Методическое пособие 820

Объектом исследования являются асфальтобетонные покрытия автомобильных дорог, находящиеся под воздействием транспортного потока. Предметом исследования является процесс износа верхнего слоя покрытия автомобильной дороги от возникающего давления воды в микропорах в области контакта колес с дорогой.

1. Постановка задачи. Исследованиями в области взаимодействия транспортных средств и покрытия занимались многие ученые: А. А. Хачатуров, А. К. Бируля, Н. Я. Говорущенко, Р. В. Ротенберг, Ф. И. Бомхард, Н. Мопперт и др. [7—14, 16, 17]. Однако среди полученных результатов исследований имеют место несоответствия, объясняемые следующими причинами:

исследования проводились в условиях пониженного влагосодержания верхнего

слоя;

существующие методы и способы определения давления воды в микропорах верхнего тонкого слоя асфальтобетона были недостаточно апробированы, что не позволило определить максимальные давления, приводящие к отрыву частиц;

исследователи использовали интегральные показатели ровности покрытий, а для наиболее точной оценки влияния давления воды в микропорах дорожного покрытия необходимо выделить составляющие воздействия транспортного потока на износ покрытия;

при изучении взаимодействия движущегося автомобиля и дорожной одежды не учитывали важные факторы разрушения, связанные с особенностями работы тонкого слоя износа при его увлажнении в контакте с колесом.

В экспериментальных исследованиях [3, 4] произведены измерения на сухих покрытиях или в присутствии пониженного влагосодержания, что не позволило исследователям разделить сухой износ и износ в присутствии влаги.

В работе [5] использовали интегральные показатели ровности покрытия, рассматривая их в контексте аддитивного воздействия транспортного потока, что также не позволило понять механизм разного скоростного износа сухого и увлажненного покрытия. Авторы предполагали существование давления в микропорах верхнего слоя дороги, но существующие методы и способы определения этого давления были недостаточно апробированы, поэтому применялись качественные методики определения влажности и пористости асфальтобетона [6].

Развитие теории разрушения материалов под действием высокоскоростной струи воды [11], показало, что давление, развиваемое в точке концентрации напряжения материала, может приводить к дальнейшему развитию дефекта в виде трещины. Это явление называют эффектом waterjet, известном специалистам промышленной обработки материалов струей воды. Аналогичное разрушение возникает и при поршневом эффекте вдоль линии поры верхнего слоя дорожного материала при пневматическом воздействии шины колеса. При этом максимальная величина гидродинамического давления превышает величину прочности непосредственно материала или величину прочности на отрыв минерального компонента [16]. Возникающие внутренние напряжения приводят не только уносу минерального компонента, но и ведут к образованию сети микропор и трещин.

Рассматривая задачу определения давления воды в микропорах при прохождении транспортного средства, необходимо определить спектр воздействий, присутствующий как при сухом, так и при влажном износах.

В этом спектре можно выделить:

1 — транспортное средство с нормативной нагрузкой на ось; 2 — скорость движения транспортного средства;

3 — толщина воды на поверхности асфальтобетонного покрытия;

4 — параметры пористости и проницаемости; 5 — действующее давление в пневматике (влияние диаметра отпечатка);

6 — физико-механические свойства материала дорожного покрытия.

61

Научный журнал строительства и архитектуры

Движущееся транспортное средство воздействует посредством колеса автомобиля на поверхность дороги, и оно сильнее в случае наличия воды. Это движение колеса вызывает различные процессы, наблюдаемые исследователями (рис. 1).

Рис. 1. Изображение участка дороги после проезда транспортного средства:

1 — пузырьковая структура акваследа; 2 — осушенный участок поверхности дороги; 3 — выброс воды и материала дороги из-под шины; 4 — возвращающиеся потоки воды

Различный характер воздействия при сухом и влажном износе проявляется в силу существования в покрытии пор и микротрещин. Наличие пузырьковой структуры акваследа свидетельствует о микроциркуляции воды в верхнем тонком слое покрытия автомобильной дороги. Математическое моделирование показало, что кроме известных и описанных дефектов покрытия дорог имеет место износ от воздействия колес движущихся транспортных средств при наличии воды на поверхности покрытия (акваизнос). В иностранной литературе эффект увеличения абразивного износа при образовании общего дефекта в виде колеи на увлажненном покрытии дороги называют waterjet.

2. Проведение экспериментальных исследований образования износа в условиях увлажнения покрытия. Для проверки полученных данных математического моделирования разработана методика и установка по определению давления воды в микропорах при проезде транспортного средства по поверхности покрытия с одновременной регистрацией прогиба дорожной конструкции [5, 15]. С помощью указанной методики и установки получены данные о параметрах динамического воздействия воды и влиянии этого воздействия на величину износа и необратимую деформацию покрытия.

Для оценки воздействия воды на износ покрытия были выбраны три участка на двух дорогах без ответвлений и смены технологического цикла строительства дороги. На каждом участке были размещены маркеры, фиксирующие оказываемое давление, а также геометрическое положение их в материале покрытия. Для имитации различных случаев состояния покрытия первый участок поддерживался в сухом состоянии, второй периодически поливался и на третьем в течение определенного количества времени обеспечивалась тонкая пленка воды. На рис. 2 показано три варианта покрытия, отличающиеся между собой состоянием поверхностного слоя (предварительно была произведена диагностика покрытия и определение физико-механических свойств его материала). Для данных участков были произведены измерения формирования колеи в различных условиях состояния поверхности.

62

Рис. 2. Покрытия с различным состоянием поверхностного слоя:

а) сухое покрытие; б) увлажненное покрытие; в) покрытие с постоянным слоем воды

Средняя величина износа ξ в исследуемом сечении за любой период эксплуатации дороги определяется по формуле:

где Y — расстояние от маркера до линии измерения; N — количество транспортных средств, проехавших по данному сечению; первая часть уравнения, обозначенная одним штрихом, — начальные высоты сечения; вторая часть, обозначенная двумя штрихами, — величина, вычисленная в последующий период проведения замера.

На рис. 3 показаны значения геометрических параметров колеи в виде износа на исследуемых участках в течение месяца. На профиле отчетливо обозначены как участки пластической деформации в виде самой колеи и выпоров, так и участки с износом при отсутствии предыдущих. Воздействие транспортного потока на дорожную конструкцию в начальный период проявляется в незначительных деформациях, тогда как последующая эксплуатация выявляет уменьшение величины износа. При этом больший износ проявляется в самих колеях, и так как на этих участках вода задерживается больше, то можно говорить о дополнительном влиянии присутствия влаги в колеях на износ поверхности покрытия.

Рис. 3. Графики изменения размеров колеи и износа на покрытии дороги в сухом и влажном состоянии: 1 — глубина колеи; 2 — разность глубины колеи для двух участков дороги;

3 — разностная величина между износом на сухой и влажной дороге; 4 — разность между величинами износа влажной и увлажняемой поверхностями дороги

63

Научный журнал строительства и архитектуры

Можно отметить разницу между нарастанием износа и образованием колеи в сухом виде, в увлажненном, и в условиях длительного наличия на поверхности покрытия воды. Это отличие выражается в скорости износа, который характеризуется убыванием минерального и вяжущего компонентов покрытия. На рис. 4 показан график изменения скорости износа на различных участках автомобильной дороги.

Рис. 4. Графики скорости износа на 1-м и 2-м участках покрытия в различном их эксплуатационном состоянии

(сухом, периодически увлажняемом, с постоянной влажностью)

Рис. 5. Скорость образования колеи в течение месяца эксплуатации дороги на 1-м и 2-м участках покрытия в различном их эксплуатационном состоянии (сухом, периодически увлажняемом, с постоянной влажностью)

64

Анализ изменения скорости износа на различных участках показывает, что при наличии влаги на поверхности покрытия скорость износа увеличивается. Так как известно, что пластическая деформация связана с суммарным весом транспортных средств, проехавших по данному участку, то можно косвенно связать скорость износа с массой транспортных средств. На рис. 5 показаны пластические деформации участков, на которых измерялся износ.

Измеряя дифференциальную величину приращения колеи к приращению величины износа, можно связать влияние интегрального показателя массы транспортного средства на износ покрытия. Разделив величину износа на величину пластической деформации, можно дать характеристику стойкости данной дорожной конструкции к износу как в сухом, так и увлажненном состоянии.

В таблице показаны величины приращений для указанных участков. Анализ полученных значений показал, что величина износа во влажном состоянии повышается при увеличении глубины колеи от пластической деформации. Чем больше покрытие находится в условиях увлажнения, тем больше износ выражен в местах образующихся колей.

Выводы. Величина давления, зарегистрированная датчиками, составила 5—7 атмосфер. Увеличение скорости движения транспортного потока в 1,5 раза увеличивает износ на 30—40 %. Очевидно, что воздействие грузового транспорта оказывает влияние как на покрытие, так и на основание дорожной конструкции, вызывая их деформацию, тогда как влияние легкового транспорта сводится к воздействию на покрытие, вызывая его износ. Основной вклад в износ покрытия вносят транспортные средства с нерасчетной нагрузкой, двигающиеся с большой скоростью по асфальтобетонному покрытию, покрытому тонким слоем воды.

Установлена количественная связь между работой трения в контакте и износом, что позволяет прогнозировать интенсивность износа. Поскольку интенсивность изнашивания определяется состоянием поверхности дороги, то износ зависит не только от внутреннего давления в пневматике, но и от коэффициента неравномерности нормальных напряжений в поперечном сечении контакта шины с поверхностью покрытия.

Библиографический список

1.Александров, А. С. Методы теории наследственности в расчетах пластических деформаций мате-

риалов и грунтов при воздействии повторяющихся нагрузок / А. С. Александров, Н. П. Александрова, Н. В. Кузин // Транспортное строительство. — 2009. — № 2. — С. 25—28.

2.Бахрах, Г. С. Модель оценки срока службы дорожной одежды нежесткого типа / Г. С. Бахрах // Наука и техника в дорожной отрасли. — 2002. — № 2. — С. 17—20.

3.Волков, В. В. Микроволновый резонансный метод для исследования СВЧ потерь в каплях воды на твердой поверхности / В. В. Волков, В. Ю. Прищепенко, В. Н. Семенов, М. А. Суслин // Конденсированные среды и межфазные границы. — 2015. — Т. 17, № 3. — С. 297—306.

4.Князев, А. В. Влияния динамического воздействия транспортных средств на дорожное покрытие / А. В. Князев, В. В. Волков, А. И. Котов // Перспективы развития науки и образования: сб. науч. тр. по материалам Междунар. науч.-практ. конф. — 2014. — С. 69—70.

5.Мелькумов, В. Н. Прогнозирование величины необратимой деформации дорожной конструкции от воздействия транспортного потока / В. Н. Мелькумов, Ф. В. Матвиенко, А. Н. Канищев, В. В. Волков // Научный вестник Воронежского ГАСУ. Строительство и архитектура. — 2010. — № 3. — С. 81—92.

6. Руденский, А. В. Дорожные асфальтобетонные покрытия на модифицированных битумах / А. В. Руденский, Ю. И. Калгин. — Воронеж: ВГАСУ, 2009. — 142 с.

65

G.Trichês, J. C Pais, P. A. A. Pereira // J. Constr. Build. Mater. — 2010. — Vol. 24. — P. 1193—1200.

9.Leng, J. Characteristics and Behavior of Geogrid-Reinforced Aggregate under Cyclic Load: A Dissertation… for the Degree of Doctor of Philosophy / J. Leng. — 2002. — 152 p.

10.Mahrez, A. Fatigue and deformation properties of glass fiber reinforced bituminous mixes / A. Mahrez, M. R. Karim, H. Y. Katman // J. Eastern Asia, Soc. Trans. Stud. — 2005. — Vol. 6. — P. 997—1007.

11. Mantzos, L. European energy and transport: trends to 2030: update 2005 / L. Mantzos, P. Carpos,

V.Papandreou, N. Tasios. — Belgium: European Commission // Europe's energy portal. — Режим доступа: https://www.energy.eu/publications/KOAC07001ENC_002.pdf.

12.Moghaddam, T. B. A review on fatique andrutting performance of asphalt mixes / T. B. Moghaddam,

M.R. Karim, M. Abdelaziz // Scientific Research and Essays. — 2011. — Vol. 6 (4). — P. 670—682.

13.Navarro, F. J. Thermorheological behaviour and storage stability of ground tire rubbermodified bitumens /

F.J. Navarro, P. Partal, F. Martínez-Boza, C. Gallegos // Fuel. — 2001. — Vol. 83. — P. 2041—2049.

14.Suo, Z. Analysis of fatigue crack growth behavior in asphalt concrete material in wearing course / Z. Suo,

W.G. Wong // J. Constr. Build. Mater. — 2009. — Vol. 23. — P. 462—468.

15. Volkov, V. V. Estimation of the dynamic effect of vehicles on an asphalt road surface / V. V. Volkov, A. V. Knyazev, V. N. Melkumov // Scientific Herald of the Voronezh State University of Architecture and Civil Engineering. Construction and Architecture. — 2015. — № 1 (25). — Р. 34—43.

16.Werkmeister, S. Permanent deformation behaviour of unbound granular materials in pavement constructions: PhD thesis / S. Werkmeister. — Dresden, Germany: University of Technology, 2003. — 189 p.

17.Xu, Q. Performance of fiber reinforced asphalt concrete under environmental temperature and water effects

/Q. Xu, H. Chen, J. A. Prozzi // J. Constr Build Mater. — 2010. — Vol. 24, № 10. — P. 2003—2010.

DETERMINING THE EFFECT OF WATER PRESSURE IN MICROPORES ON OPERATIONAL WEAR AND TEAR OF ASPHALT CONCRETE SURFACINGS

V. A. Kozlov1, A. I. Kotov2

Voronezh State Technical University1

Russia, Voronezh,

Research Centre «Zhukovsky-Gagarin Air Force Academy» (Voronezh)2

Russia, Voronezh

1D. Sc. in Physics and Mathematics, Head of the Dept. of Theoretical and Applied Mechanics tel.: (473) 276-40-06, e-mail: v.a.kozlov1@yandex.ru

2Junior Research Fellow of the 24th Research Department of the Scientific Research Centre

«Zhukovsky-Gagarin Air Force Academy» (Voronezh), tel.: 8-910-240-25-87, e-mail: kotlac@yandex.ru

Statement of the problem. The purpose of the research is to identify the dependence of the moisture content of a surfacing and its wear and tear. Based on the obtained correlation dependence, a set of activities are set forth to enhance the wear and tear resistance and longevity of a roadway surfacing.

Results. The problem of a mechanic impact of pneumatic wheel tyres of vehicles on a surface of an asphalt concrete surfacing when there is a thin water layer is dealt with. A hydrodynamic impact of water in micropores of a surfacing is investigated. The resulting pressure in the wheel-road contact area is a cause of failure of the upper layer of a surfacing where washing away of its mineral components occurs. The outcome of the study is to determine the pressure in micropores of the upper thin layer and wear and tear rate.

Conclusions. An increase in the speed of vehicles and their weight leads to a progressively growing pressure in micropores that might go over the adhesion of mineral components of an asphalt concrete surfacing material. A thin water layer on the surface of a highway affected by a traffic flow results in more wear and tear.

Keywords: wear and tear of a roadway surfacing, water pressure, porous environment.

66

УДК 625.7.004:551.58

НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ ВЕРХНЕГО СЛОЯ ПОКРЫТИЯ С ДЕФЕКТОМ В ВИДЕ ВЫБОИНЫ

Вл. П. Подольский1, В. В. Волков2

Воронежский государственный технический университет1 Россия, г. Воронеж

Казенное учреждение Воронежской области «Территориальное дорожное агентство»2 Россия, г. Воронеж

1Д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой строительства и эксплуатации автомобильных дорог,

тел.: (473)236-18-89, e-mail: ecodor@bk.ru

2Ведущий эксперт дорожного хозяйства отдела технического контроля

по среднему и капитальному ремонту, тел.: 8-910-240-25-87, e-mail: kotlac@yandex.ru

Постановка задачи. Целью данного исследования является моделирование процесса воздействия нагрузки от транспортных средств в условиях непрерывно изменяющихся физико-механических параметров конструкции дороги.

Результаты. Выполнено моделирование работы конструкции под воздействием движущейся нагрузки по поверхности покрытия с неоднородностью в виде дефекта. В результате численного моделирования получены деформации на глубинах, эквивалентных толщинам слоев конструктивных материалов дороги, с учетом влияния на них температуры, влажности минеральных материалов и грунта земляного полотна. Исследовано влияние размера дефектной области при движении нагрузки через ее различные сечения, а также изменение несущей способности пространственной области под дефектом при наличии влаги. Получен набор данных о влиянии воздействия в области кромок дефекта на его возможное дальнейшее увеличение.

Выводы. Моделирование показало, что считать асфальтобетонное покрытие гибким мембранным элементом, который лежит на искусственном основании, возможно лишь в том случае, если это покрытие не повреждено и однородно. При возникновении дефектов в виде трещин несущая способность дефектного участка резко падает, а нарушенная неоднородность приводит к миграции воды в нижние слои конструкции, что способствует дальнейшему ухудшению ее несущих свойств. Если своевременно не произвести мероприятия по устранению дефектообразования, то в этом месте начнет образовываться дефект в виде выбоины.

Ключевые слова: несущая способность, деформация покрытия, дефекты, автомобильная дорога, асфальтобетонное покрытие.

Введение. Из практического опыта эксплуатации дорожной сети асфальтобетонные покрытия без воздействия транспортной нагрузки могут прослужить более 25 лет, находясь лишь под воздействием климатических факторов. Но этот срок службы резко сокращается из-за механической деструкции, как только по их поверхности начинают передвигаться транспортные средства. Упрощенно, весь жизненный цикл дороги состоит из начального этапа при ее строительстве, последующего эксплуатационного периода и конечного, при котором дорога оказывается разрушенной, требует восстановления и реконструкции. На этапе эксплуатации дорога накапливает максимальное количество различного рода дефектов: колейность, просадка основания, проявление волн, а также образование различного рода трещин и др. Наиболее заметным и характерным видом дефекта является трещинообразование с последующим выкрашиванием и образованием ям, выбоин и проломов. Асфальт, используемый в качестве покрытия, не является трещиностойким материалом. Через

© Подольский Вл. П., Волков В. В., 2017

67

Научный журнал строительства и архитектуры

образующиеся трещины атмосферная влага очень быстро проникает в нижележащие слои дорожной конструкции, что приводит к дальнейшему снижению прочностных характеристик дорожного полотна.

Данным вопросом занимались многие отечественные и зарубежные ученые: А. М. Богуславский, Н. В. Горелышев, В. Д. Казарновский, В. Когейл, Р. Литтон, Д. Кокс, Д. Соуса и другие. Они проводили исследования как по процессу образования трещин, так и работе покрытий с трещинами в условиях транспортного нагружения. Результаты исследований показали неоднозначные причины ускоренного роста дефектов. При этом физические процессы образования трещин необходимо рассматривать не только в аспекте внешнего воздействия (транспортного потока, температуры, влажности), но с учетом изменения физикомеханических характеристик материалов дорожной одежды.

Целью данной статьи является изучение деформационных характеристик дорожной конструкции в ходе образования и роста трещин под пневматическим воздействием колес транспортных средств на дорожное покрытие. Предметом исследования является напряжен- но-деформированное состояние конструктивных элементов при изменяющихся параметрах дефектов, климатических условиях и сроке службы сооружения.

1.Постановка задачи по проведению исследований деформируемого состояния дорожной конструкции с учетом изменяющихся параметров. Под воздействием транс-

портной нагрузки асфальтобетонное покрытие работает как на сжатие, так и на изгиб с возникновением максимальных растягивающих напряжений в нижней части асфальтобетонного слоя [7, 15]. Очевидно, чем толще покрытие, тем больше величина этих напряжений, а в случае ослабления нижележащих слоев образуется трещина.

Для решения поставленной задачи применялись различные методы представления физической природы возникновения дефекта. В работах [1, 2, 10, 16] используются математические подходы, опирающиеся на решение дифференциальных уравнений сплошной среды. Процесс образования кромки, трещины, выбоины связан с решением краевых задач изгиба тонких пластин при наличии отверстий произвольной формы [11]. Таким образом, модель дорожной конструкции можно представить в виде сочетания нижних монолитных слоев с заданными физико-механическими характеристиками и верхнего слоя покрытия в виде тонкой гибкой пластины с отверстиями-дефектами. При получении численных значений с последующим анализом напряженно-деформированного состояния конструкции по построенной математической модели необходимо использовать различные граничные условия с переменными параметрами, которые отвечают за изменение физико-механических свойств слоев дорожной конструкции. Этими параметрами являются: геометрические размеры конструктивных слоев дорожной одежды, размеры дефектов и пневматический отпечаток шины, физико-механические характеристики материалов слоев, величина нагрузки на колесо транспортного средства, температуры слоев покрытия и их влажность.

2.Математическая модель для определения напряженно-деформированного состояния верхнего слоя покрытия с дефектами в виде образующейся выбоины. Верхние слои дорожного покрытия распределяют нагрузку от колес транспортных средств на нижележащие слои, одновременно защищая последние от воздействия атмосферной влаги. Так как толщина верхнего слоя по отношению к размеру всей конструкции составляет порядка 5—7 %, то его можно рассматривать как пологую пластину со свободными краями, а в точках перегиба чаши прогиба — с шарнирно закрепленными краями. Дефект рассматривается как шарнирно закрепленная пластина произвольного очертания, подвергающаяся воздейст-

вию равномерной вертикальной нагрузки (q1 q2 0, q3 p). Оценку несущей способности

проведем путем построения кинематически и статически допустимых решений.

Поле тангенциальных скоростей смещения примем в виде u 0,v 0 , а скорость прогиба w — пропорциональной величине изгиба пластины [4].

68

На основании преобразований [7] для указанного поля скоростей запишем:

где σs1, σs2 — нормальные напряжения; R1, R2 — радиус-векторы; h — толщина пластины; x, y — координаты; D — диссипация механической энергии; τs — касательное напряжение.

Положительное значение прогиба пластины соответствует направлению действия внешней силы. В силу того, что нагрузка действует на площадь дефектной области, мощности работ, совершаемые внешними и внутренними силами, равны между собой:

p wdF DdF ,

F F

где F — площадь дефектной области на пластине.

Учитывая интегральное воздействие прогиба под дефектом, запишем следующее неравенство:

где pпл — несущая способность плоской плиты.

Неравенство (3) позволяет оценить несущую способность гибкой пластины по сравнению с несущей способностью плоской плиты pпл, величина которой определяется с учетом реального закрепления контура. Используя статически допустимые решения, оценим несущую способность, а именно:

M1 M2 H S 0, T1 s1hC1, T2 s2hC2 ;

69

Научный журнал строительства и архитектуры

где M1, M2 — продольный изгибающий момент; T1, T2 — продольное нормальное усилие; S — сдвигающее усилие; H — крутящий момент.

Тогда выражение, определяющее несущую способность, примет вид:

что справедливо и для пластины с большим количеством дефектов. Рассмотрим шарнирно закрепленную пологую пластину в плане (рис. 1).

Рис. 1. Представление дефекта на поверхности двухслойного покрытия в виде некоторой ступенчатой ломаной: а) дефект покрытия;

б) ремонтный участок после фрезерования покрытия на месте дефекта

Очертания дефектной области можно заменить некоторой ступенчатой ломаной при произвольном количестве звеньев без изменения несущей способности конструкции в целом. При этом неравенство (4) можно распространить на произвольные границы, в том числе на тонкие пластины с отверстиями ступенчатой структуры. Очевидно, несущая способность конструкции должна превосходить несущую способность дефектной области.

Кинематически допустимое поле скоростей прогибов примем в виде равенств:

x2 2yw2 2bw20 , 2 x2wy 0,

где a и b обозначают полуоси эллипса, x1, x2, χ — скорости искривления. Оценим несущую способность плиты по формуле [3]:

где dF представляет собой элемент площади срединной поверхности плиты. Допустим, что:

70