CC BY
31
УДК 625.032.32
УГЛОВА ЕВГЕНИЯ ВЛАДИМИРОВНА, докт. техн. наук, профессор, [email protected]
САЕНКО СЕРГЕЙ СЕРГЕЕВИЧ, канд. техн. наук, доцент, [email protected]
Ростовский государственный строительный университет, 344022, г. Ростов-на-Дону, ул. Социалистическая, 162
ОПТИМИЗАЦИЯ РАСЧЕТНЫХ МОДЕЛЕЙ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ НЕЖЕСТКИХ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД
Используемые подходы к проектированию и эффективной эксплуатации дорожных конструкций не всегда отвечают требованиям, обеспечивающим высокие потребительские свойства дороги. Описаны три варианта совершенствования руководств по принятию проектных решений: исследования на дорожных испытательных полигонах, участках дорог общего пользования и машин для ускоренных испытаний дорожных конструкций и материалов. Представлены результаты работ Государственной компании «Автодор» в области создания крупномасштабных исследовательских объектов: программа исследований, расчетные схемы и планируемое приборное оснащение испытательного полигона «Автодор», перечень задач и подходы при мониторинге опытных участков наблюдений на автомагистралях М-4 и М-11.
Ключевые слова: проектирование нежестких дорожных одежд; дорожные испытательные полигоны; машины для ускоренных испытаний дорожно-строительных материалов и конструкций.
EVGENIYA V. UGLOVA, DSc, Professor,
SERGEY S. SAENKO, PhD, A/Professor,
Rostov State University of Civil Engineering,
162, Sotsialisticheskaya Str., 344022, Rostov-on-Don, Russia
OPTIMIZATION OF FLEXIBLE PAVEMENT DESIGN MODELS
The paper presents three ways of improving design and operation of roads because the existing approaches do not always satisfy the useful quality requirements. These ways include road testing on proof grounds, public road sections, and machines for accelerated testing of pavements and materials. The following working results obtained by the State Company 'Avtodor' are presented in this paper: research program, design models and equipment for 'Avtodor' proof ground; a list of objectives and approaches to monitoring of road section testing in M-4 and M-11 highways.
Keywords: flexible pavement design; proof ground; machines for accelerated testing.
Изменение состава транспортных потоков в сторону увеличения многоосных транспортных средств, увеличение скоростных режимов движения, по-
© Углова Е.В., Саенко С.С., 2014
явление новых дорожно-строительных материалов и технологий привели к тому, что ранее апробированные подходы к проектированию и строительству дорожных одежд, разработанные в 70-80-х гг. прошлого столетия (ВСН 46-72, ВСН 46-83) и используемые до настоящего времени (ОДН 218.046-01), стали неэффективными и требуют переработки. Проведение работ по совершенствованию расчетной схемы дорожных конструкций и уточнению расчетных параметров материалов конструктивных слоев для перехода на более высокий уровень проектирования дорожных одежд является сегодня крайне актуальным.
В течение многих лет исследователи в области проектирования и эксплуатации дорожных одежд большое внимание уделяли результатам натурных экспериментов, выполняемых на автомобильных дорогах в реальных условиях эксплуатации. Хорошо известны обширный и дорогостоящий эксперимент AASHO [1-3], комплекс натурных исследований напряженного состояния и деформаций дорожных одежд, проводимый в различные годы российскими учеными Н.Н. Ивановым, П.И. Теляевым, М.Б. Корсунским, А.О. Сал-лем, В.Ф. Бабковым, А.К. Бируля, Ю.М. Яковлевым и др. [4-10].
Следует отметить, что в Советском Союзе в 50-60 гг. прошлого столетия многолетние исследования проводились на трех кольцевых дорожных стендах: СоюздорНИИ (г. Балашиха), ХАДИ и Госдорнии (Украина) [11]. Полученные результаты испытаний позволили выявить основные закономерности деформирования дорожных одежд, что послужило теоретической основой для разработки важнейших нормативных документов по расчету дорожных одежд жесткого и нежесткого типа (ВСН 46-83, ВСН 197-91). Однако, вследствие значительных изменений условий деформирования дорожных одежд при воздействии современного скоростного интенсивного транспортного потока, полученные в прошлые годы научные и технические результаты требуют корректировки.
Существенным недостатком российских нормативных документов по проектированию дорожных одежд является отсутствие разделов по прогнозированию состояния дорожной одежды в процессе ее эксплуатации. Окончание расчетного срока службы никак не связывается с транспортно-эксплуатацион-ным состоянием автомобильной дороги.
С целью разработки новых критериев расчета нежесткой дорожной одежды, основанных на прогнозировании эксплуатационного состояния в течение срока службы, в 2015-2016 гг. планируется провести научно-исследовательские работы по темам: «Прогнозирование накопления остаточных деформаций (в том числе и колееобразования) дорожных одежд» и «Прогнозирование накопления усталостных разрушений в слоях асфальтобетона».
Мониторинг эксплуатационного состояния дорожных одежд на экспериментальных участках наблюдения позволит провести сопоставление расчетных моделей накопления деформаций и разрушений с результатами реального эксплуатационного состояния. Кроме того, существует острая потребность в разработке систем управления состоянием дорожных конструкций (Pavement Management System) на основе сведений о деградации характери-
стик эксплуатационного состояния, для чего требуются достоверные прогнозные модели IRI, колейности, износа и др.
Для решения этих вопросов на сегодняшний день есть ряд подходов, активно используемых в мире, например, проведение исследований на крупномасштабных исследовательских объектах: дорожные испытательные полигоны, участки мониторинга на дорогах общественного пользования и машины для ускоренных испытаний конструкций и материалов.
Дорожные испытательные полигоны. Предназначены для проведения комплексных исследований дорожных конструкций, материалов и технологий при нагружении реальной или заданной транспортной нагрузкой, как правило, в условиях воздействия погоды и климата, характерных для места размещения исследовательского объекта. Наиболее известными объектами подобного рода являются полигоны MnRoad, NCAT, SMART Road (США), PWRI (Япония), KECTR (Корея) [12-24].
Как правило, современные испытательные полигоны имеют полный перечень оборудования для мониторинга напряженно-деформированного состояния, водно-теплового режима (ВТР) исследуемых конструкций, параметров транспортного потока и транспортно-эксплуатационного состояния.
В настоящее время Государственная компания «Автодор» (ГК «Авто-дор») ведет работу по созданию первого в России испытательного полигона линейного типа [25]. Подобные объекты (MnRoad MainLine, KECTR) работают в условиях реальной погоды и автомобильного трафика. Планируется, что участок с предположительно 10 испытательными секциями будет располагаться на одном из основных направлений автомагистрали М-4 «Дон» (неподалеку от г. Ростов-на-Дону). В течение практически круглого года полигон ГК «Автодор» будет использоваться как дорога общего пользования - под движением реального транспортного потока, и лишь на несколько недель в году участок будет закрываться для проведения отдельных измерений (в это время движение будет осуществляться по специально построенному объезду, имеющему тот же технический уровень, что и участок наблюдений).
Полигон ГК «Автодор» - это инструмент для комплексных исследований. В предварительную программу работ вошли вопросы, связанные с мониторингом состояния конструкции (напряженно-деформированного и транс-портно-эксплуатационного состояний и их динамики во времени), погоды (мониторинг основных явлений и их влияния на водно-тепловой режим конструкций, работоспособности как в целом, так и отдельных слоев), транспортного потока (выявление сезонных и годовых изменений и влияние на динамику деградации эксплуатационного состояния), изучением инновационных дорожно-строительных материалов (влияние их на распределяющую способность и другие качества конструкций, мониторинг стабильности свойств во времени) и технологий (целесообразность при строительстве, ремонте или капитальном ремонте, влияние на степень деградации переменных параметров покрытий и ухудшение потребительских свойств дороги).
Основные задачи (что отражено в выбранных расчетных моделях) - это установление ряда зависимостей: между свойствами конструкции, ее водно-тепловым режимом, условиями нагружения и возникающими напряжениями
(модель «Напряжение - ВТР»); между возникающими напряжениями и дефектами (модель «Дефект - Напряжение»); между свойствами конструкции, условиями нагружения и возникающими дефектами (модель «Дефект -Нагрузка - Время»); между условиями эксплуатации (транспортная нагрузка, исходные параметры конструкции и срок эксплуатации) и напряженно-деформированным состоянием (модель «Напряжение - Нагрузка - Время»).
Для решения поставленных задач предполагается оснастить полигон современными средствами мониторинга и диагностики: для учета движения -установка Weight-in-Motion («Вес в движении»), для мониторинга погоды и водно-теплового режима конструкций - дорожная метеорологическая станция, датчики температуры и влажности в слоях конструкции, для наблюдений за напряженно-деформированным состоянием - датчики напряжений (растягивающих и сжатия), датчики деформаций (обратимых и остаточных). Датчики закладывают на стадии строительства, не нарушая целостности и работоспособности конструкции (рис. 1). В характеристики оценки эксплуатационного состояния входят: продольная и поперечная ровности, сцепление колеса с покрытием и шероховатость, износ, прочность и дефектность.
Рис. 1. Схема размещения измерительного оборудования (датчиков)
Решение поставленных задач равномерно распределено во времени, что позволит ежегодно получать ценные сведения. Так, уже сразу после строительства возможна корректировка существующих норм проектирования дорожных одежд на основе исследований напряженно-деформированного состояния конструкций в условиях нагружения расчетной нагрузкой, по величине возникающих напряжений возможен прогноз появления первых усталостных явлений (рис. 2). После первого года эксплуатации будут основания для анализа водно-теплового режима конструкций в условиях данной дорожно-климатической зоны, доступны сведения о величине первых остаточных деформаций. В первые годы эксплуатации полигона будут получены
сведения для разработки / корректировки моделей прогнозирования эксплуатационного состояния (по функциональным показателям: ровность, сцепление, износ), при дальнейшей эксплуатации - по структурным показателям (прочность) или функциональным для принятых решений по ремонту / капитальному ремонту.
Рис. 2. Алгоритм калибровки расчетных моделей
Участки мониторинга на дорогах общего пользования. Другим подходом в части исследования дорожных конструкций в условиях погоды рассматриваемой местности и нагружения реальным потоком является строительство опытных участков на дорогах общего пользования. В отличие от полигонов, участки наблюдения не имеют специализированных объездов, на которые можно было бы переводить движение в период детальных обследований, и диагностику или оценку напряженно-деформированного состояния (если предусмотрено) проводят, ограничивая движение или в составе транспортного потока (возможно только для оценки эксплуатационного состояния). Такой способ получения данных о динамике изменения характеристик покрытий, свойств материалов, напряженно-деформированном состоянии и водно-тепловом режиме активно используют во всем мире. В зависимости от поставленных целей и обеспеченности ресурсами участки мониторинга могут быть оснащены датчиками напряжений и деформаций или не иметь таковых.
Задачи, решаемые посредством использования участков мониторинга, связаны, как правило, с определением работоспособности и долговечности конструкций и отдельных решений в рамках ремонтных мероприятий.
Государственная компания «Автодор» ведет работу и в этом направлении: в 2013-2014 гг. на автомагистралях М-4 «Дон» и М-11 «Москва - Санкт-Петербург» построены два «эталонных» участка с конструкцией, запроектированной по Я5ТО 1 (германский нормативный документ), для оценки воз-
можности использования зарубежных подходов к конструированию и проектированию одежд в условиях погоды, климата и транспортного потока, характерных для автомагистралей Российской Федерации. Смежные участки имеют конструкции, запроектированные по ОДН 218.046. На них также осуществляется мониторинг.
На участках мониторинга созданы станции наблюдения за необратимыми деформациями (на этапе строительства заложены датчики остаточных деформаций - измерительные зонды) и тепловым режимом конструкций (заложены датчики температуры в верхнем слое покрытия, в нижнем асфальтобетонном слое и на глубине 80 см, отсчеты снимаются один раз в час). Собираются данные о погоде (с ближайших метеостанций), выполняется выборочный учет движения. После периодов, когда возможно изменение отдельных параметров эксплуатационного состояния, осуществляется их инструментальная оценка: продольная ровность по показателю 1М (после весеннего и летнего периодов), поперечная ровность (по окончании зимнего, весеннего и летнего периодов), дефектность (по окончании каждого периода), прочность (в расчетный период), сцепление (летом).
Данные наблюдений позволят кроме оценки работоспособности конструкций, запроектированных по разным нормам, уточнить сведения о температурных режимах, в которых работают асфальтобетоны и битумы, откорректировать/разработать прогнозные модели деградации функциональных характеристик покрытий и структурных параметров конструкций.
Следует отметить, что при правильной организации работ, детальной разработке структурной схемы участка наблюдений, благоприятных параметрах плана и продольного профиля, достаточной ширине проезжей части участки нового строительства, реконструкции или капитального ремонта, создаваемые как участки мониторинга, способны решать весь комплекс вопросов, которые возникают при строительстве испытательных полигонов линейного типа.
Машины для ускоренных испытаний конструкций и материалов.
Одним из бюджетных подходов к исследованию работоспособности дорожных конструкций и материалов, получению и корректировке расчетных схем является использование машин на треках линейного или замкнутого типа, где расчетная нагрузка передается через колесо (одиночное или спаренное) или систему колес.
Как правило, для машин ускоренного испытания создают небольшие по протяженности участки исследований (треки) с конструкцией одежды реального масштаба (известны мобильные установки, например ИУ8, для испытаний дорожных конструкций на дорогах общего пользования). В зависимости от целей исследований дорожные конструкции оснащают датчиками оценки напряженно-деформированного состояния, водно-теплового режима или делают выводы на основе инструментальной оценки эксплуатационного состояния или визуальной оценки дефектов после приложения заданного количества нагрузок. Возможно проведение практически полностью контролируемого эксперимента (с регулированием параметров микроклимата), однако, как правило, возникает сложность при воссоздании реальных условий нагружения
(дорожная конструкция на большинстве объектов находится в бетонном коробе, невысокая скорость движения колесной нагрузки), что требует дальнейшей калибровки на реальных объектах. Тем не менее, скорость получения результатов при относительно невысоких финансовых затратах, высокая автономность систем обеспечивают значительную популярность машин для ускоренных испытаний дорожных конструкций и материалов.
Планируемые результаты работ с использованием крупномасштабных испытательных объектов:
1. Уточнение расчетной схемы дорожной одежды на основе анализа результатов исследований напряженно-деформированного состояния и водно-теплового режима дорожной конструкции.
2. Корректировка математических моделей анализа напряженно-деформированного состояния дорожной конструкции, используемых для расчета дорожных одежд на прочность.
3. Корректировка расчетных параметров материалов конструктивных слоев на основе анализа результатов исследований напряженно-деформированного состояния дорожных одежд в реальных условиях эксплуатации.
4. Разработка предложений по корректировке расчетных моделей прогнозирования эксплуатационного состояния.
Библиографический список
1. AASHO Road Test: History and Description of Project. Publication 816, National Research Council, National Academy of Sciences, Washington, D.C., 1961.
2. Pavement Lessons Learned from the AASHO Road Test and Performance of the Interstate Highway System. Transportation Research Board, Pavement Management Section, Washington, D.C., 2007.
3. Illinois DOT From the AASHO Road Test To 20 Years of Mechanistic Pavement Experience ... and Counting. - Условия доступа :
http://www.webpages.uidaho.edu/bayomy/trb/afd60/TRB2008/Pres_4_IllinoisDOT.pdf (дата обращения : 07.11.2014).
4. Бабков, В.Ф. Проектирование автомобильных дорог / В.Ф. Бабков, О.В. Андреев. - М. : Транспорт, 1987. - Ч. 1. - 368 с.
5. Бируля, А.К. Конструирование и расчет нежестких одежд автомобильных дорог / А.К. Бируля. - М. : Транспорт, 1964. - 167 с.
6. Иванов, Н.Н. Конструирование и расчет нежестких дорожных одежд / Н.Н. Иванов. -М. : Транспорт, 1973. - 327 с.
7. Корсунский, М.Б. Приведение многослойных дорожных конструкций к расчетным моделям / М.Б. Корсунский, А.О. Салль, П.И. Теляев // Тр. Союздорнии. - М., 1971. -Вып. 47. - С. 17-29.
8. Салль, А.О. Обобщение результатов исследований сопротивления дорожно-строительных материалов / А.О. Салль // Совершенствование методов проектирования дорожных одежд нежесткого типа // Тр. Союздорнии. - М., 1983.
9. Теляев, П.И. Исследование напряженного состояния дорожных конструкций при длительном и кратковременном воздействии нагрузок : дисс. ... канд. техн. наук / П.И. Теляев. - Л., 1965. - 289 с.
10. Яковлев, Ю.М. Оценка и обеспечение прочности дорожных одежд нежесткого типа в процессе эксплуатации : дис. ... докт. техн. наук / Ю.М. Яковлев. - М., 1985. - 435 с.
11. Экспериментальная оценка устойчивости асфальтобетонного покрытия к образованию колейности / В.В. Мозговой, А.Н. Онищенко [и др.] // Дорожная техника. - 2010. -С. 114-128.
12. MnROAD Research. - Условия доступа : http://www.dot.state.mn.us/mnroad/ (дата обращения : 07.11.2014).
13. Матуа, В.П. Площадка для сотрудничества / В.П. Матуа, С.С. Саенко // Автомобильные дороги. - 2013. - № 02(975). - С. 10-13.
14. Брошюра MnRoad дорожно-испытательного полигона штата Миннесота Beyond the surface (под поверхностью), Minnesota.
15. MnROAD: Safer, Smarter, Sustainable Pavements Through Innovative Research, Minnesota, 2011.
16. NCAT Pavement Test Track. - Условия доступа : http://www.pavetrack.com/ (дата обращения : 07.11.2014).
17. Validation of NCAT structural test track equipment using INDOT APT facility. Final report. Joint Transportation Research Program. Project No. C-36-31R, Indiana, 2009.
18. Virginia Smart Road. - Условия доступа : https://secure.hosting.vt.edu/www.apps.vtti.vt.edu/PDFs/Smart%20Road.pdf (дата обращения : 07.11.2014).
19. APT Facilities around the world. - Условия доступа : https://sites.google.com/site/afd40web/apt-facility-links (дата обращения : 07.11.2014).
20. Shutao, Meng. The Application of Full-scale Accelerated Loading System in China / Meng Shutao, Xu Quanliang. - China, 2008.
21. Hildebrand, Gregers. ALT in Europe following COST 347 / Gregers Hildebrand, Andrew R. Dawson // APT 08 Third International Conference. - Spain, 2008.
22. Developing International Collaborative Efforts in APT: The HVSIA Experience / J.T. Harvey, E. Sadzik, N. F. Coetzee, and J. P. Mahoney // APT 08 Third International Conference. -Spain, 2008.
23. Harvey, John T. Impacts and benefits of APT: an APT operator's perspective / John T. Harvey // APT 08 Third International Conference. - Spain, 2008.
24. Углова, Е.В. Испытания моделей / Е.В. Углова, С.С. Саенко // Автомобильные дороги. -2012. - № 12(973). - С. 16-21.
25. Ильин, С.В. Уникальный объект на автомагистрали / С.В. Ильин, Е.В. Углова, С.С. Саенко // Автомобильные дороги. - 2014. - № 03(988). - С. 10-13.
References
1. AASHO Road Test: History and Description of Project. Publication 816, National Research Council, National Academy of Sciences, Washington, D.C., 1961.
2. Pavement lessons learned from the AASHO road test and performance of the interstate highway system. Transportation Research Board, Pavement Management Section, Washington, D.C., 2007.
3. Illinois DOT from the AASHO road test to 20 years of mechanistic pavement experience ... and counting. Available at:
www.webpages.uidaho.edu/bayomy/trb/afd60/TRB2008/Pres_4_IllinoisDOT.pdf. Last visited on November 2014.
4. Babkov V.F., Andreev O.V. Proektirovanie avtomobil'nykh dorog [Road design]. Moscow : Transport Publ., 1987. Pt. 1. 368 p. (rus)
5. Birulya A.K. Konstruirovanie i raschet nezhestkikh odezhd avtomobil'nykh dorog [Flexible pavement design and calculation]. Moscow : Transport Publ., 1964. 167 p. (rus)
6. Ivanov N.N. Konstruirovanie i raschet nezhestkikh dorozhnykh odezhd [Flexible pavement design and calculation]. Moscow : Transport Publ., 1973. 327 p. (rus)
7. KorsunskiiM.B., Sall'A.O., Telyaev P.I. Privedenie mnogosloinykh dorozhnykh konstruktsii k raschetnym modelyam [Reduction of multilayer pavements to design models]. Proc. Rus. Road Res. Inst.,1971. No. 47. Pp. 17-29. (rus)
8. Sall'A.O. Obobshchenie rezul'tatov issledovanii soprotivleniya dorozhno-stroitel'nykh materi-alov [A study of construction materials strength]. Proc. Rus. Road Res. Inst., 1983. (rus)
9. Telyaev P.I. Issledovanie napryazhennogo sostoyaniya dorozhnykh konstruktsii pri dlitel'nom i kratkovremennom vozdeistvii nagruzok [A study of pavement stress state under short- and long-term loading. PhD thesis]. 1965. 289 p. (rus)
10. Yakovlev Yu.M. Otsenka i obespechenie prochnosti dorozhnykh odezhd nezhestkogo tipa v protsesse ekspluatatsii [Flexible pavement strength evaluation and provision while in operation. DSc thesis]. 1985. 435 p. (rus)
11. Mozgovoi V.V. Onishchenko A.N., et al. Eksperimental'naya otsenka ustoichivosti asfal'tobet-onnogo pokrytiya k obrazovaniyu koleinosti [Experimental assessment of rutting resistance of asphalt concrete pavements]. Dorozhnaya tekhnika, 2010. Pp. 114-128. (rus)
12. MnROAD research. Available at : www.dot.state.mn.us/mnroad. Last visited on November 2014.
13. Matua V.P., Saenko S.S. Ploshchadka dlya sotrudnichestva [Collaboration platform]. Avtomo-bil'nye dorogi, 2013. No. 2. Pp. 10-13. (rus)
14. Beyond the surface. Minnesota: MnROAD.
15. MnROAD: Safer, smarter, sustainable pavements through innovative research, Minnesota, 2011.
16. NCATpavement test track. Available at: www.pavetrack.com. Last visited on November 2014.
17. Validation of NCAT structural test track equipment using INDOT APT facility. Final report. Joint Transportation Research Program. Project No. C-36-31R, Indiana, 2009.
18. Virginia smart road. Available at : https://secure.hosting.vt.edu/www.apps.vtti.vt.edu/PDFs/Smart%20Road.pdf. Last visited on November 2014.
19. APT Facilities around the world. Available at : https://sites.google.com/site/afd40web/apt-facility-links. Last visited on November 2014.
20. Meng S., Xu Q. The application of full-scale accelerated loading system in China, China, 2008.
21. Hildebrand G., Dawson A.R. ALT in Europe following COST 347. APT 08 Proc. 3rd Int. Conf., Spain, 2008.
22. Harvey J.T., SadzikE., Coetzee N.F., Mahoney J.P. Developing international collaborative efforts in APT: The HVSIA experience. APT 08 Proc. 3rd Int. Conf., Spain, 2008.
23. Harvey J.T. Impacts and benefits of APT: an APT operator's perspective. APT 08 Proc. 3rd Int. Conf., Spain, 2008.
24. Uglova E.V., Saenko S.S. Ispytaniya modelei [Model testing]. Avtomobil'nye dorogi, 2012. No. 12. Pp. 16-21. (rus)
25. Il'in S.V., Uglova E.V., Saenko S.S. Unikal'nyi ob'ekt na avtomagistrali [Unique object in highway]. Avtomobil'nye dorogi, 2014. No. 3. Pp. 10-13. (rus)
