|
Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
|
|
Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯСтр 1 из 11Следующая ⇒
Андреева Е.В. А 65 Современные методы проектирования дорожных конструкций автомагистралей на воздействие транспортных потоков: монография / Е.В. Андреева, А.В. Смирнов. – Омск: СибАДИ, 2014. – 136 с.
ISBN 978-5-93204-669-2
Приведены причины слабости проезжей части автомагистралей, вызванные отсутствием при их проектировании современных знаний об их работе. Показаны новые решения задач об ударном нагружении подвижной нагрузкой поверхности автомагистралей, формирование динамических волновых полей, разработка новых динамических критериев прочности и устойчивости с учетом массивности транспортных потоков и практические методы проектирования проезжей части автомагистралей. Книга предназначена для специалистов-практиков дорожной отрасли, студентов, аспирантов вузов автодорожного профиля.
Табл. 44. Ил. 52. Библиогр.: 83 назв.
ВВЕДЕНИЕ В начале третьего тысячелетия в России осознан стратегический путь развития экономики – строительство скоростных автомагистралей, как части общей транспортной сети. Строящиеся и построенные автомагистрали обладают чаще недостаточной прочностью проезжей части, что является главной причиной их преждевременного разрушения. Это вынуждает производить ремонт со значительными для России затратами средств, а их нехватка приводит к параличу транспортной сети и снижению эффективности работы транспорта [3]. С учётом этого проблему прочности автомагистралей и дорог следует считать стратегически важной для России. Следует отметить, что Россия приступила к этому решению транспортной проблемы без должной научной подготовки. Выражается это в том, что проектирование (расчёт и конструирование) автомагистралей производится на основе статической теории прочности пятидесятилетней давности, то есть без учёта знаний и явлений о динамике слоистых дорожных конструкций. Нельзя не отметить значительное количество монографий, посвященных статической прочности и «долговечности» покрытий дорог. Однако из них не следуют убедительные выводы о том, какая дорожная конструкция и с каким покрытием приемлема для современных автомагистралей. Крупной монографией прошлых лет является книга Н.Н. Иванова «Расчёт и конструирование нежёстких дорожных одежд», объединившая взгляды учёных того времени и заложившая условия для дальнейшего развития механики дорожных конструкций. Между тем новые времена работы дорожных конструкций на автомагистралях (в основном уже в XXI веке) привносят новые условия и явления. Возросли осевые нагрузки многоосных транспортных средств до 130 кН/ось, скорость движения – до 120 км/ч, плотность в транспортных потоках. Заметную роль в поведении покрытий стали играть такие явления, как динамика и колебания, а также выносливость при многоцикловом загружении (до 10 млн). Действующие нормативы России для назначения требуемой прочности и толщины покрытий уже недостаточны для учёта указанных явлений. Настоящая работа указывает современный путь учёта этих явлений и является современным учением о прочности автомагистралей и инструментом для их проектирования. ПОДВИЖНЫХ НАГРУЗОК
Проблема проектирования автомагистралей и дорог относится к их проезжей части и связана с недостаточной её прочностью и устойчивостью. Вызвано это недостаточным объёмом знаний о работе дорожных конструкций под действием подвижных нагрузок, а также ориентацией инженерно-научного сообщества России в проектировании на статическое воздействие транспорта на дороги. Ниже приведены сведения о хронологической последовательности формирования подходов к прочности дорог, зарождения статического стереотипа в проектировании на протяжении второй половины XX века. В этот период времени подходы к прочности дорог России радикально менялись трижды. В начале этого периода (1960–1972 гг.) после проведения в 1957 г. массовых испытаний дорог был введён в практику проектирования и строительства дорог норматив Инструкция ВСН 46-60. Идея управления прочностью дорог и их состоянием в этом документе состояла в том, что дороги будут служить некоторое время, если относительная деформация вдавливания в покрытие жёсткого штампа не превысит допустимый предел. Относительная деформация включала в себя упругую (обратимую) и остаточную, а допустимая деформация была корреляционно связана с интенсивностью движения расчётного грузового автомобиля с нагрузкой на ось 6 т. Расчёт требуемой толщины дорожной одежды производился на основе задачи с распределениями напряжений и деформаций в двухслойной деформируемой среде, что давало результат в общей толщине конструкции в 30–40 см. Но спустя уже половину расчётного срока службы на покрытиях таких дорог возникали трещины, просадки и колееобразование. Уже в конце пятидесятых годов ХХ века в США были проведены масштабные испытания сотен дорожных конструкций, позволившие установить корреляционную связь «индекса эксплуатационной надёжности» со значением упругого (обратимого) прогиба конструкции. Было установлено, что меньшему значению упругого статического прогиба соответствовало лучшее состояние покрытия конструкции и большее значение «индекса». В это же время был изобретен прибор для измерения статического упругого прогиба (балка Бенкельмана), быстро распространившийся во многих странах и СССР. Поэтому с 1972 г. начался следующий период смены подхода к прочности дорог. В этот период до 1983 г. толщина дорожной конструкции рассчитывалась по методу упругого обратимого статического прогиба (метод МАДИ) по Инструкции ВСН 46-72. Обратимый упругий прогиб (расчётный и требуемый) был преобразован в расчётный и требуемый модули упругости. Последний корреляционно был связан с суточной интенсивностью движения расчётных автомобилей уже с нагрузкой в 100 кН на ось. Полученная толщина дорожной конструкции из равенства расчётного и требуемого модулей упругости составила уже 40–50 см, и вместо декларированного расчётного срока службы конструкции в 15–16 лет на покрытиях через 7, 5–8 лет опять возникали температурные и усталостные трещины и колея. Третий период развития идеологии прочности дорог был начат в 1983 г. и продолжается до настоящего времени (уже 30 лет). Он состоит в применении трёх критерийного метода расчёта толщины и прочности дорожных конструкций и идеи равенства обратимого упругого статического прогиба требуемому (или допустимому). Рассчитанный из теории двухслойной упругой среды упругий прогиб, преобразованный в общий эквивалентный модуль упругости конструкции, сравнивается с требуемым модулем упругости, который получают с учётом уже общего числа нагружений дорожной конструкции за 20 лет эксплуатации грузовыми автомобилями с нагрузкой в 100 или 115 кН на ось. Применение критерия прочности асфальтобетонных покрытий на растяжение при изгибе уточнило минимальную их толщину, а критерия прочности на сдвиг слабосвязных слоёв конструкции и грунтов земляного полотна несущественно изменяло их толщину. Недостатком этих двух критериев прочности является то, что они никак не контролируются в конструкции, в отличие от критерия упругого обратимого прогиба. С этими недостатками Инструкции ОДН 218.046-01 произвольно увеличен начальный коэффициент прочности по упругому прогибу до 1, 3–1, 5, компенсируя неработающие второй и третий критерии. Сравнение Инструкции ОДН 218.046-01 [4] c нормами европейских государств (например, RSTO 2010, ФРГ) [16] показывает, что (табл. 1.1): 1. Отличий в нагрузках от двухосного расчётного грузовика нет (100 кН/ось и 115 кН/ось). 2. Различие в прогнозируемом числе нагружений полосы движения автомобилями в 100 кН/ось достигает от 4 до 10 раз. В России за 20 лет эксплуатации полоса движения автомагистрали будет испытывать 3 млн нагружений, а в Германии за 30 лет – 30 млн. Происходит это за счёт неверного приведения тяжёлых транспортных средств к расчётному автомобилю (ошибка в 200 %), заимствованного еще из Инструкции ВСН 46-83, основанной на статике. 3. За 50 лет модернизации подходов к прочности дорожных конструкций их общая требуемая толщина возросла с 30 до 60 см, то есть в два раза, но всё ещё остаётся меньше европейской на 20–40 %. Таблица 1.1 Требования к прочности дорог
Требования к современной прочности дорожных конструкций автомагистралей состоят в следующем: – разработке аналитического аппарата и расчёта требуемой толщины слоёв дорожной конструкции при многократном воздействии подвижной расчётной нагрузки путём определения её общего динамического прогиба и сравнения его с допустимым; – назначении осевой нагрузки на покрытие конструкции от «расчётного грузового автомобиля» в 100 кН, 115 кН (ГОСТ) или 130 кН и достоверном приведении различных транспортных средств в потоке к выбранной осевой нагрузке. Расчёты динамического прогиба конструкции осуществлять при скоростях движения нагрузки в 80 и 100 км/ч; – увеличении выносливости покрытий и оснований дорожных конструкций для автомагистралей I категории до 7, 6 млн нагружений, дорог II и III категорий до 2, 5 млн. Это возможно путём устройства асфальтобетонных покрытий и оснований повышенной толщины (24–32 см), армирования асфальтобетонных и цементобетонных покрытий, а также применения асфальтобетонов повышенной усталостной прочности; – в применении в слоях износа асфальтобетонов повышенной прочности на сжатие R20 > 6, 0 МПа, так как норма ГОСТа в 2, 2 МПа не обеспечивает требуемого соотношения в 0, 1–0, 2 контактного давления от колеса в 0, 6 МПа к прочности на сжатие, при которой износ и пластические деформации не проявляются. В желательном применении в качестве оснований под асфальтобетонными покрытиями монолитных оснований из каменных материалов и грунтов, укреплённых органическими и минеральными вяжущими; – введении нового понятия «заданный срок службы» вместо «срок службы» и установлении его нормы: для асфальтобетонных покрытий – 15 лет до исчерпания «хорошего» состояния по ровности. Меньшие «сроки службы» вызовут более ранний переход дорог в неудовлетворительное состояние и опережение их количества протяжённости вновь строящихся дорог, то есть увеличение объёмов недоремонта дорог; – армировании асфальтобетонных покрытий и оснований с целью уменьшения количества температурных трещин геосинтетической сетчатой арматурой, адекватной по деформативной способности и прочности комплексным температурным и силовым полями покрытий (см. табл. 1.2).
ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
Целью настоящей работы является разработка аналитической теории динамического воздействия транспортных потоков на автомагистрали и методологии их проектирования. Эта цель достигается путём решения ряда задач фундаментального и прикладного характера: 1. Ударное нагружение упругого полупространства вертикальной нагрузкой. 2. Ударное нагружение слоистой упругой среды. 3. Исследование свойств динамических волновых полей поверхностей автомагистралей при воздействии подвижных нагрузок. 4. Динамическое напряжённое состояние в упругих волнах на поверхности покрытий автомагистралей. 5. Исследование массивности транспортных потоков, числа нагружений дорог и свойств покрытий от воздействия колёсных транспортных средств на основе амплитудно-частотных характеристик (АЧХ). 6. Критерии динамической прочности и устойчивости слоистых дорожных конструкций. Предельные значения. 7. Допустимые уровни динамического напряжённого состояния и метод расчёта толщины покрытий автомагистралей на выносливость. 8. Методология расчёта слоистых дорожных конструкций автомагистралей по критерию динамического прогиба. 9. Расчёт дорожных конструкций. Задачи с 1 по 5 и 9 являются новым решением динамики. Задачи с 6 по 8 являются объединением ранее полученных решений, преобразованием и приложением их к методам проектирования автомагистралей. Указанные задачи решались с применением следующих наук и приёмов: дискретно-временная механика, математический метод комфорного преобразования ударных деформаций в деформации от воздействия подвижных нагрузок, физика бесселевых волн, механика зернистой среды, теория колебаний многомассовых систем, теория вероятности, физико-математическое моделирование процессов воздействия нагрузок на слоистые среды и решение дифференциальных уравнений устойчивости численными методами. Следует отметить, что для появления настоящей работы существенную неоценимую и инициирующую роль играли работы С.К. Синга и Т.Т. Куо из Колумбийского университета (США) [13], Ростовской школы механиков РФ – С.К. Иллиополова, М.Г. Селезнёва, Е.В. Угловой [2], Московской школы – Ю.М. Яковлева, В.П. Осиновской и Сибирской школы СибАДИ – А.В. Смирнова. Всем им авторы признательны и благодарны.
НА АВТОМАГИСТРАЛИ Упругого полупространства
Анализ проведён на основе расчётов по программе «Slag II», созданной в СибАДИ. Параметры динамического деформирования полупространства: динамический прогиб U, скорость прогиба U’, ускорение прогиба U”, частота колебаний 1. Динамические прогибы поверхности полупространства закономерно убывают с возрастанием скорости движения нагрузки в диапазоне 20–180 км/ч (рис. 3.6, а). 2. Скорость вертикальных колебаний (рис. 3.6, б), ускорения колебаний (рис. 3.6, в) и частота (рис. 3.6, г) закономерно возрастают с ростом скорости в диапазоне 20–180 км/ч (рис. 3.6, в, г).
Рис. 3.6. Зависимость прогибов (а), скорости прогибов (б), ускорений (в), частот (г), глубины распространения напряжений (д) и напряжений сжатия в упругом полупространстве (е) от скорости движения колёсной нагрузки в 50 кН. 1, 2, 3 – модули упругости в 100, 400 и 1000 МПа, ρ = 2, 5 г/см3, γ 0 = 0, 01 см-1
3. Убывание динамического прогиба связано с увеличением напряжений сжатия упругого полупространства 4. С увеличением скорости горизонтального движения нагрузки от 40 до 100 км/ч и выше по всем направлениям от центра нагрузки формируется волновое поле (рис. 3.7). 5. Параметры волнового поля: размер L, длина полуволны L0 закономерно возрастают, а отношение соседних амплитуд волн
Рис. 3.7. Преобразование вертикальных прогибов упругого полупространства в виброколебания при воздействии вертикальной двухосной колёсной нагрузки с увеличением скорости её горизонтального движения (модуль упругости Е=1000 МПа, плотность ρ =2, 5 г/см3, коэффициент затухания γ 0=0, 01 см-1) Это свидетельствует о превращении разнородного волнообразования в однородное с равными амплитудами колебаний В колебательных системах наиболее содержательной является амплитудно-частотная характеристика объекта (АХЧ). Применительно к упругому полупространству, в котором при воздействии силы P возникает динамический прогиб U, а скорость перемещения силы V вызывает частоту вертикальных колебаний
Рис. 3.8. Зависимость интенсивности упругого волнообразования на поверхности полупространства (L), длины полуволны (L0) от скорости движения колёсной нагрузки и её отношения к скорости распространения продольных волн напряжений в полупространстве В результате численного исследования получены зависимости динамического прогиба U, частоты колебаний Рассмотрим теперь тяжесть воздействия на полупространство транспортных средств с массой и нагрузкой на ось (колесо), отличной от расчётной. Число автомобилей, эквивалентных по воздействию проезду расчётного автомобиля, вычисляется как отношение амплитудно-частотных характеристик:
где Параметры современных транспортных средств в РФ таковы, что массы транспортных средств (т) от легкового автомобиля до семиосного грузового колеблются от 1, 5 до 58 т, нагрузки на ось от 20 до 153 кН, нагрузки на колесо от 4 до 50 кН, а число осей от 2 до 7 (рис. 3.10). Установлена линейная корреляционная связь АЧХi = 4, 66·mдля указанного интервала масс транспортных средств.
Рис. 3.9. Зависимость динамических прогибов колебаний упругого полупространства движения нагрузки в 50 кН на колесо
Для упругого полупространства с модулем упругости Е=400 МПа (модуль упругости проезжей части дорог I и II категорий) проезд любого i-го автомобиля с массами, отличающимися от расчётной (АК-100, 20 т), приведён на рис. 3.10. Там же показано число автомобилей n100, заменяющих проезд одного расчётного автомобиля, и коэффициенты приведения. Отличия в исчислении числа расчётных автомобилей АК-100 по настоящей методике и действующему нормативу [4] достигают от 17 до 62 % в сторону недоучёта динамического характера загружения дорог, что создаёт предпосылки для занижения требуемой прочности дорог.
Рис. 3.10. Число автомобилей, заменяющих расчётный АК-100 (для нагрузок АК-115 и АК-130 умножать на 1, 16 и 1, 33)
Таблица 3.1 Выводы Рассмотрение аналитической модели воздействия на упругое полупространство подвижных вертикальных нагрузок, распределённых в пределах круга, и её численная реализация позволяют утверждать, что: 1. Динамические прогибы полупространства под центром нагрузки убывают, а скорости прогиба, ускорения и частоты колебаний возрастают при изменении скорости подвижной нагрузки с 20 до 180 км/ч. 2. Причиной уменьшения прогибов поверхности полупространства является увеличение напряжения сжатия в нём (до 2 раз) при одновременном сокращении длины зоны сжатия в 23 раза. 3. При скорости подвижной нагрузки 40 км/ч и более отмечается заметное формирование волнового поля вокруг центра приложения нагрузки. С увеличением скорости движения его размеры, число гребней и впадин увеличивается, создавая предпосылки для встречи волн от последующих нагружений. 4. С увеличением скорости подвижной нагрузки волновые поля вокруг неё выравниваются и становятся более однородными. Так, отношение амплитуд двух колебаний под центром нагружения и отстоящего от него на 0, 5 периода колебания убывает с 10 до 1 при изменении скорости подвижной нагрузки с 20 до 100 км/ч. 5. Достаточно полной и физически обоснованной характеристикой динамического воздействия подвижных нагрузок на упругое полупространство является амплитудно-частотная характеристика: 6. Для современных автомагистралей с общим и средним модулем упругости на поверхности проезжей части в 400 МПа допускаемые амплитудно-частотные характеристики составляют для конструкции из цементобетона (40÷ 55)∙ 10-4 мм 7. Вибрации и начало резонанса наступают при скорости движения подвижных нагрузок > 40 км/ч в упругом полупространстве с модулем упругости 100 МПа. При модуле упругости 400 МПа они наступают при скорости уже в 100 км/ч. При модуле упругости более 400 МПа резонанса и вибраций не обнаруживается до скоростей в 120 км/ч (см. рис. 3.11, а). 8. Число гребней и впадин динамического волнового поля на поверхности полупространства возрастает с увеличением скорости движения подвижной нагрузки и составляет: при Е=100 МПа и V=60 км/ч – 23; при Е=400 МПа и V=100 км/ч – 15; при Е=1000 МПа и V=100 км/ч – 13; при Е=2000 МПа и V=100 км/ч – 8 (см. рис.3.11, б). 9. Размеры динамического волнового поля зависят от модуля упругого полупространства и скорости подвижной нагрузки V: · при скорости V до 20 км/ч: – размер поля при Е=100 МПа составляет 4 м (12 D); – размер поля при Е=400 МПа – 2 м (6 D); – размер поля при Е=2000 МПа – 1 м (3 D) (рис. 3.13, а); · при скорости V = 60 км/ч: – размер поля при Е=100 МПа составляет 8 м (24 D); – размер поля при Е=400 МПа – 5, 5 м (16 D); – размер поля при Е=2000 МПа – 2, 25 м (7 D); · при скорости V = 100 км/ч: – размер поля при Е=100 МПа составляет 12 м (36 D); – размер поля при Е=400 МПа – 9 м (27 D); – размер поля при Е=2000 МПа – 3, 8 м (11 D). 10. Частота колебаний поверхности полупространства мало зависит от модуля упругости и при скорости подвижной нагрузки в 50 кН от 20 до 120 км/ч меняется от 13, 3 до 90 кол./с и линейно связана со скоростью по зависимости 11. Поверхность упругого полупространства при подвижной нагрузке испытывает явление начала резонанса, т.е. увеличение прогиба поверхности после воздействия нагрузки в 1, 4 раза по сравнению с прогибом под центром нагружения. Это явление начинается с 20 км/ч и завершается при скорости в 130 км/ч при модулях упругости полупространства от 100 до 2000 МПа (рис. 3.14). 12. На рис. 3.15 показаны результаты расчётов максимальных динамических прогибов полупространства для ряда современных транспортных средств с массой от 1, 5 до 58 т и с числом осей от 2 до 7, а на рис. 3.16 его амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) от их воздействия. Там же приведено количество транспортных средств, эквивалентных по воздействию расчётной нагрузке (АК-100), т.е. по отношению АЧХ.
Требования к общей упругости, МПа, поверхности нагружений дорог
При допущении колеи в 1–1, 6 мм (т.е. ещё для «отличного» состояния поверхности автомагистралей), а также с использованием допустимого динамического прогиба |U| для разных категорий дорог и материалов покрытий требуемая упругость представлена в табл. 3.8 в виде динамического (числитель) и статического (знаменатель) модулей упругости.
Цементобетонных покрытий
Примечания: 1. Прогиб определён под нагрузкой 50 кН на колесо. 2. Результаты получены в СибАДИ с учётом работ Омского филиала СоюздорНИИ. Таблица 4.6 И ПОТОКИ НА ДОРОГАХ Для водонасыщенного песка
Сибирской государственной автомобильно-дорожной академией были проведены исследования на автомобильных дорогах севера Тюменской области. Во время испытаний за подвижную нагрузку был принят трехосный автомобиль массой 26 т. Автомобиль, в одних и тех же местах измерения значений прогибов и ускорений колебаний, двигался с различными скоростями, значения которых изменялись от 5 до 60 км/ч. Измерения прогибов и ускорений колебаний, возникающих в дорожных конструкциях, производились датчиками комплекта виброизмерительной аппаратуры ВИА – 6ТН и К001. Погрешность комплекта виброизмерительной аппаратуры ВИА – 6ТН составляет Ранее были получены теоретические числовые значения ускорений колебаний на границе «земляное полотно – слабое грунтовое основание», которые необходимо сравнить с числовыми значениями динамических прогибов и ускорений колебаний слабого грунта, полученных экспериментальным путем при воздействии подвижной нагрузки. По результатам теоретических расчетов была получена зависимость ускорений колебаний слабого основания от скорости движения автомобиля в интервале скоростей от 10 до 100 км/ч. Для инженерных целей была получена зависимость теоретических значений ускорений колебаний от скорости V: a = 0, 0182 ∙ V – 0, 2329. (6.32) Средняя ошибка аппроксимации Для рассматриваемой задачи при доверительной вероятности a = 0, 95 критерий Фишера составляет Fр = 1, 24, что намного меньше табличного FT = 6, 04 и свидетельствует о безусловной адекватности уравнения (6.24). Отклонение теоретических значений ускорений колебаний на границе «земляное полотно – слабое грунтовое основание» от экспериментальных составляет 6–10 %. В 16 % случаев отклонение составляет 13 %, что позволяет считать данную модель достоверной. Таким образом: 1. Разработанная модель дорожной конструкции на слабом грунтовом основании позволяет достоверно определить ускорения колебаний на границе «земляное полотно – слабое грунтовое основание |
Последнее изменение этой страницы: 2017-03-15; Просмотров: 404; Нарушение авторского права страницы
ISBN 978-5-93204-669-2 © ФГБОУ ВПО «СибАДИ», 2014
, среднее напряжение сжатия 
и глубина их распространения z определены для полупространства с модулями упругости Е=100, 400, 1000 МПа, плотности ρ = 2, 5 г/см3 и параметр затухания напряжений в нём γ 0 = 0, 01 см-1. Вертикальная нагрузка P = 50 кН перемещалась горизонтально со скоростью 20–180 км/ч. Из результатов расчётов представленных графически на рис. 3.6–3.10, следует: 
закономерно убывает с 10 до 1 с ростом скорости движения нагрузки V, в том числе и относительной 
(рис. 3.8).
, то есть в виброколебания уже при скоростях движения нагрузки более 80 км/ч.
, 
. Амплитудно-частотная характеристика полупространства всегда стремится к минимуму с ростом скорости движения, так как U → min, а V → max.
, длины зоны волнообразования
(Е=1000 МПа; ρ =2, 5 г/см3; γ 0=0, 01 см-1)
с, а с асфальтобетонным покрытием (60÷ 75)∙ 10-4 мм 
, 
– амплитудно-частотная характеристика полупространства от проезда i-го транспортного средства; 
– амплитудно-частотная характеристика полупространства от проезда расчётного автомобиля с нагрузкой на ось 100 кН (50 кН на колесо); Ui, U100, 
– динамические прогибы полупространства и частота колебаний i-го автомобиля и расчётного.
, частот
(б) от скорости
.
(рис. 3.13, б).
5 %.
= 8, 6 %.