СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФАКТИЧЕСКИХ ЗНАЧЕНИЙ ДИНАМИЧЕСКИХ МОДУЛЕЙ УПРУГОСТИ СЛОЕВ ДОРОЖНОЙ КОНСТРУКЦИИ НА СТАДИИ ЭКСПЛУАТАЦИИ
METHOD OF DETERMINING ACTUAL VALUES OF DYNAMIC MODULUS OF ELASTICITY OF LAYERS OF ROAD STRUCTURE AT OPERATIONAL STAGE

Изобретение относится к области строительства и эксплуатации автомобильных дорог, а именно к методам и средствам диагностики состояния конструкций.
По состоянию на 01.01.2010 не соответствуют нормативным требованиям около 60,4% автомобильных дорог федерального значения Российской Федерации (см. Цифры и факты. Справочно-иллюстративный материал. М.: Росавтодор, 2010 - С.40).
Изменить эту ситуацию в лучшую сторону возможно путем внедрения в практику отечественной диагностики современных методов, основанных на последних достижениях строительной механики и механики деформируемого твердого тела.
В процессе эксплуатации происходит снижение модулей упругости слоев дорожной конструкции от проектного значения. Наиболее распространенным в Российской Федерации является разрушающий метод контроля дорожной конструкции на стадии эксплуатации, осуществляемый путем отбора проб (шурфов) дорожной одежды и определения в лабораторных условиях их механических характеристик.
В зарубежной практике развитие получил неразрушающий метод определения фактических модулей упругости слоев дорожной одежды по «обратному» расчету (Backcalculation) (см. Viswanathan В. Evaluation of resilient modulus of flexible pavements by backcalculation technique. Thesis presented to the Faculty of the college of engineering and technology Ohio University, Ohio, 1989). Обратный расчет - метод определения фактических значений модулей упругости слоев дорожной конструкции на стадии эксплуатации по замеренной при экспериментальном нагружении чаше динамических прогибов.
Известен способ оценки состояния дорожных конструкций спектральным анализом волновых полей при тарированном ударном воздействии (см. пат. №2279653 RU). Состояние конструктивных слоев дорожной одежды оценивается такими показателями, как характер изменения экстремумов спектральных характеристик, коэффициенты затухания по значениям амплитуд ускорений и перемещений, продолжительность сигнала отклика.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является метод, основанный на регистрации чаш динамических прогибов дорожной конструкции с использованием установок типа FWD (falling weight deflectometr), например DYNATEST 8000. Обработка данных эксперимента и построение расчетных чаш динамических прогибов может осуществляться программой ELMOD (см. URL: www.dynatest.com/elmod.php).
Недостатком данного метода является невозможность учета вязкоупругих свойств слоев асфальтобетона в программном комплексе.
Задачей изобретения является усовершенствование способа оценки состояния дорожных конструкций, позволяющего определять фактические значения модулей упругости слоев дорожной конструкции на стадии эксплуатации методом неразрушающего контроля.
В качестве тарированного источника динамического воздействия используется кратковременный удар с определенной энергией. Спектр ударного воздействия на дорожную конструкцию является достаточно широкополосным, т.е. охватывает весь возможный частотный интервал воздействия движущегося автомобильного транспорта при всех возможных скоростях и режимах движения.
Технический результат: обеспечивает возможность определения фактических значений модулей упругости каждого конструктивного слоя дорожной одежды на стадии эксплуатации методом неразрушающего контроля.
Сущность изобретения заключается в том, что способ определения фактических значений модулей упругости слоев дорожной конструкции на стадии эксплуатации, включающий проведение экспериментальной регистрации чаш динамических прогибов дорожной конструкции, обработку экспериментальных данных и построение расчетных чаш динамических прогибов, последующую корректировку чаш расчетных динамических прогибов, при этом обработка экспериментальных данных производится с использованием программного комплекса для построения характеристик ударного воздействия, а при построении расчетных чаш динамических прогибов используется комплекс анализа напряженно-деформированного состояния системы «дорожная конструкция - грунт», корректировку чаш осуществляют послойно, и число параметров модулей упругости слоев должно соответствовать количеству точек регистрации чаши максимальных динамических прогибов, при этом начинается с корректировки модуля упругости грунта земляного полотна по наиболее удаленному датчику, расположенному на покрытии, и заканчивается корректировкой модуля упругости слоя асфальтобетона по ближнему датчику путем сопоставления максимальных динамических прогибов в наиболее близкой к источнику ударного воздействия зоне.
В основе программного комплекса для оценки напряженно-деформированного состояния системы «дорожная конструкция - грунт» лежит механико-математическая модель многослойного полупространства «дорожная конструкция-грунт», основанная на решении начально-краевых задач теории упругости и теории вязкоупругости слоисто-неоднородных сред.
Данная модель позволяет учитывать вязкоупругие свойства асфальтобетонных слоев дорожной конструкции посредством введения тангенсов углов потерь продольных и поперечных волн, рассчитанных для материала.
Метод последовательной корректировки, реализованный в программном комплексе для оценки напряженно-деформированного состояния, позволяет производить послойную корректировку модулей упругости элементов дорожной конструкции по вертикальным перемещениям точек поверхности дорожной конструкции, замеренных датчиками, установленными на расстоянии 0,25;0,75;1,25;2,5 м от места ударного воздействия. В ходе проведенного численного эксперимента были установлены следующие закономерности:
- уменьшение модуля упругости асфальтобетонного покрытия приводит к существенным изменениям вертикальных перемещений поверхности дорожной конструкции в ближней к месту удара зоне (до 0,25 м);
- модуль упругости слоя основания оказывает наибольшее влияние на деформирование дорожной конструкции в зоне 0,25-0,75 м;
- модуль упругости грунта земляного полотна оказывает наибольшее влияние на деформирование дорожной конструкции в зоне (0,75-2,5 м).
Таким образом, выбор метода последовательной корректировки, осуществляемый послойно, позволяет обеспечить однозначность определения фактических значений модулей упругости для каждого конструктивного элемента дорожной конструкции.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
фиг.1 - схема регистрации экспериментальной чаши максимальных динамических прогибов на поверхности дорожной конструкции с использованием мобильного виброизмерительного комплекса ДорТрансНИИ;
фиг.2 - схема расположения пьезокерамических виброакселерометров относительно точки ударного нагружения;
фиг.3 - экспериментальная амплитудно-временная характеристика перемещения точки поверхности дорожной конструкции, полученная путем обработки экспериментальных данных, для датчика, установленного на расстоянии 0,25 м от точки ударного воздействия, подключенного к первому каналу аналого-цифрового преобразователя: ось абсцисс - время, с; ось ординат - амплитуды вертикальных перемещений, м;
фиг.4 - конструкция дорожной одежды, смоделированная в программном комплексе анализа напряженно-деформированного состояния Vibrolab;
фиг.5 - задание входных параметров для «обратного» расчета модулей упругости слоев дорожной конструкции в комплексе VibroLab;
фиг.6 - расчетная и экспериментальная чаша максимальных динамических прогибов дорожной конструкции (до корректировки);
фиг.7 - расчетная и экспериментальная чаша максимальных динамических прогибов дорожной конструкции (после корректировки);
фиг.8 - значения модулей упругости слоев дорожной одежды после корректировки;
Способ осуществляется следующим образом:
Мобильный виброизмерительный комплекс устанавливается на дорожном покрытии, фиг.1. Он включает: 1 - пьезокерамические виброакселерометры; 2 - аналого-цифровой преобразователь; 3 - портативный компьютер типа «NOTEBOOK»; 4 - малогабаритная установка ударного нагружения.
Датчики - пьезокерамические виброакселерометры 1 - устанавливаются на расстояниях 0,25; 0,75; 1,25; 2,5 м от точки ударного воздействия, фиг.2. В ходе эксперимента производится серия ударов малогабаритной ударной установкой 4 по поверхности дорожной конструкции. Пьезокерамические виброакселерометры 1 преобразуют механическое воздействие в электрический сигнал. В аналогово-цифровом преобразователе 3 осуществляется преобразование сигнала в цифровой формат при помощи модуля Е14-440 «LCARD». Данные измерений передаются на портативный компьютер типа NOTEBOOK 3 через USB порт. Результаты экспериментов записываются на жесткий диск ПК типа NOTEBOOK, в бинарном формате.
Затем данные файлы считываются и сохраняются в базе данных программного комплекса для построения характеристик ударного воздействия «Удар». К зарегистрированным в ходе эксперимента амплитудно-временным характеристикам ускорения применяется преобразование Фурье, посредством которого получаются амплитудно-частотные характеристики ускорения (АЧХ), далее путем почленного деления АЧХ ускорений рабочего интервала на квадраты соответствующих циклических частот рассчитывается АЧХ перемещений, после чего к АЧХ перемещений применяется обратное преобразование Фурье и вычисляется амплитудно-временная характеристика перемещения. Экспериментальные вертикальные перемещения выводятся в окне программного комплекса после построения амплитудно-временной характеристики перемещения, по каждому каналу. Номер канала соответствует номеру датчика, фиг.3.
После обработки экспериментальных данных в программный комплекс для анализа напряженно-деформированного состояния вводятся толщины слоев дорожной конструкции (принятые в соответствии с проектной документацией или по данным экспериментальных измерений), фиг.4, экспериментальные вертикальные перемещения точек поверхности дорожной конструкции, проектные величины модулей упругости, плотностей и коэффициентов Пуассона слоев дорожной конструкции, принимаемые в соответствии с ОДН 218.046 - 01 «Проектирование нежестких дорожных одежд», фиг.5, и данные о прикладываемой нагрузке. По этим данным производится построение расчетных амплитудно-частотных характеристик ускорения, амплитудно-временных характеристик перемещения и расчетных чаш максимальных динамических прогибов, фиг.6. Затем выполняется процедура последовательной корректировки, осуществляемая послойно.
При процедуре последовательной корректировки число параметров (модулей упругости слоев) должно соответствовать количеству точек регистрации чаши максимальных динамических прогибов. В силу различного влияния изменения модуля упругости на геометрию чаши максимальных прогибов процедуру корректировки целесообразно начинать с корректировки модуля упругости грунта земляного полотна по датчику, расположенному на расстоянии 1,5-2,5 м. Далее путем варьирования модуля упругости слоя основания достигается соответствие с заданной точностью экспериментальной и расчетной чаш максимальных динамических прогибов в точке, удаленной от места ударного воздействия на расстоянии 0,5-1,5 м. На последнем этапе происходит корректировка модуля упругости асфальтобетона путем сопоставления максимальных динамических прогибов в наиболее близкой к источнику ударного воздействия зоне (0,25-0,5 м).
Корректировка продолжается до тех пор, пока путем варьирования модулей упругости слоев дорожной одежды не будет достигнуто соответствие между величинами экспериментальных и расчетных вертикальных перемещений точек поверхности дорожной конструкции с точностью, заданной пользователем, фиг.7.
Рассчитанные величины модулей упругости для каждого слоя дорожной конструкции выводятся в окне программного комплекса для анализа напряженно-деформированного состояния системы «дорожная конструкция - грунт», фиг.8.