книги / Совершенствование метода вибродиагностики технического состояния элементов дорожных конструкций и кольцевых стендов
..pdfНаучная новизна работы состоит в следующем:
1.Предложен неразрушающий метод определения технического состояния дороги на основе анализа виброколебаний покрытия, генерируемых проезжающим транспортом.
2.Разработан интегральный диагностический показатель, определяющий техническое состояние дорожной конструкции.
3.Получен алгоритм принятия решения с применением метода нечеткой логики.
Достоверность результатов, содержащихся в данном ис-
следовании, подтверждается теоретическими предпосылками, базирующимися на фундаментальных положениях механики грунтов, адекватностью предложенной методики, подтверждаемой результатами натурных экспериментальных исследований.
11
Глава 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДОВ ДИАГНОСТИКИ И ОЦЕНКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ
1.1.Показатели качества автомобильной дороги
Втехническом нормировании в области дорожного строительства общие характеристики качества автомобильной дороги пригодны для оценки проектных решений или построенного объекта в целом. Что же касается производственного контроля, то здесь необходимы дифференцированные (локальные, единичные) показатели и измерители, которые могут количественно фиксироваться в ходе строительства. Этой цели служат единичные показатели качества (ЕПК). Обеспечение всей суммы конкретных показателей качества гарантирует полное соответствие продукции требованиям стандартов и нормативных документов, возможность инструментального измерения качества, выражения в общепринятых физических единицах.
Современная квалиметрия, т.е. отрасль науки, изучающая
иреализующая методы количественной оценки качества продукции, позволяет теоретически обосновать состав единичных показателей качества и требования к их уровню. В строительстве пользуются составом и уровнем единичных показателей, установленных нормативными документами. В особых случаях при индивидуальном проектировании контролируемые ЕПК приводятся в проектной документации.
Свойства автомобильной дороги как инженерного сооружения специального назначения отражаются в ЕПК, структура которых определяется их характером и способом измерений (рис. 1.1). В СНиП 3.06.03–85 «Автомобильные дороги» включены 23 единичных показателя качества, измеряемых инструментально, и около 20 требований альтернативного характера. Причем для земляного полотна они являются общими, для
12
Рис. 1.1. Структура измерений при производственном контроле
оснований и покрытий дифференцируются по видам материа-
лов [34, 35].
ЕПК должны полностью характеризовать основные параметры продукции данного производственного этапа по всем технологическим процессам. В то же время число фиксируемых ЕПК должно быть минимальным, чтобы контроль не был чрезмерно трудоемким и не требовал громоздкого оформления.
1.2. Процесс деформирования дорожной конструкции под воздействием автомобилей и природных факторов
Под деформацией понимают изменение размеров или формы тела без уменьшения его массы и потери сплошности, а разрушение – изменение размеров и формы тела с изменением (уменьшением) его массы или с потерей сплошности. Под совместным воздействием многократно повторяющихся нагрузок от автомобилей и природных факторов в дорожной конструкции возникают напряжения и деформации, которые, постепенно накапливаясь, могут привести к накоплению поврежденностей и к ее разрушению. При деформациях и разрушениях земляного полотна неизбежно деформируется и разрушается дорожная одежда. На правильно спроектированной,
13
построенной и эксплуатируемой автомобильной дороге не должно быть разрушений (кроме износа покрытия), но могут возникать деформации в допустимых пределах под влиянием эксплуатационных и природно-климатических факторов, проектных и строительных отклонениях от нормативной документации [37].
Воздействие автомобилей на дорожную одежду – главная причина ее деформаций и разрушений. При движении по горизонтальному участку с ровной поверхностью колеса автомобилей передают на дорожную конструкцию вертикальные (нормальные) и горизонтальные (касательные) усилия. При ровном покрытии дорожные одежды испытывают давление колес как кратковременную статическую нагрузку. Продолжительность ее действия колеблется от 0,01 до 0,5 с в зависимости от скорости транспортного средства. При высоких значениях интенсивности и скорости движения автомобилей нагрузки от колес грузовых автомобилей могут повторяться через каждые 1,5–6 с.
На неровной поверхности давление колес на дорожное покрытие то возрастает по сравнению со статическим, то убывает. Отношение напряжения, вызванного динамическим действием нагрузки, к напряжению, вызванному статическим действием той же нагрузки, называют коэффициентом динамичности нагрузки. При движении по ровному покрытию коэффициент динамичности не выходит за пределы 1,15. На неровной проезжей части с повышением скорости до 80 км/ч этот коэффициент возрастает до 3, при дальнейшем росте скорости остается почти постоянным. Характер нагружения дорожной одежды зависит от интервалов действия нагрузки. Особенно большое влияние оказывает состав транспортного потока, а именно доля в нем тяжелых автомобилей.
Для оценки разрушающего действия автомобилей с различной осевой нагрузкой профессор Б.С. Радовский предложил формулу суммарного коэффициента приведения [31]
14
m |
|
Kсумм = ∑(Gi / Gp )4,4 , |
(1.1) |
i=1
где m – число осей; Gi – нагрузка на ось; Gp – расчетная нагрузка на ось.
Например, установлено, что проезд одного автомобиля МАЗ-500А с осевой нагрузкой 100 кН равноценен 5,2 проезда автомобиля ЗИЛ-130 с осевой нагрузкой 70 кН.
1.3. Анализ изменения напряженно-деформированного состояния дорожных конструкций
и процесса их разрушения
Под нагрузкой от колес транспортного средства дорожная одежда прогибается, затем постепенно восстанавливается (рис. 1.2, а). Прогиб от колеса тяжелого грузового автомобиля распространяется во все стороны, образуя чашу прогиба радиусом до 3–4 м, которая перемещается по ходу движения автомобиля. Чаши прогиба частично перекрывают друг друга, охватывая всю ширину полосы движения. При этом в слоях
а |
б |
Рис. 1.2. Схема образования чаши прогиба и разрушения нежестких дорожных одежд: 1 – колесо; 2 – прогиб дорожной одежды; 3 – сжатие шины; 4 – дорожная одежда; 5 – земляное полотно; 6 – чаша прогиба; 7 – зоны растяжения и трещины; 8 – выпирание грунта; 9 – направление сжатия
15
одежды возникают напряжения сжатия, растяжения, изгиба и сдвига (рис. 1.2, б). Чрезмерные напряжения от транспортных нагрузок приводят к возникновению остаточных деформа-
ций [12, 13, 19].
Напряженно-деформированное состояние дорожных одежд зависит от их конструктивных особенностей, структуры и свойств материалов, прочности грунта, земельного полотна, загруженности дороги. Например, слои одежды имеют структуру контактно-коагуляционного или кристаллизационного типов.
При структуре контактного типа, характерной для слоев из щебня, гравия и песка, минеральные частицы взаимодействуют непосредственно. Такие слои не обладают вязкостью и практически не проявляют вязких свойств.
При структуре коагуляционного типа минеральные частицы покрыты пленками воды и органического вяжущего. К таким материалам относятся грунты, связанные и укрепленные органическим вяжущим, битумоминеральными смесями, и асфальтобетон. Материалы, обработанные органическим вяжущим, отличаются повышенной вязкостью и под действием нагрузки проявляют как упругие, так и вязкие свойства.
Кристаллизационный тип структуры характерен для цементобетонов, каменных материалов и грунтов, укрепленных цементом и другими минеральными вяжущими. Связь между частицами материала осуществляется через спайки, образованные кристаллами вяжущего. Для таких материалов характерна повышенная жесткость и прочность, упругие свойства выражены достаточно четко. Для слоев одежды из монолитных материалов наиболее опасны растягивающие напряжения, возникающие в слое при изгибе, а для слабосвязных материалов (зернистых) – напряжения сдвига (касательные).
Для слоев и покрытий с контактным типом структуры наиболее характерны просадки за счет доуплотнения и дезинтеграции фракций, истирания, а на покрытиях – волнистость,
16
PNRPU
выбоины, износ. При каждом прогибе дорожной одежды отдельные зерна каменных материалов истираются, раскалываются, размельчаются. Для частиц мельче 0,07 мм, образующихся при размельчении щебня, может наблюдаться капиллярное поднятие и длительное удержание воды. Превращаясь во влажную пластическую массу между твердыми зернами, мелкие частицы вместе с водой облегчают перемещение зерен, увеличивая размеры прогиба одежды под колесами автомобилей и ускоряя дальнейшее измельчение материалов. При этом повышается суммарная поверхность зерен и вяжущего становится недостаточно.
Кроме того, происходит старение вяжущего, покрытие становится более жестким. Сначала образуются волосные, затем более широкие трещины, в которые проникает вода, замерзающая зимой, и покрытие постепенно разрушается. Для слоев
скоагуляционным типом структуры характерны усталостные и температурные трещины, деформации в виде сдвигов и наплывов. Физико-механические свойства материалов, обработанных битумом, определяются особенностями связей, возникающих между отдельными зернами, и зависят от свойств битума, толщины его пленки, а со временем – от изменения его химического состава.
При старении материала типа асфальтобетона под действием воды и кислорода воздуха выявляются три стадии
(рис. 1.3) [12, 31].
На первой стадии длительное время нарастает прочность, водоустойчивость, уменьшаются деформативные свойства материала. Это происходит за счет уменьшения количества масел, увеличения смол, особенно асфальтенов, повышения вязкости и когезии битума в результате взаимодействия битума
сминеральным материалом.
На второй стадии старения снижаются водо- и морозоустойчивость битумоминерального материала без заметного изменения прочности.
17
Рис. 1.3. Влияние старения битума на долговечность покрытия: 1 – изменение когезионной прочности битума; 2 – изменение прочности покрытия; K, С – точки резкого падения прочности
Третья стадия сопровождается резким снижением прочности материала, повышением его водонасыщения, набухания и уменьшением водо- и морозоустойчивости. Это приводит к коррозии покрытия, усиленному выкрашиванию минеральных частиц и образованию выбоин и разрушений.
При одном прогибе дорожной одежды, минеральный материал которой обработан органическим вяжущим, эти изменения могут быть бесконечно малыми. Однако за период службы одежды число прогибов измеряется миллионами, поэтому остаточные деформации возрастают. Механизм усталостного разрушения состоит в следующем. Хотя максимальные растягивающие напряжения при проходе одного автомобиля значительно меньше критических, из-за неоднородности материала локальные напряжения могут существенно отклоняться от среднего значения. В местах, где они превышают предел упругости пленок битума, связи рвутся. Повторяющиеся приложения нагрузки приводят к накоплению разорванных связей.
В результате через определенное число циклов приложения нагрузки в нижней части покрытия по полосам наката появляются продольные тонкие трещины, объединяющиеся затем в большие, образуется сетка трещин, которые растут одновременно в двух направлениях – вверх и по длине. При дальней-
18
ших нагружениях трещина проходит сквозь покрытие и становится видимой на поверхности. Разрушение асфальтобетона зависит от скорости нагружения и температуры и может носить как хрупкий, так и вязкий характер. Критическим периодом работы покрытия является весенний, когда в результате снижения прочности грунта земляного полотна прогиб дорожной одежды максимальный, а температура покрытия часто колеблется от 0 до +10 °С.
С повышением скорости автомобилей время действия растягивающего напряжения в покрытии сокращается, вместе с этим уменьшаются повреждения от транспортных средств. Однако это происходит только на ровных покрытиях. При наличии неровностей возникают разрушения из-за динамического воздействия нагрузки. Горизонтальные (тангенциальные) сжимающие и растягивающие напряжения служат причиной пластических деформаций, а также разрушений в верхних слоях дорожной одежды (сдвигов, волн, наплывов и поперечных трещин по следам наката).
Такие деформации особенно часты на тонких покрытиях – толщиной менее 8 см. При большой толщине покрытий сдвиговые деформации бывают реже, так как напряжения, вызываемые в дорожной конструкции тангенциальными усилиями, приложенными на поверхность покрытия, сравнительно быстро затухают по глубине (рис. 1.4).
Рис. 1.4. Эпюра распределения касательных напряжений по глубине
19
Для слоев и покрытий кристаллизационного типа более характерны восстанавливающие деформации и разрушения (трещины, проломы, шелушение, истирание). В цементобетонных покрытиях напряжения возникают под влиянием нагрузки
итемпературы воздуха. При нагревании и охлаждении покрытие изменяет свои размеры, но из-за трения нижней поверхности покрытия (или основания) о грунт появляются температурные напряжения.
Кним также относят напряжения, возникающие в результате неравномерного распределения температур по толщине покрытия и приводящие к короблению. Температурными условно можно считать также напряжения от неравномерного поднятия покрытия в процессе зимнего вспучивания земляного полотна. Температурные напряжения совместно с напряжениями от нагрузок транспортных средств приводят к образованию и развитию трещин в бетоне.
Рассмотрим деформации и разрушения земляного полотна
иводоотводных сооружений. Для земляного полотна типичны осадки, просадки, пучины и деформации обочин, расползание насыпей, сползание и размыв откосов из несвязных и слабосвязных грунтов (рис. 1.5).
а |
б |
в |
г |
Рис. 1.5. Характерные деформации и разрушения земляного полотна: а – осадка; б – просадка; в – сползание насыпи; г – сползание откоса
Осадки возникают вследствие недостаточного уплотнения или переувлажнения грунтов, особенно часто в местах повышенного увлажнения, при применении недоброкачественных грунтов для высоких насыпей.
Просадки насыпей образуются на участках со слабыми подстилающими грунтами – на болотах, просадочных грунтах
20