3016

Сборник научных статей аспирантов и аспирантов-стажеров

количество деформаций покрытия с различными формами, размерами и расположением. В частности, отмечено полное разрушение проезжей части, разрушение участка покрытия по оси дороги, разрушение по кромке проезжей части, а также по оси полосы движения (рис. 2).

Рис. 2. Деформации покрытия:

а – полное разрушение проезжей части; б – разрушение участка покрытия по оси дороги; в – разрушение по кромке проезжей части; г – разрушение по оси полосы движения

По результатам анализа деформаций дорожной одежды основной причиной разрушения установлено морозное пучение грунтов рабочего слоя земляного полотна в холодный период года. Эта версия подкрепляется несистемностью расположения деформаций, наличием недеформированных участков, а также отсутствием характерных трещин и колеи, которые указывают на недостаток прочности дорожной одежды. Однако из возможных факторов, влияющих на состояние покрытия, нельзя полностью исключать такие как: набухание грунта рабочего слоя земляного полотна в теплый период

181

Наука и молодежь СГУПСа в третьем тысячелетии

года, недостаток прочности проектной конструкции дорожной одежды, и наконец, несоблюдение проектной толщины дорожной одежды в ходе строительства. Для уточнения всех факторов разрушения дорожной одежды сформулирован ряд задач, таких как:

1.Определение морозного пучения и набухания грунта рабочего слоя земляного полотна в лабораторных условиях;

2.Расчет конструкции дорожной одежды по условию прочности и морозоустойчивости;

3.Определение фактических геометрических параметров дорожной одежды.

Для решения второй задачи произведен расчет дорожной одежды по условию прочности (на упругий прогиб и сдвигоустойчивость) и морозоустойчивости. Результаты расчетов представлены в табл. 1 и 2 соответственно.

Таблица 1

Результаты расчета конструкции дорожной одежды на прочность

Таблица 2

Результаты расчета конструкции дорожной одежды на морозоустойчивость

Величина пучения конструкции дорожной одежды (lпуч, см)

По анализу табл. 1 и 2 установлено соответствие расчетных коэффициентов прочности и величины пучения требуемым показателям. В целом запроектированная дорожная одежда соответствует нормативным требованиям. Следовательно, из ряда возможных факторов разрушения дорожной одежды на автомобильной дороге «Инская – Барышево» можно исключить недостаточную прочность проектной конструкции дорожной одежды.

Для решения следующей задачи определены фактические геометрические параметры дорожной одежды непосредственным вскрытием с замером толщины слоев (рис. 3) и отбором проб грунта рабочего слоя земляного полотна для дальнейшего исследования.

182

Сборник научных статей аспирантов и аспирантов-стажеров

Рис. 3. Определение фактических геометрических параметров дорожной одежды:

а – вскрытие дорожной одежды; б – замер толщины слоев

Результаты определения фактических геометрических параметров дорожной одежды автомобильной дороги «Инская – Барышево» сведены в табл. 3.

Таблица 3

Результаты определения фактических геометрических параметров

В целом, по результатам измерений установлено, что выполненная дорожная одежда соответствует проектным толщинам в пределах допустимых нормативных отклонений. Следовательно, из ряда возможных факторов разрушения дорожной одежды можно исключить несоблюдение проектной толщины конструктивных слоев дорожной одежды при строительстве.

Последняя задача – определение морозного пучения и набухания грунта решалась в лабораторных условиях. При определении возможности морозного пучения следует понимать, что возникновение значимых сил морозного пучения возможно только при выполнении трех обязательных условий. Во-первых, наличие промерзания грунтов рабочего слоя земляного полотна на глубину более 0,5 м; во-вторых, наличие в рабочем слое земляного полотна пучинистых,

183

Наука и молодежь СГУПСа в третьем тысячелетии

силинопучинистых или чрезмерно пучинистых грунтов; в-третьих, увлажнение грунтов рабочего слоя земляного полотна грунтовыми (за счет капиллярного поднятия) или поверхностными водами.

Согласно нормативным данным, глубина промерзания грунтов в Новосибирской области составляет 220 см, то есть первое условие для возникновения сил морозного пучения выполняется.

Далее в геотехнической лаборатории выполнено определение степени пучинистости грунтов рабочего слоя земляного полотна в соответствии с ГОСТ 28622–2012 (рис. 4)

Рис. 4. Определение степени пучинистости грунтов рабочего слоя земляного полотна:

а– образец в морозильной камере;

б– измерение высоты образца после испытания

Результаты испытания показали, что степень пучинистости грунта рабочего слоя земляного полотна составила 11,5 %. В соответствии с СП 34.13330.2012 грунт рабочего слоя земляного полотна можно классифицировать как чрезмерно пучинистый. Следовательно, второе условие для возникновения сил морозного выполняется.

Третье условие – увлажнение грунтов рабочего слоя земляного полотна грунтовыми (за счет капиллярного поднятия) или поверхностными водами, сводится только к последним, поскольку глубина залегания грунтовых вод на обследуемом участке составляет более 4 м, что исключает увлажнение грунта земляного полотна подземными водами. Поэтому схема увлажнения земляного полотна сво-

184

Сборник научных статей аспирантов и аспирантов-стажеров

дится только к увлажнению поверхностными водами. Для подтверждения этого факта проведена георадиолокационная съемка, с использованием георадара «Око-2» (рис. 5).

Рис. 5. Применение георадара «Око-2» на исследуемом участке

В соответствии с нормативными требованиями поверхностные воды должны отводиться с автомобильной дороги за счет поперечных уклонов гидроизолирующего (асфальтобетонного) покрытия и поверхности рабочего слоя земляного полотна. Однако для эксплуатируемых автомобильных дорог характерно нарушение поперечных уклонов рабочего слоя земляного полотна. Отсутствие на большей части обследуемого участка конструктивов, регулирующих водный режим земляного полотна (гидроизоляция обочин и дренаж), способствует доступу поверхностных вод с покрытия в зону обочин и кромки проезжей части. За счет капиллярного водонасыщения и нарушенного поперечного профиля происходит водонасыщение рабочего слоя земляного полотна под проезжей частью обследуемой автомобильной дороги.

На рис. 6 представлены результаты георадиолокационной съемки.

По результатам съемки на участках без деформаций дорожных одежд установлено наличие аномальных (обводненных) зон в районе кромки проезжей части и обочин. После начала деформаций гидроизоляционное (асфальтобетонное) покрытие разрушается и происходит дополнительное обводнение рабочего слоя земляного полотна через проломы в дорожной одежде, эта зона хорошо видна на рис. 6, б. Следовательно, выполняются все три условия необходимых для возникновения сил морозного пучения.

185

Наука и молодежь СГУПСа в третьем тысячелетии

Рис. 6. Георадиолокационный профиль:

а– с обводненной зоной в районе кромок;

б– с обводненной зоной в районе оси

При соблюдении трех перечисленных выше условий, на исследуемой автомобильной дороге «Инская – Барышево» происходит разрушение дорожной одежды силами морозного пучения. При промерзании конструкция дорожной одежды и земляного полотна взбугривается за счет льдообразования в водонасыщенных грунтах. При этом, за счет направления промерзания сверху-вниз, происходит миграция капиллярной воды из нижней зоны водонасыщения вверх к слоям дорожной одежды, а также дополнительное льдообразование. Покрытие дорожной одежды теряет ровность и растрескивается. В период оттаивания грунт под дорожной одеждой переходит в текучее состояние (за счет исходного водонасыщения и миграции воды при промерзании), и при проезде автомобилей образуются проломы.

Поскольку большинство деформаций образовалось после холодного периода года, силы морозного пучения являются основной причиной большинства разрушений на данном участке автомобильной дороги.

186

Сборник научных статей аспирантов и аспирантов-стажеров

Так как определенная часть деформаций дорожной одежды наблюдалась в летний период, то определена возможность набухания и разуплотнения грунта рабочего слоя земляного полотна.

Вобщем случае набухание грунтов в рабочем слое земляного полотна происходит при выполнении двух обязательных условий: увлажнение грунтов земляного полотна, как уже установлено ранее, поверхностными водами; наличие в рабочем слое земляного полотна средне- и сильно набухающих грунтов.

Для проверки второго условия в геотехнической лаборатории выполнено определение степени набухания грунтов рабочего слоя земляного полотна в соответствии с ГОСТ 24143–80.

По результатам испытания степень набухания грунтов рабочего слоя земляного полотна составила 0,13. По СП 34.13330.2012 грунт можно классифицировать как сильнонабухающий.

При соблюдении двух перечисленных выше условий, на исследуемом участке автомобильной дороге происходит набухание и как следствие водонасыщение и разуплотнение грунтов рабочего слоя земляного полотна. При этом водонасыщенный грунт рабочего слоя земляного полотна с плотностью ниже нормативной теряет несущую способность, и дорожная одежда разрушается под воздействием транспорта.

Всвязи с тем, что только незначительная часть деформаций образовалась в теплый период года, водонасыщение, набухание и разуплотнение грунтов является дополнительной (второстепенной) причиной разрушений отремонтированного участка автомобильной дороги.

По результатам проведенных исследований установлено, что причинами разрушения участка автомобильной дороги «Инская– Барышево» Новосибирской области являются:

1. Действие сил морозного пучения (основная причина).

2. Водонасыщение, набухание и разуплотнение грунтов рабочего слоя земляного полотна в теплый период года (второстепенная причина).

На основании полученных результатов рекомендуется:

1. Произвести капитальный ремонт участка автомобильной дороги «Инская – Барышево» с заменой грунтов рабочего слоя земляного полотна на непучинистые и ненабухающие грунты.

187

Наука и молодежь СГУПСа в третьем тысячелетии

2. Отказаться от практики назначения степени пучинитости грунта рабочего слоя земляного полотна по таблицам СП 34.13330.2012 и проводить лабораторные испытания в рамках инженерных изысканий, по крайней мере, для Новосибирской области.

3. В дополнение к требованиям СП 34.13330.2012 степень набухания грунтов рабочего слоя земляного полотна необходимо учитывать не только в IV и в V дорожно-климатических зонах, но и в III, к которой относится и Новосибирская область.

Научный руководитель канд. техн. наук Д.А. Разуваев

М.М. Шакиртов

(аспирант кафедры «Строительная механика»)

Зависимость параметров пластической зоны от пластической жесткости материала

Диаграмма растяжения конструкционных сталей и может быть условно разделена на упругий участок, площадку текучести, участок упрочнения и область разрушения. При этом обычно нормальной работе строительных конструкций соответствует участок упругой работы, и при расчете этих сооружений расчетное сопротивление определяется по пределу текучести – или условному пределу текучести [1]. Однако реальные элементы конструкций содержат микро- и макро повреждения, а также несплошности материала, причем последние неизбежно возникают на стадии изготовления. Эти нарушения сплошности являются концентраторами напряжений, то есть областями конструкции, где напряжения значительно превышают номинальные напряжения, определяемые по формулам сопротивления материалов [2], [3]. При этом при границе несплошности зачастую формируется область упругопластического деформирования. Если конструкция подвергается повторно-перемен- ному нагружению, эти области становятся местами зарождения усталостных трещин [4]. Для определения параметров пластических зон (их размеров, распределение напряжений и деформаций) применяют асимптотические формулы механики разрушения [5] и модель Дагдейла [6]. Первая из них применяется для случая малой

188

Сборник научных статей аспирантов и аспирантов-стажеров

пластичности, так как не учитывает изменения характера работы материала при наступлении пластичности. Вторая, напротив, учитывает только пластическую работу материала. Кроме того, имеются результаты современных исследований, таких как [7], где отслеживается напряженное состояние при вершине выреза при циклическом нагружении и [8], где определяется размер пластической зоны для одного определенного материала. В настоящей работе исследуются форма пластической зоны и распределение напряжений вблизи выреза для материалов с различными значениями тангенциального модуля – от нуля, что соответствует идеальной пластичности до модуля Юнга, что соответствует упругой работе.

Постановка задачи. Рассматривается растяжение пластинки с центральным трещиновидным вырезом, вершина которого очерчена окружностью радиусом ρ = 0,01 мм, находящейся в условиях плоского напряженного состояния. Для задания уровня нагружения применены результаты работ [9], [10]. В ней для оценки глубины пластического деформирования применена величина приведенных пластических деформаций

где – относительные деформации при вершине трещины в напрявлении, нормальном к ее оси; т – деформации, соответствующие пре-

делу текучести.

Значения меньшие пяти соответствуют малой пластичности, а значения от 10 и выше – значительной пластичности.

В настоящей работе, так как уровень нагружения существенно влияет на параметры пластических зон, необходимо учесть оба этих случая. Для этого выполнен ряд загружений модели, приведенной на рис. 1, различными вариантами внешней нагрузки σ∞. По результатам этих расчетов найдено, что случай малой пластичности соответствует σ∞ = 6 МПа, второму случаю – σ∞ = 14 МПа. Все дальнейшие расчеты произведены с двумя указанными вариантами приложения нагрузки.

189

Наука и молодежь СГУПСа в третьем тысячелетии

Рис. 1. Модель пластинки с центральным трещиновидным вырезом

Диаграмма растяжения металлического материала не описывается одним аналитическим уравнением. По этой причине существует несколько вариантов ее математической аппроксимации [10]. В настоящей работе будет применена билинейная аппроксимация. Метод заключается в задании всей кривой деформирования в виде ломаной из двух звеньев: первое соответствует участку упругости и имеет тангенс угла наклона, равный модулю Юнга. Второй участок характеризует поведение материала за пределом текучести. Угол наклона этого участка называется тангенциальным модулем Ет. Проведена подобная аппроксимация диаграммы растяжения для стали 45 и расчеты параметров пластической зоны при значениях секущего модуля от нуля (идеальная пластичность) до модуля Юнга (идеальная упругость), включая и реальный секущий модуль для этой стали. Модель диаграммы растяжения приведена на рис. 2. Реальной диаграмме растяжения соответствует Ет = 1540 МПа.

Рис. 2. Модель диаграммы растяжения материала образца

190