А.Молотков, Н.Ф.Морозов,

B.С.Никишин, Г.И.Петрашень, Г.Я.По-пов, В.Б.Поручиков, А.К.Приварников, Р.М.Раппопорт, А.Г.Свешников, В.М.Сеймов, М.Г.Селезнев, А.Н.Тихонов, А.Г.Угодчиков, А.Ф.Улитко, Ю.А.Устинов, Н.А.Шульга, Г.С.Шапиро и многие другие исследователи.

Большой вклад в развитие этого направления исследований внесла Ростовская-на-Дону школа механиков под руководством Академиков РАН И.И. Воровича и В.А.Бабешко.

Тем не менее, в имеющейся литературе практически отсутствуют публикации, связанные с разработкой и реализацией (с "доведением до числа") методов исследования задач динамики слоистых полуограниченных областей, которые могут послужить основой для наиболее точной

модели системы " дорожная конструкция - грунт", учитывающей основные особенности ее реального строения и нагружения.

Практика строительства и эксплуатации аэродромных и дорожных покрытий показала так же, что в ряде случаев происходит преждевременное разрушение этих конструкций вследствие появления и развития поперечных трещин. Перекрытие поврежденных участков новыми слоями асфальтобетона, увеличивая многослойность конструкции, не приводит к желаемым результатам, так как в большинстве случаев в слоях усиления образуются отраженные трещины.

Анализ причин появления трещин показал, что образуются они в зоне действия высоких нагрузочных и температурных напряжений или от дефектов конструктивных элементов (например, при использовании в основаниях материалов, укрепленных цементами). В настоящее время во многих странах проводятся исследования по созданию математических моделей появления и развития трещин в конструктивных слоях дорожных одеждах [7,32,47,53,82,106-108,122,160,174-181]. Удалось выявить зависимость появления их от прочностных и реологических показателей асфальтобетонных покрытий, толщины слоев, колебаний нагрузок, температурных перепадов во времени и по глубине конструкции. На основе теоретических положений (точных окончательных теоретических решений пока не найдено) предполагается дать рекомендации по снижению влияния различных факторов на трещинообразование, а также разработать эффективные методы ремонта.

Вместе с тем, используемые в настоящее время расчеты прочности и долговечности дорожных покрытий основываются на классических характеристиках механических свойств материалов, уравнениях и критериях разрушений, вытекающих из модели сплошного тела, не имеющего трещин. Практика эксплуатации реальных конструкций и развит