CC BY
29
РАЗДЕЛ II
СТРОИТЕЛЬСТВО. СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ
УДК 693.9:691.322
К ВОПРОСУ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ ПОКРЫТИЙ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ
И.А. Холмянский
Аннотация. Приведены результаты экспериментальных исследований деформации асфальтобетонного бруса до разрушения. Показано, что применение энергетического варианта теории ползучести позволяет определить долговечность асфальтобетонных конструкций с учетом воздействий температуры, разных по величине чередующихся нагрузок, разносопротивляемости материала от вида деформаций и других условий нагружения на основе суммирования соответствующих работ разрушения. Необходимо продолжение экспериментальных работ максимально учитывающих условия реальной эксплуатации для определения параметров ползучести с целью вычисления долговечности.
Ключевые слова: асфальтобетон, долговечность дорог, определение, энергетический вариант теории ползучести.
В лаборатории ЛАТПИ СибАДИ в восьмидесятых годах были проведены исследования ползучести жаропрочных сплавов ВЖЛ12У и ЖС6У и алюминиевого сплава АК4-Т. Выполненные конечно-элементные расчеты времени до разрушения облапаченных турбинных колес при пульсирующем силовом и температурном нагружении совпали со стендовыми испытаниями в пределах до 10% [1].
Под ползучестью понимают пластическую остаточную деформацию детали в зависимости от рабочей температуры, действующих нагрузок и времени. При этом в связи с протекающими остаточными деформациями в детали уменьшаются усилия, которые вызвали деформацию, и дальнейшая деформация при данной температуре прекращается. Это явление называется релаксацией напряжений.
Оба процесса обычно происходят одновременно. На рис.1 показаны деформации ползучести сплава АК4-Т при различных случаях приложения нагрузок. В кривой ползучести можно выделить три участка: (рис. 1, а) участок I упругого деформирования, участок II, где скорости деформирования за счет упрочнения уменьшаются до скорости, которая сохраняется на протяжении второй стадии де-
формирования. На третьем (III) участке скорость ползучести возрастает и заканчивается разрушением, причем при вязком разрушении образуется шейка на образце растяжения, а при хрупком - возникают внутренние трещины. Для вязкоупругих материалов кривая ползучести сохраняет свой вид и при постоянном нагружении, и при пульсирующем, или синусоидальном, переменном во времени нагружении
Исследования О.В. Соснина, Б.В. Горева, А.Ф. Никитенко [2] показали, что продолжительность процесса ползучести не зависит от чередования и времени приложения к образцу нагрузок и температур, а зависит от общей работы разрушения (или разупрочнения), которая определяется площадью под кривой ползучести (рис. 1, а - площадь заштрихова-на).В общем случае скорость разрушения вязкоупругого материала в процессе ползучести может быть описана уравнением [1]:
dA Во\
э
dt Аа (Аа+1 — а®+1
(1)
где А* - энергия разрушения данного материала, значения параметров В, п, т Ь и а
т
1 1 а= 200 МПа Е° = 13 %
2 2 а= 250 МПа £0 = 20 %
3 3 а= 280 МПа е° = 8,9 %
4 4 а= 310 МПа е° = 9,7 %
5 5 а= 315 МПа £0 = 7,8 %
6 6 а= 320 МПа £0 = 7,3 %
1 1 а= 290 МПа
2 2 а= 300 МПа
3 3 а= 310 МПа
4 4 а= 320 МПа
5 5 а= 340 МПа
6 6 а= 345 МПа
1 1 а= 260 МПа
2 2 а= 270 МПа
3 3 а= 290 МПа
1 1 а= 230 МПа; Ъ = 11 ч, £ = 1,3 %
2 2 а= 250 МПа; Ъ = 11 ч, є° = 1,3 %
3 3 а= 260 МПа
4 4 а= 270 МПа
5 5 а= 290 МПа
6 6 <г= 300 МПа
Рис. 1. Диаграммы деформирования образцов из сплава АК4-Т на растяжение и сжатие при постоянном напряжении для различных направлений (звездочки - разрушение): а) растяжение в продольном и поперечном направлениях; Ь) сжатие в поперечном направлении; с) растяжение по нормали; d) растяжение под углом 45° к нормали
Константы а и Ь определяются из экспериментальных данных:% = о при кручении,
П П
£ = -— при растяжении, £ = — при сжатии.
6 6
Энергетический вариант теории ползучести позволяет определять долговечность деталей с учетом истории нагружения, учитывающей любые изменения температурносилового диапазона, и совпадает с теорией длительной прочности.
В 1997 г. была разработана методика расчета напряженно-деформированного состоя-
ния асфальтобетонных покрытий дорог как вязкоупругой среды на основе энергетического варианта теории ползучести [3]. В отчете по НИР № Гр 01980000148 отмечалось, что основным препятствием к практическому применению этой методики является отсутствие экспериментальных данных по определению параметров ползучести с учетом вида нагружения, климатических и гидрологических условий эксплуатации.
Выполненные Г.М. Левашовым экспериментальные исследования изгиба асфальтобетонного бруса показали идентичность про-
цесса деформирования бруса и образцов из сплава АК4-Т, что видно из графиков рис.1 и 2. На рис. 2 также можно выделить участок I упругой деформации, затем участок II с одинаковой скоростью ползучести и участок III, где скорость деформации ползучести возрастает и заканчивается разрушением. Испытания бруса сечением 120*100 мм из асфальтобетонной смеси марки П типа Б опирающегося на два стальных цилиндра диаметром 20
мм расположенных на расстоянии 260 мм (рис.3). проводились в морозильной камере при температуре 00 С. Нагружение бруса проводилось пульсирующей нагрузкой по графику рис.4. На рис. 5 и 6 представлены результаты испытаний бруса асфальтобетона с нагрузками 0,165; 0,35; 0,43; 0,65; 0,8 от разрушающей. Ось времени графиков испытаний выполнена по логарифмической шкале в виде количества циклов нагружения.
О 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 ЗсО 330 090 420 460 48С 510 540 570 (00
Рис. 2. Количество циклов нагружения
стер^екь диаметр 20 мм
Рис. 3. Схема нагружения образца из асфальтобетонной смеси марки II тип
Рис. 4. График пульсирующей нагрузки
Количество циклов нагружения
Рис. 5.
Рис. 6.
Рис. 7. Трещина в образце асфальтобетона, появившаяся при испытании
В ходе испытания на растягиваемом волокне бруса возникали трещины (рис.7), которые уменьшали площадь рабочего сечения бруса, где возрастали напряжения.
Для того, чтобы построить ряд кривых повреждаемости асфальтобетона необходимо каждое испытание проводить при одном и том же эквивалентном напряжении стэ.
Методика трехмерного моделирования напряженно-деформированного состояния с учетом разносопротивляемости в зависимости от вида деформации, действующих нагрузок и температур во времени строится следующим образом.
1. За меру интенсивности процесса ползучести принимается величина удельной мощности рассеяния, то есть разупрочнения в единицу времени:
Ж = ст. Пи
У 1
(3)
2. За меру повреждаемости материала принимается величина удельной работы рассеяния
t
А = | Wdt. 0
(4)
3. Уравнение состояния, связывающее процессы ползучести и разрушения по выбранным выше мерам, принимается в виде:
а) для материалов с начальным упрочнением
ВстП
т
(5)
б) для неупрочняющихся материалов
Ва
п
W =
а
(л, - л)" '
(6)
где А* - энергия разрушения данного материала, значения параметров В, п, т и а находят из экспериментов; стэ - эквивалентное напряжение;
ст^ =(1 + абшЗ^- Ь sm3£) ст.. (7)
Константы а и Ь определяются из экспериментальных данных;£ - угол вида напряженного состояния: при кручении £ = 0, при растяжении
е П
£ =-----, при сжатии
6
у-. о О О
е = П.Йп3£ = _ Сты'стт'Сттк
6 о_3
2а.
і
а
Си = С 1~5
пп
к1 кі кі 3
( 3 0 0 у 2
аі = 1 2 'акІ 'акІ І
(8)
Предполагается справедливым закон течения вплоть до разрушения в виде
дст
П = к ке да
э
(9)
кі
Помножив на акІ и, применив теорему Эйлера об однородных функциях, получим
да э
ПС п = к-----------
кі кі да
кі
акі=ка-
Характеристики а, Ь, п, т, А* находятся из экспериментов.
Решение обратной задачи определения долговечности или времени до разрушения вытекает из уравнений (4) и (5):
ала+1 -ла+11т
и = I--- --------------—йЛ =
I-
0
Ва
п
э
л(а +1)(т +1)
Л.І,
(12)
п
(а + 1)(т + 1)Вст
э
В общем случае, когда режимы нагружения переменны, можно эту зависимость представить в следующем виде:
Л
(а+1)" +1)
к к і* = Е Ц = Е
і=1 і=1(а+ 1)(ті +1) Віс
п
із
(13)
где к число режимов нагружения и соответственно число работ разрушения: А*=А1+А2+...+Ак.
Данная методика прошла апробацию для процессов ползучести материалов ЖС6У и АК4-Т и, как показали экспериментальные исследования, выполненные Г.М. Левашовым, может быть использована для асфальтобетона. Для этого необходимо продолжение экспериментальных исследований по специальной программе при разных температурах, разных нагрузках и влажности на упругом основании максимально учитывающих условия реальной эксплуатации автомобильных дорог для качественного определения параметров ползучести с целью прогнозирования долговечности асфальтобетонных покрытий автомобильных дорог.
Отсюда
к =
в ап -1
о э
\ т
Л*- л -
(10)
Тогда геометрическая связь между тензором скоростей деформаций ползучести и тензором напряжений принимает вид
Пкі =
ВаП 1 да
э э
\ т
Л*- Л| дакі
(11)
Библиографический список
1. Холмянский И.А. Исследование ползучести жаропрочных сплавов и расчет долговечности дисков турбин / Изв. ВУЗов. Авиационная техника. 2002.№3. С. 39-42.
2. Соснин О.В.Энергетический вариант теории ползучести / О.В. Соснин, Б.В. Горев, А.Ф. Никитенко // ИГД СО АН СССР, Новосибирск,1986 □ 96 с.
3. Холмянский И.А. Методика расчета напряжен-нодеформированного состояния асфальтобетонных покрытий дорог как вязкоупругой среды на основе энергетического варианта теории ползучести / Отчет по НИР № ГР01980000148, Инв.№ 03200100703, Омск,1997 □ 10 с.
The definition of asphalt - concrete highways durability
I. A. Kholmyansky
The results of the experimental research of asphalt - concrete squared beam deformation up to destruction are given hire. The is explained that the use of energetic kind of creep theory gives the possibility to define the durability of asphalt - concrete structures with due regard for temperature influence, different values of alternative loads, different resistibility of material depending upon the defor-
mation kinds and other conditions of loading on the base of summing the corresponding deformation works. It is necessary to continue the experimental works of maximum considering the conditions of real maintenance for the definition of creep parameters to calculate the durability.
Холмянский Игорь Антонович - доктор техн. наук, профессор каф. «Проектирование дорог» Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии. Основное направление научных исследований - вопросы качества в дорожном строительстве. Имеет 106 опубликованных работ.
УДК 625.855.2
ВЛИЯНИЕ ТЕПЛОВОГО ДИОДА НА МОЩНОСТЬ ПОДСТИЛАЮЩИХ ВЕЧНОМЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ
А.М. Завьялов, М.А. Завьялов, Е.А. Бедрин
Аннотация. Рассмотрено одномерное нестационарное температурное поле вечномерзлых грунтов, формирующееся под влиянием теплового диода. Предложен математический аппарат для прогнозирования изменения мощности массива вечномерзлых грунтов.
Ключевые слова: мощность вечномерзлых грунтов, граница фазовых переходов, температурное поле, условие задачи Стефана.
Проблемы устойчивости земляных сооружений, возведенных на вечномерзлых грунтах, равно как и вопросы повышения прочностных свойств грунтов, становятся все более актуальными по мере интенсивного освоения холодных районов мира.
Предметом исследования, представленного в данной статье, являются закономерности влияния теплового диода на мощность подстилающих вечномерзлых грунтов. Под тепловым диодом будем понимать конструктивно-технологическое решение [1], технический результат которого заключается в повышении прочности и устойчивости (термической и сейсмической) основания земляного сооружения на вечной мерзлоте. Достигается этот результат тем, что в земляном сооружении на мерзлых грунтах, на поверхности грунтового основания устроен слой из водонасыщенного и водоудерживающего материала (грунта). Материал обеспечивает впитывание и удержание слоя воды, под которым в природных условиях начинает образовываться вечная мерзлота. По сути, указанный слой материала
(грунта) выполняет функции теплового диода, реализующего кондуктивный теплообмен:
- теплоизолятора-охладителя мерзлого основания летом;
- проводника холода в более длительный, чем летний, зимний период.
Причем в зимний период тепловой диод усиливает «подзарядку» холодом, за счет увеличения температуропроводности в 6 - 8 раз после промерзания. В результате нулевая изотерма смещается вниз на толщину теплового диода, чем и достигается сохранение поверхности грунтового основания в мерзлом состоянии в течение всего года (рис. 1). Одновременно обеспечивается понижение среднегодовой температуры, как поверхности, так и всей толщи вечномерзлого грунта основания, что позволяет значительно укрепить мерзлое основание сооружения.
Рассмотрим изменения в установившемся процессе теплообмена вечномерзлых грунтов с атмосферой в результате устройства теплового диода на поверхности рассматриваемых грунтов. Эти изменения влияют, прежде всего,
