18. Оценка остаточного ресурса нежестких дорожных одежд (основные цели оценки, исходные параметры данных, схема оценки остаточного ресурса дорожных конструкций).

Анализ исследований А.О. Салля, Б.С. Радовского, А.В. Руденского, Г.С. Бахрах, В. А. Золотарева, Л. А. Горелышевой и др. показал, что разрушение ас­фальтобетона при многократном циклическом нагружении обусловлено про­цессами усталости, т.е. образованием и накоплением микродефектов с после­дующим образованием макродефектов. Учитывая, что накопление усталостных повреждений асфальтобетонных покрытий в различные периоды эксплуатации вследствие сезонных колебаний климатических факторов, изменения характе­ристик транспортного потока протекает неравномерно, для объективной коли­чественной оценки усталостных разрушений необходимо выполнять последо­вательное суммирование повреждений, образующихся в слоях покрытия при заданных климатических условиях и реальных транспортных нагрузках в тече­ние всего срока службы.

Одним из основных факторов, обуславливающих интенсивность усталост­ных разрушений, являются растягивающие напряжения, возникающие в покры­тии при проезде транспортных средств. Расчет растягивающих напряжений вы­полняется на основе анализа динамического напряженно-деформированного состояния дорожных конструкций.

Многолетние наблюдения изменения состояния дорожных конструкций в процессе эксплуатации показали, что:

• величина растягивающих напряжений в асфальтобетонном покрытии на любом этапе эксплуатации существенно зависит от механических параметров элементов дорожной конструкции;

• усталостное разрушение асфальтобетонных покрытий, достаточно чувст­вительное к пиковым динамическим нагрузкам, в первую очередь происходит в локализованных областях, где динамические нагрузки при проезде каждого транспортного средства наиболее высоки;

• большинство моделей прогнозирования разрушений асфальтобетонных покрытий используют расчетные проектные параметры функционирования системы «транспортный поток - дорожная конструкция», что не позволяет про­водить оценку остаточного усталостного ресурса эксплуатируемых асфальтобе­тонных покрытий в условиях изменившихся режимов нагружения.

Поэтому основными требованиями при разработке нового подхода к оцен­ке остаточного усталостного ресурса эксплуатируемых асфальтобетонных по­крытий являются необходимость учета состояния элементов дорожной конст­рукции на текущем этапе эксплуатации, а также особенностей реального на­гружения асфальтобетонных покрытий, связанных с динамическим воздействи­ем транспортных средств, обусловленного неровностями дорожных покрытий. Схема оценки остаточного усталостного ресурса эксплуатируемых асфальтобе­тонных покрытий представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Схема оценки остаточного усталостного ресурса эксплуатируемых

асфальтобетонных покрытий

Входными параметрами модели напряженно-деформированного состояния дорожных конструкций являются геометрические размеры и механические па­раметры ее элементов, характеристики транспортной нагрузки. Геометрические размеры элементов конструкции дорожной одежды в процессе эксплуатации практически не меняются, что позволяет использовать паспортные данные ав­томобильной дороги или проектную документацию.

Проблема определения механических параметров элементов дорожной конструкции на текущем этапе эксплуатации относится к числу важнейших в дорожной отрасли. Для ее решения необходимо использовать инструменталь­ные неразрушающие методы контроля. В настоящей работе предлагается экс­периментально-теоретический метод, позволяющий по характеристикам де­формирования системы при ударном воздействии, полученным в ходе натурно­го эксперимента, на основе решения обратной задачи определить механические параметры элементов системы.

Для адекватного описания динамического воздействия транспортного по­тока на дорожную конструкцию следует рассмотреть вопросы оценки динами­ческого воздействия транспортных средств с учетом ровности дорожного по­крытия. Расчет динамических нагрузок при движении автомобиля по покры­тию, имеющему неровности, выполняется на основе модели взаимодействия «автомобиль - дорожное покрытие». Входными параметрами являются харак­теристики автомобилей, скорость движения (V_k) и ровность дорожного покры­тия (S_n), выходными параметрами - характеристики динамического воздейст­вия транспортных средств при движении автомобилей по заданному участку автомобильной дороги.

Суммарное воздействие транспортного потока на систему «дорожная кон­струкция - грунт» в различные периоды года рассчитывается с учетом данных интенсивности движения, состава транспортного потока (N_k), характеристик динамического воздействия транспортных средств. При оценке динамического воздействия транспортного потока необходимо учитывать "пространственную повторяемость" динамических нагрузок от движущихся по участку автомо­бильной дороги транспортных средств и ее влияние на накопление усталостных повреждений дорожного покрытия.

На основе расчетных данных, полученных при моделировании динамического напряженно-деформированного состояния дорожной конструкции, выполняется рас­чет доли усталостных разрушений асфальтобетонных покрытий, накопленных за пе­риод эксплуатации, и расчет остаточного ресурса асфальтобетонных покрытий по критерию усталостного разрушения.

Большой вклад в развитие теории расчета нежестких дорожных одежд вне­сли О.Я.Шехтер, М.Б.Корсунский, Д.Бурмистр, Б.И.Коган, Н.Н. Иванов, Б.С.Радовский, А.В. Смирнов, Б.Б. Телтаев, С.К. Илиополов и др.

Для расчета характеристик динамического НДС дорожных конструкций, учитывая кратковременность реальных процессов деформирования, в качестве определяющих соотношений в данной работе использованы уравнения динами­ческой теории упругости с учетом вязкости. Предложены два подхода к моде­лированию системы. Один основан на точном учете скорости движения транс­портных средств и реального строения элементов дорожной конструкции, второй основан на использовании МКЭ - моделирования, как для трехмерной по­становки задачи, так и для разработки и реализации упрощенных моделей ре­шения частных задач.

Модель дорожной конструкции включает пакет слоев ограниченной шири­ны (покрытие и основание), грунт земляного полотна и подстилающий грунто­вый массив (слоистое полупространство). Дорожные конструкции относятся к сложным многопараметричным динамическим системам. Часть параметров системы слабо изменяется в процессе эксплуатации (геометрические размеры: толщина - hj , ширина - Bj ; механические параметры элементов системы: плот­ность - pj , коэффициент Пуассона - Vj ), другие (динамический модуль упруго­сти элементов системы - Ej ) достаточно сильно изменяются не только в про­цессе эксплуатации, но и в сезонные периоды. Изменение напряженно­деформированного состояния дорожной конструкции обусловлено эксплуата­ционным состоянием ее элементов, количественными и качественными харак­теристиками транспортной нагрузки.

где E(rn)- динамический модуль упругости, v - коэффициент Пуассона.

Требуемый большой объем расчетов характеристик напряженно­деформированного состояния дорожных конструкций, выполняемых в ходе прогнозирования накопления усталостных повреждений, определил необходи­мость разработки упрощенных моделей, позволяющих с приемлемой для прак­тический целей точностью и в реальном масштабе времени получать числен­ный результат.

Наличие хорошо отработанных алгоритмов и программных средств, осно­ванных на использовании МКЭ, определяет его эффективность при разработке механико-математических моделей исследуемой системы. Рассмотрены три ти­па МКЭ моделей:

• плоская модель (отражает строение поперечного или продольного сече­ния системы);

• симметричная модель (используется при моделировании неподвижной нагрузки и учитывает оси симметрии системы);

• пространственная модель (практическая реализация последней требует достаточно больших ресурсов используемой вычислительной техники).

В качестве примера приведена структура представительского объема, его разбиения на конечные элементы и демпфирующие пояса пространственной МКЭ модели (рисунок 2).

Рисунок 2 - Структура пространственной модели с разбиением

на конечные элементы

Важным фактором получения корректного результата при моделировании НДС системы является задание нагрузок, максимально точно описывающих динамическое воздействие. При исследовании напряженно-деформированного состояния дорожных конструкций проезд автомобиля моделируется в виде не­стационарно изменяющего во времени воздействия, приложенного на поверх­ность дорожной конструкции в месте контакта колеса каждой оси автомобиля, длительность которого определена в соответствие со скоростью движения. Для уточнения длительности импульса нагружения асфальтобетонного покрытия проведен сопоставительный анализ характеристик деформирования дорожных конструкций, полученных в ходе экспериментальных замеров на стационарных пунктах наблюдения и при расчете по модели. Установлена длительность им­пульса нагружения от проезда оси грузового автомобиля, движущегося со ско­ростью 40 - 160 км/ч (от 130 мсек до 30 мсек).

Особое внимание при моделировании динамического напряженно­деформированного состояния дорожных конструкций уделено корректному на­значению динамических модулей упругости асфальтобетона. Учитывая, что динамический модуль упругости асфальтобетона является функцией темпера­туры и скорости нагружения, использован принцип температурно-временной аналогии, возможность применения которого к асфальтобетону доказана рядом исследователей (В .А. Золотаревым, Л.С. Губач, В.В.Мозговым и др.).

.158Е-03 Y

123Е-03 867Е-04 -. 509Е-04 -.151Е-04

. 140Е-03 -. 105Е-03 -.668Е-04 -.33QE-04 .279Е-05

Разработанная модель позволяет провести расчет амплитудно-временных и амплитудно-частотных характеристик перемещений, скоростей и ускорений для любой точки системы, а также всех компонент напряжений (рис. 3, 4).

Ь

Рисунок 3 - Диаграммы вертикальных перемещений в поперечном сечении дорожной конструкции в различные периоды времени при проходе оси автомобиля (скорость движения 80 км/ч)

Рисунок 4 - Диаграммы напряжений о_х в поперечном сечении дорожной конструкции в различные периоды времени при проходе оси автомобиля (скорость движения 80 км/ч)

В ходе численного эксперимента исследованы особенности деформирова­ния нежестких дорожных конструкций с различной толщиной конструктивных слоев: тип 1 - дорожная конструкция усиленной прочности (с толщиной ас­фальтобетонных слоев более 18 см), тип 2 - дорожная конструкция «средней» прочности (с толщиной асфальтобетонных слоев 12-18 см), тип 3 - дорожная конструкция «низкой» прочности (с толщиной асфальтобетонных слоев менее 12 см). Полученные в ходе расчетов чаши максимальных динамических проги­бов поверхности и горизонтальных сечений дорожной конструкции (рисунок 5) позволили оценить вклад деформирования конструктивных элементов в пол­ную деформацию поверхности конструкции.

Выявлены основные физические закономерности совместного деформи­рования слоев дорожной конструкции:

• общий прогиб поверхности дорожной конструкции u_z складывается из суммы вертикально ориентированной деформации ее слоев u_zj

• каждый конструктивный слой под действием нагрузки имеет изгибную

uX⁾ и толщинную деформации uX

- при малой толщине асфальтобетонного слоя его толщинная деформация мала по сравнению с изгибной U⁾ >> и*>;

- с увеличением толщины слоя асфальтобетона его изгибная жесткость возрастает, что приводит к снижению доли изгибного деформирования в общей величине прогиба поверхности дорожной конструкции.

Расстояние, м

Рисунок 5 - Чаша максимальных динамических прогибов дорожной конструкции по горизонтальным сечениям для конструкции №1 при действии нагрузки от колеса автомобиля

1. - на границе основание-грунт земляного полотна;

2. - на границе покрытие-основание;

3. - на поверхности покрытия;

В дорожной конструкции «низкой» прочности (Конструкция №3) грунт земляного полотна вносит значительный вклад в общий прогиб поверхности - более 50%. В асфальтобетонном покрытии доля толщинных деформаций мала (4% от общей величины прогиба поверхности дорожной конструкции), при этом величина изгибной деформации в 2 - 2,5 раза выше, чем в более прочных конструкциях, что обуславливает возникновение значительных растягивающих напряжений на нижней грани покрытия. С увеличением капитальности дорож­ной конструкции и толщины асфальтобетонного покрытия доля деформаций в грунте земляного полотна снижается (до 30 %), при этом существенно возрас­тает доля толщинных деформаций в дорожном покрытии.

Получены зависимости растягивающих напряжений вдоль нижней грани­цы асфальтобетонного покрытия от модуля упругости асфальтобетона и его толщины. Анализ зависимостей показывает, что увеличение толщины покрытия от 10 см до 20 см в 2,3 - 2,6 раза снижает величину растягивающих напряже­ний. Дальнейшее увеличение толщины асфальтобетонного покрытия от 20 см до 30 см оказывает значительно меньшее влияние на величину растягивающих напряжений, при этом увеличивается доля толщинных деформаций. Таким об­разом, в современных условиях интенсивного движения для повышения уста­лостной долговечности асфальтобетонных покрытий на автомобильных доро­гах I - III категории минимальная рекомендуемая толщина асфальтобетонных слоев составляет 20 - 25 см.

Выполнен анализ влияния сезонности климатических факторов на макси­мальные растягивающие напряжения в асфальтобетонном покрытии (рисунок 6). Учитывая, что величина максимальных растягивающих напряжений меняет­ся в течение года, для получения объективной информации об усталостной дол­говечности асфальтобетонных покрытий расчет накопления усталостных по­вреждений следует проводить в течение всего периода эксплуатации (а не толь­ко в расчетный период) с учетом сезонных изменений климатических условий.

расстояние, м

Рисунок 6 - Эпюры напряжений вдоль нижней границы покрытия в различные периоды года (II дорожно-климатическая зона)

1 - зима, 2 - весна, 3 - осень, 4 - лето

Максимальные растягивающие напряжения вдоль нижней границы покры­тия наблюдаются под нагрузкой. Следует отметить быстрое затухание растяги­вающих напряжений на удалении от места приложения нагрузки. На расстоя­нии 0,25 м от центра приложения нагрузки растягивающие напряжения перехо­дят в сжимающие. При этом величина растягивающих напряжений вдоль ниж­ней границы покрытия существенно больше (в 10 - 15 раз) растягивающих на­пряжений вблизи поверхности покрытия. В дальнейшем в работе при расчете усталостного разрушения асфальтобетонных покрытий будут учитываться мак­симальные растягивающие напряжения вдоль нижней границы покрытия, обу­славливающие восходящее трещинообразование в асфальтобетонных покрыти­ях.

При оценке воздействия многоосных транспортных средств используется принцип суперпозиции. В ходе расчетов получают эпюру вертикальных пере­мещений на поверхности дорожной конструкции при проезде транспортного средства с близкорасположенными осями (менее 2,5 м) (рис. 7).

Результаты многолетних экспериментальных наблюдений на стационар­ных пунктах автомобильных дорог, оборудованных современной измеритель­ной аппаратурой для исследования динамического НДС дорожных конструк­ций, подтверждают адекватность разработанных моделей и выявленных в ходе численного эксперимента закономерностей деформирования нежестких дорож­ных конструкций.

Исследование влияния механических параметров элементов дорожной конструкции, меняющихся в процессе эксплуатации, на величину максималь­ных растягивающих напряжений показало значительный рост растягивающих напряжений вдоль нижней границы покрытия при снижении модуля упругости основания. Увеличение модуля упругости асфальтобетона вследствие старения вяжущего, что достаточно часто наблюдается на участках эксплуатируемых ав­томобильных дорог, приводит к еще большему повышению величины растяги­вающих напряжений (в 1,9 - 2,2 раза). Таким образом, при расчете доли накоп­ленных усталостных повреждений асфальтобетонных покрытий на текущем этапе эксплуатации особое внимание следует уделять достоверности назначе­ния механических параметров (в частности, динамических модулей упругости) элементов дорожных конструкций их реальному состоянию.