24.06.11 01:17

УДК 625.85.002.237

КОМПЛЕКСНЫЙ ПОДХОД К РЕШЕНИЮ ПРОБЛЕМЫ КОЛЕЕОБРАЗОВАНИЯ НА ФЕДЕРАЛЬНЫХ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГАХ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ.

В. П. Матуа д-р техн. наук, Д. В. Чирва канд. техн. наук, инженеры Р. В. Матуа, С. А. Мирончук, С. В. Сизонец,

(РГСУ, г. Ростов-на-Дону)

Рост интенсивности движения, осевых нагрузок и скорости движения транспортных средств приводят к преждевременному разрушению дорожных конструкций, что объясняется не только недостаточно высоким качеством применяемых материалов и нарушением технологии производства работ (что в ряде случает также имеет место), но и несовершенством самой методики конструирования и расчета дорожных одежд нежесткого типа [1].

Несмотря на ее уникальность, методика расчета и конструирования дорожных одежд нежесткого типа (последняя редакция ОДН 218.046-01) по-прежнему содержит ряд серьезых недостатков, влияющих на срок службы и долговечность как вновь проектируемых, так и эксплуатируемых автомобильных дорог:


1. Расчетная схема опредения необходимой толщины слоев дорожных одежд базируется на анализе модели слоистого упругого полупространства. В то время как, опыт последних лет эксплуатации автомобильных дорог показывает, что методика расчета должна учитывать и, естественно, прогнозировать не только упругие, но и пластические деформации (как это предусмотрено в нормативных документах, например, США);

2. В расчетах используется не пространственная постановка задачи, а ее частный случай-осесимметричная модель упругого полупространства, не позволяющая учитывать инерционность движущейся массы и осность автомобиля, влияние на НДС конечных поперечных размеров автодороги и месторасположения нагрузки на проезжей части.

3. Расчет по допускаемому модулю упругости(опрделяющий число и толщину слоев дорожной одежды) осуществляется на неподвижную (статическую) нагрузку, а не на реальную, динамическую. Не учитывается скорость движения автомобилей.

С целью расчета и прогнозирования возможного процесса колееобразования в элементах дорожных конструкций в РФ разработаны "Рекомендации по выявлению и устранению колей на нежестких дорожных одеждах" [2], но, к сожалению, и они не лишены вышеперечисленных недостатков.

В Ростовском Государственном Строительном Университете на протяжении многих лет ведутся глубокие теоретические и экспериментальные исследования по изучению развития и накопления остаточных деформаций в элементах дорожных конструкций и в материалах конструктивных слоев под воздействием динамических нагрузок, а также исследования по изучению напряженно деформированного состояния дорожных конструкций с учетом их неупругих свойств и пространственного динамического нагружения, в том числе по развитию и накоплению остаточных деформаций в слоях дорожных одежд и грунте земляного полотна.

В рамках этих исследований разработана механико-математическая модель, адекватно описывающая реальное строение и пространственный характер нагружения анизотропной и многослойной дорожной конструкции и программный комплекс ее реализации на ЭВМ [3].

В работе использован наиболее популярный при решении плоских и пространственных задач теории упругости и пластичности метод конечных элементов (МКЭ) в форме метода перемещений, позволяющий рассматривать области со сложной топологией при различных граничных условиях.

Для адекватного отражения механико-математической моделью реальных процессов поведения исследуемой «системы» важным моментом является правильная оценка поведения материалов конструктивных слоев в различном временном интервале эксплуатации дороги. Выполнен подробный обзор известных теорий, позволяющих оценивать процесс возникновения и развития необратимых деформаций, которыми установлено, что в общем случае в реологические уравнения могут входить векторы напряжений, деформаций, скоростей изменения деформаций, время, влажность, температура и параметры вибраций:

В работе использована гипотеза о том, что разовые воздействия транспортных средств не вызывают пластических деформаций. Необратимые деформации являются следствием многократного воздействия на дорожную конструкцию транспортной нагрузки и погодно-климатических факторов.

Решение задачи накопления остаточных деформаций базируется на приближенных физических соотношениях, устанавливающих связь между напряжениями и деформациями и их производными по времени. В работе использованы соотношения модели типа Шведова-Бингама:

учитывающие как вязко-упругие, так и вязко-пластические составляющие процесса деформирования малых элементов конструкции во

времени. В зависимости от достигнутого уровня напряженно-деформированного состояния фрагмента конструкции и параметров материала, процесс рассматривается либо вязко-упругим, либо с накоплением необратимых деформаций.

Для успешной реализации модели на ЭВМ, наряду с общепринятыми параметрами, характеризующими физико-механические свойства материалов (модуль упругости, коэффициент Пуассона, плотность и т.д.) необходимо знать и их реологические свойства. Одним из путей получения таких данных является проведение экспериментальных исследований ползучести ДСМ. Теория ползучести максимально приближает расчет конструкций к реальным условиям их работы, устанавливающим зависимость между деформациями и напряжениями с учетом фактора времени.

В целях максимального приближения лабораторных испытаний дорожно-строительных материалов к реальным условиям их эксплуатации и получения сравнительных данных о динамике накопления остаточных деформаций в материалах конструктивных слоев дорожных одежд и грунте земляного полотна наиболее целесообразным видится проведение исследований динамической ползучести ДСМ, т. е. испытаний материалов при циклическом динамическом нагружении. С целью проведения подобного рода исследований была разработана методика и сконструирован испытательный стенд (рис. 1), позволяющий проводить испытания ДСМ при различных температурах и нагрузках с различной частотой их приложения.

С помощью разработанного прибора были проведены масштабные исследования на накопления остаточных деформаций в образцах различных дорожно-строительных материалов под воздействием расчетных циклических динамических нагрузок при различных частотах их приложения и широком диапазоне варьирования температурно-влажностных факторов. В качестве примера, на рис.2-5 приведены графики накопления остаточных деформаций суглинистых грунтов (с различным коэффициентом уплотнения и влажности), не связных каменных материалов и различного типа асфальтобетонов при температуре 50 °С.



Анализ приведенных графиков на рис.2-5 показывает, что как и ожидалось, на интенсивность колееобразования оказывает влияние не только качество асфальтобетонного покрытия, как считают многие, в том числе и за рубежом, но так же все слои дорожных одежд и, прежде всего, грунт земляного полотна (в частности его плотность, характеризуемая коэффициентом уплотнения).

Предусмотренные действующими нормативными документами РФ значения коэффициента уплотнения грунта верхней части земляного полотна (Ку=0,98, в отдельных случаях Ку=0,95), на наш взгляд, не может обеспечить работу дорожных конструкций (под воздействием возросших динамических нагрузок от транспортных средств) в упругой стадии, без накопления остаточных деформаций.

Необходимо отметить, что в РФ на данный момент нет единого мнения о целесообразности обеспечения коэффициента уплотнения грунта земляного полотна выше нормативного значения (до Ку=1,00; 1,02 и более, в Западной Европе и США Ку=1,04^1,07 и более). В тоже время, из рис.2 видно,что увеличение Ку грунта с 0,98 до Ку=1,02 уменьшает накопление остаточной деформации в нём под воздействием циклической расчетной нагрузки 0,1 МПа, действующей с частотой 5Гц в 2 раза. При этом (рис.3) капиллярное водонасыщение (имеющий место в осенне-весенний периоды эксплуатации дороги), сверх оптимальной влажности, снижается с 35 % (при Ку=0,98) до 17% (при Ку=1,02), что дает основание утверждать о

необходимости повышения коэффициента уплотнения грунта земляного полотна до Ку=1,02 и более (хотя бы для климатических условий ЮФО и СКФО).

Определенный «вклад» в развитие колейности нежестких дорожных одежд вносят неукрепленные слои основания. Под воздействием многократно повторяющихся динамических нагрузок, особенно сверхнормативных, происходит постепенное доуплотнение слоев из щебеночно-песчаных (гравийно-песчаных) смесей, в отдельных случаях и измельчение каменного материала, что приводит к дополнительному накоплению необратимых перемещений в элементах дорожных конструкций.

Так например (рис.4) накопление остаточных деформаций под воздействием циклической нагрузи 0,4 МПа с частотой 10 Гц в образцах гравийно-песчаных смесей в 2,17 раз или на 117% больше, чем в образцах щебеночных смесей оптимального грансостава. Добавление 30% щебня в ГПС снижает накопление остаточных деформаций на 18,5%.

Значение остаточных деформаций щебня, уложенного по способу заклинки на 18,9% выше, чем у щебеночных смесей оптимального грансостава, хотя следовало ожидать обратных результатов, т.к. в действующих нормативных документах модули упругости щебеночных слоев по способу заклинки в 1,5-2 раза выше, чем у аналогичных слоев из оптимального грансостава, составляя соответственно 350-450МПа и 200250 МПа [1], что по своей видимости требует уточнения, а возможно и пересмотра.

Аналогичные исследования проведены для различных типов асфальтобетонов, в том числе и щебеночно-мастичных (рис. 5).

Как и следовало ожидать, наиболее устойчивы к накоплению остаточных деформаций многощебеночные каркасные асфальтобетоны тип А и прежде всего ЩМА. Величина остаточных деформаций под воздействием циклической нагрузки 0,6 МПа при температуре 50°С (рис.5) у асфальтобетонных образцов типа А в 1,7 - 3 раза выше, чем у аналогичных образцов из ЩМА. В то же время необходимо отметить, что существенное влияние на накопление небратимых деформаций в щебеночно-мастичных асфальтобетонах оказывает стабилизирующая добавка. Так, например, введение РТЭП на 33% снижает накопление остаточных деформаций в ЩМА по сравнению с аналогичными образцами со стабилизирующей добавкой VIATOP.

Введение добавок РТЭП способствует снижению остаточных деформаций и в крупнозернистых пористых асфальтобетонах, более чем в 2,2 раза. Таким образом, проведенные исследования свидетельствуют о том, что для снижения колееобразования нежестких дорожных одежд в верхних слоях покрытий следует отдавать предпочтение щебеночно-мастичным асфальтобетонам. В нижних слоях покрытий из крупнозернистых пористых асфальтобетонов, наиболее часто

применяемых в проектах, необходимо в обязательном порядке, особенно для жарких регионов, предусматривать введение полимерных добавок, что никак не предусмотрено действующими нормативными документами. Более того, по нашему мнению, необходимо разработать требования к прочностным показателям крупнозернистого пористого асфальтобетона и к коэффициенту уплотнения щебеночно-мастичного асфальтобетона, а также пересмотреть требования к асфальтобетонам с обязательным испытанием их на колееобразование или на динамическую ползучесть.

В целях исследования кинетики накопления остаточных деформаций в конструктивных слоях дорожной одежды и грунте земляного полотна и подтверждения адекватности разработанной механико-математической модели [4] реальным процессам, протекающим в дорожной конструкции, в РГСУ разработан и внедрен в эксплуатацию комплекс автоматизированного мониторинга накопления остаточных деформаций и регистрации обратимых перемещений от динамического воздействия транспортных средств на элементы дорожной конструкции.

Комплекс состоит из четырех зондов (рис.6), установленных в конструктивные слои дорожной одежды (вдоль полосы наката) и автоматического регистрирующего устройства, находящегося вне дорожной конструкции.


Рис. 6. Общий вид зонда в дорожной конструкции и магнитной сборки

В качестве примера на рис.7 представлен график накопления остаточных деформаций в слоях дорожной одежды и грунте земляного полотна на одной из наблюдаемых станций автомагистрали М4 «ДОН», за 7 месяцев эксплуатации дороги.


Рис.7

Анализ приведенных на рис.7 результатов показывает, что наибольший «вклад» в накопление остаточных деформаций на поверхности дорожного покрытия (колееобразование) вносят грунт земляного полотна и конструктивные слои дорожных одежд из несвязных каменных материалов и значительно в меньшей степени асфальтобетонные покрытия, хотя, как отмечалось выше, многие ученые как унас в стране, так и за рубежом считают, что основной причиной колееобразования следует считать деформацию асфальтобетонных покрытий, с чем на наш взгляд, даже для климатических условий ЮФО РФ, никак нельзя согласиться.

Аналогтчные результаты получены и по другим наблюдательным станциям.

Для получения сравнительных данных и проверки адекваности разработанной механико-математической модели [4] реальным условиям эксплуатации дороги, для каждой наблюдательной станции построены сопоставимые графики необратимых перемещений поверхности проезжей части, конструктивных слоев дорожных одежд и груна земляного полотна по прогнозируемым расчетным значениям и данным экспериментальных наблюдений.

Отклоненияя расчетных (прогнозируемых) остаточных деформаций и скорости их приращений во времени от реальных фактических значений по всем наблюдательным станциям в 85% случаев не привышает 10% и лишь в 15% случаев достигает 10-20%, что говорит о высокой степени сходимости прогнозируемых и фактически наблюдаемых результатов.

Литература

1. ОДН 218.046-01 «Проектирование нежестких дорожных одежд» - М.: «Транспорт», 2001. -93с.

2. Рекомендации по вявлению и устранению колей на нежестких дорожных одеждах (утверждены распоряжением Росавтодора № ОС-556-р о 24.06.2002 г). М.:2002, -179с.

3. Матуа, В. П. Исследование динамики накопления остаточных деформаций в дорожных одеждах в региональных условиях Южного федерального округа / В.П.Матуа, Д.В.Чирва // Сборник научных трудов. Проектирование атомобильных дорог.-М.:МАДИ, 2009. С.164-173.

4. Матуа, В. П. Исследование напряженно-деформированного состояния дорожных конструкций с учетом их неупругих свойств и пространственного нагружения //Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук.-М., МАДИ, 2002 -39с.