CC BY
4УДК 625.7
А.Ю. Новиков
МЕТОДЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ДОРОЖНЫХ КОНСТРУКЦИЙ И СПОСОБ РАСЧЕТА ПОВРЕЖДЕННОСТИ МАТЕРИАЛОВ
В статье представлен анализ критериев прочности и условий пластичности дорожно-строительный материалов, и методов расчета дорожных конструкций. Рассмотрены наиболее часто применяемые решения и определена область их применения. Предложен способ расчета мер теории поврежденности.
Ключевые слова: дорожная конструкция, земляное полотно, основание, покрытие дорожная одежда.
В настоящее время дорожные одежды автодорог РФ находятся в неудовлетворительном состоянии, имея дефекты в виде разрушений асфальтобетона и неровностей. Такая негативная картина вызвала ряд работ специалистов дорожной отрасли по совершенствованию известных и разработке новых методов расчета дорожных конструкций. Классифицируя эти методы автор разделит их на 4 большие группы.
Методы прогнозирования изменения ровности покрытий [1-3], включающие в себя расчет необратимых деформаций в грунтах земляного полотна [4-10] и конструктивных слоях дорожной одежды [1116].
Методы расчета грунтов земляного полотна по сопротивлению сдвигу [17, 19], в котором совершенствуют критерии пластичности [20-26], модели расчета главных и касательных напряжений [27-31], а также разрабатывают способы расчета грунтов земляного полотна по безопасным давлениям [32-36].
Методы расчета монолитных слоев дорожной с учетом повреждений структуры материала [37,
38];
4. Способы расчета шероховатости дорожных покрытий [39-42]
Для повышения качества строительства и увеличения несущей способности земляного полотна и слоев дорожных одежд интенсивно развивают методы контроля степени уплотнения [43, 44]. По мнению автора наиболее актуальной задачей дорожной отрасли является совершенствование методов расчета дорожных одежд, а именно модификация критериев прочности асфальтобетона. Для учета усталостных процессов, протекающих в этих материалах, применяют функциональные зависимости, описывающие уменьшение параметров прочности и деформируемости от числа приложенных расчетных нагрузок.
Отметим, что возможен другой способ учета усталости материалов, который заключается в учете влияния на величину напряжений и деформаций повреждений, накапливаемых материалами. Для этого в критерии прочности следует ввести меры теории накапливания повреждений (сплошность Л.М. Качано-ва или поврежденность Ю.Н. Работнова) [45]. Ввод этих мер можно выполнить применяя принцип эквивалентности напряжений. Основные принципы эквивалентности теории поврежденности приведены в таблице 1.
Таблица 1
Принципы эквивалентности, применяемые в теории поврежденности
Наименование принципа Математическая формула, отражающая суть принципа
Эквивалентность напряжений ст ст ч ч ст = —— = —- 11Ю 1 1 -ю у
Эквивалентность деформаций ЕП = Е -(1 -ю)
Примечание: ст^ компоненты тензора напряжений сплошного тела; ю - поврежденность Ю.Н. Работнова, у - сплошность Л.М. Качанова; ЕD и Е - модули упругости поврежденной и не поврежденной среды.
© Новиков А.Ю., 2016.
Принцип эквивалентности напряжений позволяет рассчитать любую компоненту тензора поврежденного тела через аналогичную компоненту тензора сплошной среды. Далее можно определить любую инвариантную характеристику тензора напряжений поврежденной среды. Подстановка таких характеристик в критерии прочности сплошных сред позволяют их модифицировать так, что полученное условие учитывает поврежденность, накапливаемую материалом под нагрузкой. Подставляя зависимости для главных напряжений поврежденного тела в трехпараметрический критерий Мора, В.В. Чусов [40] модифицировал этот критерий, так что уравнение предельного состояние преобразовано к виду
(
2-(1 -о)
(
Y
+ sin^d
1 - si^
1 + si^ J l 1 - si^
Л
- Сч
= с,
(1)
где ф - угол внутреннего трения, о; с - сцепление, МПа; d - параметр материала, зависящий от величины деформации, принимаемой за предельную при выполнении трехосных испытаний.
В критерии (1) основную задачу составляет расчет поврежденности, который можно выполнить, применяя принцип эквивалентности деформаций. Из этого принципа следует, что поврежденность определяется по формуле:
1 Ed о = 1--.
E
(2)
Подстановка (2) в критерий (1) приводит к формуле
E
f / . \d / . \d 1 - sinp 1 + sinp
2 - Er
1 + sinф J ^ 1 - si^
- С,
= с.
(3)
Наряду с принципом эквивалентности деформаций можно воспользоваться принципом энергетической эквивалентности, в соответствии с которым поврежденность вычисляется по формуле
о =1ЧIT
(4)
Подставив выражение (4) в критерий (2), получим
1 E ( ' 1 - si^ ^ d ' 1 + si^^ d \
2 V ed С1 V v 1 + si^ v 1 - si^ j С 3 J
= с.
(5)
В заключении отметим, что предложенные в статье уравнения предельного состояния (3) и (5) позволяют уточнить основные положения расчета дорожных конструкций, путем учета накапливания повреждений в монолитных и дискретных материалах. Для этого необходимо выполнить экспериментальные работы, на основе которых возможно получить математическую модель изменения модуля упругости при воздействии многократных нагрузок. Математическое моделирование является задачей дальнейших исследований.
Библиографический список:
1. Александров А.С., Гордеева С.А., Шпилько Д.Н. О допускаемых и предельных значениях неровностей асфальтобетонных покрытий дорожных одежд жесткого типа // Автомобильная промышленность. - 2011. - №2. - С. 31-35.
2.Герцог В.Н., Долгих Г.В., Кузин В.Н. Расчет дорожных одежд по критериям ровности. Часть 1. Обоснование норм ровности асфальтобетонных покрытий // Инженерно-строительный журнал. - 2015. - №5 (57) - С. 45-57.
1
3.Александров А.С. Критерии расчета дорожных конструкций по ровности, допускаемые и предельные неровности // Вестник гражданских инженеров. - 2008. - №4. - С. 97 - 104.
4.Александров А.С. Применение теории наследственной ползучести к расчету деформаций при воздействии повторных нагрузок: монография. - Омск: СибАДИ, 2014. - 152 с.
5.Васильев А.П., Коганзон М.С., Яковлев Ю.М. Предложения по учету остаточных деформаций при расчете дорожных одежд нежесткого типа // Наука и техника в дорожной отрасли. - 1997. - №1. - С. 5-6.
6.Александров А.С., Александрова Н.П., Кузин Н.в. методы теории наследственности в расчетах пластических деформаций материалов и грунтов при воздействии повторяющихся нагрузок // Транспортное строительство. -2009. - №2. - С. 25-28.
7.Александров А.С. Нелинейное пластическое деформирование материалов при воздействии повторных кратковременных нагрузок // известия высших учебных заведений. Строительство. - 2008. - №10. - С. 74-84.
8.Каныгина С.Ю. Прогнозирование остаточных деформаций дорожных одежд нежесткого типа на земляном полотне из глинистых грунтов: / С.Ю. Каныгина // Автореф.. ..канд. техн. наук - М.: Изд-во МАДИ (ТУ), 1999. - 20 с.
9.Александров А.С. Моделирование деформационных процессов, протекающих в связных грунтах // Наука и техника в дорожной отрасли. - 2002. - №4. - С. 16-19.
Ю.Александров А.С. Учет упруговязкопластических свойств связных грунтов при проектировании дорожных одежд: // Автореферат ... канд. техн. Наук - Омск: СибАДИ, 2001, - 24 с.
11.Семенова Т.В., Гордеева С.А., Герцог В.Н. Определение пластических деформаций материалов, используемых в дорожных конструкциях // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. - 2012. - №4 (37). - С. 247-254.
12. Александров А.С., Киселева Н.Ю. Пластическое деформирование гнейс - и диабаз материалов при воздействии повторяющихся нагрузок // Известия высших учебных заведений. строительство. - 2012. - №6. - С. 49-59.
13. Александров А.С. Пластическое деформирование гранодиоритового щебня и песчано-гравийной смеси при воздействии трехосной циклической нагрузки // Инженерно--строительный журнал. - 2013. - №4 (39) - С. 22-34.
14.Семенова Т.В., Герцог В.Н. Пластическое деформирование материалов с дискретной структурой в условиях трехосного сжатия при воздействии циклических нагрузок // Вестник Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии. - 2013. - №1 (29). - С. 68 - 73.
15. Александров А.С. Расчет пластических деформаций материалов и грунтов дорожных конструкций при воздействии транспортной нагрузки // Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. - 2009. -№2. - С. 3-11.
16. Александров А.С. Долгих Г.В. Учет кратковременного и повторного характера приложения подвижной нагрузки в инженерных методах расчета остаточных деформаций грунтов и дискретных материалов дорожных конструкций // Вестник МАДИ. - 2011. №4. - С. 81-87.
17.Калинин А.Л. Применение модифицированного критерия Писаренко - Лебедева для расчета касательных напряжений в земляном полотне // В сборнике: Архитектура. Строительство. Транспорт. Технологии. Инновации Материалы Международного конгресса ФГБОУ ВПО «СибАДИ». - Омск, СибАДИ, 2013. - С. 299 - 307.
18. Александров А.С. Совершенствование расчета дорожных конструкций по сопротивлению сдвигу. Ч. 1. Состояние вопроса: монография. - Омск: СибАДИ, 2015. - 292 с.
19. Александров А.С., Долгих Г.В. Калинин А.Л. Один из путей совершенствования расчета дорожных одежд по условию сопротивления сдвигу в грунте земляного полотна // Модернизация и научные исследования в транспортном комплексе. - Пермь: Пермский национальный исследовательский политехнический университет, 2013. - С. 9-22.
20.Калинин А.Л. Применение модифицированных условий пластичности для расчета безопасных давлений на грунты земляного полотна. // Инженерно--строительный журнал - 2013. № 4 (39). - С. 35 - 45.
21. Александров А.С., Долгих Г.В., Калинин А.Л. Применение критерия Друкера - Прагера для модификации условий пластичности // Наука и техника в дорожной отрасли. - 2013. № 2. - С. 26 - 29.
22.Калинин А.Л. Совершенствование расчета касательных напряжений в дорожных конструкциях. Часть 1. Модификация критерия Писаренко-Лебедева и его применение при расчете касательных напряжений // Молодой ученый. - 2016. - № 6 (110). - С. 108 - 114.
23. Александров А.С., Долгих Г.В. Калинин А.Л. Модификация критериев прочности сплошной среды для расчета грунтов земляного полотна по сопротивлению сдвигу // В сборнике: Архитектура. Строительство. Транспорт. Технологии. Инновации Материалы Международного конгресса ФГБОУ ВПО «СибАДИ». - Омск: СибАДИ, 2013. - С. 228-235.
24.Чусов В.В. Перспективы применения эмпирических условий пластичности грунтов и определение их параметров при трехосных испытаниях грунтов Вестник ВолГАСУ. - 2015. № 4 (61). - С. 49-57.
25. Александров А.С., Калинин А.Л. Совершенствование расчета дорожных конструкций по сопротивлению сдвигу. Часть 1. Учет деформаций в условии пластичности Кулона - Мора // Инженерно-строительный журнал. -2015. № 7 (59). - С. 4 - 17.
26.Александров А.С. Совершенствование расчета дорожных конструкций по сопротивлению сдвигу. Ч. 2. Предложения: монография. - Омск: СибАДИ, 2015. - 262 с.
27.Александрова Н.П. Модифицированные модели для расчета главных напряжений в грунте земляного полотна // В сборнике: Архитектура. Строительство. Транспорт. Технологии. Инновации Материалы Международного конгресса ФГБОУ ВПО «СибАДИ». Омск, 2013. - С. 236 - 246.
28.Александров А.С. Один из путей расчета минимальных главных напряжений в грунтах земляного полотна // В сборнике: Архитектура. Строительство. Транспорт. Технологии. Инновации Материалы Международного конгресса ФГБОУ ВПО «СибАДИ». - Омск, СибАДИ, 2013. - С. 217 - 228.
29.Александров А.С., Долгих Г.В., Юрьев Д.В. Расчет главных напряжений в слоях дорожной одежды из дискретных материалов // Транспортное строительство. - 2011. - № 7. - С. 17 - 22.
30.Александрова Н.П., Семенова Т.В., Долгих Г.В. Совершенствование моделей расчета главных напряжений и девиатора в грунте земляного полотна // Вестник СИБАДИ. - 2014. - № 2 (36). С. 49 - 54.
31.Александров А.С., Александрова Н.П., Долгих Г.В. Модифицированные модели для расчета главных напряжений в дорожных конструкциях из дискретных материалов // Строительные материалы. - 2012. - № 10. - С. 14 -17.
32.Долгих Г.В. Расчет грунтов земляного полотна по критерию безопасных давлений // Вестник Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии. - 2013. - №6 (34). - С. 43 - 49.
33. Александров А.С., Долгих Г.В., Калинин А.Л. О допускаемых давлениях на грунты земляного полотна и слои дорожной одежды // Наука и техника в дорожной отрасли. - 2012. № 2. - С. 10 - 13.
34. Долгих Г.В. Применение критерия безопасных давлений для расчета дорожных конструкций по сопротивлению сдвигу в грунте земляного полотна // В сборнике: Политранспортные системы материалы VIII Международной научно-технической конференции в рамках года науки Россия - ЕС. Новосибирск: СГУПС, 2015. - С. 176-182.
35.Калинин А.Л. Применение условий пластичности для расчета безопасных давлений // В сб. Фундаментальные и прикладные науки - Основа современной инновационной системы. - 2015. - С. 384 - 393.
36.Долгих Г.В. Расчет грунтов земляного полотна по критерию безопасных давлений // В сборнике: Архитектура. Строительство. Транспорт. Технологии. Инновации Материалы Международного конгресса ФГБОУ ВПО «СибАДИ». - Омск, СибАДИ, 2013. - С. 273 - 282.
37.Александрова Н.П., Александров А.С., Чусов В.В. Модификация критериев прочности и условий пластичности при расчетах дорожных одежд // Вестник Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии. -2015. № 1 (41). - С. 47 - 54.
38. Александрова Н.П., Александров А.С., Чусов В.В. Учет поврежденности структуры асфальтобетона в критериях прочности и условиях пластичности // В сборнике: Политранспортные системы материалы VIII Международной научно-технической конференции в рамках года науки Россия - ЕС. Новосибирск: СГУПС, 2015. - С. 219-225.
39.Семенова Т.В., Долгих Г.В., Полугородник Б.Н. Применение Калифорнийского числа несущей способности и динамического конусного пенетрометра для оценки качества уплотнения грунта // Вестник СибАДИ, 2014, № 1 - С. 59 - 66.
40.Александров А.С., Александрова Н.П., Семенова Т.В. О проектировании шероховатости дорожных покрытий и дождевой канализации по условиям безопасности движения // Автомобильная промышленность. - 2008. -№8 - С. 36-38.
41. Александров А.С., Александрова Н.П., Семенова Т.В. Критерии проектирования шероховатых асфальтобетонных покрытий из условия обеспечения безопасности движения // Известия высших учебных заведений. Строительство. - 2009. - №2. - С. 66-73.
42. Александров А.С., Семенова Т.В. Обеспечение сцепных качеств асфальтобетонных покрытий городских дорог и улиц при проектировании сети дождевой канализации // Вестник Московского государственного автомобильно-дорожного университета (МАДИ) - 2009. - №2. - С. 29-32.
43. Александрова Н.П., Троценко Н.А. Применение измерителя жесткости грунта Geogauge для оценки качества уплотнения при операционном контроле // Вестник СибАДИ, 2014, № 3 - С. 40 - 47.
44. Александрова Н.П., Семенова Т.В., Стригун К.Ю. Совершенствование методов экспресс оценки качества уплотнения грунтов земляного полотна строительства автомобильных дорог // Вестник СибАДИ. - 2015. - № 4. - С. 46-57.
45.Чусов В.В. Применение теории накапливания повреждений в условиях пластичности асфальтобетона для расчета дорожных покрытий по сопротивлению сдвигу // Молодой ученый. - 2016. - № 6 (110). - С. 221-227.
НОВИКОВ АРТЕМ ЮРЬЕВИЧ - магистрант кафедры «Строительство и эксплуатация дорог», Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия, Россия.
