2549

Таблица 9.6

Формы вертикальных деформаций (колебаний) дорожных и аэродромных конструкций, их скорости, ускорения и частота у различных транспортных средств

Примечание. * Относится к двухосной колесной опоре воздушного судна.

63

Различные типы транспортных средств вызывают своим нагружением вертикальные деформации дорожных конструкций и соответствующие им ускорения вертикальных колебаний, формы которых являются аналогами изгибающих моментов и напряжений растяжения – сжатия в покрытиях переменных во времени. Количество смен знаков ускорений и их частота при однократном воздействии транспортного средства зависит от числа осей и представлено в табл. 9.6. Из нее следует, что грузовой транспорт на дорогах возбуждает при движении динамическое напряженнодеформированное состояние с частотой 21-43 воздействий в минуту от одного проезда, а воздушного судна на ВПП аэродромов до 240 воздействий в минуту от одной посадки. Эти возбуждения возникают в покрытиях дорог I, II и III категорий с частостью соответственно 42, 21 и 7 раз в час, а на покрытиях ВПП аэродромов – 4 раза в час (табл. 9.7). Общее число возбуждений динамического напряженнодеформированного состояния составляет для дорог I, II и III категорий за 30 лет эксплуатации соответственно 54, 27 и 9 млн, за 10 лет 27, 135 и 45 млн раз; на ВПП аэродромов до 0,54 млн раз.

Таблица 9.7

Интенсивность, объем и частота воздействий транспортных потоков на дороги и ВПП аэродромов

Территория Российской Федерации расположена в восточной части северного полушария и на ней действует климат пяти климатических районов – очень холодный, холодный, умеренно холодный, умеренный и умеренно влажный. Эти районы включают четыре дорожно-климатические зоны (ДКЗ). В I ДКЗ господствует очень холодный и холодный климат, во II и III ДКЗ – умеренно холодный и умеренный; в IV ДКЗ – умеренно влажный. Основные параметры климатических районов приведены в табл. 9.8.

Таблица 9.8

Параметры климатических районов Российской Федерации

Окончание табл. 9.8

Примечание. Табл. 9.8 содержит выдержки из ГОСТа «Климат СССР».

Из табл. 9.8 следует, что дорожные и аэродромные конструкции на территории России от 34 до 76 % времени в году находятся в мерзлом состоянии. При этом они испытывают температурные напряжения, связанные с охлаждением.

Темп снижения несущей способности дорожной конструкции во времени в значительной степени зависит от интенсивности развития в ней усталостных процессов. Они проявляются под действием напряжений, вызванных транспортными нагрузками и изменением температур. Интенсивность развития усталостных процессов определяется режимами динамического напряженного состояния конструкций. Под ними понимают изменение транспортных и температурных напряжений и их соотношения во времени, а также изменение частоты нагружений конструкций.

Режимы напряженного состояния играют важную роль в вопросах назначения методик усталостных испытаний дорожно- строи-тельных материалов и конструкций. Но построение единой теории динамических режимов нагружения дорожных конструкций осложнено многообразием зависимостей и математическими трудностями. Поэтому здесь будут рассматриваться режимы динамического напряженного состояния на частных примерах работы типичныхконструкций.

Несмотря на теоретическую неопределенность в целом режимов нагружения конструкций, некоторые вопросы уже решены с тем или иным приближением. В частности, учету повторности воздействия нагрузок посвящены работы МАДИ, учету совместного воздействия

66

транспортных и температурных напряжений на конструкции – методика СоюздорНИИ, а также диссертация В.К. Апестина и работа Ейзеймана в ФРГ.

Наибольшего внимания заслуживает методика учета совместных напряжений, разработанная канд. техн. наук В.А. Черниговым и другими сотрудниками в СоюздорНИИ [7]. При расчете температурных напряжений по этой методике учтем еще изменения деформативных свойств грунтовых оснований дорожных конструкций, связанные с их переменным увлажнением.

Рассмотрим для примера работу в течение года дорожной конструкции с асфальтобетонным покрытием в условиях климата Омской области. Важнейшими факторами для определения общей несущей способности конструкции служат температура покрытия и влагосодержание в грунте земляного полотна. Обычно относительная влажность грунта W/Wt колеблется от 0,4 до 0,9, что приводит к соответствующим колебаниям динамического модуля упругости грунта от 180 до 50 МПа ([25, рис.8], изменение влагосодержания и модуля грунтов обозначено кривыми W/Wt и Еcp0 ). При этом связь между модулем динамической упругости и относительной влажностью в грунтах W/Wt установлена по опытам А.М. Шака (рис. 9.8).

Как следует из многочисленных опытов, промерзание суглинистого грунта земляного полотна в зимний период приводит к значительному увеличению его модуля упругости (до 500 МПа). Это одна из причин уменьшения прогибов и напряжений от транспорта (кривые U, σr) в зимний период (см. рис. 9.8).

Второй причиной, приводящей к изменению общих динамических прогибов и напряжений, является изменение модуля динамической упругости асфальтобетонного покрытия при различных температурах

(кривые E1cp, Tср). Эти величины находятся в четкой корреляционной

связи.

Отклонение температур покрытия от средних (пунктирные линии) приводит к соответственному колебанию значения модуля упругости. В теплый период значение динамического модуля упругости наименьшее (1–2 тыс. МПа), в холодный же период модуль может достигать 25000 МПа и асфальтобетон становится хрупким.

Если в теплое время суточные колебания температур не опасны с точки зрения сплошности покрытия, так как возникающие напряжения релаксируются вследствие ползучести, то в холодное

67

время релаксационная способность асфальтового бетона снижена, что вызывает температурные напряжения (см. рис. 9.8, кривые 1 и 2 для толщин покрытий 10 и 20 см). При температурных напряжениях, которые превзойдут предел прочности на растяжение, возникает поперечная трещина и температурные напряжения растяжения существенно снижаются (см. рис. 9.8, кривая 3).

68

Рис. 9.8. Изменение динамического напряженного состояния дорожной конструкции с асфальтобетонным покрытием в течение года

69

Методика расчета температурных напряжений и их повторяемости подробно дана в рекомендациях СоюздорНИИ [7].

Здесь мы только отметим, что в результате сложения напряжений изгиба от транспорта σr с температурными σt покрытие испытывает сложный динамический режим нагружения в течение года (кривая σt + σr). Ему присущ импульсный характер с частотой f = 1/t1, продолжительностью t0 в летнее время и в основном постоянный характер – в зимний период.

Если величина напряжений при изгибе от расчетного транспорта в летний период достигает для покрытия толщиной 20 см ≈ 1,1 МПа при скорости грузовика до 60 км/ч, то зимой – лишь 0,2 МПа, хотя температурные напряжения возрастают до 2,4 МПа. Следует также отметить, что в летний период напряжения при изгибе разнозначны, но и равны по величине; осенью и весной – равнозначны и не равны (коэффициент асимметрии ρ = 0,8). Зимой напряжения однозначны, но не равны (ρ = 0,9). В летний, осенний и весенний периоды коэффициент прочности по растягивающим напряжениям равен 0,7-0,85, а зимой достигает 1,0, так как появляются трещины. Импульсный режим нагружения покрытий дорожных конструкций не постоянен в течение суток (рис. 9.9).

Например, при колебании за это время температур покрытия от +10 до +30 С модуль упругости асфальтобетонного покрытия меняется от 600 до 2500 МПа. Это вызывает колебания напряжений в покрытии от 0,8 до 1,2 МПа при проезде одного и того же автомобиля, а также изменение динамических прогибов от 0,3 до 0,1 мм. Допускаемые напряжения на растяжение при изгибе |σ| зависят от температуры покрытия, но коэффициент прочности по растягивающим напряжениям К = σr/|σ| может остаться постоянным в течение суток, если равно будут изменяться температурные напряжения.

Несколько отличающийся режим динамического напряженного состояния имеют цементобетонные покрытия и основания. Незначительность в них релаксации температурных напряжений приводит к соответствующему их изменению вслед за изменением температуры.

Частота смены температурных напряжений и их вероятность определяются по методике СоюздорНИИ. Частота возникновения

70

динамических напряжений от автомобилей в течение суток и ряда лет дана на рис. 9.10 и 9.11.

Тсут, С Е1, МПа 102

Часы

Рис. 9.9. Изменение динамического режима нагружения дорожной конструкции

с асфальтобетонным покрытием в летний период

Часы

Рис. 9.10. Изменение частоты воздействия f автомобилей на покрытие

71