CC BY
32
ПРОЕКТИРОВАНИЕ И СТРОИТЕЛЬСТВО ДОРОГ, МЕТРОПОЛИТЕНОВ, АЭРОДРОМОВ, МОСТОВ И ТРАНСПОРТНЫХ ТОННЕЛЕЙ
УДК 625.855.3
О. В. ДРОВАЛЕВА,
ДорТрансНИИ РГСУ, Ростов-на-Дону
ЛАБОРАТОРНЫЕ РЕЖИМЫ УСТАЛОСТНЫХ ИСПЫТАНИЙ АСФАЛЬТОБЕТОНА С УЧЕТОМ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ УСЛОВИЙ РАБОТЫ МАТЕРИАЛА В ПОКРЫТИИ
В статье рассмотрены эксплуатационные условия работы асфальтобетонных покрытий при воздействии скоростного транспортного потока. Представлены результаты экспериментальных и теоретических исследований динамических характеристик напряженно-деформированного состояния асфальтобетонных покрытий. Предложен способ выбора режимов лабораторных испытаний асфальтобетона в зависимости от условий его эксплуатации в покрытии.
Ключевые слова: усталостное разрушение асфальтобетонных покрытий; динамическое воздействие; циклические нагрузки; частотный спектр нагружения; напряженно-деформированное состояние дорожной конструкции; математическая модель; усталостные испытания асфальтобетона.
Введение
За последние годы на дорогах России наблюдается значительный рост интенсивности движения, скоростных режимов транспортных средств и грузоподъемности автомобилей. В современных условиях эксплуатации происходит увеличение количества приложений транспортных нагрузок в единицу времени, что обусловливает ускоренное развитие усталостных процессов в асфальтобетонном покрытии. Усталостная прочность асфальтобетона - способность материала сопротивляться действию циклических (повторно-переменных) нагрузок [1], является важнейшей характеристикой, определяющей долговечность асфальтобетонного покрытия и дорожной одежды в целом.
В настоящее время оценку свойств асфальтобетонов, применяемых для устройства покрытий и оснований автомобильных дорог, производят методами статического нагружения, регламентируемыми ГОСТ 12801-98 «Материалы на
© О.В. Дровалева, 2009
основе органических вяжущих для дорожного и аэродромного строительства. Методы испытаний». Сущность этих методов заключается в определении статических пределов прочности на сжатие цилиндрических асфальтобетонных образцов в рабочем диапазоне температур, что не соответствует условиям работы асфальтобетона в покрытии под воздействием динамических нагрузок и не отражает поведение асфальтобетона как вязкоупругого материала.
Испытания асфальтобетонов под действием циклических нагрузок (усталостной прочности) позволяют моделировать реальные условия нагружения асфальтобетона в покрытии. Безусловно, лабораторные исследования усталости асфальтобетонов должны проводиться при условиях, максимально соответствующих рассматриваемым эксплуатационным режимам нагружения.
Многие отечественные ученые занимались исследованием работы нежестких дорожных одежд и асфальтобетонных покрытий под действием циклических подвижных нагрузок (Б.С. Радовский, А.М. Кривисский, В.Ф. Бабков, Д.З. Ермакович, А.Г. Малофеев, А.В. Руденский, Г.С. Бахрах, В.А. Золотарев, А.В. Смирнов, Б.И. Ладыгин, А.О. Салль). В процессе теоретических и экспериментальных исследований, стремясь учитывать динамический характер воздействия транспорта на нежесткие дорожные конструкции и особенности деформирования асфальтобетонного покрытия, исследователи устанавливали длительность и величину воздействия автомобиля в пределах динамической чаши прогиба, форму чаши прогиба, частоту нагружения покрытия, величину динамических прогибов покрытия, значения растягивающих и сжимающих напряжений, возникающих в покрытии при проезде. Установленные исследователями характеристики нагружения в дальнейшем использовались при испытании асфальтобетона в лабораторных условиях.
Одной из важнейших характеристик динамического воздействия транспортного потока на асфальтобетонное покрытие является частотный спектр нагружения. Интенсивность и механизм усталостных процессов в упруговязкопластичном асфальтобетоне определяются, главным образом, частотным спектром воздействия. Определяя теоретически частоту нагружения как функцию интенсивности, скоростей движения и вида транспортных средств, А.М. Кривисский [6] установил, что отдельные автомобили могут следовать друг за другом с интервалом до 2,4 секунды, это и будет максимальная при движении двухосных автомобилей частота нагружения дорожной одежды. При движении автопоездов Кривисский определяет частоту нагружения дорожной одежды - 2,5 Гц. В.А. Золотарев [7] проводил исследования долговечности асфальтобетонов при циклическом воздействии на разработанном им вибростенде. При рабочем диапазоне частот вибростенда 0,005-70 Гц частоты, при которых проводились испытания асфальтобетонных образцов, были ограничены диапазоном 0,01-20 Гц. В этом же частотном диапазоне проводили свои исследования циклической долговечности и А.В. Руденский, А.О. Салль, Б.С. Радовский, Т.Н. Калашникова [8]. Влияние частот более 20 Гц на механизм
усталостных разрушений исследователями не рассматривалось.
В зарубежных экспериментальных исследованиях (Мейстер, Хейкел и Фостер, Нижбоер) [6] и нормативных документах [3] наиболее часто встречается частотный диапазон проводимых испытаний асфальтобетонов и до-
рожных конструкций от 5 до 60 Гц. При этом как в отечественных, так и в зарубежных исследованиях усталостной долговечности асфальтобетона в процессе испытания частота нагружения остается постоянной. Соответствие частотных диапазонов уровням нагружения строго не определено, варьируется в зависимости от определяемых показателей.
Таким образом, в настоящее время частотный диапазон нагружения асфальтобетона при проведении большинства отечественных и зарубежных лабораторных испытаний на усталостную долговечность составляет 0,5-20 Гц (иногда испытания проводят при более высоких частотах - до 60 Гц) и не зависит от условий эксплуатации асфальтобетона в покрытии. Однако увеличение скоростных режимов и интенсивности движения транспортных средств приводит к необходимости исследования усталостной долговечности асфальтобетонных покрытий в широком частотном диапазоне с соответствующими амплитудами нагружения в зависимости от эксплуатационных условий и толщины покрытий.
Основные положения
В ДорТрансНИИ с 2003 года проводятся экспериментальные исследования динамических характеристик напряженно-деформированного состояния элементов дорожной конструкции на участках автомобильных дорог Южного федерального округа. В процессе работы для регистрации характеристик деформирования разработан специальный виброизмерительный комплекс. Экспериментальные исследования с использованием разработанного комплекса проводились на опытно-экспериментальных участках автодорог, на специально устроенных наблюдательных пунктах, где для регистрации характеристик деформирования в слои покрытия и грунта земляного полотна были заложены измерительные датчики - виброакселерометры [2]. В результате исследований установлен частотный диапазон колебаний асфальтобетонных покрытий при воздействии транспортных средств от 0,5 до 250 Гц и его зависимость от вибрационных характеристик автомобиля, ровности дорожного покрытия и скорости движения, а также сделан вывод о снижении частоты нагружения слоев дорожных одежд по глубине. При движении чаши прогиба от колеса автомобиля (движущегося со скоростью 40-120 км/ч) частота колебаний асфальтобетонного покрытия составляет 1-10 Гц. Влияние неровностей покрытия на спектр отклика проявляется в частотном диапазоне от 0,5 до 100 Гц. Собственная вибрация транспортных средств соответствует частотному диапазону 1-250 Гц.
На рис. 1, 2 приведены амплитудно-частотные характеристики отклика покрытия при проезде грузового автомобиля на стационарном пункте наблюдения. Проезд с относительно высокой скоростью движения 80 км/ч (рис. 2) в отличие от более низкой 50 км/ч (рис. 1) генерирует в покрытии с достаточно высокими амплитудами колебания на частоте 50 Гц и выше. Высокочастотные колебания, возникающие при увеличении скоростей движения и имеющие сравнительно небольшую длину волны, почти полностью поглощаются слоями покрытия. Таким образом, покрытие испытывает колебания в достаточно широком частотном диапазоне от 0,5 до 250 Гц.
1
1 Л
і \ 'HnJi' w>~WWWWY гігч/МллгЛ'У
50 І00 І50 200
250
Hkusnkus
300 350 400 450
500
size
Рис. 1. Амплитудно-частотная характеристика отклика покрытия дорожной конструкции при движении грузового автомобиля МАЗ-511 со скоростью 50 км/ч
Kkus
0
0
0 Hkusnkus size
Рис. 2. Амплитудно-частотная характеристика отклика покрытия дорожной конструкции при движении грузового автомобиля МАЗ-511 со скоростью 80 км/ч
Каждому частотному диапазону колебаний соответствует определенное значение амплитуды перемещения. В общем случае при увеличении частоты нагружения амплитуда перемещения соответственно уменьшается. Пример распределения амплитуд колебаний покрытия по частотам, полученный при одном из измерений на стационарном пункте наблюдения, приведен на рис. 3.
Рис. 3. Амплитудно-частотная характеристика перемещения точек покрытия при проезде грузового автомобиля (в относительных единицах)
Определение величин растягивающих напряжений, возникающих в асфальтобетонных покрытиях при проезде транспортных средств, которые в дальнейшем будут использованы при лабораторных испытаниях, было произведено по математической модели. Рассматривая усталостные процессы в асфальтобетонных покрытиях с различной толщиной, необходимо определить величины растягивающих напряжений для утолщенных покрытий на дорогах высоких категорий и тонких покрытий на дорогах низких категорий, имеющих различный частотный спектр отклика при проезде транспортных средств. Еще В.Ф. Бабков, описывая опыты с закладкой датчиков в основание дорожной одежды [4], указывает на различное поведение тонкослойных покрытий и покрытий с большой толщиной. Так, в утолщенных покрытиях (10,5 см) по мере роста скорости движения происходило снижение напряжений в грунте основания и их дальнейший рост за счет динамических явлений вследствие неровностей. На тонкослойных покрытиях (4 см) динамический эффект не проявился, как и разгружающий, обусловленный вязкими свойствами покрытий, ввиду небольшой толщины последних.
Визуальный анализ состояния покрытий автомобильных дорог Ростовской области, проводимый ДортрансНИИ РГСУ, показал, что на автомобильных дорогах с большой толщиной асфальтобетонного покрытия (более 20 см) интенсивность усталостного восходящего (на нижней грани покрытия) тре-щинообразования невелика из-за незначительной величины растягивающих напряжений в подошве пакета асфальтобетонных слоев. При этом образующиеся на покрытии (толщиной более 20 см) температурные (поперечные) трещины зачастую становятся инициатором развития усталостного разрушения, так как в этой области сосредоточены максимальные растягивающие напряжения. Усталостное разрушение на таких покрытиях в зоне поперечных трещин происходит главным образом с поверхности покрытия и имеет вид одиночных трещин, постепенно перерастающих в сетку трещин (нисходящее усталостное трещинообразование) (рис. 4).
Рис. 4. Образование сетки усталостных трещин в зоне температурных поперечных трещин
На автомобильных дорогах с небольшой толщиной асфальтобетонных покрытий (менее 10 см), являющейся, по данным зарубежных исследователей, самой опасной для усталостного трещинообразования, достаточно часто встречаются восходящие усталостные трещины и сетка трещин типа «аллига-
тор», что обусловлено достаточно высокими величинами растягивающих напряжений, возникающих в тонких асфальтобетонных слоях при многократном воздействии транспортных средств.
Для расчета динамических характеристик деформирования дорожных конструкций с утолщенными (0,2 м) и тонкими (0,1 м) покрытиями была использована разработанная в ДортрансНИИ математическая модель системы «автомобиль - дорожная конструкция - грунт» [2] с применением метода конечных элементов (МКЭ).
В расчетной модели системы «автомобиль - дорожная конструкция -грунт» дорожная конструкция контактирует с грунтом, представленным в виде двухслойного полупространства (слой на более жестком полупространстве). Конструкция дорожной одежды описывается пакетом соединенных между собой полос с плоскопараллельными границами. Каждый элемент данной расчетной модели характеризуется определенными физико-механическими свойствами (табл. 1). При этом модули упругости покрытия и основания рассчитывались как средневзвешенные значения нескольких слоев.
Таблица 1
Расчетные характеристики элементов модели «дорожная конструкция - грунт»
Расчетные параметры конструкции Элементы модели «дорожная конструкция - грунт»
асфальтобетон несвязные слои грунт земляного полотна
Конструкция № 1
Толщина (, м 0,2 0,5 3,0
Модуль упругости Е, МПа 2300 280 47
Плотность р, кг/м3 2250 1900 1700
Коэффициент Пуассона п 0,35 0,3 0,35
Конструкция № 2
Толщина t, м 0,1 0,2 3
Модуль упругости Е, МПа 2500 200 47
Плотность р, кг/м3 2250 1900 1700
Коэффициент Пуассона п 0,35 0,3 0,35
Указанные дорожные конструкции применяются на автомобильных дорогах I—II, ІІІ-ІУ технических категорий.
Воздействие представлено в виде импульса длительностью ґ = 0,03 с на поверхность системы «дорожная конструкция - грунт». В местах контакта колес моделируемого автомобиля с дорожной одеждой создается давление,
равное давлению от расчетного автомобиля. Результаты расчета для конструкций представлены в табл. 2.
Таблица 2
Динамические характеристики деформирования дорожных конструкций
Вид конструкции Динамический прогиб, м Растягивающие напряжения на нижней грани пакета, МПа
Конструкция № 1 (толщина а/б 0,2 м) 0,000237 0,4741
Конструкция № 2 (толщина а/б 0,1 м) 0,000454 1,5248
Таким образом, в результате экспериментальных и теоретических исследований были установлены частотный спектр нагружения и уровень силового воздействия на асфальтобетонные покрытия. Полученные по математической модели значения растягивающих напряжений будут использованы в качестве входных параметров при проведении усталостных испытаний. Так, значения регистрируемых в асфальтобетонных образцах растягивающих напряжений при испытании на лабораторной установке должны соответствовать реальным напряжениям при эксплуатации в покрытии, вычисленным при помощи математического моделирования.
Варьируемыми параметрами усталостных испытаний являются температура, частота нагружения, уровень силового воздействия. Как правило, используемые лабораторные установки имеют ограниченный набор частот, на которых возможно проведение испытаний. Учитывая, что реальные частотные спектры воздействия имеют сложный и достаточно широкополосный спектр, возникла необходимость разработать и реализовать конструкцию установки с существенно более широким частотным спектром воздействия на образец. Установка усталостного нагружения, разработанная и изготовленная Дор-трансНИИ РГСУ (рис. 5), имеет частотный диапазон нагружения образцов от 1 до 100 Гц и уровень силового воздействия от 10 до 70 кг на образец.
Рис. 5. Установка усталостного нагружения
В установке реализована трехточечная схема нагружения образца. Испытание образца проводится при режимах нагружения, зависящих от целей испытания.
Все лабораторные усталостные испытания можно разделить на следующие виды:
- сравнительные испытания усталостной прочности различных видов асфальтобетонов;
- оценка усталостной долговечности асфальтобетона в покрытии.
Сравнительные испытания усталостной прочности различных видов
асфальтобетонов предлагается проводить в зависимости от области их применения.
Тонкие покрытия (менее 10 см) в силу незначительной толщины подвергаются воздействию низкочастотных колебаний с достаточно большой длиной волны и амплитудой изгибной деформации. Эффекта снижения растягивающих напряжений не наблюдается при увеличении скорости движения, так как не проявляются вязкие свойства покрытий. Таким образом, асфальтобетоны, эксплуатируемые на дорогах низких категорий с небольшой толщиной покрытий, в первую очередь необходимо испытывать при низких частотах (до 20 Гц) и амплитудах напряжений, близких к рассчитанным по математической модели напряжениям на нижней грани тонких покрытий (табл. 2, конструкция № 2).
Утолщенные покрытия (более 20 см) менее подвержены воздействию растягивающих напряжений. В силу проявления вязких свойств покрытий значительной толщины происходит поглощение коротковолновой высокочастотной составляющей колебаний, энергия которых расходуется на структурные разрушения асфальтобетона. Исходя из вышеизложенного, асфальтобетоны, эксплуатируемые на дорогах высоких категорий с утолщенными покрытиями, предлагается испытывать на более высоких частотах (50-100 Гц) и амплитудах напряжений, близких к рассчитанным по математической модели напряжениям на нижней грани утолщенных покрытий (табл. 2, конструкция № 1).
Оценка усталостной долговечности при эксплуатации асфальтобетона в покрытии базируется на реальном отклике асфальтобетонного покрытия при проезде транспортных средств (см. рис. 2). Условно разделим весь частотный спектр амплитуд колебаний покрытия на 5 характерных диапазонов, отличающихся между собой величиной амплитуд колебаний. Эти частотные диапазоны присутствуют в каждом частотном спектре отклика покрытия для любой интенсивности транспортного потока, но соотношения амплитуд колебаний между диапазонами уникально для каждого участка автомобильной дороги с различной интенсивностью, ровностью и толщиной покрытия. Режимы испытаний асфальтобетонных образцов при оценке усталостной долговечности выбираются с учетом определенной интенсивности движения с соответствующими ей амплитудами воздействия для каждого частотного диапазона [5]. Пример распределения амплитуд изгибного перемещения образца по частотным диапазонам представлен в табл. 3.
Таблица 3
Режимы нагружения
Частоты, Гц Амплитуды перемещения, мм
1,0-10 0,35-0,20
10-25 0,20-0,1
25-50 0,1-0,05
50-100 0,05-0,0005
При испытании в установке усталостного нагружения (см. рис. 5) нагрузка прикладывается к середине образца до отказа (отказом является уменьшение амплитуды прикладываемой силы в 2 раза при сохранении постоянной в течение испытания амплитуды перемещения) при последовательном нагружении в частотных диапазонах от 1 до 100 Гц и соответствующих амплитудах перемещения в центре образца (см. табл. 3). Длительность нагружения в каждом частотном диапазоне определяется количественным вкладом последнего в общий частотный спектр воздействия транспортных средств на асфальтобетонное покрытие, определяемый по отклику эксплуатируемого асфальтобетонного покрытия для каждого конкретного участка.
Основные результаты
1. Характеристики нагружения слоев асфальтобетона в покрытии (частота и амплитуда колебаний) являются функцией интенсивности и скоростей движения транспортных средств, толщины покрытия и конструкции дорожной одежды. В общем случае частотный диапазон колебаний асфальтобетонных покрытий при воздействии транспортных средств составляет 0,5-100 Гц.
2. Сравнительные испытания усталостной прочности различных видов асфальтобетонов, эксплуатируемых на дорогах низких категорий с небольшой толщиной покрытий, в первую очередь необходимо испытывать при низких частотах (до 20 Гц) и амплитудах напряжений, близких к рассчитанным по математической модели напряжениям на нижней грани тонких покрытий 1,52 МПа.
3. Сравнительные испытания усталостной прочности различных видов асфальтобетонов, эксплуатируемых на дорогах высоких категорий с утолщенными покрытиями, предлагается испытывать на более высоких частотах (50-100 Гц) и амплитудах напряжений, близких к рассчитанным по математической модели напряжениям на нижней грани утолщенных покрытий 0,47 МПа.
4. Оценка усталостной долговечности при эксплуатации асфальтобетона в покрытии базируется на реальном отклике асфальтобетонного покрытия при проезде транспортных средств. После регистрации отклика покрытия по полученной амплитудно-частотной характеристике перемещений выделяют частотные диапазоны, в которых покрытие испытывает колебания с достаточными амплитудами. При испытании в установке усталостного нагружения (см. рис. 5) нагрузка прикладывается к середине образца до отказа при после-
довательном нагружении в частотных диапазонах от 1 до 100 Гц и соответствующих амплитудах перемещения в центре образца. Длительность нагружения в каждом частотном диапазоне определяется количественным вкладом последнего в общий частотный спектр, определяемый по отклику эксплуатируемого асфальтобетонного покрытия.
Библиографический список
1. Серенсен, С.В. Сопротивление материалов усталостному и хрупкому разрушению / С.В. Серенсен. - М., 1975.
2. Илиополов, С.К. Исследование динамического воздействия транспортных средств на стационарных пунктах наблюдений / С.К. Илиополов, Е.В. Углова // Дороги и мосты : сборник ФГУП РОСДОРНИИ. - М., 2006. - Вып. 15/1. - С. 86-96.
3. Guide for Mechanistic-Empirical Design Of New And Rehabilitated Pavement Structures ARA, Inc., ERES Division 505 West University Avenue Champaign, Illinois 61820 December 1999.
4. Бабков, В.Ф. Напряжения в грунтовых основаниях дорожных одежд : сборник / В.Ф. Бабков. - № 91 - 1941.
5. Пат. на изобретение № 2299417. Способ оценки усталости асфальтобетона при циклических динамических воздействиях / С.К. Илиополов, О.В. Дровалева [и др.].
6. Кривисский, А.М. Принципы назначения конструкций одежд нежесткого типа на магистральных автомобильных дорогах. Дис. ... докт. техн. наук. - Л., 1962.
7. Золотарев, В.А. Долговечность дорожного асфальтобетона / В.А. Золотарев. - Харьков : Вища школа. Изд-во при Харьк. ун-те, 1977. - 116 с.
8. Радовский, Б.С. Проблемы механики дорожно-строительных материалов и дорожных одежд / Б.С. Радовский // Избр. труды. - Киев, 2003.
O.V. DROVALEVA
COMPARISON OF LABORATORY MODES OF ASPHALT CONCRETE FATIGUE TESTS AND OPERATIONAL WORKING CONDITIONS OF THE MATERIAL IN THE COVERING
The operational working conditions of asphalt concrete coverings under the influence of a highspeed transport stream are considered in the paper. The results of experimental and theoretical researches of dynamic characteristics of the intense-deformed condition of asphalt concrete coverings are presented. The way of a choice of modes of laboratory researches of asphalt concrete depending on conditions of its operation in a covering is offered.
