автореферат диссертации по строительству, 05.23.11, диссертация на тему:Разработка теории вибрационного разрушения нежестких дорожных одежд и путей повышения их долговечности

На правах рукописи

¿у

Осиновская Вероника Александровна

РАЗРАБОТКА ТЕОРИИ ВИБРАЦИОННОГО РАЗРУШЕНИЯ НЕЖЕСТКИХ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД И ПУТЕЙ ПОВЫШЕНИЯ ИХ ДОЛГОВЕЧНОСТИ

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

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

1 2 Я Н В 2012

Москва 2011

005007721

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Московском автомобильно-дорожном государственном техническом университете (МАДИ) на кафедрах «Строительная механика» и «Строительство и эксплуатация дорог».

НАУЧНЫЙ КОНСУЛЬТАНТ: заслуженный деятель науки РФ,

доктор технических наук, профессор Немчинов Михаил Васильевич

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Казарновский Владимир Давидович

доктор технических наук, профессор Матуа Вахтанг Парменович

доктор технических наук, профессор Матвеев Сергей Александрович

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ: ФГУП «РОСДОРНИИ»

Защита состоится « 17 » февраля 2012 г. в Ю00 часов на заседании диссертационного совета Д.212.126.02 ВАК России при Московском автомобильно-дорожном государственном техническом университете (МАДИ) по адресу: 125319, Москва, Ленинградский проспект, 64.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАДИ.

Текст автореферата размещен на сайте МАДИ: www.madi.ru

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять в адрес диссертационного совета. Копию отзыва просим присылать по e-mail: uchsovet@madi.ru.

Автореферат разослан « Jti)» 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета ' ,....^ • /

K.T.H., проф. " -V' /' Н.В. Борисюк

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одной из важнейших проблем дорожной отрасли России является преждевременное разрушение дорожных конструкций. В значительной степени это относится к нежестким дорожным одеждам, так как они составляют около 98 % всех дорог с твердым покрытием. Фактические межремонтные сроки службы дорожных одежд с асфальтобетонными покрытиями значительно ниже по сравнению с нормативными, что приводит к ежегодному увеличению объемов ремонтных работ и к дополнительным финансовым вложениям в дорожную отрасль.

Ежегодные экономические потери РФ, связанные с плохим состоянием автомобильных дорог, составляют около 1,5 трлн. руб. Как известно из материалов статистических обследований, фактические сроки службы асфальтобетонных покрытий составляют не более 3...5 лет, а иногда и не более 1.. .2 года. Недостаточная развитость сети автомобильных дорог РФ, которая по сравнению с европейскими странами ниже в 5...30 раз, и неудовлетворительное состояние эксплуатируемых автомобильных дорог существенно тормозят развитие всего народного хозяйства страны.

В многочисленных научных исследованиях, посвященных проблеме преждевременного разрушения нежестких дорожных одежд, указывается на то, что низкая долговечность конструкций обусловлена целым комплексом различных причин: ростом интенсивности движения и числа многоосных автомобилей в транспортных потоках; эксплуатацией участков автомобильных дорог, запроектированных под нагрузку 6 т. на ось; использованием некачественных дорожно-строительных материалов; нарушениями технологий строительства; несовершенством методов расчета дорожных конструкций и др.

Проблема преждевременного разрушения дорожных одежд характерна не только для России, но и для зарубежных стран. Различие состоит только в темпах и объемах разрушения. Поэтому научные разработки, направленные на повышение сроков службы дорожных одежд, являются актуальными.

Тема диссертационной работы вписывается в перечень важнейших мероприятий Федеральной целевой программы «Модернизация транспортной системы России (2002-2010 годы)» но научно-исследовательским и опытно-конструкторским работам по разделу 122 «Совершенствование теоретических основ и расчетных методов надежности и долговечности дорожных конструкций и конструкций искусственных сооружений» (приложение № 2 к Федеральной целевой программе). Кроме того, данное исследование проводится в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» 2009-2013 годы.

При проектировании нежестких дорожных одежд, в соответствии с действующими нормативными документами, учитывается целый комплекс факторов снижения транспортно-эксплуатационных показателей дороги в течении срока ее службы, в том числе, циклический характер нагружения, влияние природно-климатических факторов, процессы усталостного

разрушения и др. Для обеспечения соответствующего уровня надежности вводятся необходимые запасы прочности.

Циклический характер нагружения, приводящий к накоплению усталостных повреждений в материале покрытия дорожной одежды и последующее образование в нем усталостных трещин, связанно с периодическим воздействием транспортных нагрузок и соответствующими циклически меняющимися прогибами дорожного полотна. Этот вид нагружения учитывается при проектировании нежестких одежд при расчете усталостного сопротивления асфальтобетонных покрытий.

Однако, при расчете дорожных конструкций в число факторов воздействия на дорожную одежду не включается ее вибронагруженность. В данной работе под термином вибронагруженность понимается процесс свободных затухающих колебаний слоев дорожной одежды, развивающийся из-за ударно-импульсного воздействия движущихся транспортных средств, при котором формируются дополнительные динамические прогибы. Эти дополнительные прогибы не учитываются при расчете на прочность нежестких дорожных одежд. Многочисленные натурные исследования подтверждают наличие колебаний дорожных одежд и грунта земляного полотна. Таким образом, отсутствие при проектировании учета вибронагруженности нежестких дорожных одежд приводит к тому, что дорожные конструкции изначально необеспечены необходимыми прочностными показателями.

Для выявления связей между вибрационными процессами и процессами деформирования дорожных конструкций, понимания причин преждевременного разрушения нежестких дорожных одежд, прогнозирования их долговечности при вибрационном нагружении и разработки мер по защите от вибрации необходимо было разработать теорию вибрационного разрушения.

Цель и задачи исследования. Целью исследования является повышение долговечности дорожных конструкций путем снижения их вибронагруженности на основе разработки теории вибрационного разрушения нежестких дорожных одежд.

Для реализации этой цели в диссертации поставлены и решены следующие задачи:

> обоснование и подтверждение гипотезы вибрационного разрушения дорожных конструкций;

> проведение математического моделирования колебаний системы «автомобиль - дорожная конструкция» в вертикальной плоскости, разработка теоретических положений и математического аппарата исследования динамических процессов, возникающих в слоях дорожной одежды после ударного взаимодействия неподрессоренных частей автомобиля с неровностями дорожного покрытия;

> разработка теоретических основ проектирования дорожных одежд с пониженной вибронагруженностью;

> усовершенствование методик расчета дорожных конструкций на прочность по допустимому упругому прогибу и дорожных покрытий на

сопротивление усталостному разрушению при изгибе при учете вибронагруженности;

> разработка методики прогнозирования срока службы дорожных одежд при учете вибронагруженности и рекомендаций по повышению работоспособности и долговечности нежестких дорожных одежд;

> проведение экспериментальных натурных исследований по определению динамических параметров элементов дорожной конструкции.

Научная новизна. Научная новизна исследования состоит в следующем:

• Предложена и обоснована разработанная теория вибрационного разрушения нежестких дорожных одежд, в соответствии с которой в качестве одной из основных причин преждевременного разрушения выступает вибронагруженпость слоев дорожной одежды. При этом главным энергетическим источником разрушения является ударное взаимодействие неподрессоренных частей движущегося автомобиля с дорожным покрытием.

• Разработаны многомассовые цепные модели дорожной одежды, в которых впервые используются численные инерционно-упруго-диссипативные параметры слоев. Для решения математических моделей созданы оригинальные расчетные программы для РС, позволяющие осуществлять имитацию процессов взаимодействия движущегося автомобиля с дорожным покрытием, имеющим геометрические и динамические неровности.

• Представлен «динамический паспорт» дорожного покрытия, в виде математической модели его амплитудно-частотной характеристики.

• Разработана методика теоретической оценки ударного взаимодействия колеса автомобиля и неровности покрытия.

• Выведена функциональная зависимость, связывающая уровень динамических сил во всех слоях дорожной одежды с параметрами этих слоев, амплитудами неровности покрытия и скоростями движения автомобиля.

• Создана методика расчета дорожных одежд на прочность при учете вибрационного фактора, базирующаяся на определении суммарного расчетного количества приложений нагрузки за срок службы, включая нагружения характеризуемые вибропрогибами.

• Разработана методика учета вибронагруженности при расчете монолитных слоев на сопротивление усталостному разрушению от растяжения при изгибе.

• Разработан метод снижения уровня вибрации дорожной одежды, путем реализации противофазности действия динамических сил смежных слоев или оптимального подбора парциальных частот, для повышения сроков службы дорожной конструкции.

• Создан теоретико-графический метод прогнозирования срока службы дорожной одежды.

Практическая ценность работы состоит в решении важной народнохозяйственной задачи увеличения сроков службы нежестких дорожных одежд. Результаты исследования вносят существенный вклад в современные представления о процессах взаимодействия транспортных средств и дорожных

конструкций. Предложены методы позволяющие при проектировании повысить долговечность нежестких дорожных одежд. Разработанные теоретические положения позволили предложить ряд рекомендаций, направленных на решение проблем эксплуатации дорог с нежесткими дорожными одеждами. Использование этих рекомендаций позволит увеличить фактические межремонтные сроки эксплуатации дорожных конструкций и сократить народно-хозяйственные затраты.

Объектом исследования в данной работе являются дорожные одежды нежесткого типа.

Методы исследования включают в себя математическое моделирование динамических процессов, теоретические методы исследования ударного взаимодействия, методики расчета дорожных одежд на прочность и сопротивление монолитных слоев усталостному разрушению от растяжения при изгибе, методы экспериментального определения собственных динамических параметров слоев дорожной одежды.

Достоверность теоретических решений и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается обширным статистическим и экспериментальным материалом, имеющимся как в РФ, так и за рубежом, а также натурными испытаниями с участием автора. Математическое моделирование, на котором базируются теоретические положения, выполнено с использованием критериев подобия, обеспечивающих адекватность вибрационных процессов модели и натуры.

Реализация работы. Предложенные рекомендации по материалам исследования приняты ГПРСП «Брянскавтодор» для внедрения при реконструкции участков автомобильных дорог Брянской области.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и практические результаты докладывались и обсуждались на международных, всероссийских и региональных научно-практических конференциях, в том числе: на Всероссийских научно-практических конференциях в г. Казань (2007 и 2008 гг.); на Научно-методических и Научно-исследовательских конференциях МАДИ (ГТУ) в г. Москве (2008, 2009, 2010 и 2011 гг.); на Международной научно-технической конференции г. Пермь (2008 г); на Научно-практической конференции «Международные транспортные коридоры» г. Баку (2008 г.); на Всероссийских Дорожных конгрессах г. Москва (2009 и 2010 гг.); на Научно-практической конференции «Наука и инновации на транспорте» г. Москва (2009 г.); на Выставке «Научные достижения МАДИ (ГТУ)» г. Москва (2009 г.) и на Международной специализированной выставке-форуме «Дорога» г. Москва (2010 г.)

Публикации. По результатам исследований опубликовано 23 печатных работы, в том числе 2 монографии и 11 работ в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. По результатам проведенных исследований получен патент на изобретение 1Ш № 2399715 С1, опуб. 20.09.2010, бюл. №26.

На защиту выносятся:

- Теория вибрационного разрушения нежестких дорожных одежд;

- Результаты математического моделирования вертикальной динамики дорожной конструкции;

- Теоретические основы ударного взаимодействия автомобиля и дорожной конструкции;

- Метод динамического подбора соотношения толщин слоев дорожных одежд, обеспечивающий снижение их вибрационной нагруженцости;

- Методика расчета дорожных одежд на прочность по допустимому упругому прогибу с учетом вибрационного фактора;

- Методика расчета дорожного покрытия на сопротивление усталостному разрушению при изгибе при наличии вибронагруженноети дорожной конструкции.

- Метод расчета прогнозных сроков службы дорожных одежд.

Структура н объем работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав,

основных выводов, списка литературы и 4 приложений. Основной текст диссертации изложен на 295 страницах, включая 100 рисунков, 45 таблиц и список литературы из 267 наименований. Приложения на 15 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении представлено обоснование актуальности темы исследования, отмечена научная новизна и практическая значимость научной работы, сформулирована цель исследования.

В первой главе проведен анализ состояния дорожных одежд нежесткого типа, выполнен обзор научных представлений об основных причинах их преждевременного разрушения, проанализированы существующие методы расчета прочности дорожных конструкций и применяемые при этом расчетные модели, обоснована эффективность применения математического моделирования для исследования вибрационных процессов

В настоящее время дорожная наука обладает огромным статистическим и теоретическим материалом в области проектирования, строительства и эксплуатации автомобильных дорог. Теоретическая и методологическая база расчета и конструирования нежестких дорожных одежд была заложена научными трудами представителей отечественной науки: А.К. Бируля, H.H. Иванова, В.Ф. Бабкова, H.A. Пузакова, АЛ. Тулаева, Д.М. Бурмистра, О .Я. Шехтера, Б.И. Когана, М.Б. Корсунского, A.M. Кривисского, П.И. Теляева, В.Б. Безелянского, Б.С. Радовского, А.О. Салля, И.А. Золотаря, A.B. Смирнова, В.Д. Казарновского, A.B. Руденского, М.С. Коганзона, Ю.М. Яковлева и др.

Фундаментальный метод расчета нежестких дорожных одежд был предложен Н.Н.Ивановым более 70 лет назад. Метод основан на принципах формирования общей толщины дорожной одежды с учетом параметров грунта земляного полотна, нагрузки от колес автомобиля на покрытие и интенсивности движения.

Многочисленные исследования, посвященные влиянию погодно-климатических факторов на разрушение дорожных конструкций, позволили обосновать необходимость проведения расчета дорожных одежд для наиболее неблагоприятного весеннего периода года, когда прочностные характеристики всех элементов дорожной конструкции понижены. Кроме того, в соответствии с нормами на проектирование, слои дорожных одежд должны быть водо-, морозо- и термо- устойчивыми.

Необходимость учета циклического нагружения слоев дорожных одежд в эксплуатации, прежде всего асфальтобетонного покрытия, привела к развитию теории усталостного разрушения монолитных слоев А.О. Саллем, Б.С. Радовским, A.B. Руденским, Г.С. Бахрахом, JI.A. Горелышевой, Е.В. Угловой и др. Процесс этого разрушения характеризуется возникновением усталостных трещин. При появлении усталостных трещин модули упругости слоев снижаются, прочность дорожной одежды уменьшается и на покрытии быстро растет число поверхностных повреждений.

Вопросам исследования процессов образования остаточных деформаций посвящены научные труды В.П. Матуа, A.A. Иноземцева, М.С. Коганзона, Ю.М. Яковлева и др. Исследования базировались на том, что в эксплуатации основной причиной разрушения дорожных одежд и грунта земляного полотна является непрерывное накопление остаточных деформаций.

Развитию теории напряженно-деформированного состояния дорожных одежд, учитывающей закономерности работы дорожных конструкций под различными нагрузками, и оценке повышения их работоспособности и долговечности были посвящены научные труды Б.С.Радовского, А.В.Руденского А.С.Супруна, М.С.Коганзона, Ю.М.Яковлева, В.Д. Казарновского, В.К.Апестина, А.МШака, А.Е.Мерзликина, Г.С.Бахраха,

A.П.Васильева, В.В.Сильянова, В.П.Носова, М.В.Немчинова, А.В.Смирнова,

B.И.Майорова, А.А.Иноземцева, М.Я.Телегина, О.А.Красикова,

C.К.Илиополова, В.П.Матуа, С.А. Матвеева и др.

Эти исследования позволили развить представления о процессах деформирования нежестких дорожных одежд и на этой основе предложить пути повышения прочностных показателей дорожных конструкций.

Многие научные положения в определенной степени нашли свое отражение в действующих отраслевых дорожных нормах ОДН 218.046-01 «Проектирование нежестких дорожных одежд».

В связи с тем, что, с физической точки зрения, формирование напряженно-деформированного состояния (НДС) многослойной нежесткой дорожной одежды является многофакторной задачей, существует большое разнообразие моделей, описывающих ее поведение в условиях реальной эксплуатации. Основой различных методов расчета дорожных одежд на прочность является теория НДС слоистой среды. В результате проектирование и расчет нежестких дорожных одежд базируется на методах теории упругости.

Многочисленные экспериментальные материалы, связанные с исследованием вибрационных процессов в дорожных конструкциях, представлены в трудах научных школ А.В.Смирнова, С.К. Илиополова, М.В.

Немчинова, В.П. Матуа, Е.В.Угловой. Натурные исследования, проведенные учеными этих научных школ, выявили, что после проезда транспортных средств в дорожной конструкции возбуждается вибрация в виде свободных затухающих колебаний. Уровень этой вибрации во многом зависит от ровности дорожного покрытия. Наличие на покрытии различных дефектов приводит к росту динамической нагрузки со стороны движущегося автомобильного транспорта и одновременно к увеличению вибрации дорожных одежд.

Анализ экспериментальных амплитудно-временных характеристик дорожных конструкций позволил выделить на них три характерных участка. Первый участок фиксируется вибродатчиками при приближении автомобиля. Колебания характеризуются очень малыми амплитудами и относятся к процессу распространения колебаний в горизонтальной плоскости. В момент прохождения колес автомобиля в месте установки датчика формируется второй участок колебаний. Эти колебания связаны с ударно-импульсным характером взаимодействия движущегося колеса автомобиля с покрытием и здесь фиксируются максимальные амплитуды.

Третий участок амплитудно-временных характеристик описывает колебательный процесс после прохождения автомобилем исследуемого сечения дорожной конструкции. Колебания на этом участке характеризуются относительно большими амплитудами и постепенным затуханием. Качественная картина этого процесса не зависит от скорости движения и типа транспортного средства, так как это процесс свободных затухающих колебаний дорожной конструкции или слоев дорожной одежды и фунта земляного полотна.

Колебания дорожных конструкций возникают за счет того, что все слои дорожной одежды и грунт земляного полотна обладают массой. При ударно-импульсном нагружении дорожной конструкции, которое фиксируется на втором участке амплитудно-временной характеристики, массы приходят в движение. Так как слои дорожной одежды и грунт земляного полотна обладают также упругостью, то эти движения преобразовываются в колебательные. Как известно, колебания осуществляются за счет перехода кинетической энергии в потенциальную и наоборот. Потенциальная энергия упругой деформации и кинетическая энергия движущихся масс формируются в каждом слое дорожной одежды и грунте земляного полотна. Дорожные слои и грунт земляного полотна также обладают силами внутреннего трения, за счет которых осуществляется диссипация и затухание их колебаний.

Из анализа причин преждевременного разрушения нежестких дорожных одежд, методов проектирования дорожных конструкций и особенностей расчетных моделей следует, что дорожная наука в РФ и за рубежом в число факторов воздействия на дорожные конструкции не включает их вибронагруженность.

В данной работе выдвинута гипотеза о том, что вибронагруженность нежестких дорожных одежд является одной из основных причин преждевременного их разрушения. На основании этой гипотезы сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе выполнено математическое моделирование вертикальной динамики конструкций дорожных одежд и произведена оценка воздействия транспортных средств на дорожную одежду. Показано, что наиболее опасным и разрушительным фактором для дорожных слоев является ударное взаимодействие колес автомобилей с дорожным покрытием.

При движении автомобиля в зоне контакта движущегося колеса с дорожным покрытием возникает сложный процесс взаимодействия. Дорожные конструкции воспринимают статические и динамические нагрузки (за счет вибрации подрессоренных масс движущихся автомобилей), передаваемые через колесо. Одним из видов динамического нагружения дорожной конструкции является ударное взаимодействие между колесом и покрытием. При таком взаимодействии возбуждаются колебания не только автомобиля, но и элементов дорожной конструкции.

Нагрузка от колеса, воздействующая на покрытие, является распределенной по некоторой ограниченной площади, характеризуемой длиной зоны контакта шины с поверхностью качения. При этом воздействие движущегося автомобиля в сечении дорожной конструкции осуществляется за относительно малое время. В связи с тем, что образование общей чаши прогиба дорожной конструкции происходит путем последовательного деформирования слоев сверху вниз, она формируется с некоторым запаздыванием по времени по отношению к продолжительности действия нагрузки.

Экспериментальные исследования М.В. Немчинова, A.B. Смирнова и С.К. Илиополова выявили, что при движении автомобилей со скоростями более 40 км/ч фиксируется ударное взаимодействие колес с поверхностью покрытия. Процессы возникновения и развития ударных взаимодействий автомобиля и дорожных конструкций до сих пор мало изучены, так как представляют собой одну из сложнейших задач теории качения колеса.

Среди причин формирования ударов между движущимся колесом и дорожным покрытием можно отметить следующие: сочетание высокой скорости движения автомобиля и наличия на покрытии выступов (впадин) с различными высотами; наличие статического и динамического дисбалансов колес и др.

При контакте движущегося колеса автомобиля с дорожным покрытием формируются два независимых процесса нагружения дорожных конструкций: от статического и динамического воздействия движущегося колеса (процесс «загрузка-разгрузка») и от ударного взаимодействия. За счет наложения этих двух процессов происходит общее деформирование дорожной конструкции и возбуждение в ней колебательных процессов.

Таким образом, первоначальное возбуждение колебаний или движение масс слоев дорожной одежды может происходить за счет кратковременной деформации покрытия под действием движущейся колесной нагрузки (импульсное нагружение) и за счет ударного взаимодействия между колесом автомобиля и дорожным покрытием.

Теоретические исследования вибрационных процессов, возникающих в многослойных дорожных одеждах, базировались на разработке расчетных схем,

выводе дифференциальных уравнений движения, решении этих уравнений и последующем анализе результатов расчета. Адекватность математических моделей и дорожных конструкций обеспечивалась динамическим критерием подобия, а именно, равенством собственных частот объекта и модели.

Динамические процессы в дорожной конструкции рассматривались в поперечных сечениях и, с учетом энергетического плоскостного баланса, только в вертикальной плоскости. При таких условиях и допущениях наиболее целесообразным было применение цепных динамических расчетных схем (рис. 1).

Расчетные схемы представляют собой идеализированные модели дорожных конструкций, образованные набором инерционно-упруго-диссипативных элементов, для имитации динамики слоев дорожных одежд. Такой подход позволил реализовать принцип зависимых колебаний слоев дорожной одежды в составе единой дорожной конструкции. Корректность такой методики моделирования подтверждается многочисленными экспериментальными амплитудно-частотными спектрами.

В этих схемах каждый слой дорожной одежды представлен как элемент, обладающий массой пц и жесткостью ЖСилы внутреннего трения в слое заменены эквивалентными силами вязкого трения /?,-, пропорциональными скорости изменения прогиба (У;). На схемах Z; - перемещения масс слоев.

Расчетные схемы,

соответствующие реальным

конструкциям дорожных одежд, должны иметь столько степеней свободы, сколько слоев в конструкции.

Материалам слоев были присвоены цифровые и буквенные обозначения: 1пл - асфальтобетон плотный, litop - асфальтобетон пористый, 2ч - щебень обработанный битумом, 2ф -щебень фракционированный, 3 -цементогрунт, 4 - ПГС, 5 - песок.

В первом приближении, для упрощения задачи моделирования, грунт земляного полотна принимался как опорный элемент для дорожной одежды.

Сложность выбора численных значений основных параметров (колеблющихся масс, жесткостей слоев и уровней диссипативных сил) состояла в том, что они были неизвестны. Для каждой дорожной конструкции эти

т

- т

1 hi

У,

-т

1 пор

'Шар g ф

"1кор I

Ж

1лерЗ

Z24 pi

Рис. 1. Динамическая расчетная схема колебаний слоев дорожной одежды

величины различны. Они зависят от физических и конструкционных параметров слоев (толщин, модулей упругости, плотностей и т.д.).

Для исследования вибрационного разрушения дорожной конструкции целесообразно привести массы, участвующие в процессе колебаний, к расчетному сечению. При проезде автомобиля в колебательный процесс вовлекается некоторая площадь в районе расчетного сечения (приведенная площадь Гпр). В этом случае инерционные параметры выражаются как функция этой площади пц=/(Р„р).

Величины динамических параметров слоев дорожной одежды, величина приведенной площади и собственные частоты слоев были получены на основе анализа экспериментальных виброспектров типовой конструкции пятислойной дорожной одежды автомобильной дороги II категории.

Аналитическое решение системы дифференциальных уравнений позволило сформировать частотное уравнение пятой степени в функции приведенной площади. Численным методом последовательных приближений были определены совокупности собственных частот дорожной одежды для различных величин приведенных площадей. Из сопоставления расчетных частот пятистепенной системы и экспериментальных частот спектра было получено, что наиболее близкая совокупность расчетных и экспериментальных частот достигается при Р„р=18...20 м2.

Дальнейший анализ показал, что величина этой площади практически мало зависит от конструкции дорожной одежды. Для формирования параметров расчетных схем других конструкций была использована средняя приведенная площадь, которая обеспечила динамическую адекватность математических моделей и реальных дорожных одежд.

В соответствии с расчетными схемами, с помощью уравнения Лагранжа Н-го рода, были выведены дифференциальные уравнения (1), описывающие свободные затухающие колебания слоев дорожных одежд.

К»+2МЗ™-^+«¿.(3»-^поР)=0

Кор + -¿,„л) + А„ор(Кор -4,) +{<орУ^ор -Й«^Ч™ - а&чЯ» = 0

■ Ч, +2Ь[„ор(г2ч -¿^+2^,(4, -¿2ф)+«)Ч, ЬгФ =0

3 +Жф{2,-¿2ф)+2Ь525 -(4)4/, = 0

'гч^гф

0)

Ь/ - коэффициент диссипации, 1/с; Д - коэффициент вязкого трения, кН*с/м.

При исследовании свободных колебаний дорожной одежды в качестве начальных условий принималось при ^=0 2Ьи = 0,0002 , 2,юр = 2г„ = 21ф = = 0 и

¿и, = = ¿г- = = 4 = 0 > т-е- возбуждение осуществлялось за счет начальной деформации верхнего слоя асфальтобетонного покрытия. Для исследования вибрационных процессов в слоях дорожных одежд после ударного взаимодействия колеса движущего автомобиля с дорожной неровностью начальные условия принимались ^=0 = г, = 2и = 2гф = = 0

и ¿^=¿^ = ¿^ = ¿, = 0.

В системе уравнений частоты <ЦЮ, ^"„ор, со"ч, ®2ф, являются парциальными частотами. Количество этих частот соответствует числу степеней свободы на расчетных схемах. С физической точки зрения парциальные частоты дорожной одежды являются частотами упругой взаимосвязи между слоями и являются основным фактором формирования совместных колебаний многостепенной колебательной системы. В зависимости от соотношения этих частот общий вибрационный фон дорожной одежды возрастает или снижается.

Частоты со1п,. (0Ьюр, (±>2ч и 0)гф будут являться собственными частотами соответствующих слоев, если представлять эти слои в виде одностепенных моделей или в случае отсутствия упругих связей между слоями.

На характер протекания колебательного процесса существенное влияние оказывает уровень диссипации. При свободных колебаниях диссипация определяет время полного затухания. Повышение уровня диссипации в слоях позволило бы снизить вибронагруженность дорожных одежд за счет сокращения временного диапазона с достаточно большими динамическими прогибами.

В данном исследовании использовалась теоретико-экспериментальная методика косвенной оценки коэффициентов диссипации (6,). Для этого расчетные коэффициенты диссипации предварительно принимались как оптимальные. Затем материалы расчетов колебаний при наличии оптимальных коэффициентов диссипации сопоставлялись с экспериментальными амплитудно-временными характеристиками свободных затухающих колебаний дорожных одежд. Это позволило скорректировать значения коэффициентов диссипации.

Наилучшие динамические качества колеблющегося объекта достигаются при наличии в нем диссипативных сил с оптимальными коэффициентами

трения. Эти коэффициенты составляют приблизительно 25% от критических. Из этого условия, оптимальные коэффициенты трения определились как

Ро,т = 0,25 ркр ; ркр = 2у/ж*т ; р0пт =0,5Ы*т (2)

Если бы в слоях дорожных одежд диссипация соответствовала оптимальным коэффициентам трения, то полное затухание колебаний слоев могло происходить за 0,3...0,4 с, а временной диапазон амплитуд больших прогибов не превышал 0,1. ..0,15 с. Такой процесс представлен на Рис. 2.

Однако, экспериментальные исследования выполненные в ДорТрансНИИ РГСУ показали, что уровни диссипации в слоях дорожных одежд крайне малы. Полное время затухания колебаний после прохождения автомобиля составляет 2,5...3,0 с. Следовательно, реальные колебательные процессы в дорожных одеждах, являясь относительно продолжительными, должны приводить к значительному динамическому нагружению дорожных конструкций.

Рис. 2. Перемещения масс слоев дорожных одежд при свободных затухающих колебаниях и оптимальном демпфировании

Теоретически возможно, что при движении транспортных потоков в дорожных конструкциях могут возникать вынужденные колебания. Для исследования вынужденных колебаний дорожных одежд при периодических возмущениях была использована упрощенная идеализированная модель. Для этого в расчетные схемы дорожных одежд (рис. 1) добавлялась модель автомобиля. Модель автомобиля представлялась одностепенной динамической системой, состоящей из подрессоренной массы автомобиля, жесткости его подвески и параметров гасителя колебаний. Неподрессоренная масса автомобиля объединялась с приведенной массой покрытия. В этом случае подвеска автомобиля опиралась непосредственно на дорожное покрытие, имеющее некоторую периодическую геометрическую неровность, списываемую функцией т] = A* sin ílt, где А - амплитуда неровности, a Í2 -частота возмущения.

Таким образом, автомобиль моделиров&тся как условный вибратор, установленный в расчетном сечении. Возбуждение колебаний дорожной

Z¡,M

_П ПППГК л-------------------------------------—-------------в.—

0,00005 j-V-V—1S

0,00010 | V /

o,ooois j;........'

0,00020 *-----------

• • • • асфальтобетон ~ -щебень «««« цементогрунт

конструкции осуществлялось за счет упругой деформации нижнего конца подвески автомобиля, опирающегося на иокрытие. Упругая деформация формировалась по закону т) или амплитудно-частотного показателя, характеризующего неровность покрытия. Изменение вибровоздействия со стороны движущегося автомобиля имитировалось варьированием круговой частоты возмущения, которая выражалась как функция скорости движения автомобиля V и длины геометрической неровности Ь

2*х*У рад/ . 2*тг*У / П =---г /с ?] = А* &т--—¡,м (3)

Такая методика позволила смоделировать передачу динамической нагрузки от автомобилей на покрытие, возникающую при их движении по геометрической неровности. Условность этой схемы связана с тем, что в действительности автомобиль находится в зоне расчетного сечения крайне малое время. Этого времени недостаточно, чтоб сформировать вынужденные колебания слоев дорожной одежды и грунта земляного полотна в исследуемых сечениях. Теоретически, при некоторых условиях, группа движущихся автомобилей могла бы реализовать режим вынужденных колебаний в дорожной конструкции.

Из (3) видно, что на формирование частот вынужденных колебаний слоев дорожной одежды влияют параметры геометрических неровностей на покрытии и скоростной режим движения автомобилей. Учитывая это, в работе была составлена динамическая классификация неровностей, базирующаяся на частотном показателе.

При наличии вибратора, варьируя показателями скоростного режима движения автомобиля и длинами геометрических неровностей, можно исследовать многочисленные частные случаи вынужденных колебаний слоев дорожных одежд. Общую качественную физическую картину вынужденных колебаний может описать динамический паспорт объекта или его амплитудно-частотная характеристика (АЧХ). Сформировав АЧХ можно спрогнозировать поведение исследуемого объекта при возникновении вынужденных колебаний. Для этого необходимо представить слои дорожной одежды как инерционно-упругие одностепенные динамические объекты.

Например, представив асфальтобетонное покрытие, как одностепенной объект, получили, что его математическая модель АЧХ описывается как

С- ,. > или С = Уст*рс

—¡г: " или *ст г дин

-¡{[-К1} + А* И2* К1

Рдин

1

~ П.—Г^й ГГГТ77 (4)

где, С - амплитуда вынужденных колебаний асфальтобетонного покрытия;

Уст- локальный статический прогиб покрытия под статическим воздействием амплитудного значения возмущающей силы С?0;

К - частотный коэффициент равный отношению частоты возмущения О к собственной частоте покрытия без диссипации св (К = П/со );

Ь - коэффициент относительной диссипации, показывающий соотношение между уровнем диссипации и величиной параметров

Ж и ш, выражаемых собственной частотой = Ь/со);

Ряин - коэффициент динамичности.

Если ввести ограничение по допустимой величине прогиба асфальтобетонного покрытия, то его амплитудно-частотная характеристика разбивается на три зоны: дорезонансную, резонансную и зарезонансную. Каждую зону образует определенный частотный диапазон возмущающих сил.

Как известно, оптимальным условием функционирования любого динамического объекта являются его колебания в зарезонансой зоне, где коэффициент динамичности Г1ДИН—>0 и С-»0.

Путем преобразования возмущающих сил воздействия автомобиля на покрытие в переменные силы упругости его подвески в функции амплитуды геометрической неровности А, был сформирован динамический паспорт асфальтобетонного покрытия в виде:

/' Ж

Са/б=Уст * Рдин.а/б ~ ^ ,,, " * Рдш.а * Рдии.а!6 (5)

Жа!б

где, Жа-жесткость подвески автомобиля, кН/м.

Анализ динамического паспорта асфальтобетонного покрытия показал, что при движении колес автомобилей по геометрическим неровностям со скоростями более 30 км/ч коэффициенты динамичности покрытия стремятся к нулевому значению. При этом воздействие на покрытие становится квазистатическим.

Эту методику рекомендуется использовать на первичном этапе исследования. Для реальных динамических характеристик следует учитывать совместную работу всех слоев дорожной одежды. В этом случае аналитическое построение АЧХ дорожной конструкции затруднительно из-за формирования многочисленных взаимосвязанных резонансных зон.

В работе эта проблема была решена с помощью численных методов расчета. Варьируя различной длиной геометрических неровностей или меняя скорости движения автомобиля при постоянной величине длины неровности, выбирались частоты возмущения близкие или равные собственным частотам дорожной одежды. В результате были получены расчетные амплитудно-временные характеристики всех слоев в соответствующих резонансных зонах.

Проведенный расчетный анализ показал, что собственные частоты дорожной одежды, сформированные при взаимном влиянии слоев друг на друга, достаточно близки к парциальным частотам соответствующих слоев. На этой основе были построены расчетные амплитудно-частотные характеристики каждого слоя дорожной одежды. Эти характеристики являются функциями

отношения частот возмущения к частотам свободных колебаний дорожной

одежды = Ц/®,.

Собственные частоты всей дорожной одежды, начиная от более высоких, были обозначены, как первая, вторая и т.д. Таким образом, индексация частот отдельных слоев и собственных частот дорожной одежды совладала. На Рис. 3 представлена расчетная АЧХ первого слоя асфальтобетонного покрытия по динамическим силам р.

О 0,5 1 1,5 2 К=П/й)

Рис. 3. Расчетные амплитудно-частотные характеристики покрытия

Анализ показал, что верхний слой покрытия из плотного асфальтобетона, на который автомобили оказывают инерционное возмущение, может иметь основной резонанс на первой частоте дорожной одежды. Эта частота почти равна парциальной частоте асфальтобетонного слоя (39,5 Гц и 42,2 Гц соответственно). Слой имеет достаточно широкую резонансную зону диапазона 198....420 рад/с. Кроме основного резонанса здесь наблюдается малый резонанс на четвертой частоте дорожной одежды. 1акие же АЧХ были построены для всех слоев и для них были определены резонансные зоны.

При определенных длинах геометрических неровностей в зоне эксплуатационных скоростей движения автомобилей (80...90 км/ч) теоретически возможно формирование резонансных режимов в асфальтобетонном покрытии. Практическая реализация резонансных режимов в слоях возможна только при наличии «вибратора», вовлечение в процесс колебаний значительных площадей дорожных одежд, а также постоянства длин геометрических неровностей и скоростей движения.

Как видно из Рис. 3, уровень вибрационного нагружения дорожных слоев незначителен, так как даже при резонансном режиме он не превышает 8 кН. Отсюда следует, что при расчетах на прочность с учетом вибрационного фактора можно не учитывать возможные резонансы слоев дорожных одежд и дополнительное нагружение конструкций за счет вибрации автомобилей, движущихся по геометрическим неровностям.

В третьей главе исследовано ударное взаимодействие колеса автомобиля и дорожной конструкции. В процессе исследования производилась косвенная оценка количества энергии, запасаемой ударяемым телом, по уровню послеударных скоростей. Форма ударных сил и импульсов не учитывалась, так как при свободных колебаниях дорожных одежд эти показатели не существенны.

Было принято, что при высоких скоростях движения автомобилей инерционность слоев дорожных одежд исключает возможность перемещения слоев на всем временном диапазоне действия импульса. Это позволило удар и импульс рассматривать как единый фактор ударного возмущения.

Для исследования ударных процессов была сформирована обобщенная модель ударно-импульсного взаимодействия колеса движущегося автомобиля с динамическими неровностями. Главным энергетическим показателем такого взаимодействия была принята послеударная скорость асфальтобетонного покрытия. Для определения послеударных скоростей использовалась расчетная схема, представленная на рис. 4.

Рис. 4. Расчетная схема ударного взаимодействия колеса автомобиля и дорожной неровности

На схеме обозначено: У0 - скорость движения центра колеса до удара: Уа - скорость движения автомобиля; У0а - скорость движения центра колеса после удара; Я - радиус колеса; Р - мгновенный центр скоростей; <вр - угловая скорость вращения колеса вокруг Р; <ва - угловая скорость вращения колеса вокруг А; Ъ, х -вертикальная и продольная ось дороги соответственно; в» - горизонтальная и вертикальная проекции ударного импульса; Ь - высота неровности.

Варьирование величиной показателя Ь позволяет моделировать различные уровни ударно-импульсного нагружения.

Такая схема формирует функциональную связь уровня послеударных скоростей асфальтобетонного покрытия со скоростным режимом движения автомобиля, инерционными параметрами (масса неподрессоренных частей автомобиля и приведенная масса дорожной одежды) и амплитудами неровностей дорожного покрытия.

Применяя теорему об изменении кинетического момента механической системы и теорию плоскопараллельного движения колеса и производя

соответствующие преобразования, зависимости:

были выведены функциональные

V =

а!бХ

_ Щ

тЫ, тЫо

^АХ _ тк

"а/«. «а/о

ък) я.

ЗЛ2

(6)

где, Шк - масса неподрессоренных частей автомобиля; Шд/0 -приведенная масса дорожной одежды; У^, - вертикальная и

горизонтальная проекция послеударной скорости покрытия соответственно.

С использованием зависимостей (6) определялись численные значения вертикальных проекций послеударных скоростей покрытия с учетом параметров движущегося автомобиля (двухосный грузовой автомобиль) и конструкции дорожной одежды (пятислойная дорожная одежда) (таблица 1).

Таблица 1 - Вертикальные послеударные скорости асфальтобетонного слоя

Скорость движения грузового автомобиля, км/ч Высота дорожной неровности, мм

0,2 | 0,5 | 10 15 | 20 25 | 40

Вертикальная проекция скорости, м/с

40 0,004 0.006 0,026 0,032 0.037 0,041 0,050

50 0,005 0,008 0,033 0,040 0,046 0,051 0,063

60 0,006 0,009 0,040 0,048 0,055 0,061 0,075

70 0,007 0,011 0,046 0,056 0,064 0,071 0,088

80 0,008 0,012 0,053 0,064 0,073 0,081 0,100

90 0,009 0,014 0,059 0,072 0,083 0,092 0,113

Как следует из таблицы 1, при ударном взаимодействии колес грузового автомобиля и дорожной одежды уровни послеударных скоростей покрытия изменяются от 0,004 до 0,113 м/с для широкого диапазона амплитуд неровностей и скоростей движения автомобиля.

Анализ исследования влияния различных скоростей движения автомобилей и величин неровностей на покрытии на формируемые при колебаниях максимальные амплитуды прогибов дорожной конструкции, показал, что прирост (Д) перемещений постоянен на всем диапазоне изменения скоростей и имеет линейную зависимость для всех слоев дорожной одежды.

С ростом высот неровностей наблюдается быстрое увеличение амплитуд перемещений слоев (Рис. 5), что может привести к ускоренному разрушению дорожной конструкции, если Ь будет превышать некоторую величину.

Так как динамические показатели вибрационного процесса дорожной конструкции во многом зависят от упругих взаимосвязей между слоями, было проанализировано изменение их динамики при учете многослойности покрытия и основания. Было установлено, что в случае моделирования покрытия и

основания как многослойных элементов, вибрационные показатели (виброперемещения, виброскорости и виброускорения) отдельных слоев изменяются в 2...5 раз. При этом близость численных значений динамических параметров смежных слоев мало влияет на это соотношение.

1 ........................................-.......—...................................................—.............—.......................................

Й 1 Р г н »

ч я = =

0,8

•—»а/б — — щебень • • «ц/грунт

к

и

я а

и

а =

« И

0 10 20 30

Высота дорожной неровности, мм

Рис. 5. Зависимость амплитуд перемещений слоев дорожной одежды от высоты неровности покрытия

Одним из важнейших факторов, формирующих колебательные процессы в дорожной одежде, является уровень диссипации в отдельных ее слоях. На первом этапе исследований принималось условие оптимальности уровня диссипации. При этом время полного затухания колебаний дорожных слоев составляло 0,2...0,5 с. Однако реальный уровень диссипативных сил в слоях гораздо ниже оптимального. Сопоставление экспериментальных и теоретических показателей диссипации выявило, что уровень диссипативных сил в слоях составляет примерно 0,003...0,005 от оптимального.

Такое малое рассеивание колебательной энергии способствует возникновению относительно продолжительных затухающих колебаний дорожной одежды. Если амплитуды этих колебаний будут сопоставимы с величиной упругой деформации от веса автомобиля, то колебательный процесс станет фактически оказывать такое же воздействие на дорожную конструкцию, как и воздействие при проезде многих автомобилей. При наличии такой нагрузки условия эксплуатации дорожных конструкций резко ухудшатся.

При теоретических исследованиях было выявлено, что в процессе взаимодействия колеблющихся слоев возникает эффект условного роста диссипации за счет упругого сопротивления между слоями. Этот условный рост уровня диссипации можно регулировать соответствующим подбором параметров или соотношений парциальных частот слоев. При этом можно снизить общую вибрационную нагрузку на дорожную одежду.

Для раскрытия закономерностей вибрационного нагружения немаловажное значение имеет исследование динамики дорожной конструкции при движении транспортного потока. При исследованиях вибронагруженности от транспортных потоков учитывалось, что существующая в настоящее время

классификация транспортных потоков не связана с динамикой дорожной конструкции. Особенность вибрационного нагружения дорожных одежд от транспортного потока выражается возбуждением колебаний и поддержки этого процесса за счет дополнительной ударной энергии получаемой от многократных проездов последующих автомобилей.

Расчетный виброфон при свободном транспортном потоке показал, что весь процесс вибронагружения покрытия представляет собой совокупность одиночных нагружений от единичных автомобилей (рис. 6).

Рис. 6. Виброфон слоев дорожных одежд при свободном транспортном потоке

Рис. 7. Виброфон асфальтобетонного слоя при связанном транспортном потоке

При связанном транспортном потоке движение группы автомобилей незначительно изменяет виброфон, в основном в области малых амплитуд, и практически не влияет на формирование вибронагруженности дорожной конструкции. Когда в таком потоке возникают повторные ударные возмущения от колес движущихся автомобилей, амплитудные значения виброскоростей (виброускорений) слоев дорожных одежд уже настолько снижены за счет диссипации, что их величиной можно пренебречь. Однако следует отметить, что при этом меняется характер колебательного процесса. Например, виброфон асфальтобетонного слоя покрытия при связанном транспортном потоке становится непрерывным (Рис. 7).

Только при чисто теоретическом, условно называемом резонансном транспортном потоке, ярко выражено существенное увеличение уровня вибронагруженности. В реальной эксплуатации существование такого потока маловероятно.

В связи с этим, предложено при конструировании дорожных одежд использовать понятие динамического транспортного потока. Разработаны квалификационные признаки такого потока, а именно, расстояние между движущимися автомобилями, средняя скорость потока и время полного затухания колебаний в слоях дорожной одежды. Если первые два признака можно отнести к статистически случайным, то третий признак регулируется путем рационального динамического подбора собственных частот взаимодействующих слоев дорожной одежды.

Четвертая глава посвящена анализу формирования динамических сил в слоях дорожной одежды. Показатели, используемые для описания вибрационных процессов слоев дорожной одежды, такие как виброскорость и виброускорение, практически не связаны с параметрами, характеризующими прочность дорожной конструкции и поэтому малоинформативны. Для того, чтобы оценивать вибрационные показатели по уровню их разрушительного действия, предложено использовать такой динамический показатель, как динамические силы. Эти силы, относящиеся к инерционным, уравновешивают совокупность всех других сил и поэтому наиболее полно характеризуют динамическое нагружение дорожной конструкции.

Расчеты показали, что динамические силы, формируемые в том или ином слое дорожной одежды, прямо пропорциональны скорости движения автомобиля, но имеют для каждого слоя свои коэффициенты пропорциональности или коэффициенты динамической нагрузки. Эти силы можно описать как

Рдит=К1*У (7)

где, V - скорость движения автомобиля, км/ч; К; - коэффициент динамической нагрузки слоя дорожной одежды, кН*ч/км.

Коэффициенты динамической нагрузки нелинейно связаны с амплитудами динамических неровностей на покрытии и выражаются в виде полинома (8).

=акг-Ьк2+сИ+с1 (8)

где, Ь - амплитуда динамической неровности на покрытии. В таблице 2, в качестве примера, представлены численные значения коэффициентов полинома (8) для пятислойной дорожной одежды.

Таблица 2 - Коэффициенты полиноминальной зависимости = т

Наименование Коэффициенты полиноминальной зависимости, *10"3

дорожного слоя а Ь с а

а/б плотный 0,0003 0,100 14,1 249,9

а/б пористый 0,0004 0,100 15,2 253,7

черный щебень 0,0003 0,100 15,8 273,6

щебень фракцион. 0,0002 0,060 7,9 126,7

песок 0,0002 0,060 7,2 115,7

Оценив среднестатистические амплитуды динамических неровностей покрытия, включая высоты шероховатости, и скорости движения грузовых автомобилей, можно спрогнозировать уровни динамических сил в слоях. Эти уровни фактически будут характеризовать разрушительные параметры вибрационного нагружения.

По величине динамических сил в слоях дорожной одежды можно оценить уровень их вибрационного нагружения и определить степень влияния каждого слоя на формирование напряженно-деформированного состояния дорожной конструкции. Анализ уровня динамических сил в слоях позволил доказать корректность исключения слоя грунта земляного полотна из динамических расчетных схем дорожных конструкций. Расчетами было установлено, что введение в динамические схемы модели грунта, практически не меняет уровни динамических сил в слоях дорожных одежд (таблица 3).

Таблица 3 - Уровни динамических сил в слоях дорожной одежды при учете _параметров грунта земляного полотна_

Толщина Динамические силы в слоях, кН

грунта а/б а/б черный щебень песок грунт

земляного плотный пористый щебень фракцион. земляного

полотна, м полотна

0,5 5,43855 8,98188 7,19804 2,33862 1,01473 0,58634

1,0 5,43738 8,98173 7,19812 2,33672 1,01624 0,61455

1,5 5,43961 8,98150 7,19792 2,38102 1,01131 0,59377

Динамические силы в слоях возникают при ударных (импульсных) возмущениях и реализуются в процессе затухающих свободных колебаний. Они зависят от динамических параметров слоев. Величина максимальной амплитуды динамической силы является функцией высоты динамической

неровности, соотношения неподрессоренной массы автомобиля и приведенной массы дорожной одежды, а также скорости движения автомобиля.

Для исследования процесса формирования динамических сил в слоях дорожных одежд при ударном возмущении были проведены расчеты уровней виброиагружений при различных вариантах сочетания толщин слоев пятислойной дорожной конструкции. Введение новых сочетаний толщин слоев дорожной одежды, меняющих жесткостные и инерционные параметры, изменяет также частотный состав, связанный с упругими связями между слоями. Использование различных соотношений частот упругого взаимодействия между слоями создает иную качественную и количественную картину вибронагруженности.

В работе было исследовано одиннадцать вариантов конструкций пятислойных дорожных одежд, которые характеризовались различными соотношениями частот (таблица 4). Эти частоты были образованы динамическими параметрами дорожных одежд, представлеными в таблице 5.

Для сравнительного анализа было рассмотрено четыре конструкции дорожных одежд на автомобильной дороге II технической категории М-13 (21 км, 41 км, 64 км и 81 км), которые моделировались как варианты 7, 8, 9 и 10 соответственно. Выбор вариантов конструкций дорожных одежд обусловлен результатами мониторинга, проведенного в течении 12 лет на данной дороге. Мониторинг позволил получить статистические данные по структуре и динамике роста интенсивности движения в этот период, возрастанию в транспортных потоках числа многоосных автопоездов, оценить темпы и объемы разрушения дорожных покрытий, а также сопоставить их с объемами и видами ремонтных работ. Особенностью дороги М-13 является наличие большого разнообразия конструкций дорожных одежд на всем ее протяжении, что обеспечило возможность создания объективной картины их работоспособности. Оценка осуществлялась по уровню динамических сил.

Таблица 4 - Спектр собственных круговых частот слоев дорожных одежд

№ варианта Круговые частоты, рад/с

^ пор 1' Кгор б. 2ч ®2Ч у." 2ч Щф 4Ф 4ф ®5

1 265 214 205 296 126 202 238 101 99 142 73 90

2 265 214 229 313 126 202 238 101 99 142 73 90

3 265 214 214 302 126 216 250 101 99 142 73 90

4 265 214 204 296 126 183 222 101 ИЗ 152 70 88

5 265 214 204 296 126 192 229 101 108 148 70 88

6 265 214 247 327 126 199 235 101 80 129 86 101

7 265 214 242 323 126 162 205 101 80 129 95 109

8 265 214 140 256 126 268 296 101 107 147 92 106

9 265 214 202 294 126 207 243 101 107 147 92 106

10 265 214 168 272 126 249 279 101 127 162 69 87

11 265 214 229 313 126 215 249 101 88 134 77 94

Таблица 5 - Динамические параметры слоев дорожной одежды

№ варианта Параметры

Толщина слоя, м Масса, кН*с7м Жесткость, кН/м*10^

К, К пор К К к л т1 ,шр "ЬФ пц жгф Ж5

1 0,04 0,07 0,09 0,16 0,30 1,82 3,06 3,42 5,47 10,54 128 140 54 56,0 30

2 0,05 0,07 0,09 0,16 0,30 2,28 3,06 3,42 5,47 10,54 160 140 54 56,0 30

:> 0,05 0,08 0,09 0,16 0,30 2,28 3,50 3,42 5,47 10,54 160 160 54 56,0 30

4 0,06 0,09 0,11 0,18 0,30 2,73 3,93 4,18 6,15 10,54 192 180 66 63,0 30

5 0,07 0,10 0,12 0,19 0,30 3,19 4,37 4,56 6,50 10,54 224 200 72 66,0 30

6 0,07 0,09 0,11 0,18 0,30 3,19 3,93 4,18 6,15 10,54 224 180 66 63,0 30

7 0,04 0,05 0,10 0,27 0,30 1,82 2,18 3,80 9,23 10,54 128 100 60 94,5 30

8 0,04 0,15 0,11 0,17 0,20 1,82 6,55 4,18 5,81 7,03 128 300 66 59,5 20

9 0,05 0,09 0,11 0,17 0,20 2,28 3,93 4,18 5,81 7,03 160 180 66 59,5 20

10 0,05 0,13 0,11 0,12 0,25 2,28 5,68 4,18 4,10 8,79 160 260 66 42,0 25

11 0,05 0,07 0,08 0,18 0,30 2,28 3,06 3,04 6,15 10,54 160 140 48 63,0 30

Следует отметить, что мониторинг не выявил прямой связи между интенсивностью движения и частотностью возникновения характерных разрушений покрытия в виде трещинообразования и ямочности. Наиболее повреждаемые участки дороги, так называемые «слабые» участки, характеризуются как большой, так и относительно малой интенсивностью движения. В тоже время значения расчетных прочностных показателей конструкций дорожных одежд на этих участках выше требуемых.

В сравнительный анализ была также включена конструкция, сформированная на принципе динамического рационального соотношения частот упругой связи смежных слоев, представленная в таблице 5 под номером 11. При расчетах возбуждение колебаний моделировалось воздействием двухосного грузового автомобиля движущегося со скоростью 90 км/ч по шероховатости с амплитудой 0,01 м. Материалы расчетов по средним динамическим силам в слоях, анализируемых конструкций дорожных одежд, представлены в виде гистограмм (рис. 8... 10).

Расчетные гистограммы динамических сил в слоях дорожных одежд для исследуемых сочетаний толщин слоев хорошо иллюстрируют недостатки метода упрочнения дорожных одежд за счет простого повышения толщин слоев, без учета их соотношения. Рациональный подбор соотношений толщин слоев предполагает не только снижение уровня динамических сил, но и возможного уменьшения общих толщин дорожных одежд. Вариант № 11 с таким соотношением частот смежных слоев характеризуется пониженных уровнем динамических сил в дорожной одежде в 2,5 раза и в слое асфальтобетонного покрытия в 4 раза.

Анализ гистограмм выявил также, что на «слабых» участках автомобильной дороги М-13 наблюдается повышенный уровень динамических сил в слоях. Отсюда прослеживается связь между высоким уровнем

динамических сил в слоях и ускоренным преждевременным разрушением дорожных одежд на этих участках.

Штолшина слоя, см

■дивамическнеснлы в слое плотаого а/б. кН

3 * * б 7 8 9 10

Номер варианта

Рис. 8. Гистограмма расчетных средних динамических сил в слое плотного асфальтобетона

Номер варианта

Рис. 9. Гистограмма расчетных средних динамических сил в двухслойном основании из щебня

Номер варианта

Рис. 10. Гистограмма расчетных средних динамических сил в дорожной одежде

Для подтверждения этого вывода были проведены расчеты динамических сил в слоях для большинства эксплуатационных участков автомобильной дороги М-13. Исследование проводилось на основе сравнения транспортно-эксплуатационных и динамических параметров участков дороги с наибольшим повреждением покрытия и смежных участков. В анализ были также включены участки, на которых была проведена реконструкция. Было установлено, что для наиболее повреждаемых участков характерен очень высокий уровень динамических сил в слоях. Увеличение толщин покрытий на отдельных участках при их реконструкции не только не снизило, а наоборот повысило уровень динамических сил.

Динамические показатели 11-го конструкционного варианта, по сравнению со всеми исследуемыми конструкциями, являются более предпочтительными. Дорожные конструкции, спроектированные на принципах варианта № 11, позволяют не только снизить уровень вибрационного нагружения, но и достичь экономического эффекта, за счет снижения общей толщины покрытия. Сравнительные ценовые показатели для исследуемых вариантов представлены в таблице 6 (в ценах 2006 г.).

Таблица б - Ценовые показатели расчетных вариантов

№ варианта 1 2 3 4 5 6 7 8 9 !0 11

Стоимость

материалов, отнесенная к 1 км 4,69 4,91 5,08 5,88 6,47 6,10 5,20 6,25 5,46 5,88 4,84

дорожной одежды, млн. руб

Следовательно, динамический подбор соотношения толщин смежных слоев дорожных одежд, уменьшая динамические силы в этих слоях и снижая вибрационное динамическое нагружение, будет повышать в эксплуатации работоспособность и долговечность дорожной конструкции.

Было выявлено, что при динамическом подборе соотношения частот упругой взаимосвязи смежных слоев дорожной одежды в процессе колебаний динамические прогибы дорожной конструкции существенно уменьшаются.

При колебаниях смежные слои дорожной одежды могут перемещаться, совпадая по фазе или находясь в противофазе. Возможны также промежуточные сочетания. При определенных условиях отдельные слои могут реализовывать процессы взаимного «раскачивания», создавая явление похожее на резонанс. Для достижения противоположного результата или явления «гашения колебаний» необходимо подобрать парциальные частоты слоев так, чтобы слои находясь в противофазном движении реализовывали процесс силовых противодействий. Такой принцип был использован при формировании 11-го конструкционного варианта дорожной одежды.

На рис. 11 и 12 представлены расчетные амплитудно-временные характеристики динамических сил в двухслойном асфальтобетонном покрытии для конструкционных вариантов № 10 и И соответственно. Эти характеристики хорошо иллюстрируют, что причиной неудовлетворительной работоспособности покрытия дорожной конструкции, спроектированной по 10-му варианту, является однофазность действия динамических сил в смежных слоях. Такие процессы характеризуются ростом динамических сил, прогибов и напряжений. За счет этого появляется повышенная способность к разрушению покрытий.

В конструкционном варианте дорожной одежды № 10 противофазность динамических сил составляет 42 % силовых амплитуд, а в 11-м варианте 95 %. В исследуемом временном диапазоне 0,5с динамические силы в слоях плотного и пористого асфальтобетона в варианте №10 совпадают при колебаниях по фазе и следовательно, «раскачивают» друг друга 40 раз, а в 11-м варианте только 4 раза.

Отсюда следует, что низкая долговечность покрытий в конструкционных вариантах №7...10 является следствием произвольного подбора соотношений толщин слоев дорожной одежды, выполненное на стадии проектирования.

При исследованиях было также выявлено, что динамический подбор соотношения частот упругой взаимосвязи смежных слоев с одновременным повышением толщин основания дорожной одежды позволяет не только снизить уровень динамических сил в покрытии, но и улучшить прочностные показатели всей дорожной конструкции. На этом принципе был сформирован улучшенный конструкционный вариант № 12. Расчеты показали, что в этом варианте, по сравнению с вариантом № 11, уровень динамических сил в покрытии снизился еще в 1,2 раза. В тоже время коэффициент запаса прочности повысился до 1,6 (у варианта № 11 Кпр=Т,45), а противофазность действия динамических сил в слоях покрытия достигла 96 %.

Р, кН

40 20 0 -20 -40 -60

Р

I;

Т

1

И

а/б плотный ■ а/б пористый

,15

I

II I

-Н—9-

I! II

<?4!

I М

I И

м:>

¿..м, с " * 1;5

Рис. 11. Амплитудно-временная характеристика динамических сил в слоях асфальтобетона (10" вариант).

Р, кН

а/б плотный ■ а/б пористый

.-„.Л......а.........Л... .. л^¿с, с

Щ !ГН'!'гй,2 0,1- : 'Щ' ' 5 015

40 20 0 -20

-40 -60

Рис. 12. Амплитудно-временная характеристика динамических сил в слоях асфальтобетона (1 Iй вариант).

Ускоренное разрушение дорожных покрытий, наблюдаемое в последние годы, часто связывают не только с ростом интенсивности движения, но и с увеличением числа многоосных грузовых автомобилей в транспортном потоке. Это подтверждают многочисленные материалы статистических обследований автомобильных дорог в РФ и за рубежом. Однако причины этого явления до сих пор не получили убедительного объяснения. Принято считать, что основной причиной такого разрушительного эффекта является наличие у этих автомобилей повышенных нагрузок на ось.

При повышении осности автомобилей возрастает количество ударных нагружений дорожных одежд. За счет этого свободные колебания слоев имеют большую продолжительность, что является причиной роста интенсивности разрушения дорожных конструкций. Рост количества ударных воздействий сопровождается также неблагоприятным сочетанием временных диапазонов воздействий по отношению к частотам дорожных слоев.

Исследования по оценке влияния многоосных автомобилей на процесс формирования динамических сил в слоях дорожных одежд показали, что существует функциональная связь уровня динамических сил с техническими характеристиками автомобилей и их скоростным режимом. Эта связь нелинейная. Многоосные автомобили, за счет большего числа осей и наличия сдвоенных осей, существенно увеличивают динамические прогибы по сравнению с такими же показателями для двухосных автомобилей. Расчетные динамические прогибы дорожной конструкции, формируемые при движении различных марок автомобилей, представлены на рис. 13.

0,001

- г

А -

В I 0,0008

а

! | 0,0006 я =

* о

« а 0,0004 £ « I °

« 1 0,0002 5 о

2-х осный 5-ти осный 5-ти осный 6-ти осный МАЗ-500А МАЗ Scania Mercedes

Рис. 13. Динамические прогибы дорожной конструкции, сформированные различными типами автомобилей

При движении многоосных грузовых автомобилей рост динамических сил в слоях дорожных одежд приводит к увеличению уровней динамических прогибов и способствует ускорению разрушений покрытия.

Расчеты показали, что конструкции дорожных одежд, обеспечивающих противофазность действия динамических сил в слоях за счет динамического подбора соотношений частот упругой взаимосвязи, позволяют значительно снизить вибрационное нагружение от любых типов автомобилей.

При наличии в транспортном потоке значительного количества многоосных грузовых автомобилей рекомендована специально разработанная конструкция дорожной одежды (вариант № 13). На рис. 14 представлены графики реализуемых средних расчетных динамических сил в покрытии при нагружении многоосными автомобилями, движущимися с различными скоростями, дорожных одежд, спроектированных по вариантам № 13 и № 8.

6-ти осный Mercedes

5-ти осиый МАЗ

/5-ти осный Scania

' 2-х осиый МАЗ-500А

70 80

Скорость движения, км/ч

— Конструкционный вариант дорожной одежды № 8

- Конструкционный вариант дорожной одежды № 13

Рис. 14. Средние динамические силы в покрытии, возникающие при прохождении многоосных автомобилей

Преимущество виброзащищаемого конструкционного варианта № 13 достаточно наглядно. Динамический подбор соотношений частот смежных слоев дорожных одежд позволяет снизить вибрационное нагружение от многоосных автомобилей на дорожную конструкцию в 2...3 раза.

В пятой главе представлены разработанные методики расчета дорожных одежд на прочность при учете вибрационного нагружения. При их разработке принималось за основу, что дорожные одежды, спроектированные и рассчитанные в соответствии с действующими нормативными документами, имеют достаточные запасы прочности.

Основные принципы методики:

❖ после прохода каждого расчетного автомобиля в расчетном сечении возникает многочастотный процесс колебаний всех слоев дорожной одежды, который осуществляет дополнительное, к воздействию от расчетного автомобиля, вибрационное нагружение дорожной конструкции;

❖ на определенном интервале времени, возникающие вибрационные динамические прогибы слоев дорожной конструкции, сопоставимы по величине с прогибами под колесом движущегося автомобиля.

Методика базируется на том, что при учете вибрационной нагруженности в расчетах дорожных одежд на прочность по допустимому упругому прогибу необходимо рассчитать динамические прогибы, формируемые в послеударный период при колебательных процессах, а затем перевести их в силовые

эквивалентные нагружения, соответствующие воздействию от движущихся автомобилей с различной нагрузкой на ось (условные автомобили). Эти нагружения можно выразить как давления на покрытие колес условных автомобилей

1*Е -

Р _ _"рощ

эш £>* (1-м2) (9)

где, / - динамический прогиб дорожной конструкции;

Рэхв - вибрационное нагружение, МПа.

Эквивалентные нагрузки следует сопоставить с величиной нормативного давления на покрытие от колеса расчетного автомобиля группы А (Р-О.б Мпа). При этом будут получены эквивалентные доли нагружения от Р. По эквивалентным долям нагружения (РЭКв) вычисляется суммарный коэффициент приведения Вп

(р у

= (10)

V авт )

где, Рэга - динамическая нагрузка на дорожную конструкцию, возникающая за счет вибрационных прогибов;

Раэт -давление на покрытие от колеса расчетного автомобиля типа А;

р - показатель степени равный 4,4 для капитальных дорожных одежд.

Общее число приложений расчетной нагрузки с учетом вибрационного нагружения определится как

(п)

где, ^Л'р - суммарное расчетное количество приложений расчетной нагрузки за срок службы.

Выполненные исследования позволили установить, что при учете вибрации конструкция дорожной одежды с «плохими» динамическими качествами имеет 5„>1. В конструкции с динамическим соотношением частот смежных слоев коэффициент приведения 8П<1. В соответствии с (11), величина Я,,, формируя общее число приложений расчетной нагрузки Л\'р(1т, фактически становится основным критерием оценки динамических качеств дорожных конструкций и количественным показателем их недоупрочнения, которое закладывается на стадии проектирования при расчете дорожных одежд на прочность по допустимому упругому прогибу.

Эффективность данной методики была оценена путем сравнения расчетной теоретической долговечности исследуемых вариантов конструкций дорожных одежд со статистическими данными по эксплуатации подобных конструкций. Расчетные сроки службы дорожных одежд с учетом вибронагруженности близки к фактической эксплуатационной долговечности.

Отличие данной методики проектирования дорожных одежд от методики по ОДН 218.046-01 состоит также в том, что нормативный срок службы дорожных одежд не назначается, а рассчитывается по следующей зависимости:

Выражение (12) базируется на функциональной связи долговечности дорожной одежды с интенсивностью движения на конец нормативного срока службы Nр, суммой нагружений за весь период работы Шр и показателем приращения интенсивности движения по годам д.

Расчеты показали, что при учете вибрационного нагружения расчетные сроки службы двухслойного асфальтобетонного покрытия типовых дорожных одежд должны составлять от 2 до 5 лет, а трехслойного не более 8 лет. Эти данные хорошо согласуются со статистическими эксплуатационными показателями для автомобильных дорог в РФ. Прогнозный срок службы двухслойного покрытия для конструкции с динамическим соотношением парциальных частот смежных слоев составил около 11 лет.

Основным способом существенного повышения долговечности нежестких дорожных одежд является снижение уровня их вибронагружения или уровня динамических сил в слоях дорожной одежды. Для решения этой задачи был разработан метод формирования рационального соотношения парциальных частот слоев дорожной одежды или рационального подбора соотношений толщин слоев, основанный на реализации колебательных процессов с противофазным силовым противодействием смежных слоев.

Сформированная на основе этого метода математическая модель динамического подбора толщин пятислойной дорожной одежды имеет вид:

/г, = (-0,3417/4 +4,0043/3 -15,659/2 + 24,413i-l 1,417)^-*й,>м (13)

Математическая модель (13) позволяет при проектировании рассчитать толщины слоев дорожной одежды, обеспечивающие реализацию динамического соотношения частот упругой взаимосвязи смежных слоев и низкий уровень вибрационного нагружения этих конструкций.

В соответствии с ОДН 218.046-01, после расчета дорожных одежд на прочность по допустимому упругому прогибу, необходимо выполнять проверочный расчет дорожного покрытия на сопротивление усталостному сопротивлению при изгибе. Это особенно важно для конструкций с динамическим соотношением частот смежных слоев, так как повышенная работоспособность и долговечность таких конструкций достигается не утолщением покрытия, а снижением вибрационного нагружения.

Учитывая, что колебательные процессы, формируемые в слоях дорожных одежд, эквивалентны росту количества приложений нагрузки от расчетного

logg

(12)

А

где, / - порядковый номер слоя дорожной одежды; р - плотность материала слоя, кг/м3.

автомобиля группы А, необходимо в расчетах снижать предельные растягивающие напряжения в монолитных слоях и тем больше, чем хуже динамические характеристики дорожных одежд. При вибрационном нагружении сроки службы покрытий до появления усталостных трещин существенно уменьшаются.

Для оценки сроков службы дорожного покрытия по критерию усталостного разрушения при учете их вибронагруженности разработан расчетно-графический метод прогнозирования долговечности. При этом долговечность устанавливается по диаграмме прогнозирования. Для вычисления срока службы покрытия необходимо:

❖ графически изобразить кривую усталости, рассчитанную по следующей зависимости

где, Яо - нормативное значение предельного сопротивления растяжению при изгибе; 11н - растягивающее напряжение в монолитном слое; К2 -коэффициент, учитывающий влияние погодно-климатических факторов; ук - коэффициент вариации прочности на растяжение; I - коэффициент нормативного отклонения; а - коэффициент уточнения; ш - показатель, зависящий от свойств материала.

❖ построить на графике кривую нагружения выбранного варианта конструкции дорожной одежды, которая рассчитывается по следующему уравнению:

где, ЕЫрт . - суммарное нагружение в г'-ый год эксплуатации с учетом расчетного числа дней в году и типа дорожной одежды, авт;

А'рш,, - расчетная интенсивность движения в 1-й год эксплуатации с учетом вибронагружения, авт/сут;

Т;- расчетный год эксплуатации.

❖ по диаграмме прогнозирования определить теоретический срок эксплуатации покрытия без появления усталостных трещин.

На рис. 15 представлена диаграмма прогнозирования сроков усталостного разрушения покрытий по кривым нагружения и усталости. Для иллюстрации метода на рисунке показаны несколько кривых динамического нагружения исследуемых вариантов с различным соотношением толщин дорожных слоев.

(14)

(15)

35

Т, лет

15

10

5

0

5

10

15

а.ь МПЭ!

Рис. 15. Диаграмма определения прогнозируемых сроков усталостного разрушения 2-х слойного дорожного покрытия с учетом вибрации 1 - кривая усталости; 2 - кривая вибронагружения (13 вариант); 3 - то же (9 вариант); 4 - то же (10 вариант); 5 - то же (8 вариант), 6 - кривая вибронагружения конструкции с условным желаемым сроком службы 25 лет

Из диаграммы следует, что у исследуемых конструкционных вариантов дорожных одежд № 8, № 9 и № 10 усталостные трещины могут возникнуть уже через 6... 10 лет эксплуатации, что соответствует материалам мониторинга автомобильной дороги М-13. Строительство дорожной одежды по варианту № 13 с динамическим соотношением частот упругой связи смежных слоев может позволить увеличить этот срок до 14 лет.

Если учитывать тот факт, что колебательные процессы должны вызывают знакопеременные деформации, то предельно допустимые напряжения сг„ для покрытий необходимо значительно снижать (более чем на 50 %). Это связано с тем, что изгибные напряжения при колебательных процессах также становятся знакопеременными. При таких напряжениях эффективность конструкций дорожных одежд, рассчитанных по динамическому соотношению частот, еще более возрастет. Чем меньше будут динамические прогибы и связанные с ними уровни напряжений, тем большее число циклов нагружений выдержит покрытие до перехода в стадию усталостного разрушения монолитного слоя.

Сравнительную оценку дорожных покрытий по усталостному сопротивлению можно проводить по вибрационному спектру напряжений. На рис. 16 представлены спектры напряжений в покрытии для конструкционных вариантов дорожных одежд №10 и №13. Снижение напряжений в покрытии при использовании виброзащищающей конструкции № 13 достаточно наглядно. Поэтому прогнозная долговечность покрытия в № 13 в 1,4 раза больше, чем у покрытия варианта № 10.

а) - вариант № 10

(Т, МПа

»•4 II

11(1.......1.....- ■■

од ' ,

, ■ „ч '' V ■ • УММшш

ШШё У »ж!1!«« ¥ 11.1 а * 1.1 | |

1,8

1,С

-0,2 -0.3 -0,4

в) - вариант № 13 Рис. 16. Спектры напряжений в дорожном покрытии при колебаниях

В данной главе изложена физическая сущность механизма вибрационного разрушения нежестких дорожных одежд. Показано, что вибрационное нагружение, функционирующее после снятия автомобильного воздействия, усиливает и ускоряет темпы разрушений дорожных конструкций.

В шестой главе анализируются материалы натурного экспериментального определения собственных динамических параметров слоев дорожной одежды.

Целью натурного эксперимента являлось определение численных значений частот свободных колебаний эксплуатируемых дорожных одевд и сопоставление их с расчетно-теоретическими частотами. При теоретических исследованиях использовались частоты, зависящие от материала слоя дорожной одежды и от упругих связей между смежными слоями. Они были определены с использованием расчетных параметров. Экспериментальные

показатели должны были позволить также уточнить величину приведенной площади- Кроме того, ставилась задача оценить реальные уровни диссипации в слоях, влияющие на формирование амплитудно-временных характеристик.

Методика проведения натурного эксперимента предусматривала возбуждение свободных затухающих колебаний слоев дорожных одежд, т.е. формирование вибронагруженпости дорожных конструкций. С этой целью осуществлялся сброс микроавтобуса Citroen с «деревянного клина» высотой 0,15 м поочередно передними и задними осями и производилась запись виброускорений колеблющейся дорожной конструкции. Для исключения влияния на колебательный процесс деформационных воли от движущихся автомобилей, движение автотранспорта во время эксперимента было закрыто. Чтобы результаты испытаний статистически были достоверны, производился шестикратный сброс автомобиля (по три сброса передними и задними колесами).

Натурный эксперимент был проведен на 18 км автомобильной дороги Таллинн-Санкт-Петербург, который соответствовал конструкции дорожной одежды участка автомобильной дороги М-13.

Испытания проводили сотрудники дорожного департамента Эстонской республики, фирмы AS Spacecom, представляющей деловые транспортные интересы РФ в Эстонии, и центральной лаборатории физики инспекции охраны здоровья Эстонской республики, с участием автора работы.

Измерения осуществлялись по международным стандартам по методикам NT ACOU 082-1991 (NORDTEST METHOD) и NS 8176Е-1991 (NORSK STANDART). Приборная база включала измерительный прибор SVAN 948, акселерометр DYTRAN type 3143М1 и виброкалибратор Bruel & Kjaer 4294. При измерении уровней вибрации использовался третьоктавный диапазон частот в области 0,8...125 Гц, охватывающий фактический частотный спектр собственных частот автомобилей и элементов дорожной конструкции.

Использование третьоктавной полосы частот было обусловлено тем, что профилирующая частота может находиться в некотором частотном диапазоне. Чем уже диапазон, тем большая вероятность нахождения реального значения частоты. Например, если пиковое значение ускорения приходится на частоту 8,0 Гц, то профилирующая частота может быть как меньше этой величины, так и больше ее, находясь в соседних интервалах. Преимущество третьоктавного анализа состоит в том, что частотный интервал настолько сужен, что погрешность отклонения от точного значения частоты считается по международным нормам в допустимых пределах. Это особенно важно, когда предполагается сравнивать теоретические и экспериментальные показатели.

Анализ частотного состава колебательного процесса произведен по экспериментальным амплитудно-частотным спектрам. Один из таких спектров представлен на Рис. 17.

В результате статистической обработки получены следующие пиковые значения частот дорожной одежды:

- низкие частоты 0,8 - 1,3 - 2,5 - 5,0 Гц;

- средние частоты 8,0 - 12,5 -16,0 - 20,0 Гц;

- высокие частоты 31,5 - 50,0 Гц.

Сопоставляя расчетно-теоретические значения масс и жесткостей слоев на данном участке автомобильной дороги и соответствующие им теоретические частоты исследуемой дорожной конструкции с полученными экспериментальными параметрами можно сделать вывод о том, что частоты:

• частоты 0,8 - 1,3 - 1,6 Гц - это частоты свободных колебаний микроавтобуса на его подвеске;

в частота 2,5 Гц близка к парциальной частоте грунта земляного

полотна;

• частота 5,0 Гц соответствует парциальной частоте слоя песка;

• частоты 12,5 - 16,0 Гц относятся к частотам фракционированного щебня и щебня пропитанного битумом;

« частоты 31,5 - 50,0 Гц соответствуют слоям из плотного и пористого асфальтобетона.

Экспериментальные амплитудно-временные характеристики (рис. 18) позволили установить, что полное затухание колебаний происходит в среднем в течение 2,5 с после ударного взаимодействия, что указывает на малый уровень диссипации в слоях дорожных одежд.

Сравнение частотных спектров дорожных одежд, записанных при движении автомобилей, со спектрами, полученными при сбросе автомобиля с клиньев, подтверждает основную гипотезу теоретических исследований. Колебательный процесс дорожных одежд, формируемый при проезде автомобилей, представляет собой процесс свободных затухающих колебаний слоев дорожной одежды.

Эксперимент выявил, что численные значения теоретических и экспериментальных частот дорожной одежды достаточно близки. Следовательно, величина расчетной приведенной площади, на основании которой получены расчетные динамические параметры дорожных слоев (массы, коэффициенты диссипации, частоты), близка к приведенной площади реальной дорожной конструкции и находится в пределах Рпр=18...20 м2.

90

И 80 сГ

5 70 £ §■ 60 а

| 50

6

30

0,8 I 1,3 1,6 2 2,5 3,1 4 5 6,3 8 10 12,5 16 20 25 31,5 40 50 63 80

Среднегеометрические частоты полос 1/3-октавах, Гц

Рис. 17. Экспериментальный амплитудно-частотный спектр колебаний

дорожной конструкции после ударного нагружения

145,0

135,0

из

ч

измерение 1-1 измерение 1 -2

Й 125,0

85,0

0

50

100

150

200

250

Время, с*10"'

Рис. 18. Амплитудно-временные характеристики дорожной конструкции после

ударного нагружения

В седьмой главе сфорхМулированы основные положения разработанной теории вибрационного разрушения нежестких дорожных одежд. Данная теория не только объясняет причипы преждевременного разрушения дорожных конструкций, но и указывает методы существенного повышения работоспособности и долговечности нежестких дорожных одежд.

Основные положения теории вибрационного разрушения нежестких дорожных одежд состоят в следующем:

1. При прохождении через расчетное сечение дорожной конструкции колеса автомобиля возникает кратковременная деформация (прогиб) дорожной одежды, а масса покрытия получает начальную скорость за счет ударного воздействия колеса на покрытие. Каждый слой дорожной одежды и грунт земляного полотна являются инерционно-упруго-диссипативными элементами. Поэтому после появления начальной деформации (начальной скорости) покрытия возбуждаются свободные затухающие колебания всех слоев дорожной конструкции последовательно. Эти колебания формируются как совместные и многочастотные, представляя собой вибронагруженность дорожных одежд.

2. Исследование процессов разрушения нежестких дорожных одежд при вибрационном нагружении должно осуществляться для конкретных точек или в так называемых расчетных сечениях. При возбуждении колебаний дорожной конструкции в этот процесс вовлекается некоторая ограниченная площадь, расположенная в зоне расчетного сечения. Напряженно-деформированное состояние дорожных конструкций в расчетных сечениях при вибрационном нагружении и при нагружении от колес движущихся автомобилей отличаются только своим уровнем.

3. Возникающие при вибрационном нагружении на определенном временном интервале общие динамические прогибы конструкции по величине сопоставимы с прогибами от движущихся автомобилей. Следовательно, эти динамические прогибы можно смоделировать в виде прохода некоторых условных автомобилей с соответствующей нагрузкой на ось, вызывающей такие же величины прогиба, и учесть эти автомобили при определении суммарного расчетного количества приложений расчетной нагрузки.

4. В настоящее время при расчетах дорожных конструкций на прочность учитывается только нагружение от движущегося автомобильного транспорта (без учета вибрационного нагружения) и поэтому, уже на стадии проектирования, дорожные конструкции имеют недостаточные прочностные показатели. В результате неучтенное вибрационное нагружение, являясь значимым дополнительным фактором деформации слоев, приводит к преждевременному разрушению дорожных одежд в эксплуатации.

5. Наличие дополнительного вибрационного нагружения эквивалентно повышению интенсивности движения на автомобильной дороге, значительно превосходящей проектную. Превышение проектной интенсивности движения должно вызывать на определенном этапе эксплуатации дорожной конструкции лавинный рост разрушений дорожного покрытия.

6. Для повышения работоспособности и долговечности дорожных конструкций необходимо снижать уровень их вибрационного нагружения. Так как колебания элементов дорожных конструкций являются свободными, то основной механизм снижения амплитуд колебаний связан с изменением динамических параметров слоев. При этом необходимо реализовывать принцип противофазности действия динамических сил смежных слоев дорожных одежд. В этом случае возникающие в каждом слое в процессе колебаний динамические силы будут противодействовать аналогичным силам смежного слоя, снижая тем самым динамические нагружения как отдельных слоев, так и всей конструкции.

7. Ускоренное разрушение покрытий связано с ростом уровней вибрационного нагружения дорожных конструкции, возникающее при эксплуатации многоосных автомобилей. Следует ожидать, что разрушительное воздействие многоосных автомобилей на дорожную одежду будет снижаться при их эксплуатации на виброзащищенных дорожных конструкциях.

8. Для проектирования виброзащищенных дорожных конструкций необходимо усовершенствовать существующие методики проектирования нежестких дорожных одежд, введя учет их вибронагруженности. Усовершенствованная методика должна базироваться на расчете динамического соотношения толщин слоев дорожной одежды, обеспечивающего реализацию принципа противофазности действия динамических сил смежных слоев.

В главе представлена разработанная методика проектирования виброзащищенных дорожных одежд. Эта методика позволяет конструировать дорожные одежды, обладающие необходимыми прочностными показателями и одновременно обеспечивающими пониженное вибрационное нагружение. Для

проектирования таких конструкций необходимо регламентировать или нормировать величины расчетных скоростей движения, высот динамических неровностей на покрытии и расчетных неподрессоренпых масс автомобилей. В качестве расчетного автомобиля рекомендуется принимать многоосный автомобиль.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработана теория вибрационного разрушения нежестких дорожных одевд.

2. Установлено, что для исследования процессов разрушения дорожных одежд вполне корректно использование цепных одноплоскостных моделей, сформированных на основе равенства частот свободных колебаний модели и дорожной конструкции. В этих моделях каждый слой дорожной одежды следует представлять в виде колеблющегося объекта с инерционными, упругими и диссипативными параметрами слоя.

3. Разработанный метод динамического подбора параметров слоев дорожных одежд, позволяет формировать в дорожной конструкции колебательные процессы с противофазным действием динамических сил смежных слоев и достигать за счет этого пониженных вибрационных нагружений. Для этого динамические параметры слоев должны рассчитываться по математической модели динамического соотношения частот смежных слоев дорожной одежды. Это позволит существенно повысить работоспособность и увеличить долговечность нежестких дорожных одежд в эксплуатации.

4. Созданные методики расчета нежестких дорожных одежд на прочность по допустимому упругому прогибу и на сопротивление монолитных слоев усталостному разрушению от растяжения при изгибе с учетом виброфактора обеспечивают возможность проектирования дорожных одежд с пониженным уровнем вибронагруженпости для повышения работоспособности и долговечности дорожных конструкций.

5. Разработанный теоретико-графический метод определения расчетных сроков службы покрытий может быть использован для прогнозирования ожидаемых сроков службы покрытий без усталостного трещинообразования.

6. Основные положения теории вибрационного разрушения нежестких дорожных одежд подтверждены материалами натурного эксперимента по определению собственных динамических параметров слоев дорожной одежды. Экспериментальные амплитудно-частотные спектры и амплитудно-временные характеристики хорошо согласуются с расчетно-теоретическими. Эксперимент позволил уточнить расчетные динамические параметры слоев дорожной одежды.

На основе выполненного комплекса исследований предлагается ряд практических рекомендаций, направленных на повышение качества проектирования и улучшения эксплуатационных показателей дорожных одежд.

1. Рекомендуется при проектировании нежестких дорожных одежд использовать метод динамического подбора параметров слоев и методики расчета на прочность по допустимому упругому прогибу и на сопротивление усталостному разрушению с учетом вибрационного фактора.

2. Производить расчет толщин слоев дорожной одежды по математической модели динамического соотношения частот смежных слоев.

3. Внедрить в практику строительства многослойные дорожные одежды с пониженным уровнем вибрационных нагружений, особенно для строительства автомобильных дорог с предполагаемым высоким процентом многоосных грузовых автомобилей в транспортном потоке.

Основные положения диссертации изложены в следующих публикациях:

Публикации в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендуемых ВАК РФ

1. Осиновская В.А. Определение прочностных показателей асфальтобетонного покрытия автомобильных дорог по скорости распространения ударной волны //Транспортное строительство. - 2006. • № 9. -С.29-30.

2. Осиновская В.А. Основные принципы формирования динамической модели взаимодействия автомобиля и дороги //Известия Томского политехнического университета. - 2006. - том 309. - № 5. - С.145-147

3. Осиновская В.А. Транспортный поток как динамическая характеристика воздействия на автомобильную дорогу //Вестник Саратовского государственного технического университета. - 2006. - Вып. 1 - №3 (14). -С. 160-163

4. Осиновская В.А. Математическая модель динамического паспорта дорожной одежды //Транспортное строительство. - 2007. - № 10. - С.24 - 25.

5. Осиновская В.А. Динамическая паспортизация автомобильных дорог //НТТ-Наука и техника транспорта. - 2007. - №4. - С.81-82

6. Осиновская В.А. Новая концепция преждевременного разрушения нежестких дорожных одежд //Транспортное строительство-2010,- № 3- С.6-8.

7. Осиновская В.А. Вибрационное нагружение нежестких дорожных одежд // Вестник МАДИ. - 2010. - Вып.4(19). - С.79-83.

8. Немчинов М.В. Осиновская В.А. Заметки о расчёте дорожных одежд //Наука и техника в дорожной отрасли. - 2011. - № 1. - С. 34-36

9. Осиновская В.А. Диссипативные характеристики материалов слоев нежестких дорожных одежд //Наука и техника в дорожной отрасли. - 2011. -№ 1.- С.11-12

10. Осиновская В.А. Виброзащищенные конструкции нежестких дорожных одежд // Транспортное строительство.-2011.- № 2- С. 21-23

11. Осиновская В.А. Оценка динамики грунта земляного полотна при вибрационном нагружениии дорожной конструкции //Строительные материалы. - 2011.- №2. - С. 45-46

Монографии, учебные пособия

12. Осиновская В.А. Вертикальная динамика автомобильной дороги при ударном воздействии автомобиля /A.B. Смирнов. Колебания и волны в дорожных конструкциях: монография. - Омск: СибАДИ, 2006. - С.82-106.

13. Осиновская В.А. Вибрационное разрушение нежестких дорожных одежд: монография. -М.: Техполиграфцентр, 2008.-203 с.

Основные публикации в прочих изданиях

14. Осиновская В.А. К вопросу об оценке и прогнозировании колебаний автомобильной дороги /Проблемы строительного и дорожного комплекса //сб. науч. тр. международной науч.-техн. конф. - Брянск, 2006. - Вып. 4 - с.59-63.

15. Осиновская В.А. Формирование вибрационных динамических сил в дорожной конструкции /Современные научно-технические проблемы трансп. стр-ва//материалы всерос. науч.-практ. конф. - Казань: КГСУ, 2007.- С.203-205.

16. Осиновская В.А. Теоретическая оценка вибрационного нагружения дорожных конструкций многоосными грузовыми автомобилями. /Повышение долговечности транспортных сооружений и безопасность дорожного движения //сб. науч. тр. всерос. науч.-практ. конф. - Казань: КГСУ, 2008.- С.281-283.

17. Осиновская В.А. Оценка вибронагружености нежестких дорожных одежд. /Современное состояние и инновации транспортного комплекса //Материалы международной науч.-техн. конф. Том I. - Пермь, 2008. - С. 59-63.

18. Осиновская В.А. Динамическая оптимизация конструкции нежестких дорожных одежд. /Международные транспортные коридоры //сб. докл. науч.-практ. конф. - Баку: Изд-во МСД, 2008. - С.173 - 177.

19. Осиновская В.А. Экспериментальная оценка динамических параметров слоев дорожных одежд. // сб. науч. тр. Первого Всероссийского Дорожного Конгресса. - Москва: ВФ МАДИ(ГТУ), 2009,- С.213-214.

20. Осиновская В.А. Основы расчета нежестких дорожных одежд с учетом вибронагруженности. /Вопросы строительной механики и надежности машин и конструкций //сб. науч. тр. - МАДИ:, 2010 - С.50-53

21. Осиновская В.А. Причина ускоренного разрушения дорожных покрытий /Инновации в транспортном комплексе. Безопасность движения, //материалы международной науч.-практ. конф.-Пермь, 2010,- Том 3. - С. 48-50.

22. Осиновская В.А. Теоретические предпосылки преждевременного разрушения нежестких дорожных одежд //сб. науч. тр. Второго Всероссийского Дорожного Конгресса. - Москва: ВФ МАДИ, 2010,- С. 99-102

23. Осиновская В.А. Анализ механизма вибрационного повреждения нежестких дорожных одежд, //тезисы докладов 69-ой науч.-метод. и науч,-исслед. конф. МАДИ-М., 2011. - С.19-20

Патенты на изобретения

24. Конструкция дорожной одежды: пат. RU № 2399715 С1 Рос. Федерации: МПК Е01С 7/00 (2006.01) /Осиновская В.А.; заявитель и патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования МАДИ. - опуб. 20.09.2010, Бюл. № 26. - 6 с.

Подписано в печать 21.11.2011 г.

Усл.п.л. -2,0 Заказ №6295 Тираж: 120 экз.

Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.aiitoreierat.ru