CC BY
107
УДК 625.85.002.237
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ НЕЖЕСТКИХ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД
В.П. Матуа, профессор, д. т. н., Е.М. Баранова, доцент, к.т.н., Д.В. Чирва, аспирант, Ростовский государственный строительный
университет
Аннотация. В отличие от существующих методов работа дорожной конструкции в данной статье рассматривается в вязко-упруго-пластической постановке, обеспечивающей прогнозирование и учет накопления остаточных деформаций в слоях дорожных одежд и грунте земляного полотна при комплексном воздействии пространственных динамических нагрузок и погодно-климатических факторов.
Ключевые слова: прогнозирование, остаточные деформации, напряженно-деформированное состояние, дорожная конструкция.
Введение
В результате воздействия погодно-климатических факторов, роста интенсивности движения, повышения грузоподъемности и скорости движения автотранспортных средств происходит нарушение ровности поверхности дороги в продольном и поперечном направлениях, что, в свою очередь, способствует значительному росту динамических воздействий и ускоренному образованию деформаций и разрушений различных форм и размеров.
Используемые в настоящее время методы проектирования нежестких дорожных одежд рассматривают работу дорожной конструкции в вязкоупругой стадии и не позволяют учитывать пластические свойства материалов дорожной конструкции, а вследствие этого не в полной мере характеризуют ее работу в реальных условиях эксплуатации автомобильной дороги. Не учитываются также инерционные свойства движущегося автомобиля. При осесимметричной постановке решается задача о вдавливании круглого в плане гибкого штампа в слоистое полупространство. Подобное приближение достаточно хорошо соответствует условиям лабораторных экспериментов, однако не может в полной мере характеризовать работу дорожной конструкции в реальных условиях ее эксплуатации. При использовании гипотезы плоской деформации. В этом случае рассматривается задача о воздействии полосовых нагрузок бесконечной длины, перпендикулярных к расчетному сечению. Движение транспорта моделируется как совокупность сил (сосредоточенных или распределенных), движущихся с определенной скоростью по автомобильной дороге. Так как последний совершает совместные колебания с тем участком дороги, над которым он находится в текущий момент, то инерционные свойства всей системы, а, следовательно, и ее динамические параметры непрерывно изменяются с течением вре-
мени. Исходя из этого, можно сделать вывод о необходимости учета инерционных параметров движущегося транспорта.
Цель и постановка задачи
С целью прогнозирования накопления остаточных деформаций в конструктивных слоях дорожных одежд и грунте земляного полотна с последующим применением данных прогноза для расчета и проектирования конструкции дорожных одежд в ДорТрансНИИ РГСУ разработан программный комплекс «Прогнозирование и учет накопления остаточных деформаций при проектировании нежестких дорожных одежд».
Сущность метода заключается в учете упру -го-вязко-пластических свойств грунтов и материалов конструктивных слоев дорожной одежды, проявляющихся при воздействии многократных кратковременных нагрузок, инерционности движущейся массы и осности автомобиля, а также влияния на напряженно-деформированное состояние (НДС) конечных поперечных размеров автомобильной дороги и места расположения нагрузки на проезжей части.
Решение задачи
Расчет дорожной конструкции выполняется в два этапа:
- на первом этапе производится расчет и конструирование дорожной одежды нежесткого типа в соответствии с ОДН 218.046-01 «Проектирование нежестких дорожных одежд» и предусматривает расчет конструкции по допускаемому упругому прогибу, расчет по условию сдвигоустойчивости подстилающего грунта и малосвязных конструк-
тивных слоев, расчет конструкции на сопротивление монолитных слоев усталостному разрушению от растяжения при изгибе. При необходимости проводится проверка дорожной конструкции на морозоустойчивость и проектируются устройства по ее осушению;
- на втором этапе производится проверка дорожной конструкции на накопление остаточных деформаций в ее элементах при комплексном воздействии пространственных динамических нагрузок и погодно-климатических факторов.
Прогнозирование накопления остаточных деформаций осуществляется с помощью разработанной механико-математической модели, адекватно описывающей реальное строение и динамический характер нагружения анизотропной и многослойной дорожной конструкции, позволяющей рассматривать задачу в пространственной постановке.
толщиной 10 см, слой основания из щебня, устроенного по способу заклинки, толщиной 15 см и нижний слой основания из щебня фр. 40-70 мм толщиной 25 см. Расчеты проведены в пространственной постановке фрагмента автомобильной дороги длиной 30 м, реальной ее ширины и глубиной от поверхности покрытия до 10 м. Рассматривалось движение различных автомобилей, как в свободном режиме одиночного автомобиля, так и в плотном режиме при их движении в колонне с соблюдением дистанции 5, 10, 15, 20 и 25 м.
Напряженно-деформированное состояние (НДС) элементов дорожной конструкции во времени определялось не только в плоскости сечения под передними, средними или задними колесами движущегося автомобиля, но и по всей прилегающей области. Для этого исследовалось НДС в продольном и поперечном сечении дороги через каждые 0,5 м (ряды).
Ниже приведены результаты расчета дорожной конструкции на накопление остаточных деформаций. В качестве примера представлена конструкция четырехполосной автомобильной дороги в г. Ростове-на-Дону, имеющей двухслойное асфальтобетонное покрытие общей толщиной 11 см, верхний слой основания из черного щебня
Ниже приведены эпюры вертикальных перемещений фиксированного сечения поверхности дорожного покрытия во времени до и после проезда по нему легкового автомобиля, движущегося со скоростью 120 км/ч (рис. 1) и тяжелого грузового автомобиля, движущегося со скоростью 90 км/ч (рис. 2).
Рис. 1. Вертикальные перемещения поверхности покрытия при движении легкового автомобиля со скоростью 120 км/ч на расстоянии 0,5 м от кромки проезжей части
Рис. 2. Вертикальные перемещения поверхности покрытия при движении тяжелого грузового автомобиля со скоростью 90 км/ч на расстоянии 0,5 м от кромки проезжей части
Рис. 3. Накопление остаточных деформаций
Полученные динамические решения являются базовыми для определения приведенной квазиста-тической нагрузки при расчете на длительное воздействие. Окончательный этап расчета позволяет получить прогноз накопления остаточных деформаций и характер развития неровностей в элементах дорожной конструкции. Для прогнозирования накопления остаточных деформаций конструктивных слоев дорожных одежд принята реологическая модель вязкого течения в форме Шведова-Бингама, модифицированная с учетом изменяющихся во времени входящих в ее уравнения параметров. На рис. 3 показаны максимальные расчетные значения необратимых вертикальных деформаций поверхности дорожного покрытия по внешней полосе наката за 10 лет эксплуатации дороги с учетом воздействия погодно-климатических факторов и реальных динамических нагрузок.
В случае накопления за межремонтный срок в элементах дорожной конструкции остаточных деформаций, превышающих предельно допустимые
значения (с точки зрения предусмотренных нормативными документами требований к ровности покрытия) дорожную конструкцию корректируют.
Заключение
Таким образом, проведенные исследования позволяют принимать обоснованное решение по конструированию дорожных одежд с учетом минимума накопления в их элементах остаточных деформаций (без удорожания стоимости строительства), что, несомненно, будет способствовать повышению срока службы как вновь проектируемых, так и реконструируемых автомобильных дорог.
Рецензент: В.В. Филиппов, профессор, д.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 7 августа 2006 г.
