На правах рукописи

ЧИРВА ДМИТРИЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

ВЛИЯНИЕ УПРУГО-ВЯЗКО-ПЛАСТИЧНЫХ СВОЙСТВ

АСФАЛЬТОБЕТОНА НА НАКОПЛЕНИЕ ОСТАТОЧНЫХ

ДЕФОРМАЦИЙ ПРИ ПРОСТРАНСТВЕННОМ ДИНАМИЧЕСКОМ

НАГРУЖЕНИИ ДОРОЖНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Специальность 05.23.11 – проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Волгоград

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ростовский государственный строительный университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент Матуа Вахтанг Парменович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Столяров Виктор Васильевич (Саратовский государственный технический университет) кандидат технических наук, доцент Казначеев Сергей Васильевич (Управление автомобильных дорог Администрации Волгоградской области)

Ведущая организация: Северо-Кавказский филиал ОАО «ГИПРОДОРНИИ»

«СЕВКАВГИПРОДОРНИИ»

Защита диссертации состоится « 26 » марта 2010 г. в 10-00 ч в ауд.

Б-203 на заседании диссертационного совета Д 212.026.04 при ГОУ ВПО «Волгоградский архитектурно-строительный университет» по адресу:

400074, г. Волгоград, ул. Академическая, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВолгГАСУ.

Автореферат разослан « 25 » февраля 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Акчурин Т.К.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одной из первоочередных задач дорожной отрасли является сохранение автомобильной дорогой своего транспортноэксплуатационного состояния в течение всего перспективного срока службы.

В процессе эксплуатации автомобильной дороги в результате воздействия природно-климатических факторов и постоянно растущей интенсивности движения, а также скорости и грузоподъемности автотранспортных средств, асфальтобетонные покрытия, даже на правильно запроектированных и построенных с соблюдением всех технологических правил дорогах теряют продольную и поперечную ровность, в них происходит интенсивное накопление пластических деформаций, в результате чего резко усиливается динамическое воздействие от движущихся автомобилей.

Немалая доля остаточных деформаций накапливается непосредственно в верхних слоях асфальтобетонных покрытий и, поскольку, асфальтобетон является наиболее широко применяемым материалом при устройстве покрытий автомобильных дорог, изучению его свойств и поведения при воздействии реальных динамических нагрузок и природно-климатических факторов необходимо уделять большое внимание.

В действующих нормативных документах (ОДН 218.046-01) в расчетах используется осесимметричная модель упругого полупространства, не учитывающая инерционность движущейся массы и осность автомобиля, влияние напряженно-деформированного состояния конечных поперечных размеров автодороги и расположения нагрузки на проезжей части. При этом учет динамических процессов осуществляется с помощью эмпирических коэффициентов, которые зачастую перечеркивают точность расчетных формул при получении конечных результатов.

Цель диссертационной работы:

Разработка методики повышения устойчивости нежестких дорожных одежд к накоплению остаточных деформаций на основе прогнозирования реологического поведения асфальтобетона под воздействием реальных пространственных динамических нагрузок и погодно-климатических факторов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

провести теоретические исследования в области прогнозирования накопления остаточных деформаций в слоях дорожных конструкций с учетом пространственных динамических нагрузок;

- разработать конструкцию прибора для лабораторных исследований ползучести асфальтобетона;

- исследовать кинетику накопления остаточных деформаций асфальтобетона под воздействием различных нагрузок и температур;

- провести теоретическое обоснование учета изменения коэффициента Пуассона асфальтобетона при расчете нежестких дорожных одежд;

- выполнить экспериментальные исследования по уточнению изменения коэффициента Пуассона асфальтобетона под действием различных температур;

- разработать механико-математическую модель, позволяющую прогнозировать накопление остаточных деформаций в асфальтобетонных покрытиях в реальных условиях их эксплуатации;

- создать наблюдательные станции на экспериментальных участках автомобильных дорог по исследованию накоплению остаточных деформаций в элементах дорожных конструкций;

- разработать методику повышения устойчивости дорожных конструкций по критерию минимума накопления остаточных деформаций в асфальтобетонных покрытиях.

Научная новизна работы:

- обоснована необходимость проведения экспериментальных исследований ползучести асфальтобетонов различных типов и марок и учета изменения коэффициента Пуассона асфальтобетона под действием различных температур при проектировании нежестких дорожных одежд;

- предложена механико-математическая модель с достаточной точностью и достоверностью описывающая работу дорожной конструкции в реальных условиях эксплуатации и учитывающая такие факторы, как инерционность подвижного состава и дорожной конструкции, переменную во времени интенсивность грузопотока, скорость движения транспортных средств и расположение движущихся автомобилей на проезжей части, влияние переменных во времени температурно-влажностных факторов, а также эффекты старения материалов, изменение характеристик и геометрических параметров дорожной конструкции вследствие ее неравномерного деформирования;

- разработана методика прогнозирования и учета накопления остаточных деформаций в конструктивных слоях дорожных одежд и грунте земляного полотна под воздействием пространственных динамических нагрузок и погодно-климатических факторов.

Достоверность исследований, научных положений и выводов, содержащихся в работе, обеспечивается применением комплексной методики исследований, использованием современного приборного обеспечения и подтверждается соответствием результатов численных и натурных экспериментов.

На защиту выносятся:

- комплекс теоретических и экспериментальных исследований влияния реальных динамических нагрузок и погодно-климатических факторов на напряженно-деформированное состояние асфальтобетонных покрытий;

упруговязкопластичные свойства дорожно-строительных материалов и позволяющая прогнозировать накопление остаточных деформаций в элементах дорожных конструкций в реальных условиях их эксплуатации;

- результаты исследований ползучести различных типов асфальтобетона под воздействием различных нагрузок и температур;

- результаты исследования зависимости скорости и доли накопления остаточных деформаций в составе полных деформаций;

- результаты исследования влияния различных нагрузок и температур на изменение коэффициента Пуассона асфальтобетона.

Практическое значение работы:

- разработана механико-математическая модель для анализа напряженно-деформированного состояния дорожной конструкции при воздействии реальных динамических нагрузок и погодно-климатических факторов;

- разработана экспериментальная установка для получения значений скорости накопления остаточных деформаций, а также изменения коэффициента Пуассона асфальтобетона при воздействии различных нагрузок и температур;

- получены зависимости скорости накопления остаточных деформаций, доли остаточных деформаций в составе полных и изменения коэффициента Пуассона при воздействии различных нагрузок и температур;

- разработан программный комплекс «Прогнозирование и учет накопления остаточных деформаций при проектировании нежестких дорожных одежд», позволяющий учитывать такие факторы, как инерционность подвижного состава и дорожной конструкции, переменную во времени (в течение года и суток) интенсивность грузопотока, скорость движения транспортных средств и расположение движущихся автомобилей на проезжей части, влияние переменных во времени температурновлажностных факторов, эффекты старения материалов и т.д.

Реализация работы. Разработанная методика прогнозирования накопления остаточных деформаций в элементах дорожных конструкций применена при реконструкции автомагистрали М4 «ДОН» на участке км982+000-км1000+000, капитальном ремонте автомобильных дорог Ставропольского края «Сенгилеевское-Новотроицкая» и «Греческое-Мин.

Воды», а также в учебном процессе при курсовом проектировании по дисциплине «Технология и организация сроительства автомобильных дорог»

по кафедре «Автомобильные дороги» РГСУ.

Апробация работы. Положения работы доложены и обсуждались на международных научно-практических конференциях «Строительство 2004», «Строительство 2005», «Строительство 2006», «Строительство 2007»

(Ростов-на-Дону, 2004, 2005, 2006, 2007), «Пути совершенствования системы управления, финансирования и нормативно-технической базы дорожной отрасли» (Астана-Алматы, 2004), «Современные технологии и материалы в дорожном хозяйстве» (Харьков, 2006), Всероссийских научно-практических конференциях «Проблемы проектирования, строительства и эксплуатации автомобильных дорог. Охрана окружающей среды» (Пермь, 2005), «Проблемы проектирования, строительства эксплуатации транспортных сооружений» (Омск, 2006).

Публикации. По теме диссертационных исследований опубликовано печатных работ, в том числе 2 патента на изобретения.

Объем. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка литературы из 166 источников, в том числе иностранных и приложений. Работа изложена на 240 страницах машинописного текста, содержит 12 таблиц и 99 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследований, направленных на совершенствование методики проектирования и расчета дорожных одежд нежесткого типа, основанной на численных методах решения нелинейных наследственных задач статики и динамики строительных конструкций, а также экспериментальных данных о реологическом поведении материалов конструктивных слоев дорожных одежд. Сформулирована цель и задачи исследования.

В первой главе детально рассмотрены многочисленные факторы, влияющие на накопление неравномерно распределенных необратимых (остаточных) деформаций в конструктивных слоях дорожных одежд, проведен краткий обзор и анализ литературных источников, посвященных изучению реологических свойств различных асфальтобетонов, и выделены характерные для асфальтобетона особенности поведения под воздействием различных внешних факторов.

Как показывают многочисленные исследования целого ряда ученых, как у нас в стране, так и за рубежом, по причине сложности структуры асфальтобетон резко меняет свои свойства в зависимости от температуры.

При положительных температурах асфальтобетон обладает свойствами вязкопластичного материала, а при отрицательных упругого. Изменение температуры существенно влияет на деформационные свойства асфальтобетона, которыми в основном и определяется его работоспособность в дорожном покрытии.

Фактически же асфальтобетон является упруго-вязко-пластичным материалом. В зависимости от состояния и условий деформирования в нем могут проявляться или преимущественно упругие свойства или главным образом вязкопластические. Таким образом, в большинстве случаев в асфальтобетоне одновременно или почти одновременно проявляется совокупность указанных свойств.

В напряженно-деформированном состоянии асфальтобетон проявляет ряд сложных свойств: упругость, пластичность, ползучесть, релаксацию напряжений, изменение прочно сти в зависимо сти от скоро сти деформирования, накопление деформаций при многократных приложениях нагрузки и т. д. В зависимости от проявления тех или иных свойств к асфальтобетону применимы законы, вытекающие из теории упругости или теории пластичности (теории ползучести).

Опытами установлено, что деформация ползучести различных материалов, как например, бетона и асфальтобетона, зачастую может превосходить упругую в два-три раза. Поэтому существующий метод расчета дорожной одежды по упругому состоянию может представить истинную картину напряжений в ней лишь отчасти.

На протяжении многих лет ряд авторов, как в нашей стране, так и за рубежом занимались исследованием реологических свойств дорожност роительных материа лов, в частно сти изучением ползуче сти асфальтобетона, занимались Богуславский А.М., Богуславский Л.А., Бурмистер Д., Васильев А.П., Гезенцвей Л.Б., Горелышев Н.В., Кирюхин Г.Н., Коганзон М.С., Корсунский М.Б., Радовский Б.С., Руденский А.В., Телтаев Б.Б., и др., а также Brown S.F., Burmister D.M., Burrage K., Butcher J.C., Cavendish J.C., Crank J., Davenport C.C., Grosshans D., Kreiss H.O., Monismith C.L.

и др. Исследованиями этих авторов установлено, что поведение асфальтобетонного покрытия в условиях эксплуатации дороги лучше характеризовать не конечной величиной общей деформации, полученной при испытании материала, а динамикой развития этой деформации.

В работе рассмотрены режимы загружения, применяемые при испытаниях асфальтобетонов, а также методы прогнозирования и оценки устойчивости к колееобразованию слоев покрытий из битумоминеральных материалов, применяемые как у нас в стране, так и за рубежом. И, не смотря на большое разнообразие подобного рода методов, ни один из них, будь то численные методы с применением механико-математических моделей или экспериментальные методы с применением статических или динамических нагрузок с имитацией колесного воздействия движущегося транспорта, не в состоянии адекватно отразить реальное напряженно-деформированное состояние дорожной конструкции.

Во второй главе рассмотрена механико-математическая модель прогнозирования накопления остаточных деформаций на основе реологической модели вязкого течения Шведова-Бингама базовые соотношения которых распространены на случай пространственной задачи.

При этом в общем виде:

& A q + # = 0, геометрические уравнения &! = D# + T# " физические соотношения Откуда уравнения равновесия фрагмента среды в матричной форме в перемещениях позволяют получить уравнения в форме МКЭ для статической задачи Разработкой механико-математических моделей, описывающих реальную работу асфальтобетона и всей дорожной конструкции, в разное время занимался ряд авторов, как в нашей стране, так и за рубежом. Следует отметить, прежде всего, значительный вклад в решение данного вопроса профессоров А.П. Васильева, Ю.М. Васильева, Д.Б. Вольпер, Л.Б. Гезенцвея, И.В. Горелышева, В.А. Золотарева, В.Д. Казарновского, М.С. Коганзона, Б.С.

Радовского, И.А. Рыбьева, А.В. Смирнова, Ю.М. Яковлева и др. Однако в их исследованиях задачи решаются в вязкоупругой постановке, не позволяющей прогнозировать и учитывать процесс накопления необратимых, остаточных деформаций в исследуемых системах.

Предложенная же в работе механико-математическая модель рассматривает работу материалов конструктивных слоев дорожных одежд в упруго-вязко-пластической постановке и способна учитывать такие факторы, как инерционность подвижного состава и дорожной конструкции, переменную во времени (в течение года и суток) интенсивность грузопотока, скорость движения транспортных средств и расположение движущихся автомобилей на проезжей части, влияние переменных во времени температурно-влажностных факторов, а также эффекты старения материалов, изменение характеристик и геометрических параметров дорожной конструкции вследствие ее неравномерного деформирования.

В работе использован наиболее популярный при решении плоских и пространственных задач теории упругости и пластичности метод конечных элементов (МКЭ) в форме метода перемещений, позволяющий рассматривать области со сложной топологией при различных граничных условиях.

Для решения пространственных задач движения автотранспортных средств, описываемых уравнениями типа Мещерского, использованы явные, безусловно устойчивые схемы прямого интегрирования.

Вектор-функция узловых перемещений Глобальная матрица масс ансамбля элементов Глобальная матрица демпфирования (вязкости) системы Глобальная матрица жесткости ансамбля элементов Применение данного уравнения позволяет рассматривать задачи о динамическом воздействии движущихся транспортных средств на дорожную конструкцию в пространственной постановке.

Реализация предложенной механико-математиче ской модели осуществляется при помощи разработанного в ДорТрансНИИ РГСУ под руководством проф. Матуа В.П. программного комплекса «Прогнозирование и учет накопления остаточных деформаций при проектировании нежестких дорожных одежд».

Для оценки напряженно – деформированного состояния дорожной конструкции в работе предложена методика преобразования динамической нагрузки к переменной во времени «квазистатической», постоянной в пределах некоторых «базовых» временных интервалов. В качестве таковых выбираются промежутки времени, в течение которых интенсивность и состав движения можно принять достаточно постоянными (1 час).

Методика построения "квазистатической нагрузки" заключается в следующем:

1. Проводится серия расчетов воздействия различных марок движущихся АТС на дорожную конструкцию в пространственной постановке (с учетом фактической и перспективной интенсивности и состава движения, скорости движения автомобилей и их расположения на проезжей части).

2. Для каждого возможного варианта воздействия вначале вычисляется максимальная «квазистатическая нагрузка» из условия равенства максимальных перемещений в точках поперечного сечения дороги от движущегося автомобиля и максимальной приведенной нагрузки:

А - матрица податливости в характерных точках сечения.

3. Затем определяют «приведенную нагрузку» для данного варианта воздействия автомобиля и расчетного периода времени Т, используя условие совпадения долговременных интегральных эффектов. Анализ операторным методом совпадения решений согласно динамической и квазистатической постановок:

показывает, что равенство перемещений q возможно при условии эквивалентности соответствующих импульсов за расчетный период:

Тогда "приведенная статическая нагрузка" для данного вида воздействия (данного типа автомобиля, скорости его движения и расположения на проезжей части) на расчетный период Следует отметить, что подобная операция проводится для каждого транспортного средства, предполагаемого для включения в состав движения.

4. Далее суммируются все «приведенные нагрузки» от тех транспортных средств, которые включаются в пакет движения за период Т:

Уравнение, описывающее процесс накопления остаточных деформаций согласно модифицированной гипотезы вязкого течения и «приведенной нагрузки», имеет вид:

Следует отметить, что уравнение типа (12) можно также построить из общего интегрального уравнения вязкоупругопластично сти при ограничениях на ядра интегральных операторов Для построения численного решения рассмотренного уравнения вязкопластичного деформирования в работе использована явная абсолютно устойчивая схема прямого интегрирования задач эволюционного типа Для устойчивого процесса без колебаний;

Укрупненная блок-схема программного комплекса прогнозирования накопления остаточных деформаций в дорожных конструкциях дана на рис.

Алгоритмом программного комплекса предусмотрено использование базы данных, в которой хранятся сведения о реологических характеристиках дорожно-строительных материалов, в том числе асфальтобетонов различных типов. Ограничение по реализации модели заключается именно в отсутствии этой базы данных по реологическим характеристикам, к которым относятся модуль упругости (модуль деформации) – Е, коэффициент Пуассона – µ, плотность материала -. Также для адекватной работы программного комплекса и реализации разработанной механико-математической модели асфальтобетонных слоях дорожных конструкций. Одним из путей решения данной проблемы является проведение экспериментальных исследований ползучести асфальтобетонов различных типов и марок, а также проведение экспериментальных исследований по уточнению коэффициента Пуассона асфальтобетонов различных типов и марок под воздействием различных нагрузок и температур.

уточненной приведенной нагрузки (Блоки Изменение данных о геометрических динамической задачи, формирование параметрах дороги, новое решение