CC BY
42
УДК 625.7
ВПЛИВ ФАКТИЧНОГО НАПРУЖЕНОГО СТАНУ ДИСКРЕТНИХ ШАРІВ НА РІВНІСТЬ ПОКРИТТЯ ТА УМОВИ
РУХУ
Н.В. Павленко, аспірант, ХНАДУ
Анотація. Розглянуто вплив фактичного напруженого стану дискретних шарів на рівність покриття та умови руху при розрахунках на міцність дорожніх одягів перехідного типу.
Ключові слова: дорожній одяг, дискретний матеріал, міцність, надійність, коефіцієнт розподільчої здатності, теорія пружності, модуль пружності.
Вступ
Стан дорожнього одягу характеризується його експлуатаційними показниками, основний з них - міцність. Руйнування та необоротне деформування дорожнього одягу перехідного типу суттєво впливає на безпеку руху і характеризується достовірними значеннями міцності та надійності конструкції. Проте міцність різноманітних дискретних матеріалів та їх модулі пружності змінюються залежно від структури і важко піддаються перевірці та розрахунку. Надійність роботи одягу буде забезпечена, якщо при оцінці стану покриття будуть враховані найбільш повно умови, в яких працює дорожній одяг. Тобто при розрахунках слід вводити розрахункові параметри, які достатньо точно відповідають реальним умовам. З поняттям надійності пов'язаний термін служби автомобільної дороги. Надійність і працездатність автомобільних доріг істотно залежать від стану її основного конструктивного елементу - дорожнього одягу. На відміну від суцільного пружного середовища, напружений та деформований стани (НДС) дискретного шару зумовлений величиною прикладеного навантаження та специфічною закономірністю його розподілення всередині шару. При розрахунку дорожніх одягів на міцність важливе значення має достовірна інформація про розподіл напруг за глибиною конструкції [1].
Аналіз публікацій
Прийняття до уваги механізму розподілення зусиль в дискретному шару робить можли-
вим прогнозування НДС для розрахунку та оцінки міцності конструкцій дорожніх одягів з дискретних та малозв’язних матеріалів. Існуючі залежності для визначення напруг у багатошаровій системі із дискретних (крупнистих) матеріалів з високою надійністю дозволяють оцінювати напружений і деформований стани дорожніх одягів перехідного типу [2].
В результаті маємо можливість враховувати особливість розподілення напруг у незв’язних матеріалах за допомогою корегування швидкості згасання нормальних напруг з глибиною за допомогою коефіцієнта розподільчої здатності дискретного матеріалу «с». Скореговані результати розрахунків на міцність дорожніх одягів перехідного типу безпосередньо впливають на значення коефіцієнтів міцності та надійності. В результаті врахування особливостей роботи незв’язних шарів дорожнього одягу під навантаженням отримаємо уточнені дані про надійність, працездатність та термін служби автомобільних доріг перехідного типу.
Мета дослідження
Досвід експлуатації нежорсткого дорожнього одягу дозволяє стверджувати, що найдоцільніше пов'язати міцність дискретних шарів дорожнього одягу з необхідністю задоволення вимоги надійності всієї конструкції. Знаючи модулі пружності шарів основи, можна встановити граничний прогин або товщину покриття, при яких дорожній одяг не піддався б руйнуванню.
Отримання фактичних результатів розрахунку дорожніх одягів з незв’язних матеріалів з урахуванням коефіцієнта розподільчої здатності шарів дає нам змогу достовірно оцінити міцність та надійність таких конструкцій і як це відіб’ється на експлуатаційних характеристиках дороги.
Вирішення задачі
Прогнозування величини коефіцієнта розподільчої здатності дискретного матеріалу дає нам змогу достовірно отримати значення напруг зсуву по підошві нижнього шару конструкції та значень еквівалентного модуля пружності. Зміна товщини шарів, ступінь їх зволоження, фракціонування матеріалів - усі ці фактори впливають на коливання значень коефіцієнта розподільчої здатності шару «с» від 0,5 до 1 [3].
Використаємо дані прогнозування коефіцієнта «с» [3] та результати експериментальних випробувань на малих моделях дорожніх одягів з дискретних матеріалів [4] і отримаємо достовірні значення еквівалентного модуля пружності (Еекв) та складових напруги зсуву (о2 , о2) для кожної конструкції. Результати отриманих значень міцносних характеристик запропонованих моделей наведені у табл. 1.
Надійність дорожнього одягу і визначувані нею міцність і стійкість до руйнування, а з
ними і безпека руху, залежать не тільки від значень прийнятих коефіцієнтів запасу міцності, але і від достовірності визначених у процесі розрахунку величин напруг і деформацій.
Отримані результати розрахунків показують, що похибка при розрахунках дорожніх одягів перехідного типу є суттєвою, а її врахування є можливим за допомогою коефіцієнта розподільчої здатності дискретного матеріалу.
Аналіз результатів дає нам можливість встановити наступне:
- значення коефіцієнта «с», близьке до 1, характеризує роботу конструкції як монолітну, близьку до умов теорії пружності;
- радіальні напруги по підошві підстилаю чого шару при розрахунках конструкції по теорії пружності отримаємо зі знаком «+», за теорією дискретного розподілення напруг знак біля результату змінюється залежно від структури шарів (зв’язності);
- еквівалентні модулі пружності конструкції відрізняються при розрахунках за різними теоріями на величину коефіцієнта «с». Це зумовлено тим, що за теорією дискретного розподілу напруг має місце сповільнене згасання напруг по глибині, яке, у свою чергу, відбивається на значеннях прогину поверхні конструкції.
Таблиця 1 Значення міцносних характеристик конструкції дорожнього одягу за результатами розрахунків по теорії пружності та при урахуванні коефіцієнта розподільчої здатності шарів
Статичне навантаження жорстким штампом а?=10см, р=3,82 кг/см2 моделі М1-М4
№ моделі Найменування шару Тов- щина шару, см Е -^пр? МПа _0=10см
_ дискр МПа с2тпр', МПа _ дискр МПа Сгтпр', МПа
М1 Ґрунт суглинок 9 39,4
Ґрунт суглинок 13 53,3 -0,03 -0,028 2,69* 10-3 2,96*10-3
Пружня основа - 20 - - -
М2 Щебінь 10 68,9 - -
Ґрунт суглинок 12,5 127 -0,063 -0,027 -6,5* 10-4 2,85*10-3
Ґрунт суглинок 11,5 12 - - - -
Пружня основа - - - - - -
М3 Щебінь 10 73,4 - -
Щебінь 12 131 -0,064 -0,028 -5,31 * 10-4 2,96*10-3
Щебінь 11 - - - -
Пружня основа - - - - - -
М4 Бітумоґрунт 9,5 109
Щебінь 13 109 -0,051 -0,027 6,2* 10-4 2,85*10-3
Ґрунт суглинок 13 35 - - -
Пружня основа - - - - -
Е дискр -^екв ?
МПа
Е тпр
екв
МПа
«с»
35
36,5
0,95
40
64,5
0,62
47,5
75,4
0,63
82
112,7
0,71
Коефіцієнти запасу міцності при розрахунках дорожніх одягів перехідного типу на пружний прогин та зсув також будуть відрізнятися від загальноприйнятих не за величиною, а за походженням.
Так, відношення коефіцієнтів міцності по пружному прогину
К Т.пр міц
Кдискр міц
= «с», адже зна-
чення необхідного модуля пружності є постійним, а дійсного змінюється залежно від коефіцієнта «с» на його величину
Е тпр
---ек£к- = «с».
Едискр екв
При розрахунках на зсув конструкцій перехідного типу маємо справу з більш складними залежностями. За теорією дискретного розподілення напруг можливим є визначення складових тензора напруг, а саме о2 та оГ по підошві кожного шару [2].
Згідно теорії Кулона - Мора
К = С + Сп*ВФ ,
(1)
де т п і с п - дотична і нормальна напруги на площадці ковзання; с і ф - розрахункові параметри (зчеплення та кут внутрішнього тертя).
Для об’ємного напруженого стану умови граничної рівноваги виглядають таким чином
—0----[( -с3 ) -(( +с3 ) 8ІП ф] =
2со8фь -1 (2)
= тах
[Ы -сп Ї8Ф],
де с1 і с3 - головні напруги [5].
Із цієї умови випливає, що похибка у визначенні окремих компонентів тензора напруг може призвести до суттєвих помилок в оцінці міцності окремих шарів.
За теорією пружності значення радіальних напруг отримуємо зі знаком «+», що в кінцевому результаті дає більше значення коефіцієнту запасу міцності на зсув (граничне активне напруження зсуву Тгр у ґрунті робочого шару є постійним). В такій конструкції більш
забезпечена міцність на зсув. Реально маємо в дискретних шарах значення ог зі знаком «-». Це дає нам менше значення Кміц на зсув, міцність конструкції не забезпечена.
Висновок
Отже, при використанні теорії пружності в розрахунках дорожніх одягів перехідного типу маємо завищені значення міцності як на зсув, так і по пружному прогину. Врахування цього факту дає нам змогу припустити, що саме незабезпечення достовірними даними про напружений і деформований стани дорожнього одягу з дискретних матеріалів призводить до хибних результатів розрахунків на міцність. У свою чергу це призводить до зниження надійності, строків експлуатації та передчасного руйнування конструкції.
Література
1. Павленко Н.В. Механизм распределения
усилий в слоях дорожных одежд переходного типа из дискретных и малосвязных материалов // Науковий вісник будівництва. - Харків: ХДТУБА, ХОТВ АБУ, 2009. - Вип. 52. - С. 113 - 116.
2. Павленко Н.В., Ряпухін В.М., Плева-
ко В.П. Напружений і деформований стани дорожніх одягів перехідного типу з дискретних матеріалів // Науковий вісник будівництва. - Харків: ХДТУБА, ХОТВ АБУ, 2008. - Вип. 47. - С. 161 - 171.
3. Павленко Н.В. Порівняльний аналіз на-
пруженого і деформованого станів дорожніх одягів з дискретних матеріалів // Науковий вісник будівництва. - Харків: ХДТУБА, ХОТВ АБУ, 2008. - Вип. 48. -С.112 - 116.
4. Ряпухин В.М. Исследование методов про-
ектирования дорожных одежд, содержащих прослойки из дискретных материалов: Дис. на соискание ученой степени кандидата технических наук. -Харьков, 1972. - 251 с.
5. Иванов Н.Н. Конструирование и расчет
нежестких дорожных одежд. - М.:
Транспорт, 1973. - 328 с.
Рецензент: В.В. Філіппов, професор, д.т.н., ХНАДУ.
Стаття надійшла до редакції 25 березня 2009 р.
