Влияние величины и количества приложений транспортной нагрузки на интенсивность накопления деформаций в дорожном покрытии

1. Мюллер В.К. Англо-русский словарь. – М.: Русский язык, 1985.
2. Oxford Advanced Learner’s Dictionary. – Oxford University press, 1994.
3. Longman Dictionary of English Language and Culture. – Oxford University press, 1997.
4. Бобров В.Б. Англо-русский словарь по рекламе и маркетингу. – М. 1999.
5. Иванова К.А. Англо-русский словарь по рекламе и PR. – Спб.: Политехника, 1998.

 

Определение вида и количества приложений расчетной транспортной нагрузки

При проектировании нежестких дорожных одежд в качестве расчетных принимают нагрузки, соответствующие предельным нагрузкам на ось с двускатными колесами расчетного транспортного средства.

Для расчетов применяют три вида осевых нагрузок: А1 - 100 кН; А2 - 115 кН; А3 - 130 кН, однако нет четкой методики выбора конкретной из них для расчета дорожных одежд.

Одной из характеристик нагрузки, которая влияет на вид напряженно-деформированного состояния, является величина отпечатка колеса. Величина эквивалентного диаметра отпечатка колеса расчетной оси транспортного средства при приведении к ней фактических транспортных средств, принимается по табл. 1. При этом приведение транспортного потока к расчетным осям производится по двум критериям: критерию упругого прогиба и сдвигоустойчивости. Приведение по упругому прогибу производится для двухскатного колеса расчетной оси, по сдвигоустойчивости - для одного колеса расчетной оси.

Выбор вида осевой нагрузки (А1, А2 или А3) для проведения дальнейших расчетов производится на основании определения доли (£"„ Рр) расчетных осей (100, 115 или 130 кН) в общей фактической интенсивности движения транспортных средств (N_ф). Если S_vP_i > (1 - Р) • N_ф, где Р - уровень надежности дорожной одежды, то данная осевая нагрузка принимается за расчетную. При этом могут быть случаи, когда расчеты на сдвигоустойчи-вость и упругий прогиб нужно будет производить на разные расчетные нагрузки. Например, расчет на упругий прогиб необходимо производить на нагрузку 115 кН, а на сдвигоустойчивость - на нагрузку 130 кН, т.к. влияние транспортных средств различно на накопление деформаций (например, усталостных или сдвиговых).

Влияние величины и количества приложений транспортной нагрузки на интенсивность накопления деформаций в дорожном покрытии

Температурные трещины. Выполненные обследования дорожных покрытий г. Минска и ряда загородных дорог, находящихся долгое время в эксплуатации, общей площадью более 1 млн. м2 показали, что отсутствует какая либо зависимость между составом и интенсивностью транспортного потока и количеством трещин на обследуемом участке автомобильной дороги (рис. 1)

 

 

Рис.1. База значений, полученный по результатам оюследований

Трудность оценки влияния транспортной нагрузки на процессы температурного трещинообразо-вания усложняются тем, что напряжения от действия транспортной нагрузки и перепадов температуры находятся в разных точках температурно-временного спектра и привести их к единому критерию можно по условию:

(1)

где о1 и о2 - температурные напряжения от действия транспортной нагрузки; Е_t1 и Е_t2 - модули релаксации асфальтобетона при охлаждении и воздействии транспортной нагрузки; Ес - максимальный модуль, реализуемый во всем диапазоне температур; Rр - прочность при условиях деформирования, соответствующая режиму охлаждения.

Значение Е_t1 составляет в среднем 200 МПа, Е_t2-6000-8000 МПа, значение Ес - 10000 МПа.

Для выполнения анализа зависимости (1) было выполнено исследование напряженного состояния дорожной одежды на действие транспортных нагрузок различной величины.

В результате была разработана расчетная схема следующего вида (рис. 2).

Используя данные рисунка 3 и зависимость (1) можно выполнить анализ влияния транспортной нагрузки на температурные напряжения.

Рис.2. Расчетная схема к определению напряженно-деформированного состояния

В результате проведенных исследований была получена зависимость напряжений в верхней зоне материала дорожного покрытия от действия нагрузки различной величины (рис. 3). При этом напряжения складывались геометрически из двух составляющих (растягивающие напряжения, действующие по оси X и У)

Рис. 3. Зависимость растягивающих напряжений в верхней части слоя от действующей нагрузки и жесткости слоев

В результате получаем, что «вклад» транспортной нагрузки в температурные напряжения не превышает 10 - 30 %. Переход от нагрузки 10 тонн на 13 тонн приведет к увеличению напряжений всего на 5 % и является незначительным. Данная ситуация объясняет несущественную зависимость температурного трещиноообразования от интенсивности движения. Таким образом, при наличии температурных трещин влияние уровня транспортной нагрузки существенно возрастает.

Усталостные трещины. Усталостные деформации обусловлены повторными воздействиями транспортной нагрузки, накоплением повреждаемости в структуре материала и последующим разрушением. Данные деформации одни из наиболее опасных, поскольку практически не подлежат ремонту и ведут к быстрому выходу дорожной одежды из строя.

Повреждаемость - накопление в структуре материала конструктивного слоя дорожной одежды в процессе ее эксплуатации дефектов, ведущих, при определенном их объеме, к недопустимым деформациям или разрушению. Вначале дефекты накапливаются на микроуровне, затем они объединяются и приводят к макроразрушениям. Количественной характеристикой повреждаемости является уровень повреждаемости.

Характерно, что зафиксировать уровень повреждаемости путем измерения модуля невозможно. В результате возникает ситуация когда при одинаковом прогибе дорожной одежды (модуля) в одном случае покрытия нужно ремонтировать через 2 года, во втором через 6 лет.

Таким образом, для получения объективных результатов при измерении прочности эксплуатируемой дорожной одежды обязательно необходима оценка качества имеющихся материалов (хотя бы в основных связующих точках) и определение фактического модуля. Следует также оценить имеющийся уровень повреждаемости материала покрытия, с целью правильного назначения сроков ремонта и расчета слоев усиления.

Кинетика накопления повреждаемости зависит от температуры, уровня и времени действия напряжения, режима его приложения, структурных особенностей материала. Такое положение приводит к необходимости составления и решения сложных кинетических уравнений, которые необходимо определить экспериментально, что существенно усложняет инженерные расчеты.

Основными факторами, определяющими накопление усталостных деформаций, являются предельная структурная прочность материала и уровень повреждаемости.

Для оценки влияния параметров транспортной нагрузки на накопление усталостных деформаций, были выполнены исследования напряженно-деформированного состояния дорожных одежд при различных уровнях нагрузки в весеннее-осенний период в соответствии с расчетной схемой, подобной представленной на рис. 4. В результате расчетов было установлено, что растягивающие напряжения для верхнего слоя покрытий могут возникать как в нижней части слоя, так и в его верхней части. Зависит это от толщины слоя и условий сцепления его со слоем находящимся ниже.

Для полученных значений напряжений были выполнены расчеты уровня повреждаемости при различных условиях действия транспортной нагрузки. По данным расчетов была получена зависимость (рис. 4).

Рис. 4. Зависимость уровня повреждаемости от срока службы и осевой нагрузки

Сдвиговые деформации. В качестве основного фактора (при постоянной расчетной схеме) влияния транспорта на появление (накопление) пластических деформаций выступают: удельное давление и нагрузка на колесо (диаметр отпечатка). Остальные факторы взаимосвязаны друг с другом и могут быть выражены через соответствующую замену и подстановку. Удельное давление на покрытие возрастает с повышением давления в шине и ростом нагрузки на колесо. При этом рост нагрузки на колесо (при прочих равных условиях) оказывает меньшее влияние на повышение контактного давления по сравнению с ростом давления воздуха (рис. 5).

Рис. 5. Зависимость контактного давления (Рс) от давления воздуха в шине (P_w) и нагрузки на колесо (Q).

Так, при увеличении в 2 раза нагрузки на колесо при неизменном внутреннем давлении, давление по площади отпечатка возрастает примерно на 10 %, в то время как при увеличении в 2 раза внутреннего давления в шине при равной нагрузке на колесо - на 40 - 45 %. Связано это с тем, что при уменьшении давления воздуха в шине происходит рост площади и изменение конфигурации отпечатка колеса. Рост нагрузки на ось с 10 до 13 тонн (колесо спаренное, давление воздуха в шине 0,5) снижает коэффициент запаса материала из условия сдвигоустойчивости на 2 - 5 % (рис. 10). При этом возможная площадь и размеры пластических деформаций практически не изменятся.

Коррозионные разрушения. Для расчета уровня повреждаемости от совместного воздействия транспортной нагрузки и погодно-климатических факторов разработана физическая и математическая модель, позволяющая привести к эквивалентному критерию различные факторы воздействия.

Модель основана на приведении энергии к эквиваленту через уровень работоспособности и представлении материала как системы с комплексным набором упругих, вязких и пластических связей, чередующихся по последовательной и параллельной схемам.

Проведенные расчеты показали, что транспортная нагрузка оказывает влияние на процессы деструкции асфальтобетона от действия погодно-климатических факторов.

Так, если материал разрушается от действия 400 циклов замораживания-оттаивания, то при 100 000 воздействия транспортной нагрузки разрушение происходит уже при 250 циклах. То есть площадь, подверженная коррозии при прочих равных условиях может увеличиться на 40 и более процентов.

При увеличении нагрузки на ось с 10 до 13 тонн коэффициент морозостойкости снижается соответственно (рис. 7):

срок службы - 3 года, водонасыщение а/б - 6,5 %, интенсивность движения 250 авт/сут - с 0,94 до 0,88; интенсивность движения 750 авт/сут - с 0,75 до 0,32;

срок службы 15 лет, водонасыщение 2,5%, интенсивность движения 250 авт/сут - с 0,93 до 0,86; 750 авт/сут - с 0,68 до 0,11.

Рис. 6. Зависимость коэффициента морозостойкости асфальтобетона с водонасыщением 6,5% от интенсивности воздействия транспортных нагрузок различного значения для срока службы 3 года

Рис. 7. Зависимость коэффициента морозостойкости асфальтобетона с водонасыщением 2,5% от интенсивности воздействия транспортных нагрузок различного значения для срока службы 15 лет

Как видно из приведенных данных, транспортная нагрузка оказывает значительное влияние на коррозионную устойчивость асфальтобетонов в покрытии. При переходе с 10 до 13 тонн значение коэффициента коррозионной стойкости снижается на 6 - 90 % в зависимости от интенсивности движения и свойства асфальтобетона. Наибольше влияние отмечается при интенсивности движения свыше 500 авт/сут. Для таких транспортных условий водонасыщение асфальтобетонов не должно превышать 2,5 - 3 %.

 

Выводы

Проведенные исследования указывают на достаточно разнообразное влияние величины и количества приложений транспортной нагрузки на процессы деструкции в материале конструктивных слоев дорожных одежд и процессы образования деформаций различного вида. Все это указывает на то, что при проектировании дорожных одежд необходим комплексный подход, учитывающий не только накопление деформаций одного вида, а комплекса деформаций с учетом изменяемости свойств материалов слоев (особенно асфальтобетонов) в зависимости от температуры и скорости деформирования.

*Научный руководитель проф. И.И. Леонович