CC BY
208
УДК 625.768.5
ОЦІНКА МЕТОДІВ ВИЗНАЧЕННЯ ПАРАМЕТРІВ ДОРОЖНЬОЇ КОНСТРУКЦІЇ, ЯКІ ХАРАКТЕРИЗУЮТЬ ЇЇ НЕСУЧУ
ЗДАТНІСТЬ
Д.М. Новаковський, аспірант, І.В. Кияшко, професор, к.т.н.,
ХНАДУ
Анотація. Виконаний огляд та оцінка методів визначення параметрів дорожньої конструкції, які характеризують її несучу здатність. Обґрунтована необхідність застосування методів неруйнівної діагностики для обстежень автомобільних доріг. Серед перспективних методів неруйнівної діагностики відмічений метод вібродіагностики.
Ключові слова: міцність та несуча здатність дорожньої конструкції, методи визначення міцності дорожньої конструкції, пружний прогин, вібродіагностика.
Вступ
Основний параметр, за яким оцінюється фактичний транспортно-експлуатаційний стан автомобільних доріг, це міцність дорожньої конструкції. Міцність дорожньої конструкції - це характеристика її
несучої здатності. На цей час конструкції існуючих автомобільних доріг прийнято оцінювати за еквівалентним (фактичним) модулем пружності.
Мета і постановка задачі
Серед практичних методів визначення модуля пружності дорожніх конструкцій
використовуються методи знаходження статичного прогину, методи навантаження
падаючим вантажем, які приводяться до
статичного, та методи навантаження колесом, що рухається. В той же час значна кількість
характеристик дорожньої конструкції тим чи іншим чином впливає на несучу здатність дорожньої конструкції, тому для її достовірного відображення не достатньо оцінювати тільки значення пружного прогину. Несучу здатність дорожньої конструкції під впливом навантаження від рухомого транспортного засобу характеризують такі параметри як: товщина конструктивних шарів, щільність, вологість, модулі пружності матеріалів шарів та ґрунтів земляного полотна, якість міжшарового зчеплення, наявність пошкоджень та закономірності зміни цих параметрів під впливом кліматичних факторів.
Методи неруйнівної діагностики
Найпростішими з позиції практичної реалізації є статичні методи оцінки міцності дорожньої конструкції. В цілому, можна виділити такі
показники, що характеризують статичну міцність (несучу здатність) дорожнього одягу. Це здатність споруди чинити опір вертикальним напруженням (о г), горизонтальним напруженням (о у ), розтягуючим напруженням (о г ) в монолітних шарах.
Суть статичних методів оцінки міцності полягає в створенні на поверхні покриття питомого тиску, відповідного за значенням дії під колесом розрахункового автомобіля жорсткими металевими штампами, або здвоєними колесами розрахункового автомобіля. Передбачається лінійна залежність загального модуля пружності від значення прогину поверхні покриття.
Як вимірювальне обладнання при навантаженні колесом розрахункового автомобіля
використовують прогиноміри різних конструкцій (КП-204, МАДИ - ЦНИЛ, VEC130 (рис 1) та ін.) та високоточні нівеліри.
Рис. 1. Прогиномір УЕС130
Статичним методам конструювання і оцінки міцності дорожніх конструкцій характерні такі основні недоліки:
- не враховуються динамічні процеси, що мають місце в дорожніх конструкціях при реальному русі автомобільного транспорту
- заміна теоретичних обґрунтувань впливу динамічності навантаження емпіричною залежністю, що отримана за певних умов та має обмежену
область використання;
- статичні методи дозволяють діагностувати здатність дорожніх конструкцій сприймати дію, що значно більша по тривалості ніж навантаження від автомобільного транспорту, який рухається, і є неінформативними в оцінці міри розвитку втомних процесів в матеріалах конструктивних шарів дорожнього одягу.
В реальних умовах, з погіршенням рівності покриття, динамічна дія автомобільного транспорту зростає. Це виражається, перш за все, в збільшенні енергії, що сприймається дорожньою конструкцією.
Для об’єктивної оцінки стану дорожнього одягу доцільно використовувати дію, аналогічну тій, що виникає при русі транспорту. Подібний аналіз напружено-деформованого стану буде найбільш інформативним з позиції визначення здатності дорожньої конструкції сприймати динамічну дію автомобілів.
Практичне використання при оцінці міцності дорожнього одягу в Україні знайшли установки динамічного навантаження такі як УДН-Н, Діна-3М (рис. 2) та УДВО-НТУ. Динамічне зусилля, що виникає при скиданні вантажу (до 60 кН), близьке по величині і тривалості дії ( до 0,02
- 0,03 с) навантаження від колеса розрахункового автомобіля групи Аі, що рухається.
Рис. 2. Установка динамічного навантаження «Діна - 3М»
Процеси, що виникають під дією падаючого вантажу, більш точно відповідають
напруженодеформованому стану дорожньої конструкції під впливом реального
навантаженням від рухомого автомобільного транспорту, але як показує детальний аналіз напружень, що виникають в елементах дорожньої конструкції, існують відмінності в напружено-деформованому стані конструкції під дією
ударного навантаження та рухомого транспортного засобу [6]. Крім того, наведені установки не враховують геометрію чаші прогину, що значно зменшує інформативність аналізу.
В міжнародній практиці серед динамічних методів використовують дефлектоміри падаючого вантажу (FWD), дефлектоміри колісного навантаження (RWD), та високошвидкісні установки вимірювання прогину (HSD). Дані методи і технічні засоби отримали широке розповсюдження в Голландії, Фінляндії, Данії, Швеції, Франції, Великобританії, США і багатьох інших країнах.
Серед установок, що використовують імпульсне навантаження від падаючого вантажу (FWD), можна відмітити такі як DYNATEST 8000 FWD (рис 3), DYNAPLAQUE 2, СагіВго РМ 2100 FWD (рис.3) та ін.
Програмне забезпечення, що використовується наведеними установками, базується на аналітико-емпіричній методиці визначення міцності дорожніх конструкцій на основі параметрів чаші прогину шляхом рішення “зворотної задачі” теорії пружнопластичної деформації.
Рис. 3. Дефлектомір СагіВга РМ 2100 FWD
Дефлектоміри колісного навантаження (RWD), виконують вимірювання прогину дорожньої конструкції при русі навантаженого напівпричепу з вимірювальним обладнанням, що включає в себе контрольний і вимірювальний лазерні сканери поверхні покриття дорожнього одягу, джерело живлення і блок цифрової обробки інформації (рис. 4). Параметри чаші прогину визначаються шляхом порівняння профілів поверхні покриття до навантаження заднім колесом напівпричепа і в місці дії даного навантаження. Вимірювання забезпечується оптичними вузлами сканерів, що здійснюють амплітудну модуляцію лазерного випромінювання з вимірюванням зсуву фази відображеного від поверхні покриття сигналу. Програмне забезпечення комплексу дозволяє розрахувати на основі даних про шари дорожнього одягу очікувані деформації та ітеративним способом досягти узгодження передбачених і заміряних даних. Установки RWD надзвичайно складні у виготовленні і юстируванні лазерних сканерів, мають підвищене енергоспоживання і високу вартість [7].
Рис. 4. Установка RWD
Дещо інший підхід до вимірювання параметрів чаші прогину використовується у високошвидкісних установках вимірювання прогину (HSD) (рис. 5). На відміну від установок з падаючим вантажем, установка вимірює не вертикальні переміщення точок поверхні покриття, а швидкість її деформації за допомогою лазерних доплеровських датчиків з подальшим інтегруванням.
Змінне навантаження створюється переміщенням вантажу уздовж платформи від кабіни до заднього моста автомобіля. Швидкість руху установки при вимірюваннях складає до 70 км/год. Серед недоліків установки можна відзначити складність калібрування вимірника, оскільки необхідно врахувати вплив стиснення шин і ресор. [7]
Рис. 5. Високошвидкісна установка вимірювання прогину (HSD)
Квазістатичне навантаження дорожнього одягу займає проміжне положення між статичним і динамічним. В квазістатичних методах проводяться вимірювання прогину конструкції під автомобілем, що повільно рухається (до 8 - 10 км/год). Серед установок, що працюють за таким принципом, можна відмітити установки типу Лакруа, курвіметр СЕВТР (Франція), УНК КАДИ, дефлектографи FLASH, A175 та інші.
Перераховані динамічні засоби оцінки міцності дорожніх конструкцій безумовно перевершують статичні методи, як в точності отримуваних результатів, так і в мобільності проведення експериментів. Найбільш інформативним є аналіз динамічного напружено-деформованого стану дорожніх конструкцій. Але найголовнішою перевагою розвитку динамічних методів є подібність дії навантажень, що утворюються при дослідженнях, навантаженням від дії рухомого автомобільного транспорту.
Методи визначення величини пружного прогину не дозволяють в повній мірі оцінити несучу здатність дорожньої конструкції, наприклад у випадках знаних руйнувань покриття та розвитку пластичних деформацій, при достатньо високих показниках модуля пружності. Для більш детального аналізу несучої здатності необхідно
використовувати додаткові методи визначення параметрів дорожньої конструкції, які дозволяють оцінити якість міжшарового зчеплення, товщини конструктивних шарів, щільність та вологість матеріалу шарів та ґрунту тощо.
Методи діагностики стану дорожньої конструкції з порушенням цілісності її окремих елементів або конструкції в цілому прийнято називати методами руйнівної діагностики. До таких методів можна віднести розкриття конструкції або її окремих шарів механічними або ручними засобами, (рис. 6).
Рис. 6. Взяття керна по методу руйнівної діагностики
Методи руйнівної діагностики можуть застосовуватися в поєднанні з іншими методами як контрольні або для визначення ряду параметрів конструкцій з метою підвищення інформативності і адекватності результатів обстежень.
Ці методи більш об’єктивні, порівняно з неруйнівними методами, при визначенні таких параметрів як товщина шарів конструкції, коефіцієнт ущільнення, вміст в’яжучого, якість міжшарового зчеплення та ін. Але разом з цим руйнуючі методи мають низку істотних недоліків, серед яких:
- значна трудомісткість проведення випробування;
- необхідність усунення пошкоджень викликаних розкриттям або взяттям кернів;
- точечність випробувань, що проводяться, яка не дозволяє оцінити досліджувані параметри за площею об’єкта.
Перераховані недоліки значно ускладнюють використання руйнівних методів як самостійних засобів діагностики при лінійних обстеженнях автомобільних доріг.
Перед появою видимих руйнувань та деформацій дорожнього покриття в структурі дорожнього одягу або земляного полотна протікають приховані процеси (утворення пустот, замулювання дренуючих шарів, перезволоження ґрунту земляного полотна, інфільтрація ґрунтових вод і т. ін.), своєчасне виявлення яких дозволило б вчасно вживати відповідних заходів щодо їх усунення.
Робота приладів радіолокації підповерхневого зондування (в загальноприйнятій термінології -георадара) базується на використанні класичних принципів радіолокації. Георадар - пристрій, призначений для отримання трансформованого розрізу середовища, що досліджується.
Випромінюваний в досліджуване середовище імпульс відображається від предметів або неоднорідностей середовища, що знаходяться в ньому, та мають відмінну від середовища діелектричну проникність або провідність, приймається антеною, посилюється в широкосмуговому підсилювачі, перетворюється в цифровий вигляд за допомогою аналогоцифрового перетворювача і запам’ятовується для подальшої обробки. Після обробки отримана інформація відображається на індикаторі (рис. 7)
Рис. 7. Георадар «ОКО-М1» з екранованими антенними блоками АБ-250 і АБ-400
В транспортному будівництві (автомобільні і залізничні дороги, аеродроми) георадари використовуються для визначення товщини конструктивних шарів дорожнього одягу і якості ущільнення дорожньо-будівельних матеріалів, визначення глибини промерзання в ґрунтових масивах і дорожніх конструкціях, вмісту вологи в ґрунті земляного полотна і підстилаючих ґрунтових основах та ін.
Разом з явними перевагами, що надають георадарні технології, є також істотні недоліки: георадар не ініціює в дорожній конструкції динамічні процеси, що виникають в ній під дією рухомого навантаження. Таким чином, на підставі георадарних досліджень складно прогнозувати поведінку конструкції в експлуатаційних умовах, аналізувати напружено-деформований стан конструкції під дією динамічного навантаження з метою визначення її несучої здатності і довговічності.
Враховуючи характер дії на дорожню конструкцію транспортного засобу, що рухається, найраціональнішим є представлення виникаючих в конструкції процесів у вигляді сукупності коливань її елементів. Характер розповсюдження коливань від дії динамічного навантаження в конструкції залежить від характеристик елементів конструкції і є відображенням їх фактичного стану. Шляхом
реєстрації і подальшого аналізу параметрів хвильових процесів, що виникають в дорожній конструкції, представляється можливим виконати оцінку фактичного стану і здатності чинити опір дії навантажень від рухомого складу без руйнувань і деформацій під впливом кліматичних чинників.
Класичний підхід до визначення міцності дорожньої конструкції передбачає визначення загального модуля пружності через значення величини прогину дорожньої конструкції під впливом навантаження. Величина прогину залежить від гнучкої жорсткості дорожньої конструкції, яка, в свою чергу, впливає на параметри розповсюдження поперечної хвилі зсуву. Таким чином, встановлення залежності між параметрами розповсюдження хвилі зсуву і величиною деформацій дорожньої конструкції дозволить аналізувати напружено-деформований стан дорожньої конструкції під дією динамічного навантаження від рухомого транспортного засобу. Для реєстрації параметрів хвилі зсуву можуть бути використані поверхневі хвилі Релея і
Лява (рис. 8).
м _____ ___ ^^
а
„ — ^ № ^\ ~ ' ._________
б
< • ■■ ^
Рис. 8 Поверхневі хвилі (а) Релея і (б) Лява
В останні десятиріччя за кордоном активно застосовується і розвивається метод визначення швидкостей розповсюдження поперечних хвиль, оснований на аналізі дисперсійних характеристик поверхневих хвиль [8]. Даний метод, що носить назву SASW (Spectral Analysis Surface Waves -спектральний аналіз поверхневих хвиль), включає три етапи:
- проведення польових вимірювань, що дозволяють отримати записи поверхневих хвиль за допомогою спеціалізованого обладнання (рис. 9);
- знаходження з отриманих записів дисперсійних кривих (залежності фазової або групової швидкості від частоти);
- визначення розподілів швидкостей поперечних хвиль в середовищі, що мають дисперсійні криві, близькі до отриманих згідно з вимірюваннями (відновлення розрізу.
Рис. 9. Комплекс обладнання, що використовується для реєстрації параметрів поверхневих хвиль
До теперішнього часу було розроблено досить багато варіантів методу SASW, що розрізняються типом хвиль, що досліджуються (основна гармоніка хвиль Релея, вищі гармоніки), режимом проведення спостережень (активний, пасивний) і частотним діапазоном вимірювань.
Рішення поставленої задачі можливе при використанні методу Монте-Карло і статистичного методу максимальної
правдоподібності. Існують пряма і зворотна (інверсія) задачі. Пряма - за даними профілю Vs будується крива розподілу, інверсія - зворотне перетворення (рис. 10).
Рис. 10. Пряма та зворотна задача методу SASW
Для побудови теоретичної кривої дисперсії використовуються різні методи. Відомо, що хвиля Релея має декілька форм розповсюдження (гармонік) з різними значеннями фазових швидкостей. Прогресивні методи інверсії враховують вплив вищих гармонік хвиль Релея [9]. В деяких випадках необхідно враховувати ефект об’ємних хвиль із застосуванням методів £■ к спектрального аналізу.
Метод спектрального аналізу хвильових полів представляється найбільш перспективним методом неруйнівної діагностики, зважаючи на достатню інформативність досліджуваних параметрів дорожньої конструкції і можливості аналізу напружено-деформованого стану конструкції під дією навантаження від транспортних засобів, що рухаються.
Аналіз методів визначення параметрів дорожньої конструкції, які характеризують її несучу здатність, дозволяє сформулювати основні вимоги до методів, які застосовуються в дорожньому господарстві. Це такі вимоги як:
— збереження цілісності конструкції та її окремих елементів при визначенні параметрів, які характеризують несучу здатність;
— моделювання реальних умов роботи конструкції при визначенні параметрів, які характеризують напруженодеформований стан дорожньої конструкції.
При лінійних обстеженнях перевага має віддаватись методам, які мають більшу
продуктивність, враховуючи сформульовані вимоги, та меншу собівартість досліджень. При наукових дослідженнях необхідно залучати
комплекс методів з метою підвищення
достовірності та інформативності отриманих результатів.
З позиції сформульованих положень перспективним є метод вібродіагностики стану дорожніх конструкцій на основі даних
спектрального аналізу поверхневих хвиль. Для ефективного використання зазначеного методу необхідно провести комплекс експериментальних досліджень та теоретичних обґрунтувань з метою адаптації методу для потреб дорожнього
господарства.
Література
1. Апестин В.К., Шак А.М., Яковлев Ю.М. Испы-
тания и оценка прочности нежёстких дорожных одежд. М.: Транспорт, 1977. - 102 с.
2. Лейвак В.А. Исследование параметров, характе-
ризующих прочность нежёстких дорожных одежд при их испытаниях динамической нагрузкой: Диссертация на соискание учёной степени канд. техн. наук: - М., 1975. - 156 с.
3. Смирнов А.В. Теоретические и эксперимен-
тальные исследования работоспособности нежёстких дорожных одежд: Автореф. диссертации на соискание учёной степени д-ра техн. наук: МАДИ. - М., 1991. - 38 с.
4. Методические рекомендации по применению
георадаров при обследовании дорожных конструкций. Министерство транспорта Российской Федерации. - М: Росавтодор, 2003. -38 с.
5. Лобов Д.В. Оценка состояния конструктивных
слоев дорожных одежд нежесткого типа методом спектрального анализа волновых полей: Диссертация на соискание учёной степени канд. техн. наук: 05.23.11. - М., 2005.- 197 с.
6. Deflectometеr Results Using Dimensional Analys-
is, Fourth International Conference on Concrete Pavement Design and Rehabilitation, Purdue University, West Lafayette, IN, April 1989.
Висновки
7. Zaghloul, S., T.D. White, V.P. Drnevich, and B.
Coree, Dynamic analysis of FWD loading and pavement response using a three-dimensional finite element program, ASTM Non Destructive Testing of Pavements and Back Calculation of Moduli (Second volume), ASTM STP 1198.
8. 2002 DESIGN GUIDE A Product of Project
NCHRP 1-37A
9. M. Catalina Orozco. Inversion method for spectral
analysis of surface waves (SASW): In Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree
Doctor of Philosophy in Civil and Environmental Engineering. - Georgia Institute of Technology, 2003. - 287 p.
Рецензент: В.В. Філіппов, професор, д.т.н.,
ХНАДУ.
Стаття надійшла до редакції 14 вересня 2006 р.
