Современные научные исследования в дорожном и строительном производс

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕСТ КОНЦЕНТРАЦИИ НАПРЯЖЕНИЙ ОТ ДЕЙСТВИЯ КОМПЛЕКСНОЙ НАГРУЗКИ

В АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ СЛОЯХ ПРИ РАСЧЕТАХ ПРОЧНОСТИ НА СДВИГ

В.Н. Ряпухин, Е.В. Дорожко, В.В. Недоступ

Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет, Украина

От действия подвижной автомобильной нагрузки покрытие дорожных одежд находится в сложном напряженно-деформированном состоянии. В расчетный период асфальтобетон проявляет термопластические свойства. Критерии прочности твердого тела в вязко-упруго-пластическом состоянии отличаются от принятых критериев прочности для хрупких материалов, для которых учитываются разрушения только на разрыв, в то время как пластические материалы разрушаются на срез. Поэтому необходимо для пластического состояния асфальтобетона вводить другие критерии прочности, соответствующие конкретным условиям деформирования. Как известно из общих положений теории прочности для пластического состояния материалов, адекватными являются критерии, которые базируются на энергетической теории прочности.

При действии на покрытие колеса автомобиля, вследствие существования вертикального и горизонтального усилий, общий вектор нагрузки будет направлен под углом к поверхности тела (слой покрытия). Следует ожидать, что различные компоненты тензора напряжений (главные и касательные напряжения) будут изменятся непропорционально. Вычисленные значения критерия прочности в разных точках слоя асфальтобетона будут иметь различные значения, поэтому необходимо установить место (сечение, площадь), где условия прочности будут наиболее необеспеченными.

Для идеально пластических материалов, которые имеют одинаковые прочностные характеристики на растяжение и сжатие справедлива теория прочности Кулона. Но асфальтобетон не является идеально пластическим материалом и имеет различные показатели прочности на растяжение и сжатие. Для такого класса материалов принимаем теорию прочности Писаренко – Лебедева, которая базируется на энергетической теории прочности и теории максимальных касательных напряжений.

Обобщенный критерий прочности предложен в виде инвариантных по отношению к напряженному состоянию функций касательных напряжений и максимального нормального напряжения:

291

где τокт – октаэдрическое касательное напряжение, определяемое зависимостью (2); σ1 – максимальное нормальное напряжение; σ− – предельная прочность материала на простое сжатие; σ+ – предельная прочность материала на простое

где σ1,σ2 ,σ3 – главные напряжения.

Левая часть уравнения (1) является показателем эквивалентных напряжений по критерию прочности. Были определены октаэдрические касательные напряжения и максимальное нормальное напряжение методом конечных элементов в программе ANSYS [1, 4]. В программу задается модель (пакет слоев асфальтобетона на основании).

Расчет для каждой конструкции выполнялся при 3-х различных модулях упругости основания (100 МПа, 200 МПа и 300 МПа). Статическая нагрузка прикладывается через круглый штамп, который имитирует колесо автомобиля. Величина вертикальной нагрузки равняется 0,7 МПа. Диаметр штампа 36,8 см.

В результате расчета по каждой из моделей получены графики и таблицы нормальных ( σ1 ) и октаэдрических касательных ( τокт ) напряжений на следую-

щих плоскостях: О – на поверхности модели, А – на глубине 2,5 см, В – на глубине – 5,0 см, С – на глубине – 7,5 см, D – на глубине – 10,0 см, Е – на глубине – 12,5 см и на глубине 22,5 см – F. Результаты расчетов для каждой модели сведены в таблицу, где представлены числовые значения σ1 и τокт

на оси штампа и через каждые 0,92 см влево и вправо от оси по каждой из плоскостей О–F.

Из анализа графиков и таблиц следует, что ( σ1 ) и ( τокт ) симметричное

слева и справа относительно оси на каждой из 7 плоскостей (О–F). Поэтому при поиске максимальных эквивалентных напряжений показателя критерия прочности достаточно будет проанализировать сечение на оси и левую или правую половины эпюр ( σ1 ) и ( τокт ), поскольку они одинаковые.

Анализ напряженно-деформированного состояния показывает, что максимальное главное и максимальное октаэдрическое напряжение находятся на различном расстоянии от оси штампа. Поскольку критерий прочности (1) учитывает определенную комбинацию октаэдрических касательных и максимальных нормальных напряжений, опасное сечение следует искать не по σ1 max и τокт max , а по

максимальному эквивалентному напряжению.

292

При расчетах было рассмотрено 3 варианта: модуль упругости покрытия больше модуля упругости основания, модуль упругости основания больше модуля упругости покрытия и случай, когда эти величины равные. Во всех случаях оказалось, что на оси штампа возникают максимальные эквивалентные сжимающие, а на расстоянии 22,08 см от оси влево и вправо – максимальные эквивалентные растягивающие напряжения. Следовательно, можно утверждать, что место нахождения опасных сечений довольно стабильное.

В реальных условиях асфальтобетонное покрытие воспринимает не только вертикальную нагрузку, но и горизонтальную, поэтому необходимо исследовать опасные сечения при комплексном действии вертикальной нагрузки и горизонтальной силы.

Горизонтальная сила возникает на поверхности покрытия в месте контакта с колесом транспортного средства. Горизонтальная сила равняется тяговому усилию на ведущих колесах, которое необходимо для движения автомобиля. Тяговое усилие можно найти из уравнения движения автомобиля [5]:

где Pi – сила сопротивлению движению на подъем; Pf – сила сопротивлению качения; Pw – сила сопротивления воздуха; Pj – сила сопротивления инерции.

Горизонтальная сила (нагрузка) возникает вследствие следующих причин: при равномерном движении автомобиля возникает сила, равная тяговому усилию, на кривых малого радиуса возникает центробежная сила при торможении автомобиля, при движении автомобиля на подъем или спуск.

Расчет производился для автомобиля весом 18 т, который двигается со скоростью 100 км/ч. Для рассмотренного случая максимальная горизонтальная сила возникает в случае движения автомобиля с уклоном 50‰, с торможением (j = 2 м/с2) по горизонтальной кривой радиусом 600 м. В этом случае горизонтальная сила равняется 16 кН под одним колесом. В случае экстренного торможения горизонтальная сила будет возростать.

При определении опасных сечений горизонтальная сила прикладывалась в размере 5 кН, 10 кН и 35 кН, вертикальная нагрузка 0,7 МПа. Расчеты выполнялись методом конечных элементов в программе ANSYS [1, 4]. В результате анализа напряженно-деформированного состояния по всем плоскостям (О–F) оказалось, что при появлении горизонтальной силы у σ1 и τокт исчезла симметрия относительно

оси штампа, поэтому определение опасного сечения необходимо делать на оси, слева от оси и справа. Оказалось, что место максимального эквивалентного напряжения при появлении горизонтальной силы находится на оси штампа (сжатие) и на расстоянии 22,8 см походу колеса (растяжение).

При прикладывании лишь вертикальной нагрузки и при приложении вертикальной нагрузки и горизонтальной силы оказалось, что на оси штампа возникают максимальные эквивалентные сжимающие напряжения. На расстоянии

293

22,08 см от оси штампа возникают максимальные эквивалентные растягивающие напряжения. При появлении горизонтальной силы на расстоянии 22,08 см от оси максимальное растягивая напряжение перед штампом (колесом) меньше, чем на расстоянии 22,08 см за штампом.

Список литературы

1.Компьютерное моделирование и расчет на прочность деталей автомобиля; учеб пособие / А.Н. Туренко [и др.]. – Харьков: ХНАДУ, 2003. – 336 с.

2.Писаренко Г.С., Квітка О.Л., Уманський Е.С. Опір матеріалів: підруч-

ник. – Киев: Вища шк., 2004. – 655 с.

3.Писаренко Г.С., Лебедев А.А. Деформирование и прочность материалов при сложном напряженном состоянии. – Киев: Наукова думка, 1976. – 327 c.

4. Лантух-Лещенко А.И., Рассказов А.О. Метод конечных элементов

впроектировании транспортных сооружений. – М.: Транспорт, 1981. – 248 c.

5.Бабков В.Ф., Андреев О.В. Проектирование автомобильных дорог. – М.:

Транспорт, 1987. – 368 с.

294

УЧЕТ ДИСКРЕТНОЙ СТРУКТУРЫ ПРОМЕЖУТОЧНЫХ СЛОЕВ ДОРОЖНОЙ ОДЕЖДЫ ПРИ УТОЧНЕНИИ МЕТОДА РАСЧЕТА ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД ПЕРЕХОДНОГО ТИПА

В.Н. Ряпухин, Н.В. Павленко, Н.В. Воронич

Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет, Украина

Существующая расчетная модель нежесткой дорожной одежды принята как слоистое линейно-деформируемое упругое полупространство, на поверхность которого действует вертикальная нагрузка, равномерно распределенная по площади круга. Такая модель дает основание использовать для исследования на- пряженно-деформированного состояния всех видов слоев дорожных одежд и грунта земляного полотна решения теории упругости [1, 2]. Согласно такой расчетной схеме вся конструкция дорожной одежды представлена в виде упругих пластинок, работающих на изгиб.

Слои дорожной одежды переходного типа, устроенные из материалов дискретной структуры, не работают на изгиб. Поэтому для проведения корректных расчетов на прочность дорожных конструкций, выполненных из таких материалов, необходим соответствующий метод, учитывающий особенности работы слабосвязных и зернистых слоев с дискретной структурой.

Состояние изученности работы слабосвязных зернистых материалов в слоях дорожной одежды пока не позволило разработать для них метод расчета, учитывающий особенности поведения таких материалов под нагрузкой. Это проявляется в характере распределения этими материалами нагрузки, приложенной

кним, размещении их в конструкции и свойствах окружающих слоев [3, 4].

Вкачестве предельного состояния дорожных одежд используется напря- женно-деформированное состояние верхнего слоя покрытия и грунтового основания. Критерием этого является допустимая величина упругого прогиба, по которой и вычисляют требуемый (допустимый) модуль упругости конструкции. Поскольку дорожная одежда переходного типа на всю толщину состоит их материалов дискретной структуры, определение упругого прогиба и всех составляющих тензора напряжений происходит в слоях из зернистых материалов, не работающих на изгиб.

Механизм распределения усилий, теоретические принципы определения напряженно-деформированного состояния в слоях дорожных одежд переходного типа, анализ значений прочностных характеристик по результатам эксперимен-

295

тов и теоретическим расчетам в конструкциях из материалов дискретной структуры [4, 5] указывают на то, что при расчете на прочность (по упругому прогибу) мы имеем дело не только с численным несоответствием прочностной характеристики, но и с характером ее происхождения.

Обобщающим показателем, характеризующим качественные критерии дорожной одежды, является упругий прогиб или соответствующий ему общий (эквивалентный) модуль упругости. Необходимо определить характер измеряемого при прочностных испытаниях прогиба поверхности из материалов, не работающих на изгиб, на основе анализа поведения конструкций из материалов дискретной структуры под нагрузкой, учета особенности распределения нагрузки по глубине.

В качестве наиболее обоснованного критерия прочности слабосвязных зернистых материалов дорожных одежд следует рассматривать условие предельного равновесия при сдвиге. Однако это является возможным лишь при вновь проектируемых дорог с конструкциями переходного типа. При оценке прочности уже существующих дорожных одежд качественным критерием прочности выступает модуль упругости конструкции.

Для учета дискретной структуры в зернистых материалах дорожных одежд принято обращать внимание на распределительную способность материала слоя, на скорость затухания нагрузки по глубине [3, 5], и в меньшей степени дают обоснованный подход к оценке прочности конструкции по упругому прогибу. Это вызвано тем, что материал с такой структурой не работает на изгиб. При приложении нагрузки на такого рода слои конструкции происходит вначале доуплотнение с перераспределением частиц в слое, а при последующей эксплуатации – передача нагрузки через точки контакта зерен, в результате чего массив из зернистого материала не способен воспринимать растягивающие усилия, а лишь только проседать и перераспределять напряжения под приложенной нагрузкой. Возникает вопрос о характере возникновения упругого прогиба.

На основе проведенного анализа значений прочностных характеристик конструкций дорожной одежды по результатам расчета по теории упругости и с учетом коэффициента распределительной способности слоев [5] установлено, что эквивалентные модули упругости конструкции при расчетах по различным теориям отличаются на величину коэффициента распределительной способности «С». Это обусловлено тем, что зернистый материал не воспринимает растягивающие усилия, не работает на изгиб и при нагружении конструкции мы измеряем не упругий прогиб, а осадку материала под штампом. В результате приложенной нагрузки зерна перераспределяются в массиве, распределяют нагрузку по глубине по конусу под определенным углом, вовлекая в работу соседние частицы посредствами сил трения-сцепления [4].

В ранее проведенных теоретических исследованиях [3] при определении осадки однородного зернистого массива «показатель дискретности структуры» носил эмпирический характер, при этом непосредственного влияния на модуль упру-

296

– согласно расчетам по теории дискретного распределения для слоев из несвязных или малосвязных материалов расчетные значения вертикальных напряжений и модули упругости больше, чем принимаемые или назначаемые по существующим методам расчета дорожных одежд.

Основываясь на вышесказанном, можно подтвердить наше предположение, что в результате штамповых испытаний для определения требуемого модуля упругости конструкций дорожных одежд переходного типа из материалов дискретной структуры мы измеряем величину упругого прогиба, отличающегося по значению и характеру возникновения от нормативного. Зная, что при нагружении зерна в слоях таких конструкций подвергаются переупаковке в результате распределения усилий [3, 4], можем предположить, что мы имеем дело не столько свеличиной упругого прогиба, сколько с осадкой штампа при упругом сжатии. В этом случае основной характеристикой напряженно-деформированного состояния является величина упругой деформации и соответствующий ей модульдеформации.

Действующая расчетная схема для дорожных одежд нежесткого типа представлена в виде упругих пластин, работающих на изгиб. Такая расчетная схема полностью объясняет напряженно-деформированное состояние связных слоев, укрепленных органическим вяжущим, структура которых имеет плотный скелет. Слабосвязные и зернистые материалы имеют иную дискретную структуру, не работают на изгиб и не могут отвечать принятой расчетной схеме. Предполагается работа материала в стадии упругого сжатия. Соответственно, для таких слоев принимается другая расчетная схема, адекватная ей математическая модель и иной характер возникновения напряжений и деформаций в конструкции. На сегодняшний день это является актуальным при оценке прочности таких конструкций по упругому прогибу (определение фактического модуля конструкции).

Список литературы

1.ВБН В.2.3-218-186–2004 «Дорожній одяг нежорсткого типу».

2.Иванов Н.Н. Конструирование и расчет нежестких дорожных одежд. –

М.: Транспорт, 1973. – 328 с

3.Кандауров И.И. Механика зернистых сред и ее применение в строительстве. – М.: Стройиздат, 1966. – 319 с.

4.Павленко Н.В. Механизм распределения усилий в слоях дорожных одежд переходного типа из дискретных и малосвязных материалов // Науковий вісник будівництва / Харків: ХДТУБА, ХОТВ АБУ. – 2009. – Вип. 52. – С. 113–116.

5.Павленко Н.В., Ряпухін В.М., Плевако В.П. Напружений і деформований стани дорожніх одягів перехідного типу з дискретних матеріалів // Науковий вісник будівництва/ Харків: ХДТУБА, ХОТВАБУ. – 2008. – Вип. 47. – С. 161–171.

298

ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ЛИКВИДАЦИИ ПУЧИНООБРАЗОВАНИЯ ДОРОЖНЫХ КОНСТРУКЦИЙ СПОСОБОМ УПРАВЛЯЕМОГО ЗАЩЕЛАЧИВАНИЯ ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ

А.Б. Самойленко, В.Н. Шестаков

Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия г. Омск, Россия

Одной из причин повреждения дорожных конструкций является процесс их пучинообразования. Для ликвидации пучинообразования обычно применяют отвод подземных (дренаж) и поверхностных вод (уполаживание откосов, устройство берм), замену пучинистого грунта совместно с устройством различных гидроизолирующих, армирующих прослоек, теплоизоляционных слоев. На время производства работ необходима приостановка движения автотранспорта.

В связи с разработкой технологии ликвидации пучинообразования дорожных конструкций без приостановки движения рассмотрен способ «управляемого» защелачивания глинистых грунтов земляного полотна, заключающийся в нагнетании водного раствора щелочи (NaOH) с добавкой извести (CaO) через инъекторы, погруженные в них горизонтально.

Физико-химическая сущность этого способа состоит в следующем. У глинистых минералов в щелочной среде происходит дополнительная диссоциация поверхностных структурных гидроокислов (по сравнению с нейтральной средой) по типу [1]

Процессы диссоциации поверхностных ОН--групп и обмена H+ на Na+ растут с увеличением концентрации раствора щелочи. При низких концентрациях раствора (< 1н.) поглощение грунтом щелочи в основном контролируется обменными реакциями и физико-химическим процессом увеличения емкости обмена твердых частиц. По мере роста концентрации раствора, наряду с обменными фи- зико-химическими, протекают химические процессы частичного растворения кристаллической решетки минералов твердой фазы грунта и выделение из растворов значительно менее растворимых химических соединений, по отношению

299

к которым контактирующий раствор оказывается пересыщенным. В отсутствие пересыщения новых соединений в растворе образовывается мало, поскольку срастание частиц и их агрегатов за счет новой фазы происходит лишь при достаточно высоких концентрациях раствора (>1 н.).

Подавление пучинистости и формирование прочности глинистых грунтов при обработке их щелочными растворами высоких концентраций связаны с возникновением новых вяжущих веществ на контактах частиц грунта, образованных из продуктов разрушения алюмосиликатного ядра глинистых, некоторых первичных и типоморфных минералов. Так, внедрение ОН- иона щелочи в координационную сферу атомов Al и Si алюмосиликатов приводит к разрушению связей Si – О – Al, а затем и Si – О – Si с выходом из решетки в раствор оксидов кремния и алюминия (на примере каолинита) [2]:

с последующим формированием по конденсационному механизму новой твердой фазы гидроалюмосиликатов натрия содалитоподобного типа:

Применение щелочных растворов NaOH для обработки глинистых грунтов не представляет геоэкологической опасности, так как в таких грунтах преобладает диффузионный, а не фильтрационный механизм распространения инъекцированного в грунт раствора щелочи, т.е. такой грунт играет роль естественного геохимического барьера [3].

В лабораторных исследованиях использовался сильнопучинистый тяжелый пылеватый суглинок со следующими свойствами: число пластичности Iр = 16, относительная деформация морозного пучения при Купл = 0,95 εfh = = 7,0 %, максимальная плотность 1,74 г/см3, оптимальная влажность Wopt = 18 %.

Применены растворы гидроксида натрия 2,5–7,5 н концентрации (плотность 1,11–1,27 г/см3). Добавка извести варьировалась от 0 до 1 % от объема раствора.

Образцы грунта изготавливались по ГОСТ 22733–2002 в кольцах (диаметр 100 мм, высота 150 мм), которые для предохранения грунта от деформаций набухания устанавливались между двумя перфорированными пластинами из оргстекла, скрепленными между собой болтовым соединением. Образцы помещались в герметично закрывающуюся емкость, в которую наливался раствор гидроксида натрия с добавкой извести на 2–3 мм ниже поверхности грунта, выдерживались в нем в течение 30 сут. После этого образцы в кольцах помещались в установку для определения относительной деформации морозного пучения εfh по методике ГОСТ 28622–90:

300