Методическое пособие 369

На правах рукописи

МИРОНЧУК СЕРГЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ

ПОКРЫТИЙ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ К НАКОПЛЕНИЮ ОСТАТОЧНЫХ

ДЕФОРМАЦИЙ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ ДИНАМИЧЕСКИХ НАГРУЗОК

Специальность 05.23.11 «Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Воронеж - 2015

2

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ростовский государственный строительный университет».

Попов Александр Николаевич

кандидат технических наук, доцент, Военный учебно-научный центр Военно-

воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина», кафедра инженерно-аэродромного обеспечения, начальник кафедры

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный ар- хитектурно-строительный университет»

Защита состоится 26 марта 2015 г. в 1300 часов на заседании диссертационного совета Д 212.033.02 при Воронежском государственном архитектурностроительном университете по адресу: 394006, г. Воронеж, ул. 20-летия Ок-

тября, 84, ауд. 3220; тел./факс +7(473)271-53-21.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского государственного архитектурно-строительного университета и на сайте:

3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертационной работы. В результате постоянно растущей интенсивности движения и увеличения в составе потока грузовых автомобилей и скоростей их движения, а также воздействия природноклиматических факторов, асфальтобетонные покрытия теряют продольную и поперечную ровность. Под воздействием многократно повторяющихся нагрузок уже на ранней стадии эксплуатации автомобильных дорог, практически во всех слоях дорожных одежд наблюдается накопление необратимых (остаточных) деформаций. Постепенное накопление пластических деформаций в элементах дорожных конструкций приводит к нарушению ровности поверхности дороги, что в свою очередь способствует значительному росту динамических нагрузок от движущихся автомобилей.

Асфальтобетон является наиболее распространенным материалом для строительства покрытий нежестких дорожных одежд. Он подвержен максимальному воздействию нагрузок от транспортных средств, вследствие чего немалая доля остаточных деформаций накапливается именно в верхних слоях асфальтобетонных покрытий, поэтому изучению его свойств и закономерностей деформирования необходимо уделять особое внимание.

На данный момент существующие в нормативных документах методы определения сдвигоустойчивости не позволяют с достаточной точностью прогнозировать поведение материала в конструкции по полученным показателям, так как не учитываются многие немаловажные факторы и эксплуатационные составляющие. Учет динамических процессов осуществляется с помощью эмпирических коэффициентов, которые не в полной мере описывают данный параметр, тем самым, снижают точность расчетных формул при получении конечных результатов.

Развитие неровностей при эксплуатации дороги приводит к увеличению динамических воздействий от движущихся транспортных средств. При появлении сравнительно малых неровностей может в несколько раз, по сравнению со статическим, увеличиться давление на покрытие, особенно при высоких скоростях движения.

В связи с вышеизложенным, исследования, направленные на повышение устойчивости асфальтобетонных слоев покрытий и оснований дорожных одежд к накоплению остаточных деформаций остаются весьма актуальными как в России, так и за рубежом.

Целью диссертационной работы является разработка метода определения устойчивости асфальтобетонных покрытий и оснований дорожных одежд к накоплению остаточных деформаций под воздействием расчетных динамических нагрузок и температур с разработкой приборного обеспечения.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие за-

дачи:

- теоретически обосновать возможность и преимущества проведения экспериментальных исследований асфальтобетонов различных типов под воздействием расчетных динамических нагрузок и температур;

4

-разработать физико-математическую модель определения параметров и условий проведения экспериментальных исследований асфальтобетонов под воздействием реальных динамических нагрузок и температур;

-разработать лабораторное оборудование для определения остаточных деформаций в асфальтобетонах под воздействием динамических нагрузок и температур;

-разработать методику проведения испытаний асфальтобетонов на накопление остаточных деформаций под воздействием динамических нагрузок;

-провести экспериментальные исследования различных типов асфальтобетонов и установить зависимости скорости накопления остаточных деформаций от заданных свойств и действующих факторов;

-провести анализ взаимосвязи структурных свойств и физикомеханических характеристик, предусмотренных нормативными документами, с деформацией материала от расчетной динамической нагрузки;

-на основании сопоставления результатов накопления остаточных деформаций в реальных условиях эксплуатации с результатами испытаний по разработанной методике, установить предельно-допустимые значения накопления остаточных деформаций в слоях покрытий и оснований дорожных одежд из асфальтобетона.

Объектом исследования являются слои покрытий и оснований дорожных одежд из асфальтобетонов.

Предметом исследований является повышение устойчивости асфальтобетонов покрытий и оснований дорожных одежд к накоплению остаточных деформаций.

Научная новизна заключается в следующем:

-разработана физико-математическая модель определения параметров нагружения и температурных условий проведения экспериментальных исследований асфальтобетонов под воздействием реальных динамических нагрузок и температур;

-разработан и реализован прибор динамических испытаний (ПДИ). Патент № 111293 МПК G01N 3/36, получено свидетельство об утверждении типа средств измерений № 54987-13;

-разработана методика проведения испытаний асфальтобетонов на накопление остаточных деформаций под воздействием расчетных динамических нагрузок с обоснованием необходимого количества приложений нагрузки, геометрических параметров образца, бокового обжатия материала и температуры испытания;

-проведены экспериментальные исследования различных типов асфальтобетонов и установлены зависимости скорости накопления остаточных деформаций от числа приложений расчетной нагрузки при варьировании гранулометрического состава и применения модифицирующих добавок;

-разработано устройство для мониторинга накопления остаточных деформаций и температурного режима в элементах дорожных конструкций, патент № 121585 МПК G01N 3/36;

5

-установлены предельно-допустимые значения накопления остаточных деформаций в слоях покрытий и оснований дорожных одежд из асфальтобетона при испытаниях под воздействием динамических нагрузок и температур.

Научная значимость заключается:

-в теоретическом обосновании возможности и преимуществ проведения экспериментальных исследований асфальтобетонов под воздействием расчетных динамических нагрузок и температур;

-в разработке физико-математической модели определения расчетных параметров и условий проведения экспериментальных исследований асфальтобетонов под воздействием реальных динамических нагрузок и температур;

-в определении закономерностей скорости накопления остаточных деформаций в асфальтобетонах различных типов под воздействием динамических нагрузок от заданных свойств и действующих факторов.

Практическая значимость заключается:

-в разработке метода определения устойчивости асфальтобетонов к накоплению остаточных деформаций с определением их предельнодопустимых значений при испытании на разработанном приборе, согласно методике с обоснованными условиями эксперимента, приближенными к эксплуатационным;

-в разработке прибора динамических испытаний (ПДИ). Патент № 111293 МПК G01N 3/36. Свидетельство об утверждении типа средств измерений № 54987-13.

На защиту выносятся:

-модель определения расчетных параметров и условий проведения экспериментальных исследований асфальтобетонов под воздействием реальных динамических нагрузок и температур;

-методика определения устойчивости асфальтобетонов к накоплению остаточных деформаций под воздействием динамических нагрузок;

-результаты экспериментальных исследований скорости накопления остаточных деформаций в асфальтобетонах различных типов под воздействием динамических нагрузок от заданных свойств и действующих факторов;

-взаимосвязь стандартных физико-механических характеристик асфальтобетонов различных типов с параметрами, характеризующими устойчивость к накоплению остаточных деформаций;

-результаты мониторинга динамики развития и накопления остаточных деформаций в элементах дорожных конструкций при помощи разработанных измерительных зондов на экспериментальных участках федеральных автомобильных дорог;

-требования к предельно-допустимым значениям остаточных деформаций в асфальтобетонах различных типов при испытании под воздействием динамических нагрузок.

Достоверность полученных данных подтверждена сходимостью результатов параллельных испытаний, использованием современных высокоточных приборов и вспомогательного оборудования, проведением метрологических

6

испытаний разработанного оборудования, сопоставимостью результатов лабораторных и опытно-экспериментальных работ.

Реализация результатов работы. Результаты исследований использовались при выполнении научно-исследовательских работ по темам НИОКР Государственной компании «Автодор» «Разработка методики и нового лабораторного оборудования для оценки устойчивости дорожно-строительных материалов на накопление остаточных деформаций под воздействием динамических нагрузок», «Исследование дорожно-строительных материалов на устойчивость к колееобразованию с установлением предельно допустимых значений остаточных деформаций в элементах дорожных конструкций в реальных условиях их эксплуатации на установке динамического нагружения», а также в учебном процессе при проведении лекционных занятий по дисциплине «Современные методы прогнозирования накопления деформаций в элементах дорожных конструкций» по направлению 270800.68 «Строительство».

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы обсуждались и были опубликованы в материалах ежегодных научно-практических конференций Ростовского государственного строительного университета (Строительство 2008–2013 гг.), Втором Всероссийском дорожном конгрессе Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета 2010г, Международной научно-практической конференции Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета 2014г, в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях и на научных семинарах кафедры «Автомобильные дороги» РГСУ.

Публикации. Соискатель имеет 14 научных работ, из них по теме диссертации опубликовано 13 научных работ общим объёмом 47 с. Личный вклад автора составляет 25 с.

Три статьи опубликованы в изданиях, включенных в перечень ВАК: «Наука и техника в дорожной отрасли», «Новые технологии» и «Дороги и мосты».

В статьях, опубликованных в изданиях, рекомендованных ВАК, изложены основные результаты диссертации: в статье [1] представлена методика испытания асфальтобетонов и прибор динамических испытаний, в работе [2] приведены результаты экспериментальных испытаний асфальтобетонов на приборе ПДИ, в работе [3] приведены результаты мониторинга накопления остаточных деформаций в слоях дорожных одежд на наблюдательных станциях.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка литературы из 125 наименований, 4 приложений. Работа изложена на 188 страницах машинописного текста, содержит 56 таблиц и 139 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы, поставлена цель и сформу-

лированы задачи исследования, показаны научная новизна и практическая значимость диссертационной работы.

7

В первой главе диссертации отмечается большой вклад в разработку методик испытания асфальтобетона на сдвигоустойчивость и исследованию его реологических характеристик таких авторов, как А.М. Богуславского, Г.А. Бонченко, А.П. Васильева, Л.Б. Гезенцвей, В.А. Золотарева, В.П. Матуа, Н.Н. Иванова, В.Д. Казарновского, Г.Н. Кирюхина, В.В. Мозгового, Б.С. Радовского, А.В. Руденского, Б.Б. Телтаева и др.

Проведены исследования режимов работы асфальтобетона в слоях покрытий и оснований дорожных одежд с уточнением основных факторов, влияющих на его деформативные и реологические свойства. Сделан вывод, что наиболее схожим по эксплуатационному воздействию является испытание асфальтобетонных образцов под воздействием динамических нагрузок. Изучены существующие методы испытаний асфальтобетонов на сдвигоустойчивость и колееобразование.

Подробно рассмотрены современные методы испытания асфальтобетона колесной нагрузкой на лабораторных стендах, которые не в полной мере отражают реальные условия работы исследуемого материала (малое количество приложений нагрузки, малая площадь отпечатка колеса по сравнению с максимальным размером фракции щебня, несоответствие времени и числа приложения нагрузки реальным условиям эксплуатации дороги и другие). Выявленные недостатки могут вносить неточности при формировании выводов об устойчивости к колееобразованию слоев покрытий из асфальтобетонов и сравнению их по данному признаку.

Определение устойчивости асфальтобетонов к накоплению остаточных деформаций под воздействием динамических нагрузок с учетом воздействия реальных транспортных нагрузок и природно-климатических факторов позволит получить необходимые сведения об их работоспособности в типичных для них условиях работы в дорожной конструкции.

Во второй главе определены расчетные параметры и условия проведения экспериментальных исследований асфальтобетонов под воздействием реальных динамических нагрузок и температур. Разработана цифровая модель слоев дорожной конструкции и представлены результаты работ по разработке и конструированию прибора для испытаний асфальтобетона под воздействием динамических нагрузок.

На основании многолетних исследований, проведенных в ДортрансНИИ РГСУ было установлено, что для климатических условий Южного Федерального округа в максимальном температурном режиме (от 50 до 60 °С) дорожная конструкция работает в летний период в среднем от 150 до 300 часов в год (в среднем 9,3 суток).

С целью определения оптимальной частоты приложения нагрузки, а также количества ее приложений на различных участках автомагистрали М-4 «Дон» в ЮФО были получены данные с пунктов весового контроля и произведены замеры реальной интенсивности и фактического состава движения. Анализ проведенного мониторинга показал, что большая часть грузового потока движется в интервале скоростей от 70 до 100 км/ч. Наиболее распространенным типом грузового многоосного транспортного средства на

8

трассе М-4 «Дон» является пятиосный автопоезд в составе седельного тягача и полуприцепа. Анализ распределения нагрузки между осями автомобиля показал, что наиболее загруженной является вторая ось и три оси полуприцепа (тридем). При проезде нескольких осей возникает сложная картина деформирования асфальтобетонного покрытия за счет близкого расположения осей (1,2 – 1,6 м) и их взаимного влияния. При средней скорости движения многоосных транспортных средств и среднем расстоянии между осями 1,4 м средняя частота нагрузки, передаваемой на точку на поверхности конструкции составляет порядка 14-16 Гц, при среднем времени воздействия нагрузки - 0,059 с.

Для оценки необходимого количества приложений нагрузки из общего суммарного числа приложений расчетной нагрузки выделена только та часть, в которой нагрузка на точку поверхности дорожной конструкции происходит в температурном интервале от 50 до 60° С.

Оценку необходимого количества приложений расчетной нагрузки предлагается проводить при помощи математической модели, основанной на расчете суммарного количества приложений нагрузки по п.3.6 ОДН 218.046-01.

где: Тргд – временной интервал, при котором достигается максимальная температура асфальтобетона.

В среднем на исследуемых участках автомагистрали М-4 «Дон» количество приложений нагрузки по формуле 1 (за 12 лет эксплуатации дороги)

составило от Np = 620 000 до Np = 650 000.

Для назначения минимально-достаточных геометрических параметров лабораторных образцов разработана имитационная модель слоев асфальтобетона дорожной конструкции.

Для получения сравнительных данных о НДС испытуемого асфальтобетонного образца и слоев покрытия и основания дорожной одежды разработана конечно-элементная модель процесса нагружения, реализованная в программных комплексах «Ansys» и «Polus». Пространственные модели позволили определить зоны максимальных напряжений и деформаций (вертикальных и горизонтальных напряжений в области приложения нагрузки), а также получить сравнительные результаты НДС, возникающего в лабораторном образце с боковым обжатием и в асфальтобетонных слоях дорожной конструкции. Проведенные расчеты доказывают возможность обоснованного использования образцов диаметром 200 мм с применением штампа для передачи нагрузки диаметром 70 мм.

В соответствии с установленными параметрами эксперимента и принятыми геометрическими размерами образцов разработана кинематическая схема, способная обеспечить надежность и необходимую точность получаемых результатов. Принцип работы прибора основан на превращении вращательного движения приводного вала главного привода в поступательное движение толкателя и воздействия кратковременной нагрузки на испытываемый образец через равные промежутки времени.

10

Автоматическая система с применением обратных связей от измерительных устройств и исполнительных механизмов обладает высокой точностью и надежностью.

На разработанный прибор получен патент № 111293 МПК G01N 3/36 «Установка для определения деформаций динамической ползучести дорожностроительных материалов». Метрологические характеристики и показатели точности подтверждены получением свидетельства об утверждении типа средств измерений «Прибор динамических испытаний ПДИ» № 54987-13.

Для настройки прибора и управления экспериментом разработано специальное программное обеспечение «Experiments», в котором можно задать все параметры эксперимента, а также хранить и обрабатывать полученные результаты. Программа автоматически контролирует заданные параметры эксперимента и поддерживает их постоянными на протяжении выбранного интервала времени.

Разработана специальная методика проведения эксперимента, которая включает в себя весь перечень работ, начиная от приготовления образцов, подготовки их к испытанию, подключение и настройку прибора, установку параметров эксперимента, управление программным обеспечением, заканчивая обработкой полученных результатов. При разработке методики испытаний учитывались такие параметры, как минимальный диаметр образца, количество и частота приложений нагрузки, расчетная нагрузка, характерная температура испытания, напряженно-деформированное состояние образца, приближенное к эксплуатационному.

В третьей главе для проверки работоспособности разработанного прибора и эффективности применения метода приведены результаты испытания мелкозернистых и крупнозернистых асфальтобетонов при широком варьировании различных факторов. Представлен анализ взаимосвязи между физикомеханическими показателями различных типов асфальтобетонов и накоплением остаточных деформаций под воздействием расчетных динамических нагрузок и температур.

На первом этапе были проведены исследования исходных дорожностроительных материалов, подтверждающие их соответствие действующим нормативным документам.

Далее проведен подбор составов горячих плотных асфальтобетонов типов А, Б, щебеночно-мастичного асфальтобетона, а также крупнозернистых пористых и плотных асфальтобетонов. В смесях варьировалось содержание фракций щебня 5-10 мм и 10-15 мм. При этом подбиралось такое количество фракции, чтобы фактический гранулометрический состав находился на нижней, верхней границе и в середине области оптимального гранулометрического состава. Все подобранные составы удовлетворяли требованиям нормативных документов и, следовательно, могут быть использованы для проведения дальнейших исследований их устойчивости к накоплению остаточных деформаций.

Полученные составы испытывались на приборе ПДИ согласно разработанной методике при температуре 60°С, под воздействием динамической нагрузки величиной 0,6 МПа и частотой воздействия 15 Гц. Общее количество