Совершенствование методов проектирования нежестких дорожных одежд

УДК 625.85.002.237

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ НЕЖЕСТКИХ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД

В.П. Матуа, профессор, д. т. н., Е.М. Баранова, доцент, к.т.н., Д.В. Чирва, аспирант, Ростовский государственный строительный

университет

Аннотация. В отличие от существующих методов работа дорожной конструкции в данной статье рассматривается в вязко-упруго-пластической постановке, обеспечивающей прогнозирование и учет накопления остаточных деформаций в слоях дорожных одежд и грунте земляного полотна при комплексном воздействии пространственных динамических нагрузок и погодно-климатических факторов.

Ключевые слова: прогнозирование, остаточные деформации, напряженно-деформированное состояние, дорожная конструкция.

Введение

В результате воздействия погодно-климатических факторов, роста интенсивности движения, повышения грузоподъемности и скорости движения автотранспортных средств происходит нарушение ровности поверхности дороги в продольном и поперечном направлениях, что, в свою очередь, способствует значительному росту динамических воздействий и ускоренному образованию деформаций и разрушений различных форм и размеров.

Используемые в настоящее время методы проектирования нежестких дорожных одежд рассматривают работу дорожной конструкции в вязкоупругой стадии и не позволяют учитывать пластические свойства материалов дорожной конструкции, а вследствие этого не в полной мере характеризуют ее работу в реальных условиях эксплуатации автомобильной дороги. Не учитываются также инерционные свойства движущегося автомобиля. При осесимметричной постановке решается задача о вдавливании круглого в плане гибкого штампа в слоистое полупространство. Подобное приближение достаточно хорошо соответствует условиям лабораторных экспериментов, однако не может в полной мере характеризовать работу дорожной конструкции в реальных условиях ее эксплуатации. При использовании гипотезы плоской деформации. В этом случае рассматривается задача о воздействии полосовых нагрузок бесконечной длины, перпендикулярных к расчетному сечению. Движение транспорта моделируется как совокупность сил (сосредоточенных или распределенных), движущихся с определенной скоростью по автомобильной дороге. Так как последний совершает совместные колебания с тем участком дороги, над которым он находится в текущий момент, то инерционные свойства всей системы, а, следовательно, и ее динамические параметры непрерывно изменяются с течением вре-

мени. Исходя из этого, можно сделать вывод о необходимости учета инерционных параметров движущегося транспорта.

Цель и постановка задачи

С целью прогнозирования накопления остаточных деформаций в конструктивных слоях дорожных одежд и грунте земляного полотна с последующим применением данных прогноза для расчета и проектирования конструкции дорожных одежд в ДорТрансНИИ РГСУ разработан программный комплекс «Прогнозирование и учет накопления остаточных деформаций при проектировании нежестких дорожных одежд».

Сущность метода заключается в учете упру -го-вязко-пластических свойств грунтов и материалов конструктивных слоев дорожной одежды, проявляющихся при воздействии многократных кратковременных нагрузок, инерционности движущейся массы и осности автомобиля, а также влияния на напряженно-деформированное состояние (НДС) конечных поперечных размеров автомобильной дороги и места расположения нагрузки на проезжей части.

Решение задачи

Расчет дорожной конструкции выполняется в два этапа:

- на первом этапе производится расчет и конструирование дорожной одежды нежесткого типа в соответствии с ОДН 218.046-01 «Проектирование нежестких дорожных одежд» и предусматривает расчет конструкции по допускаемому упругому прогибу, расчет по условию сдвигоустойчивости подстилающего грунта и малосвязных конструк-

тивных слоев, расчет конструкции на сопротивление монолитных слоев усталостному разрушению от растяжения при изгибе. При необходимости проводится проверка дорожной конструкции на морозоустойчивость и проектируются устройства по ее осушению;

- на втором этапе производится проверка дорожной конструкции на накопление остаточных деформаций в ее элементах при комплексном воздействии пространственных динамических нагрузок и погодно-климатических факторов.

Прогнозирование накопления остаточных деформаций осуществляется с помощью разработанной механико-математической модели, адекватно описывающей реальное строение и динамический характер нагружения анизотропной и многослойной дорожной конструкции, позволяющей рассматривать задачу в пространственной постановке.

толщиной 10 см, слой основания из щебня, устроенного по способу заклинки, толщиной 15 см и нижний слой основания из щебня фр. 40-70 мм толщиной 25 см. Расчеты проведены в пространственной постановке фрагмента автомобильной дороги длиной 30 м, реальной ее ширины и глубиной от поверхности покрытия до 10 м. Рассматривалось движение различных автомобилей, как в свободном режиме одиночного автомобиля, так и в плотном режиме при их движении в колонне с соблюдением дистанции 5, 10, 15, 20 и 25 м.

Напряженно-деформированное состояние (НДС) элементов дорожной конструкции во времени определялось не только в плоскости сечения под передними, средними или задними колесами движущегося автомобиля, но и по всей прилегающей области. Для этого исследовалось НДС в продольном и поперечном сечении дороги через каждые 0,5 м (ряды).

Ниже приведены результаты расчета дорожной конструкции на накопление остаточных деформаций. В качестве примера представлена конструкция четырехполосной автомобильной дороги в г. Ростове-на-Дону, имеющей двухслойное асфальтобетонное покрытие общей толщиной 11 см, верхний слой основания из черного щебня

Ниже приведены эпюры вертикальных перемещений фиксированного сечения поверхности дорожного покрытия во времени до и после проезда по нему легкового автомобиля, движущегося со скоростью 120 км/ч (рис. 1) и тяжелого грузового автомобиля, движущегося со скоростью 90 км/ч (рис. 2).

Рис. 1. Вертикальные перемещения поверхности покрытия при движении легкового автомобиля со скоростью 120 км/ч на расстоянии 0,5 м от кромки проезжей части

Рис. 2. Вертикальные перемещения поверхности покрытия при движении тяжелого грузового автомобиля со скоростью 90 км/ч на расстоянии 0,5 м от кромки проезжей части

Рис. 3. Накопление остаточных деформаций

Полученные динамические решения являются базовыми для определения приведенной квазиста-тической нагрузки при расчете на длительное воздействие. Окончательный этап расчета позволяет получить прогноз накопления остаточных деформаций и характер развития неровностей в элементах дорожной конструкции. Для прогнозирования накопления остаточных деформаций конструктивных слоев дорожных одежд принята реологическая модель вязкого течения в форме Шведова-Бингама, модифицированная с учетом изменяющихся во времени входящих в ее уравнения параметров. На рис. 3 показаны максимальные расчетные значения необратимых вертикальных деформаций поверхности дорожного покрытия по внешней полосе наката за 10 лет эксплуатации дороги с учетом воздействия погодно-климатических факторов и реальных динамических нагрузок.

В случае накопления за межремонтный срок в элементах дорожной конструкции остаточных деформаций, превышающих предельно допустимые

значения (с точки зрения предусмотренных нормативными документами требований к ровности покрытия) дорожную конструкцию корректируют.

Заключение

Таким образом, проведенные исследования позволяют принимать обоснованное решение по конструированию дорожных одежд с учетом минимума накопления в их элементах остаточных деформаций (без удорожания стоимости строительства), что, несомненно, будет способствовать повышению срока службы как вновь проектируемых, так и реконструируемых автомобильных дорог.

Рецензент: В.В. Филиппов, профессор, д.т.н., ХНАДУ.

Статья поступила в редакцию 7 августа 2006 г.