WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


На правах рукописи

ВОЛОКИТИНА ОЛЬГА АНАТОЛЬЕВНА

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАСЧЕТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СЛОЕВ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД МЕТОДОМ СФЕРИЧЕСКОГО ШТАМПА

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

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ВОРОНЕЖ – 2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Воронежский государственный архитектурно-строительный университет».

Научный консультант: кандидат технических наук, доцент Еремин Андрей Владимирович Скрыпников Алексей Васильевич,

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор, Воронежская государственная лесотехническая академия / кафедра промышленного транспорта, строительства и геодезии, заведующий Паневин Николай Иванович, кандидат технических наук, доцент, ОКК УКС ЦФО ООО «ДОРОГА» / начальник

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Тамбовский государственный технический университет»

Защита состоится 17 мая 2012 г. в 1000 час. на заседании диссертационного совета Д 212.033.02 в Воронежском государственном архитектурно-строитель- ном университете по адресу: 394006, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, д. 84, корпус 3, ауд. 3220; тел. /факс: +7(473)271-53-21.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского государственного архитектурно-строительного университета.

Автореферат разослан 16 апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Старцева Н. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Общая тенденция автомобилестроения, связанная с увеличением грузоподъемности, повышением скорости и безопасности движения, предопределяет необходимость строительства большого количества новых дорог и содержания существующих.

Значительно возросшая интенсивность движения увеличивает силовые воздействия на проезжую часть и на конструкцию дорожной одежды в целом.

В настоящее время предъявляют высокие требования к транспортноэксплуатационному состоянию автомобильных дорог и, в большей мере, к характеристикам конструктивных слоев дорожных одежд. Для Российской Федерации, исходя из погодно-климатических условий, наиболее распространенными являются дорожные одежды нежесткого типа. В существующей нормативной базе по конструированию и расчету нежестких дорожных одежд (ОДН 218.046-01, ранее ВСН 46-83) сложились определенные несоответствия между показателями свойств материалов и теми необходимыми характеристиками, которые отражают их свойства и используются при расчете.

Таким образом, для повышения качества проектирования дорожных одежд и технологии строительства необходима разработка методов оценки расчетных характеристик конструктивных слоев: модуля упругости и деформации, угла внутреннего трения, сцепления между частицами материала, прочностных показателей в виде предельных напряжений, значения коэффициента Пуассона, которые бы позволяли получать адекватные показатели свойств и могли бы являться расчетными при проектировании и контролируемыми в процессе строительства и эксплуатации.

Цель диссертационной работы состоит в совершенствовании определения расчетных характеристик слоя щебеночного основания, песчаного подстилающего слоя и грунта земляного полотна нежестких дорожных одежд методом вдавливания сферического штампа.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

- установить аналитические зависимости диапазона изменения прочности конструкции в зависимости от толщины слоев и модуля упругости;

- обосновать величины нагрузок и параметры сферического штампа, учитывающие характеристики материала слоя, для испытания щебеночного основания, песчаного подстилающего слоя и грунта земляного полотна с целью определения модуля упругости, угла внутреннего трения и коэффициента сцепления между частицами материала;

- обосновать циклическое приложение нагрузок при исследовании конструктивных слоев щебеночного основания, песчаного подстилающего слоя и грунта земляного полотна для определения прочности ненарушенной структуры;

- произвести учет напряжений на границе контакта конструктивных слоев в методе расчета конструкции нежестких дорожных одежд;

- разработать методику применения вдавливания сферического штампа для контроля качества устройства конструктивных слоев нежесткой дорожной одежды.

Научная новизна работы состоит в следующих положениях:

- предложены аналитические зависимости диапазона изменения прочности конструкции в зависимости от толщины слоев и модуля упругости;

- обоснованы величины нагрузок для испытания щебеночного основания, песчаного подстилающего слоя и грунта земляного полотна с целью определения модуля упругости, угла внутреннего трения и коэффициента сцепления между частицами материала;

- определены параметры сферического штампа для испытания конструктивных слоев щебеночного и песчаного основания, грунта земляного полотна, учитывающие характеристики материала слоя;

- обосновано циклическое приложение нагрузок при исследовании конструктивных слоев щебеночного основания, песчаного подстилающего слоя и грунта земляного полотна для определения прочности ненарушенной структуры;

- впервые предложен учет напряжений на границе контакта конструктивных слоев при расчете конструкции нежестких дорожных одежд;

- разработана методика применения вдавливания сферического штампа для контроля качества устройства конструктивных слоев дорожной одежды.

Достоверность полученных результатов обеспечена применением научно обоснованных методов экспериментальных исследований, математического и регрессионного анализа результатов, статистической обработкой полученных данных, обеспечивающей доверительную вероятность 0,95, экспериментальной и опытной проверкой результатов исследований и использованием современного измерительного оборудования, а также согласованностью основных положений работы с результатами исследований других авторов.

Реализация работы. Методика определения расчетных характеристик грунта земляного полотна, слоев основания и покрытия с применением сферического штампа апробирована при строительстве элементов транспортной развязки на км 208+192 автомобильной дороги М-6 «Каспий» в Рязанской области, а также при ремонте и реконструкции участков автомобильных дорог в Тамбовской и Липецкой областях. Расчет конструкций нежесткой дорожной одежды с учетом напряжений на границе контакта был применен в ООО «Центр Дорпроект», а также используется в учебном процессе Воронежского ГАСУ в лекционных курсах, на лабораторных и практических занятиях по дисциплине «Основы проектирования автомобильных дорог» для специальности 2702«Автомобильные дороги и аэродромы».

Апробация работы. Основные положения диссертации обсуждены и одобрены на всероссийских научно-практических конференциях профессорскопреподавательского состава, научных работников и аспирантов университета с участием представителей исследовательских, проектно-конструкторских, строительных и общественных организаций «Инновации в сфере науки, образования и высоких технологий» Воронежского ГАСУ (2007 – 2011 гг.), международной научно-технической конференции «Молодежь и научно-технический прогресс в дорожной отрасли юга России» (Волгоград, 2010), научнопрактическом семинаре «Применение новейших технологий и материалов в дорожном строительстве» (Саратов, 2010), II международной научно-практической конференции «Проблемы инновационного биосферно-совместимого социальноэкономического развития в строительном, жилищно-коммунальном и дорожном комплексах» (Брянск, 2010).

На защиту выносятся:

- аналитические зависимости диапазона изменения прочности конструкции в зависимости от толщины слоев и модуля упругости;

- математическая модель вдавливания сферического штампа в деформируемую среду щебеночного основания, песчаного подстилающего слоя и грунта земляного полотна;

- обоснование применения метода вдавливания сферического штампа с определением величины нагрузок для щебеночного слоя основания, песчаного подстилающего слоя и грунта земляного полотна с целью определения модуля упругости, угла внутреннего трения и коэффициента сцепления;

- результаты определения расчетных характеристик конструктивных слоев нежестких дорожных одежд, полученные в ходе испытаний;

- метод расчета конструкции нежесткой дорожной одежды с учетом напряжений на границе контакта конструктивных слоев;

- методика применения вдавливания сферического штампа для контроля качества устройства конструктивных слоев дорожной одежды.

Публикации. По материалам исследований опубликовано 10 научных работ общим объемом 158 страниц. Личный вклад автора составляет 88 страниц.

Пять статей опубликованы в изданиях, включенных в перечень ВАК: «Научный вестник Воронежского ГАСУ. Строительство и архитектура»; «Строительство и реконструкция»; «Вестник Волгоградского государственного архитектурностроительного университета. Серия: Строительство и архитектура»; «Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета».

В статьях, опубликованных в рекомендуемых ВАК изданиях, изложены основные результаты: в работах [1, 3, 4] обоснована возможность применения метода вдавливания сферического штампа для определения основных расчетных характеристик конструктивных слоев нежестких дорожных одежд; в [2, 5] отражены особенности проектирования и определения основных расчетных характеристик конструктивных слоев нежестких дорожных одежд, а также приведены некоторые результаты испытаний.

Объем работы. Диссертационная работа общим объёмом 164 страницы машинописного текста состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы из 178 наименований, 5 приложений. В текст диссертации включено 15 таблиц и 19 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность выбранного направления исследования, сформулированы цель и задачи исследования, показаны его научная и практическая значимость.

В первой главе представлен обзор научно-технической литературы, рассмотрены основные принципы конструирования и расчета нежестких дорож ных одежд, проведен анализ причин, обусловливающих их недостаточную надежность.

Основные теоретические положения конструирования и расчета дорожных одежд были разработаны в конце 30-х годов XX века под руководством профессора Н.Н. Иванова и нашли применение во многих странах мира. Большое внимание вопросам совершенствования проектирования нежестких дорожных одежд уделялось в работах отечественных ученых: В.Ф. Бабкова, А.К. Бируля, А.М. Богуславского, А.П. Васильева, И.А. Золотаря, М.Б. Корсунского, Б.С. Радовского, А.А. Иноземцева, А.В. Смирнова, Н.С. Коганзона, С.К. Илиополова, О.А. Красикова, В.В. Сильянова, Ю.В. Слободчикова, В.П. Матуа и др.

Существующий положительный опыт определения основных расчетных характеристик конструктивных слоев нежестких дорожных одежд создает предпосылки к дальнейшим исследованиям с целью применения новых методов их получения и обеспечения работоспособности дорожной одежды с учетом воздействия на нее негативных факторов и возросших нагрузок, а также с целью повышения безопасности движения.

Теоретические принципы конструирования и расчета нежестких дорожных одежд предполагают работу всей дорожной одежды на расчетный период в упругой стадии, однако в методической литературе и в программах по расчету дорожных одежд не учитываются напряжения и прочностные характеристики слоев на контакте, так как в реальных условиях эксплуатации дорог модули упругости, деформаций и напряжения сжатия в слоистой конструкции переменны в соответствии с ходом температурно-влажностного режима.

Поэтому с целью контролирования неблагоприятных процессов, происходящих в конструктивных слоях дорожной одежды в процессе эксплуатации, необходимо экспериментально-теоретическое обоснование получения адекватных показателей, на основании которых можно осуществлять проектирование конструкций дорожных одежд с достаточным уровнем надежности.

Во второй главе произведена оценка влияния расчетных характеристик конструктивных слоев на деформационно-прочностные характеристики дорожной одежды. Аналитической базой оценки напряженного состояния дорожной одежды является предложенная Н.Н. Ивановым теория напряженнодеформированного состояния слоистой среды с использованием положений теории упругости и вязкости.

При назначении вида среды, характеризующей дорожную конструкцию, многие ученые опираются на наиболее часто проявляемые в процессе эксплуатации свойства, при этом в расчеты вносятся определенные допущения, приводящие ту или иную систему к реальной работе.

Сохранение качеств автомобильной дороги в процессе длительной эксплуатации возможно лишь при учете механики накопления пластических деформаций во всех конструктивных слоях дорожной одежды и при предъявлении более высоких требований к материалам, применяемым в дорожном строительстве. При этом необходимо учитывать способность материалов в различной степени проявлять упругие и пластические свойства, степень проявления которых зависит от уровня напряжений, числа и длительности загружений. Таким образом, учитывая число и время нагружений, упругие и вязкоупругие свойства материала и используя теорию наследственной ползучести и соотношение Больцмана-Вольтерра при моделировании упруго-пластических свойств материалов, общую относительную деформацию можно вычислить следующим образом:

t lg n n,t t p = + e -1, (1) Ey EД R lg N [ ] где R – предел прочности материала на сжатие; Ey и EД – модули упругости и деформации; - напряжение сжатия; N – число нагружений, которые должен выдержать материал до разрушения; n – реализованное число нагружений; t – время действия напряжения; tp – время релаксации напряжений.

При рассмотрении слоистого полупространства, состоящего из М слоев (рис. 1.), полный прогиб поверхности конструкции при n-раз нагружениях под центром нагрузки составляет Dj М n=N М V 2 (1-2) lgn j j j pj, (2) et -1hj Un,t = 1-2 hj + ( ) E j EД j R lgN [ ] 1 n=1 yj j где, , hj, tpj – коэффициент Пуассона, толщина и время релаксации материала j j-го слоя полупространства соответственно; Dj – диаметр круговой площади нагружения j-го слоя полупространства; V - скорость горизонтального перемещения нагрузки по поверхности полупространства.

D V q Dh Еу, Еd, 1 Рис. 1. Расчетная схема h Dдля определения необходимых численных значений параметров h j Dj Еу, Еd, j j h j M Dм Учитывая, что в работе конструкции деформационные и прочностные показатели слоев переменны в соответствии с температурно-влажностным режимом, то полные прогибы поверхности слоистой среды необходимо рассматривать в период работы на талом грунтовом основании.

Проанализировав исследования многих авторов, рассматривающих случаи напряженно-деформированного состояния дорожных одежд при различных условиях загружения, и предлагаемые методы расчета дорожных конструкций, мы установили, что степень приближения полученных ими моделей, характеризующих работу дорожных одежд, зависит от расчетных характеристик применяемых материалов при оценке работы конструкции.

Для оценки влияния расчетных характеристик конструктивных слоев на итоговое значение требуемого модуля упругости конструкции дорожной одеж ды был проведен численный эксперимент с использованием метода планирования эксперимента - двухфакторного плана Коно.

На основании существующих нормативных табличных значений расчетных характеристик конструктивных слоев было проведено конструирование и расчет нежесткой дорожной одежды капитального типа для II технической категории, состоящей из следующих слоев:

- покрытие: верхний слой - горячий плотный асфальтобетон, тип А, I марки на битуме БНД 60/90, h1 = 6 см, Е1 = 3200 МПа;

нижний слой - пористый асфальтобетон на битуме БНД 60/90, укладываемый в горячем состоянии, h2 = 8 см, Е2 = 1600 МПа;

- основание: верхний слой – черный щебень, уложенный по способу заклинки, h3 = 10 см, Е3 = 634 МПа;

нижний слой - фракционированный гранитный щебень, уложенный по способу заклинки (фр. 40-70; 20-40) – h4 = 22 см, Е4 = 280 МПа;

- дополнительный слой основания - песок мелкозернистый, h5 = 24 см, Е5 = 100 МПа;

- грунт земляного полотна - суглинок легкий, Егр = 34 МПа.

В качестве искомого аргумента был выбран модуль упругости на поверхности рассматриваемого слоя. Варьирующими факторами являлись модуль упругости и толщина слоя. В результате обработки данных расчета дорожной одежды были получены уравнения регрессии.

На основании анализа полученных результатов был построен ряд графических зависимостей (рис. 2), из которых следует, что для большинства конструктивных слоев (кроме слоя покрытия) зависимость изменения модуля упругости на поверхности от толщины и модуля упругости слоя носит практически линейный характер. При изменении расчетной характеристики (модуля упругости) слоя на 20 % модули упругости на границе контакта изменяются на ±3 – 4 %, наиболее существенное изменение (± 8 %) наблюдается на поверхности нижнего слоя основания – щебня, уложенного по способу заклинки.

а) б) Рис. 2. Изменение эквивалентного модуля упругости в зависимости от изменения модуля упругости и толщины: а - плотного асфальтобетона; б - пористого асфальтобетона в) г) Рис. 2 (окончание).

Изменение эквивалентного модуля упругости в зависимости от изменения модуля упругости и толщины:

в - черного щебня;

г - щебеночного слоя;

д - песчаного слоя д) Необходимо заметить, что в случае ошибочного назначения расчетного модуля упругости слоев дорожной одежды или в случае несоответствия фактического модуля упругости слоя расчетному напряженно-деформированное состояние на поверхности дорожной одежды может изменяться в пределах 25 - 30% как в большую, так и в меньшую сторону. Поэтому важным звеном достижения требуемых прочностных качеств дорожной одежды является правильность назначения расчетных характеристик конструктивных слоев, а также соответствие их фактическим значениям.

В третьей главе отражено экспериментально-теоретическое обоснование определения расчетных характеристик конструктивных слоев, рассмотрены методы их определения, впервые обосновано использование метода вдавливания сферического штампа для определения расчетных характеристик грунта земляного полотна, щебеночного и песчаного основания.

На основании проделанного анализа существующих методов испытания дорожной одежды наиболее оптимальными и перспективными механическими методами определения расчетных характеристик конструктивных слоев дорожных одежд являются методы, основанные на воздействии штампов различной формы и размеров.

Для проведения экспериментального исследования был предложен метод вдавливания сферического штампа, теоретическое решение по вдавливанию которого применительно к шлаковому асфальтобетону впервые было рассмотрено доцентом Воронежского государственного архитектурно-строительного университета А.В. Ереминым.

В результате были получены зависимости глубины погружения штампа и радиуса сферы от модуля упругости и коэффициента Пуассона среды, а также радиуса жесткого штампа:

2 3 Q 1- v2 3 3 Q 1- v2 ( ) ; a = ( ) = R. (3) 4 E R 4 E Из уравнений (3) можно определить значения модулей упругости материала конструктивного слоя:

Q (1- )E = 0,75. (4) R Данные решения напряженно-деформированного состояния полупространства можно использовать при расчете конструктивных слоев дорожной одежды на статическое воздействие нагрузки. При этом свойства материалов конструктивных слоев при вдавливании сферического штампа будут отражаться в соотношении упругих и остаточных ост. деформаций.

В случае неоднократного воздействия на полупространство жесткого сферического штампа постоянной нагрузкой происходит накопление остаточных деформаций (рис. 3).

Рис. 3. Накопление деформаций при циклическом нагружении сферического штампа постоянной нагрузкой При этом увеличивается площадь сферической поверхности, через которую передается давление на поверхность полупространства, снижаются напряжения в слое материала. В конечном итоге после n-циклов нагружений под жесткой поверхностью штампа формируется область, характеризующаяся установившимися напряжениями, которые не превосходят упругих характеристик ма териала. Данные напряжения могут рассматриваться как прочность ненарушенной структуры, при этом достигается плотное прилегание штампа к поверхности материала конструктивного слоя, а сформировавшаяся сфера сводит к минимуму влияние неоднородности материала на результаты испытания. Практическое отсутствие остаточных деформаций позволяет рассматривать материал конструктивного слоя как упругое полупространство.

При назначении радиуса сферического штампа целесообразно учитывать зерновой состав испытываемого материала. Для материалов, в состав которых входит фракционированный щебеночный материал, следует выдерживать условие, чтобы размер отпечатка при полном погружении штампа был сопоставим с максимальным размером щебеночной фракции, то есть чтобы соблюдалось условие 2а d0. При оптимальной глубине погружения штампа в среду в пределах 3-7 мм минимальный диаметр можно назначить в пределах от 120-130 мм, а максимальный размер отпечатка 2d 40 мм. Для материалов слоев основания с максимальным размером зерен 70 мм диаметр штампа должен быть увеличен до 200 мм.

Для подбора размеров штампов было принято за основу, что для получения достоверных данных о свойствах материалов активная зона свыше 5-10 % от максимальных напряжений не должна выходить за пределы слоя, поэтому оптимальным размером для проведения испытаний слоев грунта, слоя песчаного основания и асфальтобетонов был принят сферический штамп диаметром 127 мм. Данный размер принят с учетом использования метода в полевых и лабораторных условиях.

Расчетные значения модулей упругости и деформации можно определить при рассмотрении напряженного состояния слоя при сжатии:

= + n ; (5) y 1 1 y = ; n = =. (6) y Ey EД R EД R [ ] [ ] Относительные деформации:

=, (7) y 2 R l j где l = + loj - полная суммарная остаточная и упругая деформация после n j циклов загружения.

Модуль деформации слоя:

EД =. (8) l j y Значение коэффициента Пуассона для определенных условий температуры и разновидности материала конструктивного слоя может быть определено по формуле = (1- ny) / 2, где ny = + n.

lост Для оценки угла внутреннего трения и сцепления конструктивных слоев нежестких дорожных одежд по методу вдавливания сферического штампа (рис. 4), рассматривая напряжения на образующей конуса ВС, можно установить, что на данной поверхности наблюдаются простые силы сжатия.

Рис. 4. Модель вдавливания сферического штампа в упругопластическое полупространство В соответствии с теорией Моора сопротивление сжатию определяется:

R = 2 С tg +. (10) При установившихся напряжениях на границе ВС' должно соблюдаться равенство sin 45 - 2 = 2 С tg 45 +. (11) y ( ) ( ) Деформации происходят за счет сил сцепления материала, поэтому при первом загружении соблюдается соотношение 1 sin 45 - 2 = 2 С tg 45 + + С l sin 45 - 2. (12) j ( ) ( ) ( ) Получаем систему двух уравнений (11 и 12), из которой находится сила сцепления между частицами материала и в результате решения которой можно получить уравнение для определения угла внутреннего трения (13):

l 1 y j tg 45 + = - + +. (13) ( ) 2 2 4 2 (1 - ) y Данный способ позволяет определить основные расчетные характеристики для любого конструктивного слоя как в лабораторных условиях, так непосредственно и в процессе строительства автомобильных дорог, причем определение можно производить без разрушения конструктивного слоя и при различных температурах.

Для экспериментального обоснования было проведено испытание в лабораторных условиях образцов материалов конструктивных слоев.

К исследованию были приняты следующие материалы:

- покрытие: верхний слой - щебеночно-мастичный асфальтобетон (ЩМА15); нижний слой – горячий плотный асфальтобетон типа А, I марки на битуме БНД 60/90;

- основание: верхний слой – черный щебень, уложенный по способу заклинки; нижний слой – фракционированный гранитный щебень, уложенный по способу заклинки (фр. 40-70; 20-40);

- дополнительный слой основания – песок мелкозернистый;

- грунт земляного полотна – суглинок легкий.

Образцы подготавливались по стандартной методике. Суммарная величина нагрузки для слоев покрытия составила 200 кгс; для верхнего слоя основания из черного щебня – 100 кгс; для нижнего слоя основания из гранитного щебня – 35 кгс; для дополнительного слоя основания из мелкозернистого песка – 12 кгс;

для слоя грунта земляного полотна – 3,5 кгс.

В результате проведенных испытаний была определена величина упругих и остаточных деформаций, а также основные расчетные характеристики конструктивных слоев (табл. 1).

Таблица Итоговые значения по определению расчетных характеристик материалов конструктивных слоев Материал конструктивного слоя Щебеночно-мастичный 2,3512 152,24 1175,89 117,59 0,3166 47,933 0,16асфальтобетон (ЩМА-15) Горячий плотный асфальтобетон тип А, I марки на 4,3496 281,33 1867,17 186,72 0,2863 39,133 0,44битуме БНД 60/Черный щебень 1,3899 85,342 634,846 63,49 0,2992 42,134 0,12Фракционированный гранитный щебень, уло0,0887 56,53 350,018 35,0 0,4768 29,452 0,0женный по способу заклинки (40-70; 20-40) Песок мелкозернистый 0,0303 14,699 100,093 10,0 0,4722 29,35 0,00Суглинок легкий 0,0443 5,9391 34,415 3,44 0,3819 10,296 0,01Оценка достоверности полученного значения средней остаточной и упругой деформации производилась по критерию Стьюдента. Для 6 испытаний во всех случаях расчетное значение критерия Стьюдента не превышало табличного критерия при уровне значимости 0,05, т.е. достоверность полученных результатов находилась в пределах 95 %.

Выборочно было произведено испытание отдельных конструктивных слоев в натурных условиях.

МПа МПа град.

сти, МПа сти, МПа Пуассона Расчетный Прочность структуры, Сцепление, мации, МПа него трения, Статический Коэффициент Угол внутрен ненарушенной Модуль дефор модуль упруго модуль упруго В четвертой главе рассмотрены особенности проектирования и расчета нежестких дорожных одежд на основе расчетных характеристик конструктивных слоев, полученных экспериментальным путем; впервые предложена методика расчета конструкции дорожной одежды с учетом напряжений на границе контакта слоев; даны рекомендации по проведению контроля качества устройства конструктивных слоев методом вдавливания сферического штампа.

Основной задачей проектирования и расчета нежестких дорожных одежд является сопоставление прочностных характеристик как всей дорожной конструкции, так и отдельных конструктивных слоёв с напряжениями и воздействиями, возникающими при движении автомобиля. В процессе эксплуатации в конструкции нежесткой дорожной одежды возникают напряжения и усилия, приводящие к деформированию слоев, которые определяются характером нагрузки от автомобильного транспорта и зависят от климатических и воднотепловых факторов. Надежность и долговечность определяется уровнем конструирования и расчета.

Для минимизации недостатков, возникающих в процессе конструирования и расчета, предлагается использовать в качестве расчетных характеристики, полученные методом вдавливания сферического штампа. При этом расчет может быть выполнен с использованием блок-схемы, изображенной на рис. 5.

Рис. 5. Блок-схема расчета конструкции нежесткой дорожной одежды Назначение толщины конструктивных слоев согласно ОДН 218.046-01 происходит без учета упругих и остаточных деформаций материала слоев в процессе их работы в конструкции дорожной одежды, а также без учета температурновлажностного режима, что существенно уменьшает срок службы всей конструкции. Для оценки напряжений на границе контакта конструктивных слоев можно воспользоваться известным приближением М.Б. Корсунского к точному решению задачи о загружении слоистого полупространства (см. рис. 1):

4 P =, (14) j 1+1,85 Hэj / Dj 2 D2 ( ) где Р – вертикальная нагрузка, движущаяся со скоростью по поверхности покрытия; Dj – диаметр круговой площадки нагружения j-го слоя; Hэj – эквивалентная толщина:

j=M -Ej Hэj = h1 + hj E1. (15) j=Для обеспечения устойчивости покрытий и оснований от сдвиговых деформаций должно соблюдаться условие , где - величина установив y y шихся напряжений.

Для обработки результатов, полученных в результате испытаний, а также оценки и проверки напряжений на границе контакта слоев была разработана программа. Результаты расчетов приведены в табл. 2.

В случае расхождения между полученными расчетными значениями напряжений на границе контакта и установившимися напряжениями производится корректировка конструкции с последующим пересчетом.

Вследствие высоких требований, предъявляемых к каждому конструктивному слою, необходимо осуществлять своевременный контроль качества на основе пробного их устройства с послойным определением основных расчетных характеристик.

Таблица Определение напряжений на границе контакта конструктивных слоев нежесткой дорожной одежды Конструктивные слои h, см Hэ Ерасч, МПа р, МПа Еэкв, МПа у, МПа дорожной одежды 0,2235 2,ЩМА-15 1175,89 0,0026 360,01 4,Плотный мелкозернистый а/б типа 6 1867,17 0,5516 325,94 1,38А, марка 1, на битуме БНД 60/Черный щебень 10 634,846 0,0085 249,49 0,0812,Щебень гранитный 34 350,018 0,06 187,99 0,03по способу заклинки 37,Песок мелкозернистый 58 100,093 0,0026 77,7 0,0472,2Суглинок легкий 34,415 Результаты, полученные в ходе натурных испытаний, необходимо сравнивать с лабораторными показателями. При возникновении разницы между полученными значениями необходимо уточнять технологию возведения каждого конструктивного слоя и качество применяемых материалов, а затем производить пересчет всей конструкции с уточнением толщин конструктивных слоев и проверкой напряжений на границе контакта.

На основе статистической обработки данных устанавливается адекватность показателей: показатели прочности сравниваются по значениям установившихся напряжений, а соответствие качества используемого в процессе строительства материала конструктивного слоя характеризуется углом внутреннего трения и сцеплением между частицами.

Предлагаемый метод контроля качества строительства позволит ускорить оперативность и повысить достоверность оценки качества строительства конструктивных слоев нежестких дорожных одежд; отказаться от взятия вырубок или кернов из покрытия; принимать оперативные решения по внесению изменений в конструкцию дорожной одежды путем уточнения толщин конструктивных слоев и замены не отвечающих требованиям материалов.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ 1. Установлены аналитические зависимости диапазона изменения прочности конструкции от толщины слоев и модуля упругости, на основании которых в случае ошибочного назначения расчетной характеристики любого конструктивного слоя можно оценить изменение напряженно-деформированного состояния на поверхности конструкции нежесткой дорожной одежды.

2. Впервые теоретическими и опытно-экспериментальными исследованиями обоснованы величины нагрузок и параметры сферического штампа для испытания слоя щебеночного основания, песчаного подстилающего слоя и грунта земляного полотна. Метод вдавливания сферического штампа позволил определить в лабораторных и натурных условиях модуль упругости и деформации, угол внутреннего трения, коэффициент сцепления между частицами материала, коэффициент Пуассона каждого конструктивного слоя.

3. Обосновано циклическое приложение нагрузки при исследовании слоя щебеночного основания, песчаного подстилающего слоя и грунта земляного полотна. Это дает возможность определить установившиеся напряжения, которые могут рассматриваться как прочность ненарушенной структуры материала.

4. Впервые произведен учет напряжений на границе контакта конструктивных слоев в методе расчета конструкции нежестких дорожных одежд, который позволяет повысить прочность конструкции и увеличить срок ее службы.

5. Проведенные экспериментальные исследований в лабораторных и натурных условиях дали возможность разработать методику применения метода вдавливания сферического штампа для контроля качества устройства конструктивных слоев нежестких дорожных одежд.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих статьях:

Статьи в изданиях, входящих в Перечень ВАК 1. Волокитина, О.А. Метод оценки прочностных и деформационных характеристик конструктивных слоев дорожных одежд / А.В. Еремин, О.А. Волокитина // Научный вестник Воронежского гос. арх.-строит. ун-та. Строительство и архитектура. - 2010. - № 1 (17). - С. 152-157 (Личный вклад соискателя – 4).

2. Волокитина, О.А. Определение расчетных характеристик конструктивных слоев нежестких дорожных одежд / В.Г. Еремин, О.А. Волокитина // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Строительство и архитектура. - 2010. - № 17 (36). - С. 61-66 (Личный вклад соискателя – 4).

3. Волокитина, О.А. Использование метода вдавливания сферического штампа для определения расчетных характеристик различных конструктивных слоев нежестких дорожных одежд / О.А. Волокитина // Строительство и реконструкция. - 2010. - № 6 (32). - С. 70-77 (Личный вклад соискателя – 7).

4. Волокитина, О.А. Метод определения расчетных характеристик конструктивных слоев нежестких дорожных одежд / В.Г. Еремин, О.А. Волокитина // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. - 2010. - № 3 (28). - С. 228-234 (Личный вклад соискателя – 5).

5. Волокитина, О.А. Особенности проектирования и расчета нежестких дорожных одежд на основе реальных расчетных характеристик конструктивных слоев. / О.А. Волокитина // Научный вестник Воронежского гос. арх.строит. ун-та. Строительство и архитектура. - 2010. - №4(20). - С. 100–1(Личный вклад соискателя – 6).

Публикации в других изданиях 6. Волокитина, О.А. Влияние дефектов мостового полотна на движение автотранспортных средств / В.Г. Еремин, О.А. Волокитина // Инновации в сфере науки, образования и высоких технологий: тез докл. по материалам 64-й всерос.

науч.-практ. конф. – Воронеж, 2009. – С. 52 (Личный вклад соискателя – 1).

7. Волокитина, О.А. Условия работы асфальтобетонных покрытий на железобетонных мостах / В.Г. Еремин, О.А. Волокитина // Инновации в сфере науки, образования и высоких технологий: тез докл. по материалам 64-й всерос. науч.практ. конф. – Воронеж, 2009. – С. 53 (Личный вклад соискателя – 1).

8. Волокитина, О.А. Определение расчетных характеристик конструктивных слоев нежестких дорожных одежд / О.А. Волокитина // Инновации в сфере науки, образования и высоких технологий: тез докл. по материалам 65-й всерос.

науч.-практ. конф. – Воронеж, 2010. – С. 48-50 (Личный вклад соискателя – 3).

9. Волокитина, О.А. Условия работы асфальтобетонных покрытий на железобетонных мостах / В.Г. Еремин, О.А. Волокитина // Инженерные системы и сооружения. - 2010. - № 1(2). - С. 164-170 (Личный вклад соискателя – 6).

Учебно-методические пособия 10. Волокитина, О.А. Проектирование жестких дорожных одежд: учеб.

пособие: допущено УМО / И.А. Гладышева, Т.В. Самодурова, О.В. Гладышева, О.А. Волокитина. – Воронеж: ВГАСУ, 2011. – 118 с. (Личный вклад соискателя – 50).

ВОЛОКИТИНА ОЛЬГА АНАТОЛЬЕВНА СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАСЧЕТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СЛОЕВ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД МЕТОДОМ СФЕРИЧЕСКОГО ШТАМПА АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Подписано в печать 12.04.2012. Формат 60х84 1/16. Бумага писчая.

Усл. печ. л. 1,0. Тираж 120 экз. Заказ № Отпечатано: оперативной полиграфии Издательства учебной литературы и учебно-методических пособий Воронежского государственного архитектурно-строительного университета 394006 Воронеж, ул. 20-летия Октября,







© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.