автореферат диссертации по строительству, 05.23.11, диссертация на тему:Влияние параметров конструкции дорожной одежды на процесс образования уступов между плитами цементобетонного покрытия

ФОТИАДИ Андрей Александрович

ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ КОНСТРУКЦИИ ДОРОЖНОЙ ОДЕЖДЫ НА ПРОЦЕСС ОБРАЗОВАНИЯ УСТУПОВ МЕЖДУ ПЛИТАМИ ЦЕМЕНТОБЕТОННОГО ПОКРЫТИЯ

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

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

□03468151

Москва 2009

003468151

Работа выполнена на кафедре «Строительство и эксплуатация дорог» Московского автомобильно-дорожного института (государственного технического университета).

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Носов Владимир Петрович

Официальные

оппоненты: заведующий кафедрой

"Аэропорты" МАДИ(ГТУ) доктор технических наук, профессор Степушин Александр Петрович, заведующий лабораторией бетона и каменных материалов ФГУП "РОСДОРНИИ" кандидат технических наук Каменецкий Леонид Борисович

Ведущая организация: ОАО "СоюздорНИИ".

Защита состоится 21 мая в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212,126.02 в Московском автомобильно-дорожном институте (государственном техническом университете) по адресу: 125319, Москва, Ленинградский проспект, 64, ауд. 42, телефон для справок (499) 155-93-24.

Отзывы на автореферат, заверенные печатью, просьба высылать в двух экземплярах, а копию отзыва просим прислать по e-mail: uchsovet@madi.ru.

Автореферат разослан «20» апреля 2009 г.

Учёный секретарь ^¡л

диссертационного советик'' А./ проф., канд. техн. наук '// Борисюк Н.В.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Одной из важнейших задач федеральной целевой программы "Развитие транспортной системы России (20102015 годы)", подпрограмма "Автомобильные дороги", является применение технических решений, обеспечивающих увеличение межремонтных сроков дорожных сооружений. По этой причине можно ожидать, что увеличение объёмов строительства цементобетонных покрытий станет важнейшим направлением в решении этой задачи. Увеличение доли автомобильных дорог с цементобетонными покрытиями в общей протяжённости сети дорог будет способствовать сокращению государственных расходов на ремонт и содержание автомобильных дорог.

Конструктивной особенностью цементобетонных покрытий является наличие деформационных швов для обеспечения возможности деформации конструкции в процессе эксплуатации под влиянием изменений температуры окружающей среды.

Опыт эксплуатации цементобетонных покрытий показал, что с течением времени между плитами могут образовываться уступы высотой несколько миллиметров. Образование уступов ухудшает продольную ровность проезжей части, увеличивает сопротивление движению, делает движение автомобилей менее комфортным, вызывает вертикальные колебания автомобилей, увеличивающие нагрузку на проезжую часть автомобильной дороги.

С целью предотвращения или ограничения образования уступов в инструкции по расчёту и конструированию цементобетонных покрытий предусмотрены специальные требования к основаниям таких покрытий. Однако, как показывают результаты натурных исследований, на большей части построенных цементобетонных покрытий со временем происходит образование уступов, ухудшающих условия проезда автомобилей. Таким образом, возникает необходимость в исследовании процесса образования уступов на цементобетонных покрытиях и установлении факторов, в наибольшей степени влияющих на интенсивность их увеличения.

Цель диссертации. Разработка методики прогнозирования процесса образования уступов между плитами на автомобильных

дорогах с цементобетонным покрытием с целью выработки мероприятий по ограничению и регулированию этого процесса.

Научная новизна

• Уточнены теоретические предпосылки образования уступов в поперечных швах сжатия и факторы, влияющие на их развитие.

• Предложена математическая модель прогнозирования процесса образования уступов на основе учёта энергии деформации в зоне поперечных швов сжатия.

• Определены параметры конструкции дорожной одежды с цементобетонным покрытием, наиболее существенно влияющие на интенсивность образования уступов во времени.

Практическая ценность. Практическая ценность заключается в возможности использования полученной математической модели при конструировании новых дорожных одежд с цементобетонным покрытием для ограничения процесса образования уступов в течение эксплуатации автомобильной дороги.

Реализация работы. Результаты работы предполагается использовать при проектировании реальных объектов, в курсовом и дипломном проектировании, а также в учебном курсе лекций.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на 65-й, 66-й научно-методических и научно-исследовательских конференциях МАДИ (ГТУ) (2007, 2008 гг.), всероссийской научно-практической конференции «Повышение долговечности транспортных сооружений и безопасности дорожного движения» в ИТС КГАСУ в Казани 2008 г., Ill всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Развитие дорожно-транспортного комплекса и строительной инфраструктуры на основе рационального природопользования», посвященной 100-летию со дня рождения К.Х. Толмачёва в СибАДИ в 2008 г., а также на заседаниях кафедры «Строительство и эксплуатация дорог» МАДИ (ГТУ), 2006-2008 гг.

На защиту выносится

• Результаты теоретического анализа процессов взаимного смещения плит цементобетонных покрытий под влиянием многократных нагружений автомобильными нагрузками, изменения температуры, с учётом изменения модуля упругости основания.

• Результаты натурных измерений величины уступов на автомобильных дорогах, построенных более 20 лет.

• Математическая модель прогнозирования процесса увеличения уступов во времени на основе учёта энергии деформации в зоне поперечных швов сжатия.

Публикации. По результатам исследований опубликовано четыре печатные работы в профильных изданиях, в том числе находящихся в списке ВАК РФ, в которых отражены все основные положения диссертационной работы.

Объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа содержит 159 страниц машинописного текста, включая 92 рисунка, 25 таблиц, 4 приложения на 31 страницах. Список использованной литературы насчитывает 87 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность выбранной темы исследования, сформулирована цель и основные направления работы.

В главе 1 приведён краткий исторический обзор применения цементобетонных покрытий в России. Рассмотрены основные тенденции в конструировании дорожных одежд с цементобетонными покрытиями. Большое внимание уделено анализу отечественного и зарубежного опыта строительства автомобильных дорог с цементобетонным покрытием.

Исследованиями в области цементобетонных покрытий в России занимались А.Н. Защепин, М.С. Зельманович, Т.Я. Резник, И.А. Медников, В.П. Носов, В.В. Ушаков, Г.Я. Ключников, В.К. Апестин, Л.С, Малицкий, C.B. Коновалов, Л.Б. Каменецкий, М.С. Коганзон, В.А. Чернигов и др. Значительный вклад в

совершенствование расчёта и конструирования цементобетонных покрытий на аэродромах внесли: Г.И. Глушков, Л.И. Горецкий, В.Е. Тригони, А.П. Степушин.

Значительное внимание уделено анализу зарубежного опыта применения цементобетонных покрытий в таких странах, как США, Канаде, Германии, Австрии и Бельгии. Рассмотрен новый подход к расчёту и конструированию цементобетонных покрытий, который помимо определения основных параметров конструкции дорожных одежд включает в себя прогнозирование процессов развития повреждений таких, как образование трещин, разрушение поперечных швов и образование уступов. В табл. 1 представлен перечень проанализированных моделей по расчёту и прогнозированию уступов.

Анализ отечественного опыта проектирования цементобетонных покрытий показал, что наибольшее внимание уделялось предотвращению образования трещин посредством ограничения растягивающих напряжений в цементобетоне. Значительно меньше внимания уделялось образованию уступов между плитами. Недооценивался тот факт, что в процессе эксплуатации автомобильной дороги под воздействием изменяющихся во времени природно-климатических условий и воздействий транспортных средств происходит вертикальное взаимное смещение плит в поперечных швах, приводящее к образованию уступов. На рис. 1 показано относительное влияние основных видов повреждений поверхности цементобетонного покрытия на ухудшение продольной ровности проезжей части (1К1) по зарубежным источникам.

Рис. 1. Влияние количества плит с трещиной, процента разрушенных поперечных швов и величины уступов на показатель ровности I

№ п/п Авторы Расчётные формулы (модели) Учитываемые параметры

1 ВСН 197-91 (1991 г.) 8,5-а-Кд-тс„ "уст - ■ ^ ......(1 + '^q■Ig^ р!) Е0-1 у Толщина покрытия и основания, модуль упругости основания, интенсивность расчётной нагрузки

2 Simpson, A.L. (1994 г.) куст = ■ [0,0238 + 0,0006 ■ (~)2 + 0.003Т ■ ■ (1-~)г + 0,003э-(^)г- 0,0037 ■ Ьоб - 0,0218 ■ Приведённая интенсивность движения, расстояние между поперечными швами, коэффициент постели, срок службы, тип обочины, диаметр штыря

3 Yu, H.T (1997 г.) ''уст = Х0*5-(0,0628 + 0,0628+ 0,3673 Ю~8 ■ ■ й2 + 0,4116-1 С'5 ■ I2 + 0/455 • 10~9 -Тг[? И0 5 --0:009503-Ксси-0.01а17-Вт*0,0005217-Тлет] Приведённая интенсивность движения, коэффициент фильтрации, напряжение смятия бетона создаваемое штырём, расстояние между швами природно-климатические условия, тип основания, ширина плиты, срок службы

4 Owusu-Antwi, Е.В. (1997 г.) "уст =1)0 23' (О'35 ~ 0.0277 ■ Кжя - 0.25 ■ Са + + 2,17Ю'5-Тгр) Мера повреждения, тип основания, коэффициент фильтрации, природно-климатические условия

5 Titus-Glover, L (1997 г.) куст. = П°-3 (0,05 4- 0.00004 ■ А - 0,0024 ■ с1 --0,025-С<1 .(0,5 + Каси)] Мера повреждения, природно-климатические условия, диаметр штыря, коэффициент фильтрации, тип основания

6 NCHRP 1-34 (1998 г.) куст = О02475(0,2405 - 0,2405 - 0.00118-У + + 0.001216 ■ А - 0,04336 ■ Коп - (0,004336 + + 0,007059-(1-а))-В] Мера повреждения, | природно-климатические | услосия, толщина плиты, | тип основания, коэффициент постели, расстояние между швами, диаметр штырей

7 PAVESPEC 3.0 (2000 г.) >>уст = В0275 [0,1741-0,0005611 V + + 0,001062-Н1 Мера повреждения, природно-климатические условия, толщина плиты, тип основания, фактор зрозионности, коэффициент постели, расстояние между швами, диаметр штырей

На основе анализа отечественных и зарубежных литературных источников опыта проектирования и эксплуатации цементобетонных покрытий автором поставлены следующие задачи.

1. Провести теоретический анализ особенностей процесса образования уступов и установить критерий, определяющий интенсивность этого процесса.

2. Выполнить натурное обследование ранее построенных участков автомобильных дорог с цементобетонным покрытием, находящихся в разных природно-климатических и дорожных условиях, и установить особенности образования и развития уступов.

3. Разработать математическую модель прогнозирования уступов для дорожных одежд с цементобетонным покрытием с учётом изменяющихся во времени воздействий параметров транспортного потока и климатических условий.

4. Провести серию расчётов для проверки адекватности модели и выработки рекомендаций.

Глава 2 содержит теоретический анализ процесса образования уступов в поперечных швах цементобетонных покрытий. Принято считать, что образование уступов начинается с момента срабатывания ложного поперечного шва сжатия. С момента срабатывания шва передача нагрузки с плиты на плиту от проезжающих автомобилей должна обеспечиваться за счёт естественного зацепления материала по поверхности излома трещины и штыревых соединений в швах.

Выявлены основные физические процессы, сопровождающие образование уступов, к которым следует отнести: накопление остаточных деформаций в нижележащих слоях в зоне поперечных швов; вымывание частиц грунта и основания в виде выплесков в период выпадения осадков (рис. 2); коробление плит при градиенте температуры и влажности; периодическое раскрытие и закрытие швов в результате изменения средней температуры цементобетонных плит, что снижает способность конструкции шва передавать нагрузку с плиты на плиту.

по поверхности игл ома трелзмы

Рис. 2. Схема взаимного смещения смежных плит

Анализ литературных источников и особенностей физических процессов, сопровождающих взаимное перемещение соседних плит в зоне шва, позволил заключить, что прогноз интенсивности нарастания уступов следует связывать с количеством взаимных смещений и принять в качестве основного критерия, определяющего нарастание уступов, величину энергии, затрачиваемой на взаимное смещение плит в зоне поперечных швов.

В основу математической модели для вычисления энергии, затрачиваемой на взаимное смещение плит в поперечных швах при проезде автотранспортных средств, положены зависимости теории плит на упругом основании при краевом расположении нагрузки и расчёта плит на температурные воздействия на основе решения 5.Г. Коренева и Л.И. Горецкого.

Для учёта состава движения предложено в каждой группе по грузоподъёмности выделять расчётный автомобиль с соответствующими параметрами нагрузки и количества осей.

Изменение температуры воздуха и интенсивности солнечной радиации приводит к тому, что ширина раскрытия поперечных швов непостоянна и меняется в течение времени. Как показывают результаты экспериментальных исследований, нагрузка от колеса автомобиля вызывает прогибы смежных плит, величина которых зависит от ширины раскрытия швов. Градиент температуры и влажности по толщине плиты также вызывает вертикальные

смещения краёв плит. Прогибы плит от транспортных нагрузок в сочетании со смещением краёв плит от коробления в зоне поперечных швов вызывают изменение условий деформирования и соответственно влияют на интенсивность развития уступов (рис. 3).

действием транспортных нагрузок и коробления: а - температура верхней поверхности выше нижней; б - температура нижней поверхности выше верхней

В результате была принята следующая формула для подсчёта энергии деформирования в зоне поперечного шва:

а с V" ^нагр.Р^.М ^короблХ ) ., №ненагр.Р^коробл!)

=1Л *\ м----—^--------МО

где АЕд-часовое приращение энергии деформации в зоне поперечного шва сжатия, Дж/см2; - прогиб нагруженного угла плиты, см; И^гоюр-прогиб ненагруженного угла плиты, см; ксГог,л.г ~ прогиб угла плиты от температурного коробления для часа см; Км -коэффициент постели для месяца М, МП а/см; А -количество рассматриваемых групп автомобилей в составе движения; Л",-количество осевых воздействий автомобилей А за

час; РА -расчётная нагрузка для группы А, кН; М-ширина раскрытия шва сжатия, мм.

Глава 3 посвящена натурным исследованиям процесса образования уступов на ранее построенных автомобильных дорогах с цементобетонным покрытием с целью сбора статистической информации, последующей обработки и установления параметров для калибровки модели. Для обследования были выбраны автомобильные дороги с цементобетонным покрытием в разных климатических зонах, отличающихся по интенсивности движения и составу движения, на дорогах разных категорий, с различными конструкциями дорожных одежд. Предпочтение отдавалось объектам, где срок службы цементобетонного покрытия превышал 20 лет. На рис. 4 показана схема расположения обследованных объектов. В табл. 2 указаны сроки завершения строительства и время обследования объектов.

Таблица 2

Номер | Наименование объекта объекта j Год строительства Дата обследования

! 1 | М2 «Крым» 1983 август 2006

2 | МЗ «Украина» 1958 сентябрь 2006

3 М4 «Дон» 1999 июль 2006

4 М51 «Байкал» Челябинск-Курган-Омск-Новосибирск 1990 май 2008

5 А114 Вологда-Новая Ладога 1971 июль 2007

6 «Устюжна-Мочала» 1990 июль 2007

7 «Москва-Киев» - ст. Зикеево-Полюдоео 1983 май 2007

8 «Славянск-Ачуево» - Целинный 1978 январь 2007

9 Подъезд к аэропорту Анапа 1978 февраль 2008

10 Рисосовхоз «Приазовский» 1976 июль 2006

Методика обследования предполагала выезд на место расположения объекта и сбор необходимой информации, определяющей основные параметры автомобильной дороги, категорию, геометрические параметры, интенсивность и состав движения. Для определения конструкции дорожной одежды

О Ннрьян-Мяр

Лрхатчльск

Хат ы Мяненйс

г .

I *

о > /1

ЛЛЖК! Л3(> •• _Ки|*»

......

'•'у. ^ \ . ©И;и>нпч<1

(См» Т^Л^ ^ ©

.л . . ' И ЖСИОК.

Иошклр-О.'Щ 0 .

■VI»:

Отл'Ы

> .

1 . Воронок 1 0 Сара!г,в

г' } . Мусограл Я«ЯО»-В«-ЛО,1У ; \ \

..-. »"•»•" V*

V"

ОГж'кт.ч ъ

»г.

Объект №! О .

V

Рис. 4. Схема размещения обследованных объектов

о

и

использовали технические паспорта на объекты, а также данные, которые предоставляли дорожные организации. Дополнительно для контроля толщины покрытия и основания выполнялась расчистка торцов плит для непосредственного измерения.

В процессе обследования проводилось измерение величины уступов в поперечных швах, в специальном журнале фиксировались наиболее распространённые повреждения, такие как продольные и поперечные трещины, площадь шелушения, разрушение швов, отколы кромок и углов плит. Измерение величины уступа производилось с точностью 0,1 мм. Замеры уступов выполнялись в трёх точках поперечного сечения каждой полосы проезжей части на расстоянии 0,5-И,0 м от края правой и левой кромок полосы движения и в середине плиты (рис. 5).

Рис. 5. Измерение уступа на цементобетонном покрытии

В процессе обследования было выполнено свыше семи тысяч замеров уступов. В табл. 3 представлены обобщённые данные, характеризующие распределение уступов по интервалам. В качестве иллюстрации на рис. 6 представлена функция распределения величины уступов, хорошо описываемая законом Вейбулла.

Расчётные параметры: срок эксплуатации 24...48 лет интенсивность движения 660...2750 авт/еуг толщина цементобетонного покрытия 19.. .20 см толщина песчаного основания 20...40 см расстояние между поперечными швами 5...6 м

Функцня распределения

Уступ, мм

Рис. 6. Функция распределения величины уступов

Наименование Количество уступов, %

объекта h<3 мм 3<h<6 мм 6<h<9 мм h>9 мм

М2 «Крым» 35,0 33,1 16,8 15,1

M3 «Украина» 47,1 35,1 12,0 5,8

М51 «Байкал» 34,3 59,8 5,9 0

А114 «Вологда-Новая Ладога» 46,4 41,6 9,2 2,8

«Устюжна-Мсчала» 68,6 29,5 1,9 0

«№осква-Киев»-ст. 45,2 35,3 14,6 4,9

Зикеево-Полюдово

«Славянск-Ачуево»-Целинный 53,0 32,5 10,4 4,1

Подъезд х аэропорту Анапа 45,4 31,2 17,0 6,4

Рисосовхоз «Приазовский» 69,6 25,6 2,9 1.®

В процессе обследования было обнаружено, что уступ на цементобетонном покрытии образуется в двух направлениях: по ходу движения транспортного потока - положительный и против движения - отрицательный. Изучение полученных результатов показало, что на цементобетонных покрытиях, где в качестве основания применяется слабое или песчаное основание, образуется отрицательный уступ рис.7, б).

г.

v у"

' У/У ///'

Рис. 7. Образование уступа на цементобетонном покрытии: а - положительный; б - отрицательный

Можно было ожидать, что у правой кромки уступ будет иметь существенно большую величину в сравнении с левой из-за поперечного уклона, однако сопоставление фактических величин, приведённых в табл. 4, показало, что на одном из объектов был и обратный результат.

Наименование объекта Абсолютное среднее значение уступа по полосе движения, мм

Левая кромка Середина полосы Правая кромка

МЗ "Украина" 3,98 3,65 3,76

"Москва-Киев" ст.

Зикеево- 2,72 - 3,84

Полюдово

"Славянск- 3,34 3,19 3,47

Ачуево'-Целинный

Рисосовхоз 2,04 2,05 2,48

"Приазовский"

Как отмечалось ранее, образование уступов на цементобетонном покрытии приводит к существенному ухудшению ровности проезжей части. Наряду с непосредственным измерением продольной ровности (!Р1) в зарубежной практике получили распространение эмпирические формулы, позволяющие по задаваемым значениям параметров повреждения поверхности покрытия (трещины, состояние швов, уступы) вычислить значение Для обследованных участков автомобильных дорог был вычислен международный индекс ровности 1141, по эмпирической формуле, используемой при проектировании жёстких дорожных одежд США.

1Ш = т0 + 0,013-С + 0,007-7 + 0,0015-Я+ 0,4-5, (2) где т0- первоначальная ровность, м/км; с- процент плит с поперечными и угловыми трещинами, %; процент разрушенных швов, %; я- итоговое значение уступа на км, мм; 5- параметр, учитывающий местные условия.

В табл. 5 представлены результаты такого расчёта для некоторых объектов, где показано влияние уступов на ровность дорожного покрытия.

Из данных, приведённых в табл. 5, следует, что наличие уступов вносит наибольший вклад по сравнению с другими видами повреждений в ухудшение продольной ровности автомобильной дороги и по результатам обследования составляет от 38 до 80%.

Наименование объекта Доля г,пит с поперечными и угловыми трещинами, % Доля разрушенных швов, % Суммарное значение уступа, мм/км IRI, м/км .. Влияние уступа на IRI, %

М2 «Крым» км112-км113 (направление из РИосквы) 19,2 10,6 839 4,1 58,6

М51 «Байкал» км 865 - км 866 5,0 0,5 746 3,7 51,4

«Слааянск-Ачуево»-Целинный 14,6 1,0 631 3,2 78,5

Подъезд к аэропорту Анапа 16.8 5,1 525 3,2 78,3

Рисссоахоз «Пр/азовсхий» 34,7 2,3 496 3,3 53,3

Для обследованных объектов была определена энергия деформации в зоне шва сжатия с учётом периода эксплуатации объектов, параметров конструкций дорожных одежд, природно-климатических условий, интенсивности и состава движения (рис. 8).

Энергия деформации 60. Дис'см2

Рис. 8. Зависимость интенсивности нарастания величины уступа от накопленной энергии деформации в зоне поперечного шва Основное содержание главы 4 составляет описание полученной математической модели, сравнение её возможностей с

другими моделями и формулами, проверка её адекватности и примеры применения для оценки влияния параметров конструкции на процесс увеличения уступов между плитами в поперечных швах.

Предлагаемую модель следует отнести к классу интервальных, кумулятивных моделей, в которых период прогнозирования представляется как сумма интервалов времени. При этом интервал времени принят таким образом, чтобы можно было считать, что в пределах этого интервала основные влияющие факторы, зависящие от времени, изменялись бы не существенно. В качестве такого интервала принят один час, учитывая существенные изменения температуры плиты и интенсивности движения в течение суток.

_ Т 12 30 24

1Ъ-стуг,АТ) = [А- 11 I1ДЕв (Н) + В]-Т, (3)

У=1М=11МЯ=1

где А,В-калибровочные параметры; Г-год; М-месяц; £>-день;

Я-час; Г-период прогнозирования.

Приращение энергии АЕВ(Н) за часовой интервал вычисляется по формуле (1).

Блок-схема алгоритма выполнения расчётов представлена на рис.9.

Адекватность разработанной модели продемонстрирована на рис. 10.

В работе представлены результаты серии расчётов, показывающие влияние параметров конструкции дорожной одежды с цементобетонным покрытием на интенсивность образования уступов во времени. Для этого было рассмотрено несколько вариантов конструкций дорожных одежд с цементобетонным покрытием и были получены зависимости величины уступа для автомобильной дороги с заданной интенсивностью и составом транспортного потока за 30 - летний период прогнозирования. В качестве примера один из результатов такого расчёта представлен на рис. 11, где показано влияние применяемого типа основания на интенсивность образования уступов между плитами цементобетонного покрытия.

Исходные данные:

период прогнозирования Т природно-к-исиатические условия конструкция дорожного полотка транспортный поток

Рис. 9. Блок-схема алгоритма вычисления уступа за период Т

Расчетные параметры: период прогнозирования - 36 лет

интенсивность грузовых автомобилей на полосу движения - 3 610 080 толщина цементобетонного покрытия. - 20 см

толщина песчаного основания - 30 см _

грунт земляного полотна - суглинок тяяйлый

расстояние между поперечными швами, шеющшш штыревые соединения - 5,0 м

Л "0,00004 ! В-0,04348 '{

Года

Рис. 10. Прогнозируемое развитие уступа и фактическое среднее значения объектов: 1 - "Устюжна-Мочала"; 2 - "Москва-Киев"-ст. Зикеево-Полюдово; 3 - "Славянск-Ачуево'-Целинный; 4 -подъезд к аэропорту Анапа; 5 - "Вологда-Новая Ладога"

Расчётные параметры: а^О 00604 '

период прогнозирования - 30 лет в*0,04548 '

«пггенсивнсстьгрузсвьгхавтомо5!шейнгпояосудЕПже1ШЯ-4 793 400 ' !

толщина цементобетонного покрытия - 20 см -

грунт земляного полотна - суглинок тяжёлый - ;

расстояние между поперечными швами, имеющими штыревые соединения - 5,0 м

13 Года

(-♦—Песчаное основание

-Щебеночное основание -А— Ще5ёночнве основание укреплённое цементом

Рис. 11. Влияние типа основания на интенсивность образования уступов во времени

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Теоретические исследования позволили выявить основные причины образования уступов, к которым следует отнести: накопление остаточных деформаций в нижележащих слоях в зоне поперечных швов; вымывание частиц фунта и основания в виде выплесков в период выпадения осадков; коробление плит при градиенте температуры и влажности; периодическое раскрытие и закрытие швов в результате изменения средней температуры цементобетонных плит.

2. На основе натурных обследований автомобильных дорог с цементобетонным покрытием получены массивы данных, характеризующие процесс образования уступов, и проведено сопоставление параметров этого процесса с параметрами климатических условий и конструкций дорожных одежд, интенсивностью и составом движения.

3. Разработана кумулятивная математическая модель прогнозирования уступов на цементобетонных покрытиях, учитывающая во времени изменение параметров транспортного потока и метеорологических условий.

4. Выполненные расчёты подтвердили возможность оценки влияния параметров штыревых соединений, расстояния между поперечными швами, толщины цементобетонной плиты и оснований на интенсивность увеличения уступов.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих

работах:

1. Фотиади, A.A. Процесс и причины образования уступа на цементобетонных покрытиях и его влияние на ровность автомобильной дороги / A.A. Фотиади // Транспортное строительство.-Вып. 9.-2008.- С. 23-26.

2. Носов, В.П. Причины образования уступов на цементобетонных покрытиях автомобильных дорог / В.П. Носов, A.A. Фотиади // Наука и техника в дорожной отрасли.-Вып, 3.-2008.-С. 20-22.

3. Носов, В.П. Об опыте и перспективе применения цементобетонных покрытий на автомобильных дорогах России /

В.П. Носов, A.A. Фотиади // Международные транспортные коридоры: сб. науч. докл.-Баку, 2008.- С. 169-172.

4. Носов, В.П. Об опыте применения цементобетонных покрытий на автомобильных дорогах России / В.П. Носов, A.A. Фотиади II Повышение долговечности транспортных сооружений и безопасности дорожного движения / КГАСУ: сб. науч. тр. - Казань, 2008.-С. 35-38.

Подписано в печать 17 апреля 2009 г. Формат 60x84x16 Усл. печ. л. 1,0 Тираж 100 экз. Заказ № 26 "Техполиграфцентр" Россия, 125319, г. Москва, ул. Усиевича, д. 8а. Тел/факс: 8(499) 152-17-71 Тел.: 8-916-191-08-51

Введение.

Глава 1. Отечественный и зарубежный опыт применения цементобетонных покрытий.

1.1. Опыт применения цементобетонных покрытия в России.

1.2. Краткий обзор зарубежного опыта.

1.3. Новые направления в развитии методов расчёта и конструирования.

1.4. Цель и основные задачи исследования.

Глава 2. Теоретические предпосылки образования уступов на автомобильных дорогах с цементобетонным покрытием.

2.1. Анализ физических процессов вызывающие образования уступов между плитами цементобетонного покрытия.

2.2. Вертикальные и горизонтальные перемещения цементобетонных плит в зоне поперечных швов.

2.3. Выбор критерия для прогнозирования уступов в зоне поперечных швов сжатия.

Глава 3. Результаты натурных обследований построенных ранее цементобетонных покрытий.

3.1. Основные задачи и методика обследования.

3.2. Параметры и расположение объектов.

3.3. Анализ результатов обследования.

3.4. Влияние образования уступов на ровность дорожного покрытия.

Глава 4. Моделирование процесса образования уступов.

4.1. Существующий метод расчёта по определению высоты уступов.

4.2. Зарубежные методы прогнозирования уступов с помощью математического моделирования.

4.3. Предлагаемая математическая модель прогнозирования уступов на основе энергии деформации в зоне поперечных швов сжатия.

4.4. Влияние основных параметров конструкции дорожной одежды на интенсивность образования уступов на основе предлагаемой модели.

Актуальность исследования. Одной из важнейших задач федеральной целевой программы "Развитие транспортной системы России (2010-2015 годы)", подпрограмма "Автомобильные дороги", является применение технических решений обеспечивающих увеличение межремонтных сроков дорожных сооружений. По этой причине можно ожидать, что увеличение объёмов строительства цементобетонных покрытий станет важнейшим направлением в решении этой задачи. Увеличение доли автомобильных дорог с цементобетонными покрытиями в общей протяжённости сети дорог будет способствовать сокращению государственных расходов на ремонт и содержание автомобильных дорог.

Конструктивной особенностью цементобетонных покрытий являются деформационные швы для обеспечения возможности деформации конструкции в процессе эксплуатации под влиянием изменений температуры окружающей среды.

Опыт эксплуатации цементобетонных покрытий показал, что с течением времени между плитами могут образовываться уступы высотой несколько миллиметров. Образование уступов ухудшает продольную ровность проезжей части, увеличивает сопротивление движению, делает движение автомобилей менее комфортным, вызывает вертикальные колебания автомобилей, увеличивающие нагрузку на проезжую часть автомобильной дороги.

С целью предотвращения или ограничения образования уступов в инструкции по расчёту и конструированию цементобетонных покрытий предусмотрены специальные требования к основаниям таких покрытий. Однако, как показывают результаты натурных исследований на большей части времени происходит образование уступов. Таким образом, возникает необходимость в исследовании процесса образования уступов на цементобетонных покрытиях и установлении факторов, в наибольшей степени влияющих на интенсивность их увеличения.

В связи с этим исследование процесса образование уступов представляет собой большую научную и практическую ценность, что обусловливает актуальность исследования.

Целью исследования является исследование процесса образования уступов между плитами на автомобильных дорогах с цементобетонным покрытием.

Научная новизна

• Уточнены теоретические предпосылки образования уступов в поперечных швах сжатия и факторы, влияющие на их развитие.

• Предложена математическая модель прогнозирования процесса образования уступов на основе учёта энергии деформации в зоне поперечных швов сжатия.

• Определены параметры конструкции дорожной одежды с цементобетонным покрытием, наиболее существенно влияющие на интенсивность образования уступов во времени.

Практическая ценность. Практическая ценность заключается в возможности использования полученной математической модели при конструировании новых дорожных одежд с цементобетонным покрытием для ограничения процесса образования уступов в течение эксплуатации автомобильной дороги.

На защиту выносятся:

- результаты теоретического анализа процессов взаимного смещения плит цементобетонных покрытий под влиянием многократных нагружений автомобильными нагрузками, изменения температуры, с учётом изменения модуля упругости основания.

- результаты натурных измерений величины уступов на автомобильных дорогах, построенных более 20 лет.

- математическая модель прогнозирования процесса увеличения уступов во времени на основе учёта энергии деформации в зоне поперечных швов сжатия.

Апробация работы. Во время выполнения данной диссертационной работы её основные положения были доложены автором на заседаниях кафедры строительства и эксплуатации дорог МАДИ (ГТУ) (2006, 2007, 2008 гг.). Основные теоретические и экспериментальные результаты были доложены: на 65-й, 66-й научно-методических и научно-исследовательских конференциях МАДИ (ГТУ) (2007, 2008 гг.), всероссийской научно-практической конференции «Повышение долговечности транспортных сооружений и безопасности дорожного движения» в ИТС КГАСУ в Казани 2008 г., Ш всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Развитие дорожно-транспортного комплекса и строительной инфраструктуры на основе рационального природопользования», посвящённой 100-летию со дня рождения К.Х. Толмачёва в СибАДИ в 2008 г.

Публикации. По результатам исследования опубликованы четыре печатных статьи: статья в сборнике научных трудов Всероссийской научно-практической конференции «Повышение долговечности транспортных сооружений и безопасности дорожного движения» в ИТС КГАСУ в Казани 2008 г., в сборнике научных докладов «Международные транспортные коридоры» - Баку, 2008 г., в международном научно-техническом журнале «Наука и техника в дорожной отрасли» №3 - 2008 (46), в научно-техническом и производственном журнале «Транспортное строительство» №9 — 2008 г.

Объём и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, общих выводов, 4 приложений. Основной текст диссертации состоит из 159 страниц печатного текста, 92 рисунка, 25 таблиц. Библиография состоит из 87 наименования использованных литературных источников.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Теоретические исследования позволили выявить основные причины образования уступов, к которым следует отнести: накопление остаточных деформаций в нижележащих слоях в зоне поперечных швов; вымывание частиц грунта и основания в виде выплесков в период выпадение осадков; коробление плит при градиенте температуры и влажности; периодическое раскрытие и закрытие швов в результате изменения средней температуры цементобетонных плит.

2. На основе натурных обследований автомобильных дорог с цементобетонным покрытием получены массивы данных, характеризующие процесс образования уступов, и проведено сопоставление параметров этого процесса с параметрами климатических условий и конструкций дорожных одежд, интенсивностью и составом движения.

3. Разработана кумулятивная математическая модель прогнозирования уступов на цементобетонных покрытиях учитывающая во времени изменение параметров транспортного потока и метеорологических условий.

4. Выполненные расчёты подтвердили возможность оценки влияния параметров штыревых соединений, расстояния между поперечными швами, толщины цементобетонной плиты и оснований на интенсивность увеличение уступов.

152

1. Апестин, B.K. Исследование работы дорожных цементобетонных покрытий под действием транспортных нагрузок и температуры применительно к расчёту геометрических параметров плиты: Дис. канд. техн. наук. 1969.

2. Астафьев, В.И. Расчёт цементобетонных покрытий автомобильных дорог с учётом влияния схемы приложения расчётной нагрузки и перераспределения усилий в бетоне. Дис. канд. техн. наук. Львов, 1963.

3. Бабков, В.Ф. Автомобильные дороги: Учебник для вузов. 3-е изд. перераб. и доп. -М.: Транспорт, 1983. 280 с.

4. Бабков, В.Ф. Дорожные условия и безопасность движения / В.Ф. Бабков. -М.: Транспорт, 1993.-271 с.

5. Бабков, В.Ф. Ландшафтное проектирование автомобильных дорог: учеб. пособие для автомобильно-дорожных вузов / В.Ф. Бабков. 2-е изд., перераб. и доп. -М.: Транспорт, 1980. - 189 с.

6. Бабков, В.Ф. Некоторые вопросы расчёта толщины бетонных покрытий и оснований. Сб. Цементобетон в дорожном строительстве. М.: Дориздат, 1950 г.

7. Бельковский, C.B. Исследование бетонных дорог на опытной станции ЛАДИ. Л.: ОГИЗ Гострансиздат. Ленинградское отделение. 1935.

8. Бетонные покрытия автомобильных дорог. A.M. Защепин, Е.Ф. Левицкий, В.И. Овчаров и др. 1961 г. 382 с.

9. Бондарева, Э.Д. Исследование некоторых вопросов температурных полей в цементобетонных покрытиях автомобильных дорог и аэродромов. Дис. канд. техн. наук. Ленинград, 1971.

10. Ю.Глуппсов, Г.И., Манвелов, Л.И. Михайлов A.B., Раев-Богословский Б.С. Реконструкция бетонных покрытий аэропортов. М.: Транспорт, 1965.

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

12. Горбунов-Посадов, М.И., Маликова, Т.А. Расчёт конструкций на упругом основании. Изд 2-е, перераб. и доп. М., Стройиздат, 1973.

13. Горбунов-Посадов, М.И., Маликова, Т.А. Расчёт конструкций на упругом основании. М., Стройиздат. 1973 г. 626 с.

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

15. Горецкий, Л.И. Теория и расчёт цементобетонных покрытий на температурные воздействия. -М.: Транспорт, 1965. 284 с.

16. Дорожная наука: Справочная энциклопедия дорожника (СЭД). Т. IV / А.П. Васильев, В.Д. Казарновский, В.П. Носов и др.; Под ред. канд. техн. наук A.A. Надежко. -М.: ФГУП «ИНФОРМАВТОДОР», 2006. -393 с.

17. Дорожно-строительные материалы: Справочная энциклопедия дорожника (СЭД). Т. Ш / Н.В. Быстров, Э.М. Добров, Б.И. Петрянин и др.; Под ред. канд. техн. наук Н.В. Быстров. М.: ФГУП «ИНФОРМАВТОДОР», 2005. - 465 с.

18. Дорожная терминология: Справочник / Под ред. М.И. Вейцмана. М.: Транспорт, 1985, - 310 с.

19. Железников, М.А. Исследование напряжённого состояния оснований дорожных бетонных покрытий: Дис. канд. техн. наук. Ленинград, 1969.

20. Жемочкин, Б.Н., Синицын, А.П. Практические методы расчёта балок и плит на упругом основании без гипотезы Винклера. М.: Сторйиздат, 1947.

21. Жёсткие покрытия аэродромов и автомобильных дорог / Г.И. Глушков, В.Ф. Бабков, И. А. Медников и др.; Под. ред. Г.И. Глушкова. -М.: Транспорт, 1987.-255 с.

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

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

24. Иванов, H.H., Защепин, А.Н., Корсунский М.Б., Мотылёв Ю.Л., Пузаков H.A., Тулаев А .Я. Проектирование дорожных одежд. М.: Автоорансиздат, 1955 г. - 252 с.

25. Иванов, H.H. Коганзон, М.С., Коновалов, C.B. Основы новой методики расчёта жёстких дорожных одежд с учётом повторности воздействия нагрузки. М.: Высшая школа, 1969.

26. Изыскание и проектирование аэродромов. Учебник для вузов / Г.И. Глушков, В.Ф. Бабков, Л.И. Горецкий, A.C. Смирнов; Под ред. Г.И. Глушкова. -М.: Транспорт, 1981.- 616 с.

27. Изыскание и проектирование аэродромов: Учебник для вузов / Г.И. Глушков, В.Ф. Бабков, В.Е. Тригони и др.; Под ред. Г.И. Глушкова. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Транспорт, 1992г. - 463 с.

28. Калинин, В.Н. математическая статистика: Учеб. для студ. спец. учеб. заведений / В.Н. Калинина, В.Ф. Панкин. 4-е изд., испр. -М.: Дрофа, 2002.

29. Каменецкий, Л.Б. Исследование и расчёт предварительно напряжённых дорожных покрытий и безарматурным обжатием бетона. Дис. канд. техн. наук. М., 1970.

30. Карпов, Б.Н. Характер работы швов и деформации дорожных бетонных покрытий под влиянием воздействий природных факторов. Дис. канд. техн. наук. Л., 1970.

31. Ключников, Г.Я. Исследование работы и расчёт бетонных покрытий в комплексе с различными основаниями при многократном нагружении: Дис. канд. техн. наук. М., 1968.

32. Коганзон, М.С. Метод расчёта работоспособности дорожных одежд. Повышение качества и надёжности в строительстве и эксплуатации автомобильных дорог. Труды МАДИ. М.: 1988.

33. Коренев, Б.Г. Вопросы расчёта балок и плит на упругом основании. М. 1954.

34. Коренев, Б. Г., Черниговская, Е. И. Расчет плит на упругом основании. Пособие для проектировщиков. М., «Стройиздат», 1962, с- 355.

35. Лапшин, В.А. Исследование трещиностойкости дорожных цементобетонных покрытий от воздействия автомобилей и температуры в условиях Узбекистана: Дис. канд. техн. наук. М.: 1976.

36. Левицкий, Е.Ф., Чернигов, В.А. Бетонные покрытия автомомбильных дорог. -М.: Транспорт, 1980. -288 с.

37. Маслов, H.H., Котов, М. Ф. Инженерная геология. М.: Издательство литературы по строительству, 1971.

38. Медников, И.А. Исследование по теории расчёта бетонных покрытий автомобильных дорог. Диссертация на соискание учёной степени доктора технических наук. М.: 1965.

39. Медников, И.А. Температурные напряжения цементобетонных дорожных покрытий. Труды МАДИ выпуск 15. М.: Дориздат, 1953.

40. Методические рекомендации по проектированию жёстких дорожных одежд (взамен ВСН 197-91). Москва 2004 г.

41. Методические рекомендации по ремонту цементобетонных покрытий автомобильных дорог. Москва 2003 г.

42. Митропольский, А.К. Техника статистических вычислений. — М.: Наука, 1971.-576 с.

43. Носов, В.П. Некоторые вопросы расчёта бетонных покрытий на многократное действие большегрузных автомобилей. Дис. канд. техн. наук. М., 1971.

44. Носов, В.П. Прогнозирование повреждений жёстких слоёв дорожных одежд на основе математического моделирования. Диссертация на соискание учёной степени доктора технических наук. М.: 1996.

45. Носов, В.П. Учёт повторности автомобильной нагрузки при расчёте бетонных покрытий. Труды Промтрансниипроекта, вып. 7. 1977.

46. Носов, В.П. Расчёт цементобетонных покрытий автомобильных дорог. Учебное пособие. М.: Ротапринт МАДИ, 1980.

47. Носов, В.П. Прогнозирование срока службы цементобетонных покрытий: Труды МАДИ. Надёжность автомобильных дорог. 1980.

48. Носов, В.П. Применение математического моделирования для прогнозирования работоспособности цементобетонных покрытий: Труды МАДИ. Повышение прочности и надёжности дорожных одежд и земляного полотна автомобильных дорог. 1981.

49. Носов, В.П. Применение математического моделирования для прогнозирования срока службы цементобетонных покрытий: Труды МАДИ. Проектирование и строительство внутрихозяйственных дорог колхозов и совхозов. 1985.

50. Оценка прочности нежёстких дорожных одежд (взамен ВСН 52-89): ОДН 218.1.052-2002 / Гос. Служба дор. хоз-ва (Росавтодор) Минтранса России. -М.: Информавтодор, 2003. 65 с.

51. Ремонт и содержание автомобильных дорог: Справочная энциклопедия дорожника (СЭД). Т. II / А.П. Васильев, Э.В. Дингес, М.С. Коганзон и др.; Под редакцией А.П. Васильева. — М.: Информавтодор, 2004 507 с.

52. Середин, Ю.В. Исследование взаимодействия бетонных плит с основанием и их температурного режима, обусловленного атмосферным температурным фактором. Дис. канд. техн. наук. М., 1964.

53. Справочник дорожных терминов / Под ред. д-ра техн. наук проф. В.В. Ушакова. -М.: «ЭКОН-ИНФОРМ», 2005.-256 с.

54. Строительство автомобильных дорог. Часть II. Устройство усовершенствованных покрытий производственные предприятия дорожного строительства, организация дорожно-строительных работ. Под ред. В.М. Могилевич. -М.: Транспорт, 1964.

55. Строительство и реконструкция автомобильных дорог: Справочная энциклопедия дорожника (СЭД). Т. I / А.П. Васильев, Б.С. Марышев, В.В. Силкин и др.; Под ред. д-ра техн. наук, проф. А.П. Васильева. -М.: Информавтодор, 2005. 646 с.

56. Сообщение Защепина А.Н. Расширение строительства автомобильных дорог с цементно-бетонными покрытиями. -М.: 1958. — 15 с.

57. Справочник по климату СССР. Ленинград: Гидрометеоиздат, 1968.

58. Степушин, А.П. Разработка вероятностно-статистического метода расчёта прочности жёстких покрытий аэродромов и автомобильных дорог. Диссертация на соискание учёной степени доктора технических наук. М.: 1995.

59. Техника статистических вычислений. Митропольский А.К. Главная редакция физико-математической литературы изд-ва «Наука», 1971.

60. Тимошенко С.П. Теория упругости. М.; Изд. Госстройиздат, 1937.

61. Тимошенко С.П. Войновский-Кригер С. Пластинки и оболочки. М.: Изд. Наука, 1966.

62. Тригони В.Е., Апестин В.К. Садовой В.Д. Проблема надёжности и долговечности жёстких аэродромных покрытий. Труды ГПИ И НИИГА Аэропроект, вып. 2, М., 1968.

63. Тригони, В.Е. Струйная эрозия аэродромов. М. Транспорт, 1981.

64. Трофименко, Ю. В. Экология: Транспортное сооружение и окружающая среда : учеб. пособие для студ. Высш. учеб. заведений / Ю.В. Трофименко, Г.И. Евгеньев; под ред. Ю.В. Трофименко. М.: Издательский центр «Академия», 2006. - 400 с.

65. Усов, Б.И. Исследование несущей способности бетонных плит на различных основаниях. Дис. канд. техн. наук. Львов, 1968.

66. Ушаков, В.В. Исследование температурного режима и путей улучшения свойств жёстких покрытий в условиях сурового климата.: Автореф. дис. . канд. Техн. наук. -М., 1980.

67. Феднер, Л.А., Васильев, Ю.Э. Методические указание по проектированию цементобетона. Москва 1988 г.

68. Шестопёров, С.В. Технология бетона. Учебное пособие для вузов. М., «Высш.школа», 1977. 432 с.

69. Шестопёров, С.В., Защепин, А.И. Новые исследования в области цементного бетона. -М.: ДОРИЗДАТ , 1949.

70. A Guide to Concrete Road Construction. Transport and Road Research Laboratory. 1978.

71. Bracher M., Sensitivity of thee 2002 Pavement Design Guide. Washington. 2004.

72. Computer-Based Guidelines for Concrete Pavements, Volume II: Design and Construction Guidelines and HIPERPAVII User's Manual. 2005.

73. Guide for Mechanistic-Empirical Design of new and rehabilitated pavement structures. Part 2. Design inputs. Chapter 2. Material characterization. 2003

74. Guide for Mechanistic-Empirical Design of new and rehabilitated pavement structures. Part 3. Design analysis. Chapter 4. Design of new and reconstructed rigid pavements. 2004

75. Guide for Mechanistic-Empirical Design of new and rehabilitated pavement structures. Appendix BB: Design Reliability. 2003

76. Guide for Mechanistic-Empirical Design of new and rehabilitated pavement structures. Appendix JJ: Transverse joint faulting model. 2003

77. Guide for Mechanistic-Empirical Design of new and rehabilitated pavement structures. Appendix KK: Transverse Cracking of JPCP. 2003

78. Guide for Mechanistic-Empirical Design of new and rehabilitated pavement structures. Appendix PP: Smoothness Prediction for Rigid Pavements. 2003

79. Guide for Mechanistic-Empirical Design of new and rehabilitated pavement structures. Appendix QQ: Structural Response Models for rigid Pavements. 2003

80. Improved Prediction Models for PCC Pavement Performance-Related Specifications, Volume I: Final Report. 2000.

81. Improved Prediction Models for PCC Pavement Performance-Related Specifications, Volume II: PaveSpec 3.0 User's Guide. 2000.

82. Highway Development and Management. Volume 6. Modelling road deterioration and works effects. Birmingham. 2001.

83. Kannekanti V., Harvey J. Sensitivity Analysis of 2002 Design Guide Rigid. Pavement Distress Prediction Models. 2006

84. Kathleen Hall, Dan Dawood, Suneel Vanikar. Long-Life Concrete Pavements in Europe and Canada. National Cooperative Highway Research Program. 2007.

85. Khazanovich L., Darter M., and Bartlett. Common Characteristics of Good and Poorly Performing PCC Pavements. Federal Highway Administration, Washington, DC, 1997.

86. Stock A. F. Concrete pavements. London and New York. 1988.