2308

8. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ МЕХАНИКА ДОРОЖНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

8.1. Допустимые (обратимые) прогибы дорожных конструкций

Статическая прочность какого-либо монолитного материала, применяемого в дорожных конструкциях (асфальтобетон, цементобетон), – это способность сохранять форму образца до разрушения, выражаемая в удельных единицах силы (Па, мПа, кгс/см2), которую можно считать несущей способностью образца. Слоистая дорожная конструкция, представляющая собой комбинации из различных материалов (монолитных, дискретных и грунтов) практически является композитной. Характеризовать ее способность сохранять форму до разрушения одним числом, т.е. несущей способностью, измеряемой в удельных или абсолютных единицах силы (кН, мПа), не представляется сегодня необходимым, так как современные колесные нагрузки от автотранспортных средств на порядок меньше несущей способности. Из экспериментов военных инженеров-дорожников (Л. Горецкий, 1947 г.) по испытанию цементобетонных покрытий аэродромов известна несущая способность цементобетонных покрытий на песчаных и грунтовых основаниях в 42, 34 и 56 т (или 4200, 3400 и 5600 кН). Опыт эксплуатации дорожных конструкций показал связь несущей способности с текущей деформативной характеристикой – статическим восстанавливающимся (или обратимым) прогибом после разгрузки конструкции от нагрузки, меньшей в несколько раз, чем разрушающая.

Большой несущей способности соответствовал малый и быстро обратимый прогиб, хорошее состояние покрытий по ровности и трещинообразованию, долгий срок службы, а малой – большое значение прогиба, длительное его восстановление и быстрое разрушение. Это явление впервые отмечено в работах основоположника отечественной теории прочности дорожных конструкций проф. Н.Н. Иванова и выражалось в целой серии нормативных документов, применяемых в России в прошлом веке (Инст-

рукции ВСН 46-60-1960 г., ВСН 46-72-1973 г., ВСН 46-83-1983 г. и ОДН 218.046-01).

В 80-х годах прошлого века его ученик и продолжатель Ю.М. Яковлев (МАДИ-ТУ, Россия), Чин-Ичиро-Асай (Япония), фирма «Phonix» в Дании устанавливают связь между состоянием покрытий дорог и динамическим обратимым прогибом. Последний возникает при ударном (кратковременном) воздействии колесной нагрузки на слоистую среду, что существенно точнее имитирует реальное воздействие подвижных нагрузок на дорожные конструкции автомагистралей. Таким образом, динамическая прочность дорожной конструкции – это способность сохранять ровность и трещиностойкость, характеризуемая деформативным показателем – дина-

(здесь q – удельное динамическое давление от подвижной колесной нагрузки; D – диаметр кругового следа колеса, равный по площади динамическому следу расчетного колеса на покрытии; идин – обратимый прогиб дорожной конструкции после разгрузки).

Вышеприведенное выражение – это закон Гука, в котором вместо глубины зоны активного деформирования используется D как постоянная величина. Определение требований к динамической прочности дорожных конструкций произведено в форме минимальных динамических модулей упругости или значений допускаемых динамических обратимых прогибов

на покрытиях дорог на основе опыта их эксплуатации в ряде стран мира. При этом установлена зависимость статического обратимого прогиба покрытий от числа пропущенных автомобилей, соотношение динамического и статического обратимых прогибов для различных конструкций. Наиболее полно соотношение обратимых прогибов дорожных конструкций «нежесткого» типа определила опытным путем фирма «Phonix» (Дания) (рис. 8.1). По ее данным, отношение динамического и статического прогибов в одной конструкции с асфальтобетонным покрытием составляет для дорог I категории – 1:2,36; II категории – 1:1,61 и III категории – 1:1,35. Подобные данные получил Ю.М.Яковлев в России.

Рис. 8.1. Распределение динамического I и статического II модулей упругости дорожных конструкций по длине опытных участков с различными толщинами покрытий (данные фирмы "Phonix"): 1 – битумогравийное покрытие; 2 – минеральный бетон; 3 – морозоустойчивый гравий. Пунктирные линии – средние значения

Крупные испытания дорожных конструкций жесткого и нежесткого типов на пропуск по ним большего количества грузовых автомобилей с одновременным определением статических прогибов и оценкой состояния покрытий провела Американская ассоциация (AASНO) (рис. 8.2, 8.3).

Рис. 8.2. Корреляционная связь между упругим прогибом конструкций и общим числом пропущенных автомобилей с нагрузкой на колесо 5 т (по данным ААSНО): 1 – для нежестких дорожных конструкций; 2 – для жестких дорожных конструкций

Рис. 8.3. Значение требуемого модуля упругости жесткой дорожной конструкции, гарантирующее отсутствие массовых разрушений до пропуска N числа осевых автомобильных нагрузок (по данным AASHO). Цифры на кривых – величина осевой нагрузки в тс

Обобщение результатов испытаний дорожных конструкций нежесткого типа для дорог всех категорий с переходными, усовершенствованными и капитальными типами покрытий, выполненных в Венгрии, Польше,

СССР, Западно-Европейской ассоциации сотрудников дорожных организаций (WASHO) и Американской ассоциации сотрудников дорожных организаций (AASHO), приведено на рис. 8.4. Из него следует также устойчивая корреляционная связь статического прогиба конструкции с динамическим прогибом и логарифмом числа автомобилей, пропущенных дорогой до разрушения. Эти данные, а также результаты экспериментов, проведенных в СибАДИ, Омским филиале Союздорнии позволяют с надежностью 0,92–0,95 нормировать динамическую прочность дорожных конструкций (табл. 8.1).

Рис. 8.4. Зависимость требуемых динамического и статического модулей упругости нежестких конструкций от суточного и общего числа автомобилей Н-13: I – усовершенствованные капитальные покрытия; II – усовершенствованные облегченные покрытия; III – переходные покрытия. 1, 2 – Венгрия; 3 – Польша;

5, 6 – СССР; 4 – WASHO; 7 – AASHO

Общие требования к динамической прочности дорожных конструкций приведены в табл. 8.1.

8.2. Обратимые деформации и скорости колебаний дорожных конструкций при действии подвижных колесных нагрузок

Установить количественно причину разрушения дорожных конструкций через напряжения чрезвычайно трудно. Поэтому в экспериментах механики твердого тела чаще пользуются датчиками деформаций, предполагая, что их показания отражают адекватно развитие напряженного состояния. Цель экспериментов по испытанию дорожных конструкций – подтвердить или отвергнуть теоретические модели развития напряженнодеформированного состояния. Ниже приводятся результаты некоторых экспериментов СибАДИ, Союздорнии (Омского филиала) и др.

Эксперименты обычно проводятся на действующих дорогах или испытательных стендах и полигонах. При этом датчики деформаций, их скоростей и ускорений размещаются в дорожной конструкции.

В одном из экспериментов в покрытии были взяты пробы асфальтового бетона, показавшие R20 = 6,04 МПа. Динамический модуль упругости асфальтобетона определен резонансным методом и при t = +20 °С составил Е = 8300,0 МПа. Измерение прогибов производили при температуре покрытия +(15–20) °С и воздействии грузовика с нагрузкой передней и задней осей 34 и 82 кН соответственно.

Запись показаний аппаратуры производили по три раза при скоростях движения автомобиля 5,5; 11,5; 30 и 37,9 км/ч. Несмотря на малую погрешность аппаратуры (±3 %), при расшифровке обнаружено увеличение разброса показаний при повышении скорости движения автомобиля. Это возникло в связи с уменьшением вероятности точного наезда на датчик передних и задних колес автомобиля по мере увеличения скорости движения.

Результаты определения динамических прогибов дорожной одежды приведены на рис. 8.5 и 8.6, а. Из них следует, что прогибы нежесткой дорожной одежды закономерно уменьшаются с ростом скорости движения автомобиля, так как сокращаются время действия нагрузки и время, потребное для полной реализации деформаций. Однако при скоростях 25– 40 км/ч возможна регистрация повышенных и уменьшенных прогибов (пунктирные линии, см. рис. 8.5) вследствие наступления резонанса колебаний в автомобиле при соответственном увеличении или уменьшении давлений от колеса в очень короткое время.

Рис. 8.5. Изменение упругого прогиба нежесткой дорожной одежды с ростом скорости движения автомобиля: 1 – для нагрузки на колесо 41 кН; 2 – для нагрузки на колесо 17 кН

Общее уменьшение прогибов отмечено впервые В. Ф. Бабковым, а затем в работах Союздорнии. Ранее изменения степени кривизны покрытия с увеличением скорости не регистрировались. На рис. 8.6, а приведена кривая прогибов одежды при статическом действии нагрузки, полученная из теоретического решения О. Я. Шехтер (пунктирная линия).

Кривизна статических кривых прогибов меньше, чем динамических. Это признак большей напряженности покрытий при подвижной нагрузке, несмотря на уменьшение прогибов. Он имеет наибольшее отношение к участкам кривой прогибов, соответствующих нагружению дорожной одежды. Участки кривой прогибов, соответствующие разгрузке одежды, почти совпадают по степени кривизны со статической (теоретической) кривой прогибов. Таким образом, наиболее опасной стадией работы покрытия при проезде колеса автомобиля на скоростях до 40 км/ч является нагружение.

Рис. 8.6. Формы динамических кривых упругих прогибов покрытия (а) и скоростей деформации поверхности покрытия (б): 1, 2, 3, 4 – для скоростей движения автомобиля соответственно 37,9; 30,0; 11,1 и 5,5 км/ч. Общий статический модуль упругости конструкции 280 МПа

Этот вывод следует и из рассмотрения рис. 8.7, на котором скорость нагружения конструкции больше скорости разгрузки.

Асимметрия динамических кривых прогибов в меньшей степени проявляется при проезде более тяжелых ведущих колес из-за действия на поверхность покрытия касательных усилий. Время нагружения и разгружения дорожной одежды убывает с ростом скорости движения автомобиля, а время восстановления прогиба одежды в два-три раза больше времени нагружения за счет отставания деформации от напряжений.

дорожной конструкции с увеличением скорости движения автомобиля: 1 – для нагрузки на колесо 41 кН; 2 – для нагрузки на колесо 17 кН

Наименьшие радиусы кривизны покрытия в месте контакта с колесом получены расчетом по кривым прогибов и составляют 20, 30, 32 и 100 м для скоростей 10, 20, 30 и 40 км/ч и нагрузке 41 кН на колесо. Как видно, повышение скорости движения автомобиля вызывает снижение напряжений под колесом, но приводит к существенному увеличению изгибающих напряжений перед колесами – ведомым и ведущим (рис. 8.8).

Рис. 8.8. Зависимость радиусов кривизны покрытия под колесом автомобиля от скорости его движения: 1 – для нагрузки на колесо 41 кН; 2 – для нагрузки на колесо 17 кН

Увеличение радиуса кривизны покрытия перед колесом автомобиля свидетельствует о более тяжелом напряженном состоянии покрытия при подвижных нагрузках, несмотря на уменьшение прогиба с ростом скорости движения автомобиля.

Особенностью деформаций дорожных одежд при подвижных автомобильных нагрузках является стабилизация значений прогибов, скоростей прогибов и радиусов кривизны при определенных скоростях движения автомобиля. На графиках рис. 8.5 это происходит в диапазоне 30–40 км/ч. Дальнейшее увеличение скоростей движений автомобилей не приводит к существенному изменению показаний датчиков индуктивного типа. Поэтому волновые процессы, возникающие в дорожных одеждах при высоких скоростях движения автомобилей, регистрировали вибродатчиками сейсмического (маятникового) типа.

В качестве объектов для изучения волн колебаний были выбраны три типа дорожных конструкций, заметно отличающиеся по жесткости и примененные на дорогах II и III технических категорий. Схемы I, II, III типов дорожных конструкций, примененные в экспериментах, приведены на рис. 8.9.

Рис. 8.9. Схемы испытываемых дорожных конструкций: 1 – мелкозернистый асфальтовый бетон; 2 – крупнозернистый асфальтовый бетон; 3 – каменная мостовая; 4 –песок; 5 – суглинок; 6 – битумоминеральная смесь; 7 – щебеночное основание; 8 – цементобетон М-300 или Btb30; 9 – дресва; 10 – супесь; D1, D2, D3 – места размещения датчиков

Наиболее типичные эпюры скоростей колебании слоев дорожных конструкций приведены на рис. 8.10, б, г. Так как амплитуда записи процесса пропорциональна скорости колебаний, то для получения кривой пе-

ремещений отдельных точек дорожной конструкции производилась трансформация кривых скоростей колебаний (см. рис. 8.10, б, г) в кривые перемещений (см. рис. 8.10, а, в).

Рис. 8.10. Кривые колебаний (а и в) и скоростей колебаний (б и г) дорожных конструкций для двухосного и многоосного автомобилей