Содержание к диссертации
Введение
1 Методы оценки транспортно-эксплуатационного качества дорожной конструкции с асфальтобетонным покрытием 12
1.1 Воздействие транспортного потока на изменение эксплуатационных параметров дорожного покрытия .12
1.2 Методы оценки состояния покрытия дорожной одежды в процессе ее эксплуатации 17
1.3 Анализ образования деформаций асфальтобетонного покрытия дороги при воздействии транспортным потоком 33
1.4 Изменение ровности верхнего слоя асфальтобетонного покрытия при его динамическом нагружении транспортным потоком 38
1.5 Выводы по главе 41
2 Математическая модель работы асфальтобетонного дорожного покрытия нежёсткого типа при его динамическом нагружении .42
2.1 Разработка расчётной модели динамического воздействия транспортных средств на дорожную конструкцию с асфальтобетонным покрытием .42
2.2 Математическая модель деформации дорожного покрытия нежёсткого типа при динамическом нагружении 52
2.3 Определение предельных характеристик транспортного потока на формирование деформационных структур дорожного покрытия 59
2.4 Анализ моделирования работы асфальтобетонного покрытия при его динамическом нагружении 70
2.5 Выводы по главе .77
3 Экспериментальное исследование влияния динамического нагружения на состояние дорожного покрытия .78
3.1 Постановка задачи на проведение экспериментального исследования..78
3.2 Определение напряжённо-деформированного состояния дорожного покрытия при динамическом нагружении .84
3.3 Измерение динамического прогиба дорожного покрытия в процессе его эксплуатации 95
3.4 Изменение состояния дорожного покрытия от воздействия транспортного потока 103
3.5 Выводы по главе 109
4 Методика определения эксплуатационных параметров дорожного покрытия при динамическом нагружении .110
4.1 Анализ математического и экспериментального исследований образования деформационных структур на покрытии при динамическом воздействии потока транспортных средств 110
4.2 Диагностика верхнего слоя дорожного покрытия нежёсткого типа при динамическом воздействии транспортных средств .117
4.3 Методика определения эксплуатационных параметров дорожного покрытия нежесткого типа динамическим нагружением 124
4.4 Рекомендации по определению эксплуатационных параметров верхнего слоя дорожного покрытия при динамическом воздействии на него транспортных средств .130
Заключение 135
Список литературы
- Методы оценки состояния покрытия дорожной одежды в процессе ее эксплуатации
- Математическая модель деформации дорожного покрытия нежёсткого типа при динамическом нагружении
- Определение напряжённо-деформированного состояния дорожного покрытия при динамическом нагружении
- Диагностика верхнего слоя дорожного покрытия нежёсткого типа при динамическом воздействии транспортных средств
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Автомобильная дорога является
высоконагруженным элементом транспортной системы, обеспечивающим передвижение транспортных средств с различными массами и скоростями. Эксплуатационное состояние дорожного покрытия характеризуется главным образом прочностью, ровностью, шероховатостью и обеспечиваемой скоростью движения транспорта. Одним из важных показателей является прочность дорожной конструкции, позволяющий оценить эксплуатационное состояние дороги и выявить, насколько она отвечают требованиям автомобильного движения. Он связывает величину нагрузки от транспортного средства с теми деформационными процессами, приводящими к снижению прочности и интенсивному образованию необратимых деформаций в дорожной конструкции, вызывающих ухудшение потребительских качеств проезжей части с последующим уменьшением средней скорости движения автомобилей в потоке. Однако, скоростной режим движения потока транспортных средств также приводит к дополнительному динамическому нагружению слоев дорожной конструкции, что вызывает накопление остаточных деформаций в конструктивных слоях дорожного покрытия. Определение эксплуатационных параметров позволит прогнозировать эти изменения и своевременно делать ремонт дороги.
Процесс воздействия транспортного потока на дорожную конструкцию интегрально
нивелирует дефекты, возникающие как в самой конструкции, так и на поверхности
покрытия. Методы оценки эксплуатационных параметров нежёстких дорожных одежд
являются трудоёмкими, требуют специального оборудования, набора необходимых
исходных данных и не обеспечивают полностью оценку изменения эксплуатационных
параметров дорожного покрытия. Предвестниками начала необратимых процессов при
динамическом воздействии могут являться периодические деформационные структурные
образования. Следует отметить, что в настоящее время при расчете дорожных
конструкций, прогнозировании транспортно-эксплуатационного состояния покрытий,
обосновании различных ремонтных мероприятий не в полной мере учитывается
динамическое воздействие транспортного потока, а также его влияние на изменение
эксплуатационных параметров дорожного покрытия и образование необратимых
дефектов. Различные дефекты асфальтобетонного покрытия автомобильных дорог,
проявляемые как периодические деформационные образования в виде волн и гребенки,
существуют как самостоятельные дефекты, которые проявляются равномерно
расположенными под углом к оси дороги волноподобными неровностями,
сформированными воздействием движущегося по покрытию потока транспортных средств. Применение новых методов информационного обеспечения, эффективных расчетных моделей и схем, технологий, разработка аппаратурной диагностики нежесткого многослойного дорожного покрытия методами неразрушающего контроля для повышения полноты и достоверности информации, позволяет оценить надёжность транспортного сооружения, определить его ресурс, а также, на стадиях строительства и эксплуатации, дать количественную оценку технико-эксплуатационного качества дорожной одежды с асфальтобетонным покрытием, что является актуальной задачей.
Степень разработанности темы исследования. Исследованиями в области взаимодействия транспортных средств с конструкцией дорожным покрытием занимались многие отечественные и зарубежные ученые: А.К. Бируля, Н.Я. Говорущенко, Д.В. Ермакович, В.Ф. Бабков, А.П. Васильев, А.В. Смирнов, Ю.М. Яковлев, В.В Сильянов, А.А. Хачатуров, А.Г. Малофеев, В.Н. Кравец, М.С. Коганзон, А.В. Жуков, Б.С. Радовский, О.А. Красиков, В.Л. Афанасьев, В.П. Жигарев, В.Б. Борисевич, В.Д. Казарновский, В.П. Носов, Ю.В. Слободчиков, А.Р. Рзаев, В.В. Кузьмин, З.А. Круцух, А.С. Супрун, В.П.
Подольский, Р. Коеслер, Р.В. Ротенберг, Ф.И. Бомхард, Е. Клоппел, Н Мопперт, П. Пильц и другие ученые. Однако, среди полученных ими результатов исследований можно отметить некоторое несоответствие статического воздействия динамическому от транспортных средств, вызванных следующими причинами:
при взаимодействии движущегося автомобиля и дорожной конструкции не учитывались факторы, связанные с особенностями взаимодействия пневматика колеса автомобиля при движении его на различных скоростях по поверхности автомобильной дороги;
экспериментальные исследования авторов опирались на не стандартизованные показатели ровности покрытий, влияющие на эксплуатационное состояние дорожного покрытия при динамическом воздействии транспортных средств;
исследования проводилась для оценки плавности хода автомобиля по покрытию без учета возникающей динамической нагрузки от воздействия транспортного потока на дорожную конструкцию.
Физически процесс изменения эксплуатационных параметров дорожного покрытия описывается воздействием движущегося транспортного средства на покрытие посредством его пневматиков. И чем выше воздействие, тем больше дефектов проявляется на покрытии. Измерение параметров асфальтобетонного покрытия в условиях функционирования дороги, определение наличия дефектов и причин их появления необходимо для оценки и прогноза состояния дороги в процессе дальнейшей ее эксплуатации. Эта необходимость обусловлена несколькими причинами. Во-первых, дорожные покрытия подвержены сложной комплексной нагрузке от транспортных средств. Во-вторых, существующие способы и методы определения динамического воздействия, в основном, опираются на волновые и ударные технологии и не позволяют полностью оценить последействие динамического нагружения покрытия транспортным потоком. В-третьих, отсутствует связь между величинами дефектов участков покрытия дороги и нелинейной деформацией многослойной дорожной одежды нежёсткого типа при сложном нагружении.
Объектом исследования является дорожная конструкция с нежестким
многослойным асфальтобетонным покрытием, подвергаемая динамическому нагружению потоком транспортных средств.
Предметом исследования являются изменяющиеся эксплуатационные параметры деформации верхнего слоя дорожного покрытия при динамическом воздействии на него транспортных средств методами аппаратурной диагностики.
Цель диссертационной работы состоит в развитии метода определения эксплуатационных параметров дорожного покрытия нежесткого типа динамическим нагружением потоком транспортных средств для обоснования последующих ремонтных мероприятий и совершенствования методов проектирования дорожных конструкций.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи исследования:
выполнить анализ существующих методов оценки эксплуатационных параметров дорожной конструкции с асфальтобетонным покрытием;
разработать математическую модель работы асфальтобетонного дорожного покрытия нежёсткого типа при его динамическом нагружении потоком транспортных средств;
провести экспериментальные исследования по определению напряжённо-деформированного состояния дорожного покрытия при динамическом нагружении, определить закономерности изменения состояния дорожного покрытия;
разработать методику определения эксплуатационных параметров дорожного покрытия при динамическом нагружении;
разработать рекомендации по определению эксплуатационных параметров слоев дорожного покрытия нежесткого типа при динамическом воздействии на него транспортных средств методом неразрушающей диагностики.
Научная новизна работы:
1. Научно обоснованный метод определения эксплуатационных параметров
дорожного покрытия нежесткого типа при динамическом воздействии потока
транспортных средств, представляющий собой аппаратурно-методический комплекс
неразрушающей диагностики напряженно-деформированного состояния
асфальтобетонного слоя дороги.
2. Разработана математическая модель деформации дорожного покрытия
нежёсткого типа при динамическом воздействии потока транспортных средств,
отличающаяся учетом пластического течения слоя асфальтобетона при предельных
значениях характеристик транспортного потока, обеспечивающая прогноз изменения
ровности и установление геометрических параметров дефектов покрытия.
Практическая значимость работы заключается в разработке аппаратурно-методического комплекса неразрушающей диагностики напряженно-деформированного состояния асфальтобетонного слоя для определения эксплуатационных параметров дорожного покрытия нежесткого типа при динамическом воздействии потока транспортных средств. Используя количественную оценку изменения качества дорожной одежды с асфальтобетонным покрытием, можно предложить рекомендации как по определению эксплуатационных параметров дорожного покрытия, так и по назначению мероприятий текущего ремонта.
Личный вклад автора в получение результатов научных исследований, изложенных в диссертации, заключается в следующем:
-
Разработана математическая модель деформации дорожного покрытия нежёсткого типа при динамическом воздействии потока транспортных средств.
-
Разработан метод определения эксплуатационных параметров дорожного покрытия нежёсткого типа при воздействии потока транспортных средств методами аппаратурной диагностики.
-
Определены граничные характеристики транспортного потока, оказывающие динамическое нагружение на дорожную конструкцию, при которых возникают деформационные структуры.
-
Получены зависимости изменения состояния дорожного покрытия от величины динамического воздействия, характеризующие скорость образования волноподобной или гребенчатой структуры.
-
Разработаны рекомендации по определению эксплуатационных параметров дорожного покрытия при динамическом воздействии на него транспортных средств.
Реализация результатов работы.
Методика аппаратной диагностики дорожной конструкции для определения эксплуатационных параметров дорожных одежд нежесткого типа при динамическом воздействии на него транспортных средств, позволяющая на основе измерений колебательного движения верхнего слоя дороги определить эксплуатационные параметры низ лежащих слоев дорожного покрытия и, как следствие, определить напряженно-деформированное состояние конструкции реализована в практической деятельности в КУ Управление автомобильных дорог Брянской области (г. Брянск), методика определения величины напряженно-деформированного состояния дорожной конструкции нежесткого типа при движении по ней потока транспортных средств, позволяющей измерить
динамическую деформацию слоев покрытия, приводящие к образованию необратимых сдвиговых деформаций и на их основе определить этап жизненного цикла конструкции применяется в практической деятельности в ООО «Цементавтобан» (г. Белгород).
Апробация работы.
Основные результаты исследований и научных разработок докладывались и обсуждались на Международной научно-практической конференции «Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в стройиндустрии» (2007 г.), Международной научно-практической конференции «Инновационные материалы и технологии» (БГТУ им. В.Г. Шухова, г. Белгород, 2011 г.), Международной научно-практической конференции «Перспективы развития науки и образования» (ТГТУ, г. Тамбов, 2014 г.), III Международной научно-практической конференции в рамках форума «Безопасность и связь» (КГАСУ, г. Казань, 2014 г.)
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 научных статей общим объемом 47 страниц, из них лично автору принадлежит 31 страница. Три работы опубликованы в изданиях, включенных в перечень ВАК ведущих рецензируемых журналов, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертации.
В статьях, опубликованных в рекомендованных ВАК изданиях, изложены основные результаты диссертации: в работе [1] проведены исследования воздействия потока транспортных средств при формировании гребенчатых структур на асфальтобетонном покрытии; в работе [2] изложена методика измерения динамического прогиба дорожного покрытия в процессе его эксплуатации, а также определение эксплуатационных параметров конструкции дорожных одежд при динамическом воздействии потока транспортных средств; в работе [3] рассмотрен вопрос влияния толщины деструктированного слоя на распространение тепловой волны изменяющей реологические свойства материала и эксплуатационное состояние покрытия.
На защиту выносятся:
научно обоснованный метод определения эксплуатационных параметров дорожного покрытия нежесткого типа при динамическом воздействии потока транспортных средств, представляющий собой аппаратурно-методический комплекс неразрушающей диагностики напряженно-деформированного состояния асфальтобетонного слоя с учетом текущего этапа жизненного цикла дороги;
математическая модель деформации дорожного покрытия нежёсткого типа при динамическом воздействии потока транспортных средств, отличающаяся учетом пластического течения слоя асфальтобетона при предельных значениях характеристик транспортного потока, обеспечивающая прогноз изменения ровности и установление геометрических параметров дефектов покрытия;
методика экспериментального определения напряженно-деформированного состояния дорожного покрытия при динамическом воздействии потока транспортных средств, позволяющая измерить деформации верхнего слоя покрытия и на их основе выработать рекомендации по эксплуатации на текущий этап жизненного цикла конструкции;
предельные величины характеристик транспортного потока, оказывающих динамическое нагружение на дорожную конструкцию, при которых возникают деформационные структуры. Данные величины позволяют регламентировать скоростной режим транспортных средств различной массы, движущихся в потоке;
температурные зависимости реологических свойств материала влияющих на изменение состояния дорожного покрытия при динамическом воздействии, характеризующие скорость образования волноподобной или гребенчатой структуры,
которые позволяют более точно учитывать текущее состояние дорожного покрытия;
рекомендации по определению эксплуатационных параметров верхнего слоя дорожного покрытия при динамическом воздействии транспортным потоком методами неразрушающего контроля, позволяющие вносить изменения в технологический порядок при ремонте покрытия.
Достоверность полученных результатов обеспечена применением в исследованиях научно-обоснованных методов экспериментальных исследований, математической статистики и регрессионного анализа, использованием математических моделей, адекватность которых подтверждена экспериментальными исследованиями, результатами внедрения и использования поверенных приборов.
Объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, библиографического списка. Общий объем работы составляет 156 страниц машинописного текста. Диссертация содержит 12 таблиц, 50 рисунков, библиографический список из 145 источников, приложения.
Методы оценки состояния покрытия дорожной одежды в процессе ее эксплуатации
Ровность поверхности дорожных покрытий начали оценивать в тридцатых годах прошлого века. Ровность покрытий дорог определялась показателем, характеризующим плавность, удобство и безопасность движения автомобиля с расчётной скоростью. Поэтому были приняты в качестве наиболее эффективного показателя ровности дорожного покрытия амплитудные значения колебания самого автомобиля при движении по дороге. С увеличением размера неровностей увеличивается и амплитуда, и частота колебаний автомобиля. Величина сжатия рессор или амортизаторов на определенном участке дороги является условным показателем ровности покрытия. Для оценки этого показателя в 30-х гг. в Харьковском автомобильно-дорожном институте был создан прибор - толчкомер ХАДИ. В последующие годы конструкция совершенствовалась и были созданы толчкомеры ТХК, ТХК-2 и др. [9,21,79].
Особенности конструкции автомобилей влияют на частоту и амплитуду их колебаний, тогда как скорость движения и нагрузки в кузове приводит к изменению этих величин, и для получения сравнимых показателей данные факторы должны быть пронормированны. В качестве базового автомобиля для измерения ровности был выбран УАЗ-452 с нормированной нагрузкой в кузове до 2,5 кН, движущегося со скоростью 50 км/ч.
Изменение параметров колебания автомобилей, вызванных прогрессом техники, улучшением автомобильных дорог и скоростей их движения, потребовали изменения условий оценки ровности дорожных покрытий. Были предложены другие конструкции приборов с использованием того же принципа оценки ровности и наиболее перспективными оказались приборы: ПКРС, созданный в Союздорнии (Елисеев Б.И., Астров В.А.), и прибор МАДИ (Хачатуров А.А., Жигарев В.П.).
Широкое распространение получил динамометрический прицеп типа ПКРС-2У, предназначенный для измерения коэффициента сцепления и ровности дорожных покрытий при паспортизации и диагностике автомобильных дорог, расследовании причин ДТП и др. [94,98], рисунок 1.2. Прибор контроля ровности и сцепления представляет собой одноколёсный прицеп, буксируемый автомобилем с установленным на нём специальным сцепным устройством. Параллелограммная сцепка с рамой передвижной лаборатории постоянно сохраняет параллельное положение к поверхности дорожного полотна. Наружная рама через подшипниковые узлы связана с внутренней рамой, на которой расположены: подвеска с колесом, подрессоренная ось, привод полива воды, торможения и противозаноса, съёмные грузы, а также датчики ровности и сцепления.
Прицеп используется в составе передвижной лаборатории типа КП 514МП. Показатель ровности покрытия дорог определяется по суммарной величине перемещения колеса прицепа относительно инерционной массы его корпуса на единицу длины дороги. Регистрация показаний первичных датчиков производится бортовым вычислительным комплексом с визуализацией на дисплее.
В настоящее время в нашей стране для оценки ровности поверхности дорожных покрытий используется показатель измерений прибора ПКРС-2У, выражаемый в см/км (Sn), а в международной практике - международный индекс ровности, выраженный в м/км или мм/м IRI. Показатели Sn и IRI являются интегральными показателями, связанными с ровностью поверхности проезжей части автомобильной дороги с неровностями, вызывающими колебания автомобиля во всём диапазоне дорожных частот, при определённой скорости движения. Оба показателя являются косвенными измерениями, так как ровность поверхности покрытия оценивается не по геометрическим параметрам, а по реакции динамической системы.
В практике известно множество конструкций приборов для измерения ровности покрытий, использующих различные принципы измерений: - регистрирующие геометрические параметры неровностей (количество, высоту и длину волны) - рейки, профилографы, виографы, уклономеры, профилометры, нивелиры и др.; - приборы инерционного действия - динамометрический принцип ПКРС-2У, в котором измеряются вертикальные колебания подрессоренной массы, возникающие в результате наезда на неровность; - приборы импульсивного действия, измеряющие величину механического или электрического импульса, или перемещения отдельных частей автомобиля при наезде на неровность, которые косвенно характеризуют ровность поверхности покрытия - толчкомеры, акселерометры (приборы, измеряющие ускорения при колебаниях масс) и др. Простейшим прибором для оценки ровности является рейка длиной 2, 3 и 4 м, которая прикладывается к покрытию и выявляет размеры отклонения от условной прямой линии поверхности. В нашей стране для измерения продольной ровности используется рейка длиной 3 м. Для оценки поперечной ровности (колейности) используется укороченная рейка длиной 2 м при измерении по упрошенному способу, когда рейка укладывается на поверхность покрытия и под ней измеряются просветы. При измерении по способу вертикальных отметок применяется рейка длиной 3 м с подставочными стаканами, при помощи которых рейка выводится в горизонтальное положение, по отношению к которому определяются просветы. Измерение рейками даёт приближённое значение ровности и не позволяет судить о колебаниях автомобиля при движении.
Развитием этого метода являются многоопорные (многоколёсные) рейки, профилометры, профилографы, виографы. Первым прототипом этого прибора являлся разработанный в МАДИ динамический преобразователь микропрофиля покрытия, который записывает величину микропрофиля, рисунок 1.3.
Математическая модель деформации дорожного покрытия нежёсткого типа при динамическом нагружении
Можно ожидать, что рассмотренная схема позволит исследовать процесс пластического деформирования материала слоёв дорожного покрытия при накоплении остаточных деформаций в процессе эксплуатации дороги под воздействием повторяющейся нагрузки транспортного потока и природно-климатических факторов.
Дорожное покрытие сложный объект, содержащий большое число внешних и внутренних факторов, влияющих на напряжённо-деформированное состояние дорожного покрытия, и предполагает значительное количество входных параметров, необходимых для объективного и теоретически обоснованного прогноза.
Показатели, характеризующие изменение свойств покрытия, описываются коэффициентом, учитывающим неоднородность условий воздействия нагрузки (Кнн) и коэффициентом, учитывающим снижение эквивалентного модуля упругости слоёв дорожного покрытия под воздействием повторяющейся нагрузки и климатических факторов (Кдн). Дорожная конструкция, схема которой применяется в расчете и представляет собой многослойную анизотропную систему, подчиняющуюся основным фундаментальным принципам, характерным физическим свойствам применяемых материалов. Показатель снижения эквивалентного модуля упругости слоёв дорожного покрытия определяется по формуле: # = —, (2.3) где Еэкв.н - эквивалентный модуль упругости слоёв дорожного покрытия в начале эксплуатации, Па (МПа); Еэквi - эквивалентный модуль упругости слоёв дорожного покрытия в i-ый год эксплуатации, Па (МПа).
Технологические свойства используемых материалов имеют заданные характеристики. В результате механического воздействия анизотропные свойства материалов, из которых устроены слои, возведенные в процессе строительства, приобретают новые свойства и физико - механические характеристики.
Учитывая особенности работы дорожной конструкции с точки зрения учёта фактора времени и фактора изменения характеристик в каждой точке деформируемого покрытия, положим в основу описания процесса пластического деформирования следующую теоретическую зависимость [71,72] где г - касательное напряжение в слое, Па; ц - коэффициент вязкого сопротивления материала слоя переменный во времени, Па с; Тс - суммарное время воздействия нагрузки, с; Нсл - толщина деформируемого слоя, м.
Из зависимости (2.4) видно, что накопление необратимых деформаций зависит от двух основных параметров: от касательного напряжения () и коэффициента вязкого сопротивления материала () и аналогичного параметра, характеризующего процесс деформирования материалов слоёв дорожного покрытия, являющегося функцией времени.
Вычисление величины касательного напряжения затухающего по толщине слоя производится по формуле М.Б. Корсунского [69,71,72] — + — 4 2 где oz - нормальное напряжение на глубине z, Па; Р - давление на покрытие от колеса расчётного транспортных средств, Па; hz - глубина, на которой вычисляется величина касательного напряжения, м; D - диаметр круга, равновеликого отпечатку колеса расчётного транспортных средств, м; Еэ -эквивалентный модуль упругости слоёв дорожного покрытия, лежащих выше hz, Па; Ен - общий модуль упругости слоёв дорожного покрытия, лежащих ниже hz, Па; ср - угол внутреннего трения материала, рад.
Выражение (2.5) не учитывает вес дорожного покрытия, так как давление веса вышележащих слоёв одежды несущественно и равномерно распределено.
Нахождение величины напряженно-деформированного состояния сводится к расчету упругих деформаций для каждого слоя в условиях потенциального действия сил от транспортного средства и формированию динамической задачи. Основной подход - решение задачи Коши для упругого пространства с возникновением гармонической компоненты в точке ее возбуждения. Определение гармонических коэффициентов упругой волны, являющейся проекцией сил на поверхность дорожного покрытия и проявляемых в реальных условиях после воздействия транспортного потока в виде гребней в широком температурном диапазоне, является неотъемлемой задачей оценки эксплуатационного состояния дорожных покрытий. В силу симметрии поверхности дорожного покрытия относительно плоскости, вертикально рассекающей дорогу вдоль ее полосы, задача вырождается в решение для упруго - пластического полупространства с четкими граничными условиями.
Математическая модель базируется на нелинейном взаимодействии слоя при нормальном воздействии сил на участок соприкосновения колеса при движении, а тангенциальное воздействие прилагается к поверхности на границе радиуса штамповой нагрузки. Полученные дифференциальные уравнения в частных производных приведены к продольному воздействию нагрузки на конструкцию, расчётная схема которой, приведена на рисунке 2.2. Элементом расчета является участок дороги размером 20 м 20 м, дорожная конструкция которого состоит из естественного грунтового основания 1; грунта земляного полотна 2; щебёночного слоя дорожной одежды 3; нижнего и верхнего слоя покрытия дорожной одежды встречного направления 4; нижнего и верхнего слоя покрытия дорожной одежды попутного направления 5; обочины 6; расчётных отпечатков колес грузового автомобиля 7; расчётных отпечатков колес легковых автомобилей 8, параметры которого представлены в таблице 2.2.
Определение напряжённо-деформированного состояния дорожного покрытия при динамическом нагружении
Очевидно, что с возрастанием массы ударника прогиб увеличивается, кривые 1, 2, 3, однако, пропорционального прироста не наблюдается, что свидетельствует о изменении участвующей инерционной массы чаши прогиба.
Изменение пропорциональности прогиба от массы, как указано выше, связано с присоединённой массой в момент удара механизма и сопутствующего ее движения. Это может приводить к искажению полученных результатов. В тоже время измеряя прогиб при различных массах можно получить информацию о покрытии. На рисунке 3.3 показана зависимость изменения прогиба покрытий различных участков от воздействующей нагрузки. Разница в прогибе покрытия между участками обусловлена различиями в конструкции дорожного полотна.
Модуль упругости дорожного покрытия, определенный в результате испытаний установками динамического нагружения, является динамическим и при оценке прочности дорожного покрытия его следует сопоставлять с общим расчетным модулем вычисленным, исходя из требуемого динамического модуля упругости.
Для измерения прогиба дорожного покрытия при испытаниях установками динамического нагружения применяют различные датчики инерционного типа с фиксацией величины прогиба.
Информация о влиянии динамического нагружения дорожного нежесткого покрытия получена анализом изменений топологии поверхности с использованием ряда алгоритмов, позволяющих оценивать перемещения участков поверхности дороги с пространственным разрешением, достаточным для выявления характера развития пластической деформации на мезоуровне [3].
Наиболее распространенный алгоритм определения пространственного положения участков изображения использует корреляционные функциональные зависимости с вычислением взаимной корреляционной функции с последующим поиском максимума этого функционала. При расчетах корреляционных функций учитывалось влияние различных шумов, возникающих в процессе измерения.
Результатом инструментальной оценки прочности должны быть следующие показатели: средние расчётные модули упругости по каждому участку, коэффициенты вариации модулей упругости, характеризующие однородность дорожного покрытия по прочности.
На данных участках измерялась величина прогиба дорожного покрытия от воздействия движущихся автомобилей в транспортном потоке. На основе измерений определялась величина прогиба вблизи от правой стороны проезжающего потока транспортных средств. На рис.3.4 показана установка по определению динамического прогиба дорожной конструкции при транспортном воздействии.
Размещение установки для измерения прогиба покрытия 1 – дорога; 2 – измерительная установка; 3 – вычислительная система Регистрация прогиба осуществляется измерительной установкой с оптической системой, которая определяет координаты точек поверхности покрытия, проецируемой в виде изображения, на считывающее устройство. Вычисление массива двигающихся точек поверхности покрытия осуществляется с использованием триангуляционного метода и позволяет определить, как прогиб, так и сдвиг подвергаемой нагружению поверхности асфальтобетонного покрытия. Данная установка позволяет измерять величины прогиба и сдвига с точностью ±3 мкм. Измерительная установка располагается вблизи дороги таким образом, чтобы оптическая ось прибора была перпендикулярна направлению дороги и под углом к поверхности для перекрытия половины ширины дорожного покрытия. Следует отметить, что данное расположение установки позволяет измерить динамический прогиб только под правыми колесами транспортных средств.
Чтобы выявить прогиб и сдвиг поверхности покрытия вычислительная система обрабатывает полученное оптическое изображение по определенному алгоритму. Данный алгоритм выполнен в виде функциональных элементов, составляющих блок-схему установки по обработке изображения (рисунок 3.5).
Для получения необходимых данных по определению прогиба и сдвига, а также измерения геометрии структурных деформаций, первичное эталонное изображение 1 сравнивается с последующим во временном ряду 2 посредством корреляционного преобразования 5. Полученные значения через калибровочные функции 3, связывающие характеристики исследуемого покрытия, поступают на интегральное вычислительное устройство 7 с последующим обратным преобразованием в спектральной области. Это позволяет определить основные частотные спектры периодических элементов изображения, к которым и относятся гребнеподобные деформационные структуры. Так как периодичность структур носит сложный характер, то получаемый массив предобработки матриц 4 нормализуется 6 в зависимости от типа покрытия, свойств его слоя и расстояния в новое значение, которое используется для коррекции 11 (масштабирования) спектров 9.
Получаемые данные с установки передаются в вычислительную систему и, далее, в вычислительную машину, на которой запущена программа по анализу этих данных, отображению и сохранению. Для этого была написана программа «ПрогИзм 1.1b», интерфейс которой показан на рисунке 3.6.
Данная программа позволяет управлять измерительным устройством, пуск и остановка которого осуществляется соответствующими программными кнопками, а также задавать начальные установки для каждого исследуемого типа покрытия. На выходе мы получаем изображения исследуемых поверхностей и файл, в котором содержатся измеряемые величины за интервал времени. Посткамеральная обработка файлов позволяет дополнительно получить информацию, не выводимую на монитор вычислительного устройства, такую как угол смещения точек, вертикальные и горизонтальные сдвиги.
Проведение измерений с использованием указанной установки осуществляется за несколько шагов: первый - подключение вычислительной системы к измерительным датчикам; второй - запуск программы «ПрогИзм 1.1b»; третий - установка начальных параметров. Обеспечение эквивалентности измерений осуществляется предварительным расположением маркеров на покрытии. После включения питания устройства можно измерять динамический прогиб дорожного покрытия. Нажатием программной кнопки “Старт” осуществляется запуск измерений. В дальнейшем прогиб дорожного покрытия определяется в автоматическом режиме и останавливается оператором. Временная зависимость прогиба дорожного покрытия отображается графически с указанием максимального значения величины прогиба.
Для понимания процесса измерений на рисунке 3.7 представлены изображения, получаемые с оптического устройства до (а) и после (б) динамического нагружения. В каждый момент времени измеряется корреляционная функция смещения точек и, как указано выше, прогиб покрытия а д, а также сдвиг его при перемещении точек из положения 1 в положение 2 равное расстоянию та. Так как в процессе нагружения или проезда транспорта кроме горизонтальных и вертикальных перемещений точки приобретают дополнительное угловое перемещение, вызванное постепенным перетеканием материалом из области контакта с колесом в невозмущенную часть. Это выражается в появлении деформационных структур, мало заметных глазу, но появляющихся на обработанном изображении и имеющих угловую величину а.
Диагностика верхнего слоя дорожного покрытия нежёсткого типа при динамическом воздействии транспортных средств
Работы проводят в три основных этапа: предварительное обследование, собственно обследование и камеральная обработка. При предварительном обследовании оценивают состояние дорожного покрытия визуально и выбирают характерные участки. В процессе подготовки к детальным обследованиям изучают техническую документацию и данные о фактическом состоянии покрытия, назначают границы характерных участков дороги. Дополнительно проверяют соответствие состояния этих участков требованиям нормативным документам для принятия решения о целесообразности проведения дополнительных работ до проведения полевых испытаний дорожной одежды [112].
При детальном обследовании выполняют полевые испытания дорожных одежд на характерных участках для диагностики технико-эксплуатационного качества. Их проводят на контрольных точках, которые выбирают в процессе подготовки к детальному обследованию. В зоне развития на покрытии дефектов, характерных для рассматриваемого участка дороги разворачивают посты для установки оборудования. Однако предлагаемая экспериментальная установка позволяет проводить исследования на большом количестве контрольных точек, поэтому выбор конкретных мест испытания может корректироваться непосредственно в ходе проведения обследования.
На дороге не имеющей разделительной полосы испытания проводят по одной стороне. На автомобильных дорогах, имеющих разделительные полосы, испытания проводят в обои направлениях.
Измерения следует начинать с испытания дорожных конструкций в контрольных точках в зоне развития на покрытии дефектов, характерных для рассматриваемого участка дороги. Контрольные точки следует располагать на ближайшей к кромке покрытия полосе наката. Местоположение контрольной точки уточняется в ходе проведения линейных испытаний после предварительной статистической обработки результатов. Испытываемое покрытие, на которое будет воздействовать штамп установки, очищают от загрязнений. Юстируя и перемещая измерительную установку производят привязку.
Все полевые работы необходимо согласовать с дорожными организациями, обслуживающими намеченные к обследованию участки дороги, а также с соответствующими подразделениями ГИБДД.
В целях безопасности передвижные лаборатории должны быть оборудованы проблесковыми маячками. Сзади передвижной лаборатории или автомобиля, должен быть укреплен предписывающий дорожный знак «Направление объезда препятствия» и предупреждающий знак «Прочие опасности». Последний так же размещают впереди лаборатории или автомобиля при проведении работ на дорогах без разделительной полосы, включая при этом фары ближнего света. При осуществлении испытаний в зоне производства измерений следует устанавливать переносные ограждения (заборчики) с укреплёнными на них дорожными знаками либо сигнальные конусы. Автомобиль по возможности оборудуется проблесковым маячком жёлтого цвета [89,91], на рисунке 4.8 представлена схема установки ограждения и дорожных знаков в зоне производства работ при оценке эксплуатационных параметров качества дорожного покрытия нежёсткого типа. Особенностью разработанной схемы является указание расположения места измерения на проезжей части дороги и взаиморасположение измерительных приборов. Исполнение мероприятий по ограждению места производства измерений выполняется в указанной последовательности
Рекомендуется следующий порядок проведения работ по обеспечению безопасного места производства работ при оценке эксплуатационных параметров дорожного покрытия нежёсткого типа:
По такому-же принципу осуществляются мероприятия по измерению динамических параметров дорожного покрытия в потоке. Рекомендуемая схема установки ограждения и дорожных знаков в зоне производства работ показана на рисунке 4.9.
Осуществляется подключение к установке измерительных блоков и датчиков регистрации воздействий и перемещений, которые соединены с помощью кабеля с вычислительным устройством, на котором установлено программное обеспечение, позволяющее осуществлять сбор, обработку и анализ поступающей информации в автоматическом режиме;
Таким образом, вышеприведённая методика определения эксплуатационных параметров верхнего слоя дорожного покрытия при динамическом воздействии позволяет не только определить величины измеряемых параметров, но и рекомендовать новые технологические и конструктивные решения.