книги / Совершенствование метода вибродиагностики технического состояния элементов дорожных конструкций и кольцевых стендов

Для определения величины Еср необходимо знать границы расчетного периода. Эти границы в общем виде определяют следующим условием:

где Ет – максимальный модуль упругости дорожной конструкции, при котором еще требуется учет воздействия фактического движения на дороге, МПа; Етр – требуемый по условиям движения модуль упругости дорожной конструкции, определяемый с использованием формул, учитывающих снижение несущей способности конструкций по времени; Nф – приведенная к расчетному автомобилю фактическая интенсивность движения на полосу на момент проведения полевых испытаний, авт/сут.

Описанный метод не позволяет достаточно точно определить модуль упругости дорожной конструкции, так как определяет некий средний модуль в рамках расчетного периода. Кроме того, зависимость величины среднего модуля упругости от типов покрытия, расчетной нагрузки, а также грунтовогидрологических и погодно-климатических факторов учитывается введением в формулу (1.14) эмпирических коэффициентов

Аи B.

Вдорожных организациях наиболее распространен длиннобазовый рычажный прогибомер модели КП-204. Основным недостатком статических методов исследования прочности дороги является недостаточная точность и производительность измерений и расчетов, а также невозможность получения оценки способности конструкции воспринимать динамическую нагрузку. Приведение статических модулей упругости к динамическим с использованием коэффициента динамичности является недостаточно точным методом, так как на автомобильной дороге может присутствовать существенное динамическое воздействие от проезжающего транспорта на неровном покрытии. Описанные методы оценивают модуль упругости при прило-

51

жении на конструкцию нагрузки, имеющей весьма продолжительное время воздействия, которое связано с реологическими характеристиками материалов слоев дороги и основания. Данная особенность не позволяет объективно оценить состояние дорожной конструкции. По получаемым в ходе использования статических методов характеристикам модуля упругости и прогибу дорожного покрытия невозможно оценить причины изменения состояния конструкции, также невозможен полноценный прогноз изменения состояния.

1.8. Динамические методы оценки технического состояния автомобильных дорог

Дорожная одежда в процессе эксплуатации на перегонах подвержена, главным образом, воздействию динамических нагрузок от движущихся автомобилей. На остановках и пересечениях на одном уровне с автомобильными и железными дорогами характерно статическое, ограниченное несколькими минутами действие нагрузок и действие автомобилей, движущихся с малой скоростью; на стоянках происходит статическое действие нагрузок, как правило, более 10 мин, а нередко в течение ряда часов [16].

Методы, основанные на динамическом воздействии, используют кратковременную нагрузку (удар, вибрация) с последующим измерением упругого прогиба покрытия, при этом определяется так называемый общий динамический модуль упругости.

Динамическое нагружение можно производить падающим грузом (установки динамического нагружения), генератором колебаний (различные вибраторы) и колесом движущегося автомобиля. Установки, базирующиеся на использовании движущейся нагрузки – колеса автомобиля, обычно представляют собой тяжелую раму со смонтированной на ней измерительной аппаратурой.

52

Данный вид установок является достаточно производительным, так как измерение чаши прогиба возможно на скоростях до 70 км/ч, но имеет сложную измерительную аппаратуру. Современные установки, как правило, используют лазерные датчики, которые сканируют профиль дороги до нагружения и во время нагружения. Сравнивая полученные формы профиля, можно рассчитать прогиб поверхности.

Существуют ударные установки с жестким и гибким штампом (рис. 1.16). Установки динамического нагружения с жестким штампом снабжены подвижным грузом 1, при сбрасывании которого на амортизатор 2 в виде стальной пружины или прокладки из упругого материала (например, специальная резина) возникает динамическое усилие, которое через круглый штамп 3, равновеликий отпечатку колеса расчетного автомобиля, воздействует на дорожную одежду [16].

Рис. 1.16. Принципиальная схема установок динамического нагружения: а – установка с жестким штампом; б – установка с гибким штампом

Величину среднего удельного давления р под жестким штампом диаметром D для данного динамического усилия θ вычисляют при расчете фактического модуля упругости Еф по формуле

53

где θ принимают в кН, D – в м.

В установках динамического нагружения с гибким штампом подвижный груз 1 при своем падении на амортизатор 2 передает динамическое усилие дорожной одежде через траверсу 3 и пневматическое колесо 4, которое одновременно играет роль и основного амортизатора, и гибкого штампа.

Величину диаметра круга D (м), равновеликого отпечатку колеса при удельном давлении воздуха в шинах рш, динамической нагрузке θ, для расчета фактического модуля упругости по результатам испытаний установкой динамического нагружения с гибким штампом вычисляют, используя зависимость

В процессе расчета по формуле (1.18) следует принимать размерность θ в кН, рш – в МПа.

Для измерения вертикальных перемещений (прогибов) дорожной одежды при испытаниях установками динамического нагружения применяют различные датчики инерционного типа с фиксацией величины прогиба на магнитной или бумажной ленте, фотопленке и др. Возможно применение цифропечатающего устройства, позволяющего непосредственно в процессе испытаний выдавать на бумаге отпечатанные величины упругих прогибов либо вычисленных по их величине модулей упругости. Применение магнитной ленты позволяет передавать результаты испытаний непосредственно на ЭВМ для их дальнейшей обработки [16].

Современные установки динамического нагружения работают в автоматическом или полуавтоматическом режиме, что обеспечивает их высокую производительность. Динамическая

54

(кратковременная) нагрузка в наибольшей степени соответствует воздействию на дорожную одежду колеса движущегося на перегоне автомобиля. Особенно это относится к установкам динамического нагружения с гибким штампом (например, УДН-НК).

Модуль упругости дорожной одежды, определенный в результате испытаний установками динамического нагружения, является динамическим (Ед), и при оценке прочности дорожной одежды его следует сопоставлять с общим расчетным модулем (Етр.р), вычисленным исходя из требуемого динамического модуля упругости (Етр.д).

При испытаниях дорожной одежды колесом движущегося автомобиля осложнено измерение прогиба одежды, поэтому большинство из таких установок для получения необходимых результатов должны двигаться со скоростью 2–5 км/ч, что не соответствует распространенным скоростям движения автомобилей на перегоне. Установленные в этом случае модули упругости дорожной одежды можно характеризовать как модули при малой скорости нагружения (Еос), и их следует сопоставлять с общим расчетным модулем (Етр.р1), вычисленным на основе требуемого модуля при малой скорости нагружения

(Етр.ос1).

Наиболее распространенная в дорожных организациях передвижная лаборатория модели КП-502 МП (рис. 1.17) [ВСН 52–89] состоит из комплекта приборов и оборудования для испытания дорожных одежд методами статического и кратковременного нагружения (установка динамического нагружения УДН-НК, длиннобазный прогибомер модели КП-204, прибор для измерения расстояния КП-203, переносные гидравлические весы модели KП-205 и др.).

ФГУП СНПЦ «Росдортех» разработана и изготовлена автоматизированная установка динамического нагружения «Ди- на-3М» (входит в состав передвижной диагностической лабо-

ратории КП-514 МП, рис. 1.18) [40].

55

Рис. 1.18. Установка «ДИНА-3М»

57

нимается на высоту до 510 мм груз массой 160 кг с пружиной, играющей роль демпфера, и сбрасывается. В момент удара груза о металлический штамп измеряется упругий прогиб дорожной одежды в диапазоне от 0,1 до 3 мм с погрешностью: при значениях прогиба от 0,1 до 1 мм ±10 %; при значениях прогиба от 1 до 3 мм ±3 %. Вся система моделирует динамическое воздействие заднего колеса движущегося грузового автомобиля с нагрузкой 5 тс на покрытие дороги. При использовании установки динамического нагружения в составе передвижной лаборатории она оснащается модулем связи с бортовым вычислительным комплексом.

В Европе используется лаборатория диагностики и оценки прочности дорожных одежд Шведской национальной дорожной администрации (RWD), известная как «Дефлектограф FLASH RWD» (рис. 1.19), который обеспечивает измерение прогиба покрытия между спаренными колесами заднего моста движущегося нагруженного тягача с помощью контактных датчиков.

Рис. 1.19. Дефлектограф RWD

Измерения производятся путем механической установки датчиков на поверхность дорожного покрытия с последующим перемещением их в новую точку измерения, что снижает надежность и точность измерений, особенно в условиях неудов-

58

летворительного состояния поверхности существующей сети дорог. Скорость движения при измерениях от 3 до 8 км/ч [16].

Основной вариант RWD-установки оценки прочности с нагружением дорожного полотна движущимся колесом представляет собой четырнадцатиметровый нагруженный полуприцеп с измерительным оборудованием, включающим контрольный и измерительный лазерные сканеры дорожной поверхности, мощный источник питания и портативный компьютер. Установка определяет параметры чаши прогиба покрытия путем сравнения профиля дорожного покрытия до и во время нагружения задним колесом полуприцепа.

RWD-установки подобного типа производительны, но чрезвычайно сложны в изготовлении и юстировке лазерных сканеров, имеют повышенное энергопотребление и, соответственно, высокую стоимость. Существенным недостатком подобных систем является их затруднительное использование на участках дорог, имеющих дефекты покрытия, так как они вносят значительные погрешности в измерения.

В России существует аналог шведской лаборатории. Специалистами ФГУП СНПЦ «Росдортех» в 2001 году разработан метод оценки прочности, который основан на бесконтактном лазерном измерении прогиба с целью обеспечения измерений при квазистатическом и динамическом нагружении. Измерительная система (рис. 1.20) дает возможность уточнения оценки прочности дорожных одежд путем измерения формы чаши прогиба в наиболее характерных точках зоны упругих деформаций. Отличием от RWD являются методы обработки измерительных сигналов и процедура самокалибровки системы.

При разработке метода были рассмотрены четыре варианта измерений прогиба: измерение с помощью стереопары; вариант со слежением контактной точки лазерного луча с помощью вращающегося зеркала; измерение с совмещенными фотоприемниками; измерение с помощью разнесенных датчиков.

59