|
міністерство освіти і науки україни
національний транспортний університет
Василевич Олександр Віталійович
удк 625.02:625.852.061
моделі та метод розрахунку асфальтобетонних шарів нежорстких дорожніх одягів армованих
синтетичними матеріалами
05.22.11 – Автомобільні шляхи та аеродроми
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Київ – 2005
Дисертацією є рукопис
Робота виконана в Національному транспортному університеті Міністерства освіти і науки України, м. Київ.
Науковий керівник: доктор технічних наук, професор
Савенко В’ячеслав Якович, Національний транспортний університет, завідувач кафедри будівництва та експлуатації доріг.
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор
Павлюк Дмитро Олександрович, Національний транспортний університет, професор кафедри ”Аеропорти”.
кандидат технічних наук, професор
Прусенко Євген Дмитрович, Державна служба автомобільних доріг України, начальник Управління науково-технічної політики.
Провідна установа: Харківський національний автомобільно-дорожній університет, кафедра будівництва і експлуатації автомобільних доріг Міністерства освіти і науки України.
Захист дисертації відбудеться ” 10 ” червня 2005 р. о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.059.02 при Національному транспортному університеті за адресою: 01010, Україна, м. Київ, вул. Суворова 1.
З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного транспортного університету (01103, Україна, м. Київ, вул. Кіквідзе, 42).
Автореферат розіслано ” 5 ” травня 2005 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради
кандидат технічних наук І.А. Рутковська
Загальна характеристика роботи
Актуальність теми. На даний час на автомобільних дорогах України, як і в цілому світі, переважають нежорсткі дорожні одяги з асфальтобетонними шарами. Такі дорожні одяги нерідко під дією транспортного навантаження досить швидко руйнуються та вимагають передчасних ремонтів. Руйнування проявляються різною мірою в залежності від режиму і характеру навантаження. Досить поширеними руйнуваннями асфальтобетонних шарів є тріщини. Тому, в останні роки, для підвищення довговічності таких шарів, на практиці досить широко застосовують армуючі прошарки у вигляді синтетичних матеріалів, але їх застосування не підкріплене досить строгою теоретичною базою, яка б дозволяла розраховувати асфальтобетонні шари дорожнього одягу з урахуванням особливостей роботи армуючих синтетичних прошарків.
За останні десятиліття вивченню тріщиностійкості асфальтобетонних шарів присвячено багато наукових праць вітчизняних і зарубіжних вчених, але дослідженню впливу армуючих синтетичних прошарків на загальний напружено-деформований стан цих шарів приділялось недостатньо уваги. Тому в цій області практично відсутні теоретичні розробки, що дозволили б розробити єдину методику розрахунку асфальтобетонних шарів армованих синтетичними матеріалами. Як відомо, дорожньо-будівельні матеріали та ґрунти земляного полотна при їх навантаженні проявляють в’язко-пружні властивості, які необхідно враховувати при визначенні напружено-деформованого стану армованих асфальтобетонних шарів дорожнього одягу від дії транспортних навантажень та при оцінці їх граничного стану, що ще більш ускладнює задачу.
Подальший розвиток методів розрахунку армованих асфальтобетонних шарів вимагає більш досконалого і ретельного вивчення впливу синтетичного прошарку на напружено-деформований стан та розподіл напружень в нежорсткому дорожньому одязі автомобільних доріг і вулиць.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Наукові результати роботи одержані в процесі виконання плану науково-дослідних робіт Національного транспортного університету: „Розробка математичних моделей армування дорожніх одягів синтетичними матеріалами і методів їх реалізації” (д/б тема № 22 РК 0103U003382); тематичного плану науково-дослідних робіт Державної служби автомобільних доріг України „Розробити методику розрахунку нежорстких дорожніх одягів з армуючими прошарками” (д/б № 38/55 РК 0102U003929); „Переробити ВБН 46-83 „Інструкція з проектування дорожніх одягів нежорсткого типу” (д/б № 157 РК 0102U003926).
Автор приймав безпосередню участь у виконанні вказаних наукових тем.
Мета і завдання дослідження. Метою роботи є розробка моделей та методу розрахунку асфальтобетонних шарів нежорстких дорожніх одягів, армованих синтетичними матеріалами як основи заходів з підвищення їх довговічності.
Для досягнення мети були поставлені такі задачі:
- дослідити та узагальнити механізм взаємодії армуючого синтетичного прошарку з асфальтобетонними шарами нежорсткого дорожнього одягу з обґрунтуванням фізичної моделі даного процесу;
- розробити моделі роботи армуючих прошарків в асфальтобетонних шарах нежорстких дорожніх одягів для визначення нормальних напружень від дії транспортних засобів;
- розробити метод розрахунку армованих асфальтобетонних шарів з обґрунтуванням та оцінкою їх граничного стану;
- провести експериментальні дослідження армованих асфальтобетонних шарів у лабораторних умовах та методом акустичної емісії для оцінки адекватності запропонованих моделей та методу їх розрахунку.
- на основі узагальнення результатів дослідження розробити методику проектування дорожніх одягів нежорсткого типу з асфальтобетонними шарами армованими синтетичними матеріалами.
Об’єкт дослідження – армовані асфальтобетонні шари нежорсткого дорожнього одягу.
Предмет дослідження – моделі та метод розрахунку асфальтобетонних шарів армованих синтетичними матеріалами.
Методи дослідження – фундаментальні закони механіки твердого деформівного тіла, теорії пружності, математичне моделювання та експериментальні дослідження.
Наукова новизна одержаних результатів:
- запропоновано аналітичні залежності визначення розтягуючих напружень в активній зоні армування асфальтобетонних шарів, які показують, що при дії зовнішнього транспортного навантаження вони максимальні у місцях найбільшого прогину, пропорційні йому та обернено пропорційні квадрату радіуса чаші прогину покриття;
- вперше для прогнозування стану армованих асфальтобетонних шарів застосовано метод акустичної емісії (АЕ), який дозволив визначити, що в армованих конструкціях дорожнього одягу кількість сигналів АЕ в 2–3 рази менша в порівнянні з неармованими; при чому, в момент часу, коли відбувається руйнування неармованого асфальтобетону, випромінювання сигналів АЕ носить лавиноподібний характер.
Практичне значення одержаних результатів. На підставі запропонованого методу розроблено інженерну методику розрахунку армованих асфальтобетонних шарів та практичні рекомендації щодо підвищення їх міцності та довговічності з оцінкою економічної ефективності від застосування армуючих матеріалів.
Результати виконаних досліджень використані при розробці методики розрахунку МР-218-02070915-322-2003 “Методика розрахунку нежорстких дорожніх одягів з армуючими прошарками” та відомчих будівельних норм ВБН В.2.3-218-186-2004 “Споруди транспорту. Дорожній одяг нежорсткого типу”.
Особистий внесок здобувача. Результати наведених у дисертації досліджень отримані автором самостійно.
Особистий внесок здобувача полягає в наступному:
- виведення аналітичних залежностей та співвідношень розроблених моделей армованих асфальтобетонних шарів нежорстких дорожніх одягів та розробка методу їх реалізації;
- проведення експериментальних досліджень дорожніх одягів нежорсткого типу за допомогою методу акустичної емісії з використанням програмного комплексу “АКЕМ” для реєстрації та аналізу сигналів акустичної емісії від розвитку мікротріщин в армованих асфальтобетонних шарах.
Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи були представлені на: наукових конференціях професорсько-викладацького складу Національного транспортного університету №№ 56–61 в 2001–2005 рр.; на міжнародній науково-технічній конференції „Прогресивні технології і енергозбереження в дорожньому будівництві”, 24–26 жовтня 2001 року, Київ, Україна; X International Conference „Durable and safe road pavements”. Kielce, 11–12 May 2004.
Публікації. За результатами дисертаційної роботи опубліковано дев'ять друкованих робіт в наукових фахових виданнях, збірниках наукових праць та в тезах доповідей на конференціях, із них 6 – в спеціалізованих виданнях за переліком ВАК України.
Структура та обсяг дисертації. Дисертація включає вступ, чотири розділи, загальні висновки, список використаних джерел із 156 найменувань та додатки. Основний текст викладений на 164 сторінках. Текст ілюструється 53 рисунками, містить 22 таблиці і 3 додатка.
основний Зміст РОботи
У вступі викладено актуальність дисертаційної теми, сформульовано мету та задачі досліджень, наведено основні наукові результати, показано практичне значення отриманих результатів та напрямки впровадження.
У першому розділі виконано огляд та аналіз існуючих підходів до оцінки напружено-деформованого стану та методів розрахунку на міцність асфальтобетонних шарів нежорстких дорожніх одягів, зроблено аналіз світового досвіду будівництва та експлуатації дорожнього одягу з прошарками, що підвищують міцність та тріщиностійкість асфальтобетонних шарів автомобільних доріг, обґрунтовано шляхи удосконалення існуючих методів проектування та розрахунку асфальтобетонних шарів армованих синтетичними матеріалами.
Для прогнозу тріщиноутворення в асфальтобетонних шарах армованих синтетичними матеріалами на даний час застосовується декілька теорій міцності. Одні теорії потребують спеціальних методів визначення міцнісних характеристик матеріалів, інші обходяться традиційними характеристиками чи їх модифікаціями.
Сучасні методи розрахунку нежорстких дорожніх одягів базуються на результатах наукових досліджень напружено-деформованого та граничного стану конструктивних шарів, властивостей матеріалів дорожнього одягу і ґрунту земляного полотна відомих вітчизняних вчених: В.Ф. Бабкова, О.Т.Батракова, О.К. Біруля, А.М.Богуславського, А.Г. Булавка, М.І. Волкова, Л.Б. Гезенцвея, Г.І. Глушкова, М.М. Дмитрієва, К.Є. Єгорова, В.К. Жданюка, В.О. Золотарьова, М.М. Іванова, Б.І Когана, М.Б. Корсунського, А.М. Кривіського, О.В. Марчука, О.Ю.Мерзликіна, С.І.Міховича, В.В. Мозгового, В.Г. Піскунова, А.К.Приварнікова, Є.Д. Прусенка, Б.С.Радовського, Р.М. Раппопорт, О.О. Рассказова, А.В. Руденського, В.Я. Савенка, А.О. Саля, С.І. Сіденка, В.С. Сіпетова, А.С.Супруна, Г.К. Сюньї, К.С. Теренецького, В.С. Титаря, К.К Туроверова, П.І. Тєляєва, Л.І. Федоренко, Ю.А. Шевлякова, О.Я. Шехтєра, та зарубіжних вчених: Бурмістера, Джонса, Мергера, Фокса, Шифмане та ін.
Проведені дослідження дозволили створити декілька аналітично-розрахункових апаратів, що дозволяють виконувати розрахунки напружено-деформованого стану шарів дорожнього одягу, використовуючи їх деформаційні характеристики.
Однак існуючі на даний час теоретичні та експериментальні дослідження носять розрізнений характер. До цього часу не існує єдиної методики, яка б дозволяла розраховувати армовані асфальтобетонні шари нежорсткого дорожнього одягу з урахуванням спільної роботи матеріалів дорожнього одягу та армуючих прошарків, які безперечно впливають як на загальний напружений стан, так і граничний стан армованого асфальтобетонного шару.
Крім того, незважаючи на велику кількість проведених досліджень з вивчення поведінки асфальтобетонних шарів, питання розрахунку армованих асфальтобетонних шарів у нормативних документах взагалі не розглядається.
Ідея використання в дорожніх конструкціях тонких прошарків-мембран, що працюють на розтяг не нова, але передумови для її реалізації з'явилися з розвитком хімії полімерних матеріалів. В даний час розширився асортимент геосинтетичних матеріалів, що призвело до розширення області їхнього застосування і функціональності.
На українському ринку представляють свої геотекстильні матеріали такі відомі фірми-виробники як Huesker Synthetic (Німеччина), DuPont (Франція), Євроізол (Україна), Presto Products Company (США), ВАТ “Ірпінський комбінат “Прогрес”, Могилів-Подільська фабрика нетканих матеріалів та ін. Кожна із цих фірм випускає декілька видів геотекстильного матеріалу або навіть декілька десятків найменувань продукції, що в свою чергу потребує розробки класифікації геотекстильних матеріалів та держстандарту на такі матеріали. На даний час існує декілька класифікацій геотекстильних матеріалів і всі вони відрізняються між собою.
Враховуючи таке різноманіття геотекстильних матеріалів за відсутності єдиної та чіткої класифікації виникає проблема ефективного їх використання, враховуючи їх властивості та функціональне призначення. Але такого виду проблема мізерна у порівнянні із тим, що запроектований дорожній одяг із армуючим синтетичним прошарком необхідно розрахувати на дію транспортних навантажень, надійність та довговічність.
Армування асфальтобетонних шарів нежорстких дорожніх одягів набуло надзвичайного поширення в останні роки у вітчизняному будівництві. Але застосування синтетичних матеріалів в якості армуючих прошарків не підкріплене теоретичною базою, і як правило, при проектуванні дорожнього одягу вони призначаються конструктивно, що не дозволяє на стадії проектування визначити реальний термін служби армованого асфальтобетонного шару.
Другий розділ присвячений розробці та обґрунтуванню моделей та методу розрахунку асфальтобетонних шарів нежорстких дорожніх одягів армованих синтетичними матеріалами.
На дорогах із асфальтобетонним покриттям при проїзді транспортних засобів можуть з’являтися тріщини, які в цілому негативно впливають на експлуатаційний стан дорожньої конструкції.
Метою застосування синтетичних матеріалів в якості армування асфальтобетонних шарів є перерозподіл горизонтальних та зниження напружень в асфальтобетонному шарі та в результаті не допущення утворення тріщин.
Взаємодія асфальтобетону як матеріалу із синтетичним прошарком являє собою складний процес. В даному випадку ми маємо справу з матеріалами абсолютно різними за своїм походженням, складом та властивостями, що ускладнює механізм їх взаємодії. Якщо представити собі цей механізм, то зчеплення армуючого прошарку із асфальтобетоном забезпечується наступним чином: збільшення опору асфальтобетону зусиллям зминання (рис. 1), що обумовлено нерівностями та періодичним профілем арматури, тобто механічним зчепленням армуючого прошарку із асфальтобетоном; утворенням тертя на поверхні армуючого прошарку завдяки обтискуванню його асфальтобетоном при ущільненні; склеювання асфальтобетону з прошарком, обумовлене наявністю бітуму та адгезійних добавок.
Під час спільної роботи “системи” (асфальтобетонний шар – армуючий синтетичний прошарок – асфальтобетонний шар) в асфальтобетонному шарі нижче нейтральної осі від дії зовнішнього навантаження виникають розтягуючі напруження, які частково передаються та сприймаються армуючим прошарком та намагаються його розтягнути. При цьому в прошарку виникають реактивні зусилля, обумовлені порушенням стану рівноваги в результаті дії навантаження.
На рис. 2 зображена лінія впливу реактивних напружень в армуючому прошарку на асфальтобетонні шари.
В асфальтобетонних шарах, між якими укладено армуючу сітку, на певній відстані вище та нижче від сітки утворюється зона, де загальний напружено-деформований стан визначається не тільки властивостями асфальтобетону, а й наявністю армуючого матеріалу. Тобто в межах цієї зони сітка впливає на напружено-деформований стан в асфальтобетонних шарах, причому біля самої сітки він змінюється максимально, а на деякій відстані від сітки ця зміна дорівнює нулю.
Ділянка, що знаходиться в межах лінії впливу, називається активною зоною армування.
“Система” буде діяти найбільш ефективно за умови абсолютного зчеплення її складових, тобто асфальтобетонного шару із армуючим прошарком, так як в цьому випадку площа контакту буде максимальною і не буде місць розриву напружень.
При влаштуванні армованого асфальтобетонного шару під час будівництва припускається, що прошарок максимально можливо контактує із асфальтобетонним шаром. Але в процесі експлуатації в силу дії різних факторів площа контакту, де не можливі переміщення прошарку відносно шару (абсолютний контакт) зменшується в результаті часткового відриву армуючого прошарку від асфальтобетонного шару. Тому, в даному випадку, можна виділити дві контактуючі ділянки:
- ділянка з абсолютним контактом;
- ділянка, де можливі переміщення прошарку відносно асфальтобетонного шару.
В другому випадку розтягуючі напруження від асфальтобетонного шару передаються армуючому прошарку тільки за рахунок їх взаємного тертя та механічного зчеплення.
Перший випадок характерний тим, що між прошарком та асфальтобетонним шаром виникають зовнішні сили тертя, внутрішні сили тертя, а також супроводжуюче тертя явище адгезії, що полягає в зчепленні частинок із поверхнею макроскопічних тіл в результаті дії поля сил, які створюють міжатомні і міжмолекулярні в’язі.
З вище викладеного можна зробити висновок, що для забезпечення надійного контакту між прошарком і асфальтобетонним шаром необхідно, щоб сили тертя та адгезія були максимальними. При теоретичних розрахунках для практичних цілей особливо важливим є випадок абсолютного зчеплення армуючого прошарку із асфальтобетонним шаром, коли арматура максимально включається в роботу, тому в роботі використовувалась гіпотеза, що взаємні переміщення армуючого прошарку та асфальтобетонного шару неможливі (випадок абсолютного зчеплення).
Обґрунтовано і розроблено модель для визначення горизонтальних розтягуючих напружень в активній зоні армування  , що можуть викликати розтріскування армованих асфальтобетонних шарів при одноразовому чи багаторазовому прикладенні навантаження. Враховуючи квазіпружні властивості асфальтобетону при розрахунковій температурі Т = 0°С, передбачено встановлювати  на основі відомих залежностей теорії пружності.
Запропоновано аналітичні залежності, які дозволяють при відомих значеннях модуля пружності та коефіцієнта Пуассона активної зони армування визначати розтягуючі напруження  :
 , (1)
Формула (1) показує, що при дії зовнішнього навантаження, розтягуючі напруження, які виникають в активній зоні армування, максимальні в місцях найбільшого прогину, пропорційні йому та обернено пропорційні квадрату радіуса чаші прогину покриття.
Максимальне напруження в активній зоні армування від вертикального навантаження з використанням формули М.Б. Корсунського для максимального прогину виразиться залежністю:
 , (2)
Розроблено модель роботи армуючих прошарків в асфальтобетонних шарах дорожнього одягу нежорсткого типу, що дозволяє визначати горизонтальні нормальні напруження в армованому асфальтобетонному шарі від дії транспортних засобів. Умови роботи армуючого прошарку в асфальтобетонних шарах наведено на рис. 3.
На основі теорії композитів була запропонована залежність, яка пов’язує між собою загальне напруження розтягу в композитному матеріалі  , розтягуюче напруження в активній зоні армування  та горизонтальне нормальне напруження в асфальтобетоні  :
 , (3)
Від діючого зовнішнього навантаження горизонтальна складова нормального напруження в будь-якій точці покриття при згині може бути визначена за формулою:
 , (4)
де  , 
На основі залежностей (1), (3) та (4) було запропоновано залежності для визначення розтягуючих напружень:
– загального в армованому асфальтобетонному шарі
 , (5)
– в неармованому асфальтобетоні
 , (6)
– в активній зоні армування
 , (7)
де  .
Для оцінки граничного стану армованих асфальтобетонних шарів щодо тріщиностійкості, на підставі положень кінетичної теорії міцності твердих тіл, було використано умову довготривалої міцності Бейлі:
 (8)
та універсальну модифіковану залежність Г.М. Бартенєва у вигляді:
 , (9)
де bф(Т), Вф(Т) – показники функції довговічності.
Тоді час до руйнування при відповідному рівні напружень та температурі визначиться за такими аналітичними залежностями:
– в армованому асфальтобетонному шарі
 , (10)
– в неармованому асфальтобетонному шарі
 , (11)
- в активній зоні армування
 , (12)
Для визначення граничного стану (міри небезпеки розтріскування) армованих асфальтобетонних шарів в межах активної зони армування запропоновано залежність:
| 
