CC BY
53
УДК 625.70
УСТАЛОСТНЫЕ РАЗРУШЕНИЯ АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ ПОКРЫТИЙ В ПРОЦЕССЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ
Е. В. Углова, О. А. Шило, В. А Сударкина
Донской государственный технический университет, г. Ростов-на-Дону, Российская Федерация Uglova.ev@yandex.ru. Olga shilo@bk.ru valeriya.sudarkina94@mail.ru
Рассматривается воздействие основных факторов на дорожную конструкцию, представлена методика расчета накопления усталостного разрушения дорожного покрытия. Проанализированы значения горизонтальных продольных деформаций на нижней грани асфальтобетонных слоев в условиях реального нагружения.
UDK 625.70
FATIGUE FAILURE OF ASPHALT CONCRETE PAVEMENTS IN THE PROCESS OF OPERATION
E. V. Uglova, O. A. Shilo, V. A. Sudarkina
Don State Technical University, Rostov-on-Don, Russian Federation
Uglova.ev@yandex.ru. Olga shilo@bk.ru valeriya.sudarkina94@mail.ru
The article considers the impact of major factors on the road construction, proposes the design procedure of the accumulation of fatigue failure of the pavement. It analyzes the values of horizontal longitudinal strains on the bottom asphalt layers in real conditions of loading.
Ключевые слова: дорожная конструкция, Keywords: road construction, fatigue failure of усталостное разрушение асфальтобетонных asphalt concrete pavements, elastic modulus. покрытий, модуль упругости.
Введение. В настоящие время нежесткие дорожные одежды с асфальтобетонным покрытием являются самыми распространенными в дорожной отрасли. Одной из проблем в Российской Федерации, является низкая долговечность дорожных одежд. Решение данной проблемы обеспечивает экономический эффект за счет сокращения затрат на проведение ремонтных работ и улучшения транспортно-эксплуатационного состояния в течение всего срока службы. На сегодняшний день в Российской Федерации соответствуют нормам 37 % федеральных и 24 % региональных дорог.
Неудовлетворительное состояние дорожной одежды вызвано следующими факторами:
— непрерывный рост интенсивности движения;
— повышение грузоподъемности транспортных средств и осевых нагрузок;
— увеличения скоростных режимов.
В действующем нормативном документе ОДН 218.046-01 [1] расчет дорожной одежды по допустимому напряжению при изгибе в монолитных слоях преобразован в расчет монолитных слоев на усталостное сопротивление с учетом количества приложений транспортной нагрузки за срок службы. Однако, данная методика несовершенна.
В целях более детальной оценки изменения модуля упругости и воздействия растягивающих напряжений на дорожную конструкцию, рассмотрена немецкая технология расчета «RDO Asphait 09».
Усталостное разрушение асфальтобетонных покрытий. В процессе эксплуатации автомобильные дороги подвергаются воздействию механических усилий, вызываемых нагрузками
транспортных средств. Особенностью динамической нагрузки является возникновение упругого прогиба (рис. 1), вызывающего сжимающие напряжения в дорожном покрытии и растягивающие напряжения в нижних слоях наката асфальтобетонных слоев.
Рис. 1. Форма чаши прогиба
Немецкий метод расчета накопления усталостного разрушения. В соответствии с «Указаниями по расчету дорожной одежды с асфальтобетонным покрытием RDO Asphait 09» [2], следует ограничить нагружение асфальтобетона так, чтобы оно исключало образование трещин в асфальтобетонных слоях в течение планового срока эксплуатации.
Рис. 2. Факторы, влияющие на усталостное разрушение асфальтобетонных слоев.
В таблице 1 представлено изменение значений модуля упругости асфальтобетона по глубине для каждого месяца года. Асфальтобетонные слои условно поделены на расчетные, с шагом в 1 см для верхнего слоя покрытия и 2 см для остальных асфальтобетонных слоев. Вся конструкция составляет 28 см.
Таблица 1
Изменение значений модуля упругости асфальтобетона по глубине для каждого месяца года
Значения модулей упругости для каждого месяца года
Янв. Фев. Март Апр. Май Июнь Июль Авг. Сен. Окт. Нояб. Дек.
ЩМА-15 1 см 8757 8757 6926 4546 3038 2222 1877 2092 2843 4079 5577 7399
ЩМА-15 2 см 8685 8685 6894 4554 3062 2250 1906 2121 2869 4093 5570 7358
ЩМА-15 3 см 8625 8625 6867 4561 3083 2275 1931 2146 2891 4105 5564 7323
ЩМА-15 4 см 8574 8574 6844 4567 3101 2296 1953 2167 2910 4116 5559 7293
Янв. Фев. Март Апр. Май Июнь Июль Авг. Сен. Окт. Нояб. Дек.
ПДА а/б 6 см 6854 6854 5594 3885 2741 2091 1807 1985 2588 3538 4638 5924
ПДА а/б 8 см 6807 6807 5573 3892 2760 2114 1831 2008 2608 3548 4633 5896
ПДА а/б 10 см 6769 6769 5555 3896 2775 2132 1850 2027 2624 3557 4629 5874
ПДА а/б 12 см 6738 6738 5541 3900 2787 2147 1866 2042 2637 3564 4626 5855
ПДА а/б 14 см 3957 3957 3259 2301 1649 1273 1108 1212 1561 2104 2725 3443
ПДА а/б 16 см 3944 3944 3253 2303 1654 1280 1114 1218 1567 2107 2724 3435
ПДА а/б 18 см 3933 3933 3248 2304 1659 1285 1120 1224 1572 2109 2722 3428
ПДА а/б 20 см 3924 3924 3244 2305 1663 1290 1125 1229 1576 2112 2721 3423
ПДА а/б 22 см 3916 3916 3240 2307 1666 1294 1130 1233 1579 2113 2721 3418
ПДА а/б 24 см 3908 3908 3237 2307 1669 1298 1134 1237 1583 2115 2720 3414
ПДА а/б 26 см 3902 3902 3234 2308 1672 1301 1137 1240 1585 2117 2719 3410
ПДА а/б 28 см 3896 3896 3231 2309 1674 1304 1140 1243 1588 2118 2718 3406
Допустимое число приложений нагрузки для соответствующих режимов нагружения определяются из уравнения (1) для максимальных удлинений при растяжении на изгибе, возникающих в слое.
яиШ = — х а хек, (1)
где zulN — допустимое число приложений нагрузок на ось до возникновения трещин несущих слоях из асфальтобетона;
ББ — коэффициент сдвига, для косвенного порогового испытания на сдвиг, следует принимать SF=1500;
Б — коэффициент запаса прочности;
а — параметры материала, определенные через регрессию от испытания на усталость; ек — относительная начальная упругая деформация во время испытания.
Допустимое число приложений для нагрузки на ось 2 т
Рис. 3. Допустимое число приложений нагрузки на ось 2 т за год
Частичные повреждения, вследствие допустимых цикличных нагрузок при различных напряжениях, могут аккумулироваться в общее повреждение на основании гипотезы Майнера (2)
Е =
+ ...+-
vorhN„
уотШл vorhN1 vorhN^ -1 +-2 +-3
жШ1 zulN2 zulN2 гыШ п
< 1,
(2)
где vorh № — ожидаемое число приложений нагрузок на ось в течение запланированного периода эксплуатации, 1=1,2, ...п;
2и1 N1 — допустимое число приложений нагрузок на ось в течение запланированного периода эксплуатации, 1=1,2, ...п;
п — число нагруженных состояний, которое следует учитывать.
2 = 0,428/(7,756Е+22) + 232,832/(4,237Е+21) + 461,52/(7,788Е+20) +.=0,0000406 < 1
Расчет считается выполненным, если результат отношения ожидаемого количества к допустимому количеству приложений нагрузки для запланированного срока эксплуатации меньше или равно 1 (2).
Заключение. Применяемая методика расчета в Российской Федерации, согласно ОДН 218.046-2001, не обеспечивает детального рассмотрения всех действующих факторов на дорожную конструкцию, в следствии чего уже через 1-2 года эксплуатации автомобильной дороги, неизбежно образование усталостных трещин в пакете асфальтобетонных слоев. Вышеописанный метод позволяет рассчитывать растягивающие напряжения в дорожном покрытии для различных периодов года и суммировать их влияние на развитие усталостных процессов, что в свою очередь позволяет уже на этапе проектирования дорожной конструкции выявить механизм образования дефектов в покрытии и назначить соответствующий вид мероприятий для их предотвращения.
Библиографический список.
1. Бабков, В. Ф. Проектирование автомобильных дорог: учебник для вузов / В. Ф. Бабков, О. В. Андреев. — Москва : Транспорт, 1987. — Ч.1. — 368 с.
2. Бабков, В. Ф. Современные автомобильные магистрали: учебник для вузов / В. Ф. Бабков. — Москва : Транспорт, 1974. — 279 с.
3. Бируля, А. К. Эксплуатация автомобильных дорог: учебник для вузов / А. К. Бируля.
— Москва : Транспорт, 1966. — 326 с.
4. Васильев, А. П. Ремонт и содержание автомобильных дорог: Справочная энциклопедия дорожника (СЭД). / под редакцией А. П. Васильева. — Москва : Информавтодор, 2004. — 507 с.
5. Гайворонский, В. Н. Температурный режим асфальтобетонных покрытий / В. Н. Гайворонский // Автомобильные дороги. — 1970. — №12. — С. 15-18.
6. Гезенцвей, Л. Б. Дорожный асфальтобетон / Л. Б. Гезенцвей, Н. В. Горелышев, А. М. Богуславский, И. В. Королев. — Москва : Транспорт, 1985. — 350 с.
7. Дровалева О.В. Усталостная долговечность асфальтобетона при воздействии интенсивных транспортных нагрузок: автореферат диссерт. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук.
— Ростов-на-Дону : 2009. — 23 с.
8. Ермакович, Д. З. Экспериментальные исследования напряжений и деформаций в дорожных одеждах при воздействии движущегося колеса / Д. З. Ермакович// сборник трудов ХАДИ. — Харьков, 1961. — вып. 25. — С. 71-76.
9. Золотарев, В. А. Долговечность дорожного асфальтобетона / В.А. Золотарев. — Харьков : «Вища школа», 1977. — 116 с.
10. Дорожный асфальтобетон / под ред. Л.Б. Гезенцвея. — Москва : Транспорт, 1985. — 196 с.
11. Радовский, Б. С., Мерзликин А.Е. Руководство по механико-эмпирическому проектированию новых и реконструируемых дорожных одежд (США) / Б. С. Радовский, А. Е. Мерзликин // Наука и техника в дорожной отрасли. — №1— 2005. — С. 32-33.
