Хронология смены теорий расчёта дорог на прочность и результаты

 

№ п/п	Методы расчёта дорог на прочность	Отклонения индикаторов РФ от нормы в XXI веке
	Метод общей относительной допускаемой деформации (Н.Н. Иванов), ВСН 46-60	Метод упругого обратимого прогиба (метод МАДИ), ВСН 46-72	Трехкритерийный метод (МАДИ+СоюздорНИИ), ВСН 46-83 ÷ ОДН 218.046-01	-
	Условия нагружения дорог
	Статическая нагрузка от грузовика в 6 т/ось	Статическая нагрузка от грузовика в 10 т/ось	Статическая нагрузка от грузовика в 10 и 11, 5 т/ось	Нет
	Условия учета объема нагружений
3	Суточная интенсивность движения, авт./сут	Суточная интенсивность движения (перспективная), авт./сут	Число нагружений за 20 лет эксплуатации проезжей части, 0, 75÷ 3, 0 млн (дороги III-I категорий)	– (4÷ 10 раз)
	Общая толщина дорожной конструкции
	(30÷ 40) см	(40÷ 50) см	(50÷ 60) см	– (20÷ 40 %)
	Сроки службы дорожных конструкций
	Расчетный – 10 ÷ 15 лет фактический – 5 ÷ 7, 5 лет	_Расчетный – 15 ÷ 16 лет фактический – 7, 5 ÷ 8 лет	_Расчетный – 15 ÷ 20 лет фактический – 7, 5 ÷ 10 лет	– (1, 5÷ 2 раза)
	Типичные деформации дорожных конструкций проезжей части
	Трещины, просадки, колея	Температурные и усталостные трещины, колея	Отсутствие армирования покрытия

4. Выносливость покрытий дорог в России рассчитывается в форме сроков службы на 15–20 лет. Фактически она составляет половину этой величины и отличается от современных сроков, принятых в других странах, в 1, 5–2 раза в сторону занижения.

5. Уже после 10 лет эксплуатации на дорогах обнаруживаются температурные и усталостные трещины и колея, что является следствием слабости свойств асфальтобетонных покрытий и недостатка общей прочности дорожных конструкций, а армирование асфальтобетонных покрытий геосинтетикой носит пока экспериментальный характер.

Представленные выше этапы развития прочности дорог России на протяжении полувека со всеми заблуждениями, ошибками всё же демонстрировали постоянное стремление инженерно-технического и научного сообщества России к совершенствованию механизма обеспечения прочности дорог (см. табл. 1.1).

Но в XXI веке достигнутый в прошлом уровень знаний о работе дорог и их состоянии уже недостаточен для России. Освоение идеологии прочности на современном этапе развития сети дорог России требует отказа от терминологических «штампов» и применения истинно физических явлений и терминов.

В настоящей книге применяются традиционные для физики явления и характеристики механики: физика удара по сплошной и слоистой среде, затухание напряжений и колебаний, упругое волнообразование, распространение упругих волн в слоистой среде, скорости распространения продольных и поперечных волн, динамические модули упругости, коэффициенты Пуассона, отражение и преломление импульсов напряжений в слоистой дорожной конструкции.

В третьем тысячелетии автотранспортная сеть дорог России встретилась с новыми физическими явлениями в дорожных конструкциях и новыми обстоятельствами их нагружения (табл. 1.2).

Во-первых, экспериментально установлен факт возникновения волновых полей динамических деформаций в дорожных конструкциях. Эти волновые поля движутся горизонтально вместе с источником их возбуждения (движущимися автомобилями) и распространяются в слоистом полупространстве (дорожной конструкции) по трём направлениям со скоростями распространения продольных и поперечных волн. Поля характеризуются максимальной амплитудой колебаний (динамическим прогибом), частотой смены знака амплитуды, интенсивностью затухания (декрементом) и характеризуют динамическое напряжённо-деформированное состояние слоистой среды (дорожной конструкции).

Во-вторых, начиная с 90-х годов XX века, Россия стала испытывать автомобильный бум. Резко возросло количество транспортных средств. Легковой транспорт принёс в мегаполисы и крупные города проблемы безопасности движения и транспортные коллапсы. Изменился состав транспортных потоков на автомагистралях. Теперь в составе транспортных потоков уже на 30–50 % объёма присутствуют грузовые многоосные автомобили, автопоезда с массой 40–50 т и нагрузкой на ось в 100–130 кН, двигающиеся со скоростью 100–120 км/ч. По скорости движения и массе грузовой автотранспорт приблизился к железнодорожному.

В-третьих, наиболее передовые страны рассчитывают на количество нагружений в 30 млн 4-полосных автомагистралей за 30 лет автомобилями с нагрузкой на ось 100 кН. Для обычного движения автомагистрали рассчитывают на 10 млн нагружений, а полосы движения – 2, 5 млн нагружений.

В-четвёртых, современные дорожные конструкции проезжей части автомагистралей зарубежных стран – это толстые асфальтобетонные покрытия (толщиной до 32 см) на основаниях из дискретных и связанных материалов с органическими и минеральными вяжущими.

В-пятых, срок службы дорожной конструкции до исчерпания хорошего или удовлетворительного состояния покрытия по ровности принят 15–20 лет.

Таблица 1.2

Требования к прочности дорог

№ п/п	Физические явления и условия для обеспечения прочности дорог	Требования к современной прочности дорог
	Установлен факт существования волновых полей динамических деформаций в дорожных конструкциях вокруг движущегося автомобиля	Применение при назначении прочности и толщины дорожных конструкций теории «динамического прогиба» на основе волновой динамики слоистой среды
	Движение по дорогам автомобилей, автопоездов с нагрузкой на ось 100– 130 кН, массой 40–50 т со скоростью 100–120 км/ч	Применение достоверных методов приведения тяжёлых и многоосных транспортных средств к «расчётному автомобилю»
	Общее число нагружений за 30 лет составляет: для проезжей части нагрузкой в 100 кН/ось для тяжёлого движения 30 млн, полосы движения – 7, 5 млн, 2, 5 млн/полосу	Увеличение выносливости покрытий и оснований дорог до 2, 5–7, 5 млн нагружений на полосу движения до трещинообразования
	Применение «толстых» асфальтобетонных покрытий и оснований, оснований из связанных материалов	Применение высокопрочных асфальтовых бетонов в слоях износа, толстых асфальтобетонных покрытий и оснований из связных материалов
	Срок службы до исчерпания хорошего состояния по ровности и начала усталостного трещинообразования 15–20 лет	Введение «заданного срока службы» до исчерпания хорошего состояния. Для асфальтобетонных покрытий – 15–20 лет. Для цементобетонных покрытий – до 40 лет

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.

 

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: