книги из ГПНТБ / Конструирование и расчет нежестких дорожных одежд

Из изложенного следует, что в упрочненных грунтах имеет место очень близкая к линейной зависимость между величиной нагрузки и обратимой деформацией. Линейная зависимость сохраняется как при длительных нагрузках, прикладываемых возрастающими ступенями с разгрузкой после каждой ступени, так и при кратковременных на­ грузках различной величины. Исключение могут представлять лишь очень малые нагрузки, близкие, как указывалось, к «порогу деформи­ рования», а также нагрузки, превышающие те, которыми грунт был упрочнен. Как следствие, очень мало разнятся в этих условиях зна­ чения динамических и длительных модулей упругости таких грунтов.

Несомненно, процессы деформирования грунтов во времени весьма сложны и характер имеющих здесь место процессов определяется боль­ шим числом факторов. Нужны обширные исследования, чтобы исчер­ пывающе выяснить и оценить возникающие здесь явления.

Проведенные нами исследования затрагивают лишь очень неболь­ шую, хотя и весьма важную для целей дорожного строительства часть этой проблемы, касающуюся только упрочненных грунтов, работаю­ щих под действием циклических нагрузок в стадии обратимых де­ формаций.

Не все вопросы исчерпывающе решены и в этой области. Но уже на основании полученных результатов можно с достаточной уверен­ ностью утверждать, что при создании расчетных схем нежестких дорож­ ных одежд, работающих в стадии обратимых деформаций, а также при установлении необходимых для целей проектирования расчетных характеристик возможно на данном этапе без существенного ущерба для точности расчетов пренебречь особенностями деформирования упрочненных грунтов во времени и распространить на них закономер­

тимости деформаций, о высоких скоростях течения их во времени и отдельные другие могут показаться противоречащими установившимся взглядам на грунт, как на упруго-вязко-пластическую среду. Однако никакого 'противоречия здесь нет, а различный характер явлений объясняется тем, что каждое из них связано со строго определенными условиями деформирования. '

Деформация течет сравнительно медленно, когда в грунте возни­ кают значительные взаимные перемещения частиц, соизмеримые с ве­ личиной последних или во много раз их превышающие — в процессе более плотной укладки частиц и тем более, когда в грунте развиваются пластические смещения. В этих условиях вязкость пленок связанной воды, а также фильтрационные процессы существенно замедляют течение деформации. Что касается весьма малых и полностью обрати­ мых деформаций упрочненного грунта, обусловленных элементарными смещениями лишь периферийных оболочек рыхлосвязанной воды, эти деформации развиваются, как показано, с достаточно высокими скоростями.

Наряду с общим познавательным значением проведенных ис­ следований, позволивших в определенной мере раскрыть сущность явлений, возникающих в грунте при повторяющемся нагружении,

60

полученные результаты дают возможность объяснить причины из­ вестных из практики особенностей службы дорожных конструкций в тех или иных условиях. /

Так, становится понятной причина имевшего место до недавнего времени массового развития на дорогах с тонкослойными одеждами весенних деформаций, неправильно называемых иногда «пучинами», приуроченного в первую очередь к природным районам и условиям,

ляного полотна.

Понятной становится и достаточно высокая эффективность дре­ нирования в этих условиях даже только самых верхних слоев подсти­ лающего одежду грунта. Примером этого является широко распро­ страненная не так давно в практике эксплуатации дорог отрывка так называемых воздушных воронок на обочинах в местах, где намечается образование весенних деформаций.

Наконец, как показали исследования, утолщение дорожной одежды следует рассматривать не только как мероприятие, вызывающее сни­ жение величины напряжений в подстилающем грунте, но и как способ уменьшения здесь скоростей роста напряжений от временных нагру­ зок. Именно совместным влиянием этих факторов может быть, повидимому, объяснена достаточно высокая работоспособность многих участков старых дорог с заниженным земляным полотном в неблаго­ приятных грунтово-гидрогеологических условиях, на которых тол­ щина одежды в результате многократного усиления доведена до 80 см

иболее.

§П.З. Закономерность деформирования материалов, содержащих органическое вяжущее

>

По-иному протекают обратимые деформации в материалах, в состав которых входит органическое вяжущее. Здесь степень вязкости де­ формации достаточно велика.

Закономерности деформирования битумоминеральных материалов изучались как при местном нагружении монолитов в условиях огра­ ниченного бокового расширения, так и при изгибе образцов в виде балочек.

На рис. II.4 приведены результаты испытания упрочненного об­ разца песчаного асфальтобетона. Цилиндрический образец диаметром и высотой 20 см был сформован послойно из горячей смеси под давле­ нием 300 кПсм2. После охлаждения до + 20° С образец был подверг­ нут многократному нагружению на рычажном прессе через установ­ ленный в центре штамп диаметром 4 см. Повторяющиеся нагрузки при­ кладывали до практически полной стабилизации остаточной деформа­ ции. Время действия каждой нагрузки — 6 сек с такими же интерва­ лами. После этого записано на ленте осциллографа изменение в те­ чение цикла величины нагрузки и деформации. Как видно, начало

61

в опыте. Но затем деформация развивается очень медленно, и к концу роста нагрузки достигает лишь приблизительно половины общей своей величины. Остальная часть деформации течет на протяжении всего остающегося времени до начала разгрузки. Еще медленнее восстанав­ ливается деформация при разгрузке. Как видно из рисунка, восста­ новление деформации начинается, лишь когда образец уже почти полностью разгружен и этот процесс продолжается на протяжении всего времени отдыха.

Скорость течения деформации в упрочненных битумосвязных средах, таким образом, в десятки раз ниже, чем в водосвязных. Весьма значительная затяжка во времени течения пластической деформации как при нагружении, так особенно и при разгрузке объясняется срав­ нительно высокой вязкостью пленок битума, окружающих минераль­ ные частицы и микроагрегаты, и обратимыми смещениями перифе­ рийных оболочек в местах контактов под действием напряжений от временных нагрузок. Очевидно, скорость развития эластической де­ формации будет в большой степени зависеть от свойств вяжущего, температуры среды, а также состава смеси.

Поведение битумоминеральных материалов под действием нагру­ зок зависит, кроме того, от величины, продолжительности действия и повторяемости нагрузок, скорости нагружения, а также интервалов между нагрузками.

Отмеченные особенности деформирования этих материалов при­ водят к значительному различию в величинах динамических и длитель­ ных модулей упругости и наряду с этим существенно сказываются на прочностных характеристиках материала.

Закономерности изменения модуля упругости и прочности на рас­ тяжение при изгибе асфальтобетона в зависимости от указанных выше

мраморной крошки подобранного состава с зернами размером до 5 мм

Рис. II.4. Зависимость деформации от нагрузки во времени при циклическом на­ гружении упрочненного асфальтобетона:

/ — нагрузка; 2 —деформация

62

На этом же рисунке приведены данные о величине относительной горизонтальной деформации асфальтобетонных образцов в зависимости от напряжений при изгибе. Испытания производили также кратковре­ менными нагрузками при температуре образцов +20° С. Нагрузку на образец подбирали таким образом, чтобы напряжения растяжения при изгибе изменялись в диапазоне 3—18 кГ/см2, что соответствует напряжениям, возникающим в асфальтобетонном покрытии распро­ страненных конструкций дорожных одежд. Продолжительность дей­ ствия нагрузки в отдельных опытах составляла 0,1, 0,5 и 1 сек. Как видно, связь между напряжениями и деформациями при одной и той же продолжительности действия нагрузки оказалась в этих условиях линейной.

Результаты испытаний свидетельствуют, таким образом, что при режиме нагружения, близком к условиям, имеющим место на авто­ мобильных дорогах, асфальтобетон ведет себя при +20° С как упругоизотропная линейно-деформируемая среда. Не вызывает сомнений, что при более низких температурах упругие свойства в асфальтовом бе­ тоне будут проявляться еще резче. При более высокой температуре и медленном нагружении наряду с обратимыми будут возникать вязко-

64

в 3—4 раза. Характер изменения прочности с увеличением вязкости битума следующий. У смесей, приготовленных на битумах марок БНД 130/200 и БНД 90/130, прочность возрастает во всем указанном выше диапазоне скоростей нагружения, а у смесей с битумами БНД 60/90 и БНД 40/60, начиная со скоростей 10—50 кГ/см2 в 1 сек, возможно существенное снижение и даже прекращение дальнейшего роста прочности.

Результаты испытания образцов, сформованных из асфальтобе­

тобетона при однократном приложении нагрузки колеблется в пре­ делах 80—150 кГ/см2.

Испытание образцов асфальтобетона многократным нагружением производили при постоянной величине растягивающего напряжения, равного приблизительно 0,25 от разрушающего при однократном при­ ложении нагрузки со скоростью более 100 кПсм2 в 1 сек. Продолжи­ тельность каждого нагружения составляла 0,1 сек, интервалы между нагрузками — 1 сек. Испытания вели до появления трещины в образце.

рального состава смеси и температуры испытания в диапазоне от 0 до 4- 20° С и для смесей на битуме марки БН Д 60/90 равен 0,16.

Для определения расчетной усталостной прочности асфальтобетона ^ р в зависимости от временного сопротивления разрушению Яизг при однократной изгибающей нагрузке формула (II.1) может быть пред­ ставлена в виде [58]:

где К7 — коэффициент усталости, зависящий от количества автомо­ билей Л?р, проходящих по дороге по одному следу за весь рас­ четный период в году (обычно период весеннего оттаивания до­ рожной конструкции).

§ 11.4. Закономерности деформирования дорожных одежд

Закономерности деформирования дорожных одежд при воздействии многократных нагрузок изучали на моделях, испытывавшихся на экспериментальной кольцевой дорожке Ленфилиала Союздорнии [29], а также на характерных участках эксплуатируемых дорог, где нагру­ жение осуществлялось с помощью передвижной испытательной уста­ новки Союздорнии.

Экспериментальная дорожка представляла собой кольцевой бетон­ ный лоток средним диаметром 3,65 м, в котором устраивали модели дорожных одежд. Нагружение осуществляли двумя автомобильными колесами на пневматиках, укрепленными на концах фермы, вращаю­ щейся с помощью электромотора вокруг укрепленной в центре вер­ тикальной оси. Имелась возможность осуществлять движение колес

Были исследованы 20 моделей, обладающих различной степенью прочности. Модели состояли из асфальтобетонного покрытия и гравий­ ного основания, уложенного на песчаный подстилающий слой либо непосредственно на пылевато-суглинистый или супесчаный грунт. В отдельных случаях трехслойное асфальтобетонное покрытие укла­ дывали непосредственно на подстилающий грунт. Толщина покрытия на отдельных секциях составляла от 4 до 12 см, основания из гравий­ ного материала — 6—8 см. Толщина песчаного слоя — 15 см. Относи­ тельная влажность (в долях от влажности при границе текучести) подстилающего грунта в разных моделях составляла от 0,65 до 0,87.

Перед испытанием движущимися нагрузками проводили стати­ ческие испытания с помощью жесткого штампа с основанием, равно­ великим площади следа испытательного колеса. Нагружение осуще­ ствляли с равномерной скоростью в 0,5 кГ/см2 в 1 сек.

При испытании моделей движущимися нагрузками фиксировали накапливающиеся деформации после определенного числа проходов колеса. Деформации замеряли с помощью специальных фиксаторов, установленных на каждой секции. Фиксаторы были заделаны в по­ крытие ниже поверхности последнего. Это исключало влияние износа покрытия на величину накопленных осадок. Фиксировали также появ-

66

Количествопроходо& колеса

Рис. II.8. Зависимость между количеством проходов колеса и деформацией мо­ делей дорожных одежд (цифры у кривых обозначают номера моделей)

ление местных просадок,«возникновение и развитие трещин, выкра­ шивание покрытия и др.

Испытывавшиеся на кольцевой дорожке модели обладали самыми различными запасами прочности. Разрушающее статическое давление для разных конструкций находилось в пределах 2,15—14,5 кГ/см2. Таким образом, давление от движущейся нагрузки составляло для различных моделей 0,23—1,5 от разрушающей статической нагрузки,

небольшие осадки, вызванные, по-видимому, доуплотнением кон­ струкции. После этого на отдельных моделях деформации начинали накапливаться с постоянной скоростью. Затем скорость накопления деформаций возрастала и на поверхности покрытия, примерно посе­ редине следа колеса, появлялась продольная волосная трещина. В дальнейшем продольная трещина расширялась, образовывались попе­ речные трещины и одежда быстро разрушалась. Такой характер дефор­ мации был зафиксирован на всех без исключения моделях, для которых нагрузка от колеса составляла 0,50—1,55 от разрушающей статиче­ ской (запас прочности 0,65—2).

По-иному вели себя одежды с запасом прочности 3,3—4,4 (модели 1—4). На них деформации накапливались-очень медленно и только в начальный период обкатки, приблизительно до 20—30 тысяч проходов колеса. Далее накопление деформаций практически прекратилось и, несмотря на то что по этим одеждам было сделано более 120 тыс. про­ ходов, не удалось обнаружить дальнейшего прироста деформаций. До­ рожная одежда на этих секциях упрочнилась и в дальнейшем работала в стадии практически только обратимых деформаций.

В процессе испытания конструкций, работавших в упруго-плас­ тической стадии и разрушившихся под движением, был в каждом опыте зафиксирован момент появления продольной трещины (знак © на рис. II.8). Число проходов колеса, соответствующее этому моменту, принято за критическое, характеризующее разрушение конструкции, так как вслед за этим интенсивность накопления вертикальной дефор­ мации и развития трещин интенсивно возрастала.

где К — коэффициент прочности одежды; Рст — разрушающее дав­ ление при условно-статическом нагружении при скорости нарас­ тания нагрузки, равной 0,5 кГ/см2, в 1 сек; Риовт — давление от движущегося колеса.

Формула (П.З) показывает, что с увеличением числа проходов по одному месту в 100 раз несущую способность конструкций, работаю­ щих в упруго-пластической стадии деформирования, необходимо уве­

Рис. 11.9. Зависимость между относительной величиной давления движущегося колеса и критическим числом проходов (цифры у точек обозначают номера моделей)

68

личивать приблизительно в 2 раза. Характерно, что эта закономер­ ность и даже показатель степени при числе проходов согласуются с зависимостью (П.2), полученной при испытаниитш изгиб кратковре­ менными нагрузками асфальтобетонных балочек.

С помощью передвижной испытательной установки Союздорнии испытывали кратковременными повторяющимися нагрузками одежды на эксплуатируемых дорогах. Результаты исследований, выполненных на' первом этапе, опубликованы в 1959 г. [48]. Там же приведено опи­ сание испытательной установки. В дальнейшем исследования были про­ должены с целью проверить на натуральных дорожных одеждах основные результаты, полученные в лаборатории. Дорожные одежды испытывали нагрузками разной величины — от 0,5 кГ/см2 до превы­ шающих расчетную в 1,2—2 раза. Время действия нагрузок состав­ ляло 0,2 сек и более; интервалы между нагрузками — от 5 сек до 1 мин. Испытания проводили штампами диаметром от 25 до 50 см. Дорожные одежды испытывали послойно. После серии повторных нагрузок на поверхности покрытия (испытывали преимущественно одежды с ас­ фальтобетонным покрытием) на некотором расстоянии от этого места покрытие удаляли и проводили испытание на поверхности основания и т. д. Завершающим являлось испытание подстилающего одежду грунта. Каждое испытание проводили ступенями. После многократного » приложения первой ступени нагрузки, если в результате достигали упрочнения конструкции, нагрузку увеличивали и осуществляли сле­ дующую ступень многократного нагружения. Нагрузку постепенно наращивали до перехода одежды или грунта в упруго-пластическую стадию деформирования, *что сопровождалось интенсивным нараста­ нием остаточной деформации. Чтобы надежно установить закономер­ ности деформирования, на отдельных ступенях приходилось прикла­ дывать несколько тысяч, а иногда и десятков тысяч повторяющихся нагрузок. Испытания показали, что здесь имеют место также три ста­

тельно высокой влажности грунта земляного полотна, переход кон­ струкции при многократном нагружении в упруго-пластическую стадию обусловливался в большинстве случаев возникновением пла­ стических смещений в подстилающем одежду грунте. Это устанавли­ вали путем сопоставления полученных закономерностей деформирова­ ния при испытании многократными нагрузками разной величины всей одежды, а также на поверхности отдельных конструктивных слоев и подстилающего грунта.

Сопоставляли величины повторяющихся нагрузок, под действием которых вся одежда, а также отдельные конструктивные ее слои и грунт земляного полотна переходят в упруго-пластическую стадию деформирования, с величинами напряжений на поверхности отдель­ ных слоев, рассчитанных с использованием решений теории упругости для слоистого полупространства (см. гл. 5). Однако в отдельных опы­ тах, как показали сопоставления фактических и рассчитанных напря­ жений, переход дорожной одежды в упруго-пластическую стадию

69