CC BY
91
S.А. BOKAREV, L.Y. SOLOVYEV, D.N.TSVETKOV, E.V. ROGOVA
RESULTS OF FULL-SCALE INSPECTION AND TEST OF COMPOSITE SUPERSTRUCTURES OF RAILWAY BRIDGES OF SIBERIA AND THE FAR EAST
The results of full-scale inspection and test of composite superstructures maintained on Far East and East-Siberian railways are presented in the paper. During performance of work a number of defects were revealed, and the estimation of influence of these defects on bearing capacity of superstructures is considered.
УДК 625.8: 624.04
Е.В. УГЛОВА, канд. техн. наук, доцент
РГСУ, Ростов-на-Дону
ОЦЕНКА МОДУЛЕЙ УПРУГОСТИ СЛОЕВ ДОРОЖНОЙ ОДЕЖДЫ НА СТАДИИ ЭКСПЛУАТАЦИИ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ
В статье представлена методика расчета модулей упругости слоев дорожной одежды эксплуатируемых автомобильных дорог по результатам натурных измерений с помощью обратного вычисления. Полевые испытания выполняются разработанным специализированным комплексом, включающим малогабаритную ударную установку и виброизмерительный прибор. Моделирование характеристик динамического деформирования дорожной одежды выполняется с использованием разработанной расчетной модели «дорожная конструкция - грунт» при заданном ударном нагружении. В дальнейшем корректировка модулей упругости слоев дорожной одежды осуществляется таким образом, чтобы амплитуды максимальных прогибов точек поверхности на различном удалении от точки удара, рассчитанные по модели, имели наименьшее отклонение от измеренных в полевых условиях величин.
Введение
Проблемы повышения долговечности дорожных конструкций, планирования оптимальных сроков и объема ремонтно-восстановительных работ определяют важность исследований, нацеленных на разработку и реализацию новых эффективных неразрушающих методов испытания нежестких дорожных одежд. В результате этих исследований с возможно большей достоверностью должна быть получена информация о состоянии отдельных элементов и дорожной конструкции в целом.
Результаты многолетних натурных наблюдений и проведенные теоретические исследования показывают, что только по величине регистрируемого упругого прогиба в точке нагружения нельзя оценить состояние элементов дорожной конструкции. Для прогнозирования остаточного срока службы и моделирования процессов разрушения дорожных одежд эксплуатируемых автомобильных дорог необходима информация о механических характеристи-
© Е.В. Углова, 2009
ках элементов системы «дорожная конструкция - грунт» на стадии эксплуатации, что требует разработки новых методов их оценки.
Основные положения
Для оценки модулей упругости элементов дорожных конструкций на стадии эксплуатации предлагается использовать метод обратного расчета, позволяющий получить информацию о механических параметрах элементов дорожной конструкции на основе решения обратной задачи с использованием в качестве критерия результатов специализированной обработки данных натурного эксперимента [1].
Нежесткие дорожные конструкции рассматриваются как трехслойные системы, состоящие из следующих элементов: асфальтобетонного покрытия, основания (малосвязные слои), земляного полотна. Механические характеристики покрытия и основания рассчитываются как средневзвешенные значения нескольких слоев. Рассмотрим дорожную конструкцию с известными проектными характеристиками ее элементов: толщиной hj, динамическим модулем
упругости Ej , плотностью р j, коэффициентом Пуассона v}- . В ходе эксплуатации вследствие накопления усталостных повреждений, старения асфальтобетона и других процессов наблюдается изменение механических параметров элементов дорожной конструкции, что приводит к изменению ее напряженно-деформированного состояния (НДС). Расчет характеристик динамического деформирования элементов системы «дорожная конструкция -грунт» показывает, что наибольшее влияние на основные характеристики динамического НДС системы оказывает изменение динамических модулей упругости элементов дорожной конструкции.
При этом значения коэффициента Пуассона и плотности материалов конструктивных слоев в процессе эксплуатации допустимо принимать равными проектным за исключением случаев выраженного деформирования и разрушения дорожной конструкции (просадки, колейность).
Экспериментально на стадии эксплуатации можно получить информацию о характеристиках динамического деформирования поверхности дорожной конструкции при тестовом воздействии, например ударе с заданной энергией. В результате приходим к формулировке обратной задачи - определение динамических модулей упругости элементов дорожной конструкции на основе анализа результатов экспериментальных измерений характеристик ее деформирования при ударном нагружении.
Для проведения полевых испытаний характеристик динамического деформирования дорожных конструкций разработан лабораторный комплекс, включающий малогабаритную ударную установку, виброизмерительный прибор, персональный компьютер типа notebook [2]. В ходе испытаний малогабаритной ударной установкой выполняется серия ударов по поверхности дороги. Виброизмерительными датчиками, установленными на поверхности покрытия на расстоянии 0,25; 0,5; 0,75; 1,25; 2,5 м от точки удара, регистрируются характеристики отклика дорожной конструкции в реальном времени (рис. 1).
1
Рис. 1. Схема установки датчиков на покрытии при проведении экспериментальных измерений
Разработанные программные средства обработки сигналов позволяют получать конфигурацию чаши прогиба (амплитуд вертикального смещения точек поверхности) в фиксированный момент времени (моментальная чаша прогиба) или максимальные амплитуды вертикального смещения точек поверхности (чаша максимальных прогибов). Оценку модулей упругости элементов дорожной конструкции эксплуатируемых автомобильных дорог предлагается проводить на основе сопоставления регистрируемой в ходе полевых испытаний и расчетной (проектной) чаши максимальных динамических прогибов (рис. 2).
Расчет чаши максимальных динамических прогибов нежесткой дорожной конструкции проводится с использованием разработанной модели динамического напряженно-деформированного состояния системы «дорожная конструкция - грунт» при заданном ударном нагружении, базирующейся на решении пространственной задачи механики сплошной среды методом конечных элементов [2]. Входными параметрами при моделировании являются следующие данные:
- прикладываемая тестовая нагрузка;
- толщины слоев дорожной одежды;
- механические параметры элементов дорожной конструкции (проектные значения модулей упругости, коэффициента Пуассона, плотности по ОДН 218.046-01 «Проектирование нежестких дорожных одежд»).
Адекватность модели подтверждена в ходе многолетних исследований на стационарных пунктах наблюдения автомобильных дорог 1-1У категорий, построенных в 2003-2005 гг. [3]. Испытания проводились как на стадии строительства, когда тестовому ударному воздействию были подвергнуты последовательно все конструктивные слои дорожной одежды по мере завершения производства работ по их устройству, так и в процессе последующей экс-
плуатации. Сопоставление характеристик деформирования дорожной конструкции (амплитудно-временных зависимостей перемещения, скорости, ускорения), регистрируемых экспериментальными методами, с расчетными значениями, полученными на основе используемой модели, показали хорошую сходимость результатов. Пример сопоставления расчетных и экспериментальных характеристик деформирования представлен на рис. 3.
Рис. 2 Алгоритм «обратного» расчета модулей упругости элементов дорожной конструкции
На базе разработанной математической модели проведен обширный численный эксперимент для различных дорожных конструкций. При проведении расчетов строились профили динамического прогиба для горизонтальных плоских сечений конструкции, включая ее поверхность, для различных моментов времени после удара (моментальные чаши динамического прогиба) и чаши максимальных прогибов. При этом модули упругости материалов различных конструктивных слоев варьировались в сторону увеличения или уменьшения от проектных значений.
Рис. 3. Экспериментальная (а) и расчетная (б) амплитудно-временные характеристики отклика дорожной конструкции на расстоянии 1,25 м от точки удара
Анализ результатов численного эксперимента позволил установить следующие закономерности формирования чаши максимальных динамических прогибов поверхности покрытия при ударном воздействии:
- уменьшение модуля упругости асфальтобетонного покрытия (рис. 4) приводит к существенным изменениям характеристик чаши максимальных динамических прогибов в ближней к месту удара зоне (до 0,25 м), что проявляется в увеличении максимальных амплитуд и уменьшении радиуса кривизны поверхности покрытия в этой зоне, и, как следствие, в увеличении растягивающих напряжений в покрытии;
///^Евге-2300 МПв
// Е*Л^500 МТЪ
7
ш-юоампа
1 “ 1 " 1 а?в 12 2*
Ркипояни», м
Рис. 4. Влияние динамического модуля упругости асфальтобетона на чашу максимальных динамических прогибов
- модуль упругости основания (рис. 5) оказывает наибольшее влияние на характеристики деформирования поверхности дорожной конструкции на удалении 0,25-0,75 м от точки удара;
Рис. 5. Влияние модуля упругости основания на чашу максимальных динамических прогибов
- модуль упругости грунта земляного полотна (рис. 6) влияет на изменение формы чаши колебаний в дальней от места удара зоне на расстоянии свыше 0,75 м.
Рис. 6. Влияние модуля упругости грунта земляного полотна на чашу максимальных динамических прогибов
Учитывая, что динамические прогибы поверхности дорожной конструкции в зоне, близкой к точке нагружения, связаны с деформированием всех слоев, а динамические прогибы на удалении от нагрузки - с деформированием более низких слоев, процесс согласования расчетных и измеренных величин динамических прогибов при обратном расчете модулей упругости элементов системы рекомендуется начинать с дальних от нагрузки точек варьированием модуля упругости грунта земляного полотна. Затем процесс согласования продолжается, переходя к более близким к нагрузке точкам и модулям упругости основания и покрытия. Итерационный процесс прекращают, если выполняется одно из следующих условий:
- среднеквадратическое отклонение расчетных значений от измеренных меньше заданной величины;
- комбинированное изменение модуля для всех слоев от одной итерации до следующей - меньше, чем заданная величина.
В качестве примера определения модулей упругости элементов дорожной конструкции эксплуатируемых автомобильных дорог приведены результаты экспериментальных измерений, выполненных на участках автомобильных дорог II и IV категории. В ходе эксперимента регистрировали чашу максимальных динамических прогибов поверхности дорожной конструкции, а также отбирали пробы материалов конструктивных слоев дорожной одежды и грунта земляного полотна. В лабораторных условиях выполнялась оценка модулей упругости асфальтобетона, влажности грунта земляного полотна, гранулометрического состава, коэффициента уплотнения и прочности материала слоев основания.
На рис. 7, 8 представлены расчетная (при проектных значениях модулей упругости слоев дорожной одежды) и экспериментальная чаши максимальных прогибов поверхности дорожной конструкции на экспериментальном участке для автомобильной дороги II и IV категории. Незначительное отклонение экспериментальных значений от расчетных для автодороги II категории наблюдается в зоне 0-0,5 м от точки удара, что связано со свойствами покрытия (увеличение модуля упругости асфальтобетонного покрытия вследствие старения вяжущего). Для автодороги IV категории экспериментальные значения динамического прогиба во всех точках чаши прогиба превышают расчетные значения, что свидетельствует о существенном ослаблении элементов дорожной конструкции. Дальнейшая корректировка расчетных параметров позволила установить значения модулей упругости слоев дорожной конструкции, при которых расчетная чаша максимальных прогибов наиболее близка к экспериментальной (рис. 7, 8).
Рис. 7. Экспериментальная и расчетная чаши максимальных прогибов для автодороги II категории
Рис. 8. Экспериментальная и расчетная чаши максимальных прогибов для автодороги IV категории
Достоверность представленных результатов подтверждается хорошей сходимостью значений статического упругого прогиба, измеренного в ходе полевых испытаний и рассчитанного с учетом модулей упругости слоев дорожной одежды, откорректированных методом обратного расчета по вышеприведенной методике (таблица). Показатели свойств материалов конструктивных слоев и визуальное состояние дорожной конструкции соответствуют полученным выводам об изменении модулей упругости слоев дорожной одежды в процессе эксплуатации.
Статический модуль упругости на экспериментальных участках, мм
Участки дороги Экспериментальное значение Расчет по модели с проектными модулями упругости слоев Расчет по модели с откорректированными модулями упругости слоев
Участок автодороги II категории 0,170 0,185 0,173
Участок автодороги IV категории 0,560 0,362 0,548
Заключение
1. Оценку модулей упругости слоев дорожной одежды на стадии эксплуатации предлагается проводить методом обратного расчета на основе регистрируемой в ходе полевых испытаний чаши максимальных прогибов. Полевые испытания выполняются разработанным специализированным ком-
плексом, включающим малогабаритную ударную установку, виброизмери-тельный прибор, персональный компьютер типа notebook.
2. Для моделирования характеристик динамического деформирования дорожной одежды разработана расчетная модель «дорожная конструкция -грунт», позволяющая рассчитывать характеристики отклика дорожной конструкции при заданном ударном воздействии. Входными параметрами при моделировании являются прикладываемая нагрузка, толщины и механические характеристики элементов дорожной конструкции (модуль упругости, коэффициент Пуассона, плотность).
3. В ходе расчета выполняется корректировка модулей упругости элементов дорожной конструкции таким образом, чтобы амплитуды максимальных прогибов точек поверхности на различном удалении от точки удара, рассчитанные по модели, имели наименьшее отклонение от измеренных в полевых условиях величин.
4. Проведенные численные и натурные эксперименты позволили разработать методику определения модулей упругости элементов дорожной конструкции эксплуатируемых автомобильных дорог по результатам полевых испытаний с помощью обратного вычисления.
Библиографический список
1. Selection of Flexible Pavement Backcalculation Software for the Minnesota Road Research Project / Minnesota Department of Transportation, 1996. - 93 p.
2. Динамика дорожных конструкций / С.К. Илиополов, М.Г. Селезнев, Е.В. Углова. - Ростов н/Д : Рост. гос. строит. ун-т, 2002. - 258 с.
3. Илиополов, С.К. Исследование динамического воздействия транспортных средств на стационарных пунктах наблюдений / С.К. Илиополов, Е.В. Углова // Дороги и мосты. Вып. 15/1. - М., 2006. - С. 86-96.
4. Илиополов, С.К. Выбор стратегии ремонта автомобильных дорог на основе динамического мониторинга их состояния / С.К. Илиополов, Е.В. Углова // Автомобильные дороги. - 2007. - № 2. - С. 71-74.
E.V. UGLOVA
ESTIMATION OF MODULES OF ELASTICITY OF ROAD CONSTRUCTION LAYERS AT THE STAGE OF HIGHWAYS OPERATION
The calculation of modules of elasticity of road clothes layers of maintained highways on the results of natural test by means of return calculation is presented in the paper. Field tests are carried out by the developed specialized complex including small-sized shock installation and the device measuring fluctuation. Modeling of characteristics of dynamic deformation of road clothes is carried out with the use of the developed model «road construction - ground» at defined shock impact. Further correction of modules of elasticity of layers of road construction is carried out so that amplitudes of the maximum deflections of surface points on various distance from the impact point, calculated on model, would have the least deviation from the sizes measured in field conditions.
