CC BY
7УДК 630.384.4
А.В. КОРОЧКИН, канд. техн. наук (andrey_korochkin@mail.ru), Московский автомобильно-дорожный институт (МАДИ)
Изучение воздействия движущегося транспортного средства на конструкцию дорожной одежды
Жесткая дорожная одежда обладает прочностью, на порядок превышающей значения нежесткой конструкции. В настоящее время прочность дорожных одежд определяют по допускаемым прогибам. Однако ряд ученых и специалистов считают, что такой способ для жестких дорожных одежд неприменим, поскольку, не существует связи с основным показателем прочности таких покрытий — напряжением. Несмотря на это, существуют формулы для определения перемещений (прогибов) цементо-бетонных покрытий, как в центральной части плиты, так и в краевых участках. Следует выделить научное направление, развивающееся в последнее время в России и за рубежом и связанное с энергетическим методом расчета дорожных одежд предложенным А.В. Смирновым, где энергия деформации определяется как усилие на перемещение от нагрузки. Предложенный метод позволяет вести расчет, как для нежестких, так и для жестких покрытий.
Адекватное прогнозирование эксплуатационных свойств дорожной конструкции выявило необходимость учета динамических свойств. Традиционное направление расчета прочностных свойств дорожной конструкции основано на статической модели дорожной конструкции. Основными и практически единственными параметрами в такой модели являются: модуль упругости материала дорожной конструкции и предел прочности.
Недостаточность такого подхода сегодня хорошо понимается. Отказ дорожной одежды, связанный с недостаточной ее прочностью, может возникнуть в результате усталостных разрушений монолитных слоев конструкции под воздействием растягивающих напряжений от многократного приложения транспортной нагрузки. Далее происходит последующая интенсивная потеря дорожной одеждой транспортно-эксплуатационных свойств до истечения заданного срока службы. Для решения задачи в такой постановке требуется знание динамических процессов, происходящих в дорожной
конструкции. Реальное динамическое воздействие проезжающего транспортного средства вызывает соответствующие процессы деформации и напряжений. Не менее важным является точное воспроизведение воздействия неровностей дорожной поверхности. Учет воздействия дорожных неровностей стал де-факто нормативом при оценке ровности (микропрофиля) дорожной поверхности. Заметим, что воздействие дорожных неровностей носит стохастический характер, закономерности которого на сегодняшний день очень подробно изучены. Но расчет прочностных свойств дорожной конструкции с учетом этого фактора не разработан. Общие представления о свойствах динамических систем подсказывают, что решение этой задачи связано с рассмотрением новой динамической системы дорожная конструкция — транспортное средство. Имеющиеся в литературе единичные попытки разработки теоретических основ этой системы далеки от создания пригодной для практических целей. Основной причиной создавшегося положения является практически полное отсутствие надежных экспериментальных данных о процессах, происходящих внутри дорожной конструкции при воздействии на нее проезжающего транспортного средства.
Сказанное объясняет необходимость проведения глубоких экспериментальных исследований. Для решения этой задачи требуется прежде всего подбор современных измерительных средств, каналов передачи показаний датчиков в персональный компьютер с помощью аппаратных интерфейсов и программ преобразования аналоговых сигналов в цифровой вид. После фиксации этих сигналов требуется программное обеспечение для статистической обработки записанной информации. После создания аппаратного и программного обеспечения потребуется выбор и обоснование тестовых режимов движения транспортного средства на рабочем участке в зоне дорожной конструкции.
Одновременно с экспериментальной частью требуется разрабатывать динамические модели системы
Рис. 1. Принципиальная схема контрольно-измерительной и регистри рующей аппаратуры
Рис. 2. Комплект оборудования
научно-технический и производственный журнал Q ~Jlhjr\bl~
28 январь 2011 Ы ®
Рис. 3. Рабочий момент эксперимента
дорожная конструкция — транспортное средство, воспроизводящее экспериментальные данные на математической модели.
Далее приведено описание проведенного эксперимента. Основной результат работы — ключевые проблемы намеченного исследования получили практическое решение и позволяют поставить задачи широких экспериментальных исследований в намеченной области.
Основная цель эксперимента состояла в изучении процессов, происходящих в жесткой дорожной одежде с асфальтобетонным покрытием при воздействии движущегося транспортного средства. Главное явление — деформация дорожной конструкции. Исследования проводились на покрытии дорожной одежды. Исходя из этих целей была подготовлена подвижная лаборатория для проведения эксперимента непосредственно в реальной дорожной обстановке на действующей автомобильной дороге.
Подвижная лаборатория включала мобильный комплекс контрольно-измерительной и регистрирующей аппаратуры для записи перемещений дорожной поверхности. Принципиальная схема мобильного комплекса приведена на рис. 1. Комплекс в развернутом для проведения эксперимента виде показан на рис. 2.
При подготовке эксперимента на поверхности дороги закреплялись два высокочувствительных датчика ускорений (акселерометры АТ1104).
В соответствии с принципиальной схемой сигналы датчиков после усиления проходили через интеграторы собранные на основе операционных усилителей аналого-вычислительного комплекса АВК-2. Для использования в мобильной установке операционные усилители были модернизированы. После двойного интегрирования сигнал, соответствующий перемещениям точек поверхности дороги, поступал в аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Выходная оцифрованная информация поступала в компьютер и обрабатывалась специальной программой Рс^егОгаГ, адаптированной для данного АЦП. Дальнейшая обработка полученной информации проходила в стационарной лаборатории.
В процессе эксперимента автомобиль проезжал с заданным скоростным режимом около датчиков по предварительно размеченной колее. Рабочие моменты проведения эксперимента показаны на рис. 3.
Результаты эксперимента показали зависимость прогиба конструкции от времени воздействия. При этом, обладая точной информацией о весе (распределении нагрузки по осям) и скорости движения транспортного средства, стало возможным построение адекватной модели напряженно-деформированного состояния конструкции жесткой дорожной одежды с асфальтобетонным покрытием. Наличие нескольких датчиков на разном удалении от места приложения нагрузки сделало возможным получение реальной картины деформации
Рис. 4. Зависимость прогиба от времени воздействия
покрытия и установления истинных значений и конфигурации чаши прогиба.
Деформация (прогиб) конструкции в первом приближении напоминает синусоиду (рис. 4). Разнонаправленными знаками зафиксированы сжатие и растяжение конструкции под воздействием нагрузки. При этом время полного цикла деформации составляет порядка 1 с.
Необходимо отметить, что на датчике, расположенном в непосредственной близости от пятна контакта, величина деформации больше, чем на удаленных датчиках. Эти данные подтверждают классическую теорию о геометрических параметрах чаши прогиба. Однако в данном эксперименте ее форма и изменение параметров во времени приводятся в зависимости от реального транспортного потока.
Выявленное перемещение до 0,1 мм под воздействием динамической колесной нагрузки (автомобиль типа ЗИЛ-130) вызвано внутренней деформацией составляющих асфальтобетонный слой компонентов. Монолитная цементо-бетонная плита начинает прогибаться при гораздо белее значимых нагрузках. Максимальный прогиб чаши прогиба жесткой дорожной одежды практически на порядок меньше, чем у нежесткой конструкции. При этом диаметр чаши прогиба жестких конструкций составляет 8—10 м, а в некоторых случаях при тяжелой нагрузке превышает данные значения.
В результате эксперимента подтвердилась высокая прочность и несущая способность жестких дорожных одежд. Устройство асфальтобетонных слоев на жестком основании значительно повышает транспортно-эксплуатационные качества покрытия.
Использование данных, полученных при проведении эксперимента, с последующей аналитической обработкой позволит совершенствовать методы расчета жесткой конструкции с внесением соответствующих изменений в нормативные документы.
Ключевые слова: асфальтобетон, цементобетон, прочность, чаша прогиба.
Список литературы
1. Глушков Г.И., Бабков В.Ф., Медников И.А. и др. Жесткие покрытия аэродромов и автомобильных дорог. М.: Транспорт, 1987. 255 с.
2. Вопросы проектирования дорожных одежд со сборными и монолитными цементо-бетонными покрытиями. Труды СОЮЗДОРНИИ. М.:, 1983. С. 65-72.
3. Кушинский В.А., Радьков Н.В., Игошин Д.Г., Сулимова А.Н. Рекомендации по устройству защитных слоев износа по мембранной технологии на автомобильных дорогах с жесткими дорожными одеждами. Минск: НПО «Белавтодор-прогресс», 1999. 20 с.
4. Динамика системы: Дорога — Шина — Автомобиль — Водитель. / Под ред. А.А. Хачатурова М.: Машиностроение, 1976, 535 с.
Ы ®
научно-технический и производственный журнал
январь 2011
29
