Разработка теории вибрационного разрушения нежестких дорожных одежд и путей повышения их долговечности

На правах рукописи

Осиновская Вероника Александровна

Разработка теории вибрационного разрушения нежестких дорожных одежд и путей повышения их долговечности

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

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Москва 2011

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Московском автомобильно-дорожном государственном техническом университете (МАДИ) на кафедрах «Строительная механика» и «Строительство и эксплуатация дорог».

НАУЧНЫЙ КОНСУЛЬТАНТ:	заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Немчинов Михаил Васильевич
ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:	заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Казарновский Владимир Давидович доктор технических наук, профессор Матуа Вахтанг Парменович доктор технических наук, профессор Матвеев Сергей Александрович
ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ:	ФГУП «РОСДОРНИИ»

Защита состоится « 17 » февраля 2012 г. в 1000 часов на заседании диссертационного совета Д.212.126.02 ВАК России при Московском автомобильно-дорожном государственном техническом университете (МАДИ)

по адресу: 125319, Москва, Ленинградский проспект, 64.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАДИ.

Текст автореферата размещен на сайте МАДИ: http://madi.ru

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять в адрес диссертационного совета. Копию отзыва просим присылать по е-mail: uchsovet@madi.ru.

Автореферат разослан « ____ » __________ 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

к.т.н., проф. Н.В. Борисюк

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одной из важнейших проблем дорожной отрасли России является преждевременное разрушение дорожных конструкций. В значительной степени это относится к нежестким дорожным одеждам, так как они составляют около 98 % всех дорог с твердым покрытием. Фактические межремонтные сроки службы дорожных одежд с асфальтобетонными покрытиями значительно ниже по сравнению с нормативными, что приводит к ежегодному увеличению объемов ремонтных работ и к дополнительным финансовым вложениям в дорожную отрасль.

Ежегодные экономические потери РФ, связанные с плохим состоянием автомобильных дорог, составляют около 1,5 трлн. руб. Как известно из материалов статистических обследований, фактические сроки службы асфальтобетонных покрытий составляют не более 3…5 лет, а иногда и не более 1…2 года. Недостаточная развитость сети автомобильных дорог РФ, которая по сравнению с европейскими странами ниже в 5…30 раз, и неудовлетворительное состояние эксплуатируемых автомобильных дорог существенно тормозят развитие всего народного хозяйства страны.

В многочисленных научных исследованиях, посвященных проблеме преждевременного разрушения нежестких дорожных одежд, указывается на то, что низкая долговечность конструкций обусловлена целым комплексом различных причин: ростом интенсивности движения и числа многоосных автомобилей в транспортных потоках; эксплуатацией участков автомобильных дорог, запроектированных под нагрузку 6 т. на ось; использованием некачественных дорожно-строительных материалов; нарушениями технологий строительства; несовершенством методов расчета дорожных конструкций и др.

Проблема преждевременного разрушения дорожных одежд характерна не только для России, но и для зарубежных стран. Различие состоит только в темпах и объемах разрушения. Поэтому научные разработки, направленные на повышение сроков службы дорожных одежд, являются актуальными.

Тема диссертационной работы вписывается в перечень важнейших мероприятий Федеральной целевой программы «Модернизация транспортной системы России (2002-2010 годы)» по научно-исследовательским и опытно-конструкторским работам по разделу 122 «Совершенствование теоретических основ и расчетных методов надежности и долговечности дорожных конструкций и конструкций искусственных сооружений» (приложение № 2 к Федеральной целевой программе). Кроме того, данное исследование проводится в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно- педагогические кадры инновационной России» 2009-2013 годы.

При проектировании нежестких дорожных одежд, в соответствии с действующими нормативными документами, учитывается целый комплекс факторов снижения транспортно-эксплуатационных показателей дороги в течении срока ее службы, в том числе, циклический характер нагружения, влияние природно-климатических факторов, процессы усталостного разрушения и др. Для обеспечения соответствующего уровня надежности вводятся необходимые запасы прочности.

Циклический характер нагружения, приводящий к накоплению усталостных повреждений в материале покрытия дорожной одежды и последующее образование в нем усталостных трещин, связанно с периодическим воздействием транспортных нагрузок и соответствующими циклически меняющимися прогибами дорожного полотна. Этот вид нагружения учитывается при проектировании нежестких одежд при расчете усталостного сопротивления асфальтобетонных покрытий.

Однако, при расчете дорожных конструкций в число факторов воздействия на дорожную одежду не включается ее вибронагруженность. В данной работе под термином вибронагруженность понимается процесс свободных затухающих колебаний слоев дорожной одежды, развивающийся из-за ударно-импульсного воздействия движущихся транспортных средств, при котором формируются дополнительные динамические прогибы. Эти дополнительные прогибы не учитываются при расчете на прочность нежестких дорожных одежд. Многочисленные натурные исследования подтверждают наличие колебаний дорожных одежд и грунта земляного полотна. Таким образом, отсутствие при проектировании учета вибронагруженности нежестких дорожных одежд приводит к тому, что дорожные конструкции изначально необеспечены необходимыми прочностными показателями.

Для выявления связей между вибрационными процессами и процессами деформирования дорожных конструкций, понимания причин преждевременного разрушения нежестких дорожных одежд, прогнозирования их долговечности при вибрационном нагружении и разработки мер по защите от вибрации необходимо было разработать теорию вибрационного разрушения.

Цель и задачи исследования. Целью исследования является повышение долговечности дорожных конструкций путем снижения их вибронагруженности на основе разработки теории вибрационного разрушения нежестких дорожных одежд.

Для реализации этой цели в диссертации поставлены и решены следующие задачи:

• обоснование и подтверждение гипотезы вибрационного разрушения дорожных конструкций;
• проведение математического моделирования колебаний системы «автомобиль - дорожная конструкция» в вертикальной плоскости, разработка теоретических положений и математического аппарата исследования динамических процессов, возникающих в слоях дорожной одежды после ударного взаимодействия неподрессоренных частей автомобиля с неровностями дорожного покрытия;
• разработка теоретических основ проектирования дорожных одежд с пониженной вибронагруженностью;
• усовершенствование методик расчета дорожных конструкций на прочность по допустимому упругому прогибу и дорожных покрытий на сопротивление усталостному разрушению при изгибе при учете вибронагруженности;
• разработка методики прогнозирования срока службы дорожных одежд при учете вибронагруженности и рекомендаций по повышению работоспособности и долговечности нежестких дорожных одежд;
• проведение экспериментальных натурных исследований по определению динамических параметров элементов дорожной конструкции.

Научная новизна. Научная новизна исследования состоит в следующем:

• Предложена и обоснована разработанная теория вибрационного разрушения нежестких дорожных одежд, в соответствии с которой в качестве одной из основных причин преждевременного разрушения выступает вибронагруженность слоев дорожной одежды. При этом главным энергетическим источником разрушения является ударное взаимодействие неподрессоренных частей движущегося автомобиля с дорожным покрытием.
• Разработаны многомассовые цепные модели дорожной одежды, в которых впервые используются численные инерционно-упруго-диссипативные параметры слоев. Для решения математических моделей созданы оригинальные расчетные программы для РС, позволяющие осуществлять имитацию процессов взаимодействия движущегося автомобиля с дорожным покрытием, имеющим геометрические и динамические неровности.
• Представлен «динамический паспорт» дорожного покрытия, в виде математической модели его амплитудно-частотной характеристики.
• Разработана методика теоретической оценки ударного взаимодействия колеса автомобиля и неровности покрытия.
• Выведена функциональная зависимость, связывающая уровень динамических сил во всех слоях дорожной одежды с параметрами этих слоев, амплитудами неровности покрытия и скоростями движения автомобиля.
• Создана методика расчета дорожных одежд на прочность при учете вибрационного фактора, базирующаяся на определении суммарного расчетного количества приложений нагрузки за срок службы, включая нагружения характеризуемые вибропрогибами.
• Разработана методика учета вибронагруженности при расчете монолитных слоев на сопротивление усталостному разрушению от растяжения при изгибе.
• Разработан метод снижения уровня вибрации дорожной одежды, путем реализации противофазности действия динамических сил смежных слоев или оптимального подбора парциальных частот, для повышения сроков службы дорожной конструкции.
• Создан теоретико-графический метод прогнозирования срока службы дорожной одежды.

Практическая ценность работы состоит в решении важной народно-хозяйственной задачи увеличения сроков службы нежестких дорожных одежд. Результаты исследования вносят существенный вклад в современные представления о процессах взаимодействия транспортных средств и дорожных конструкций. Предложены методы позволяющие при проектировании повысить долговечность нежестких дорожных одежд. Разработанные теоретические положения позволили предложить ряд рекомендаций, направленных на решение проблем эксплуатации дорог с нежесткими дорожными одеждами. Использование этих рекомендаций позволит увеличить фактические межремонтные сроки эксплуатации дорожных конструкций и сократить народно-хозяйственные затраты.

Объектом исследования в данной работе являются дорожные одежды нежесткого типа.

Методы исследования включают в себя математическое моделирование динамических процессов, теоретические методы исследования ударного взаимодействия, методики расчета дорожных одежд на прочность и сопротивление монолитных слоев усталостному разрушению от растяжения при изгибе, методы экспериментального определения собственных динамических параметров слоев дорожной одежды.

Достоверность теоретических решений и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается обширным статистическим и экспериментальным материалом, имеющимся как в РФ, так и за рубежом, а также натурными испытаниями с участием автора. Математическое моделирование, на котором базируются теоретические положения, выполнено с использованием критериев подобия, обеспечивающих адекватность вибрационных процессов модели и натуры.

Реализация работы. Предложенные рекомендации по материалам исследования приняты ГПРСП «Брянскавтодор» для внедрения при реконструкции участков автомобильных дорог Брянской области.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и практические результаты докладывались и обсуждались на международных, всероссийских и региональных научно-практических конференциях, в том числе: на Всероссийских научно-практических конференциях в г. Казань (2007 и 2008 гг.); на Научно-методических и Научно-исследовательских конференциях МАДИ (ГТУ) в г. Москве (2008, 2009, 2010 и 2011 гг.); на Международной научно-технической конференции г. Пермь (2008 г); на Научно-практической конференции «Международные транспортные коридоры» г. Баку (2008 г.); на Всероссийских Дорожных конгрессах г. Москва (2009 и 2010 гг.); на Научно-практической конференции «Наука и инновации на транспорте» г. Москва (2009 г.); на Выставке «Научные достижения МАДИ (ГТУ)» г. Москва (2009 г.) и на Международной специализированной выставке-форуме «Дорога» г. Москва (2010 г.)

Публикации. По результатам исследований опубликовано 23 печатных работы, в том числе 2 монографии и 11 работ в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. По результатам проведенных исследований получен патент на изобретение RU № 2399715 C1, опуб. 20.09.2010, бюл. №26.

На защиту выносятся:

• Теория вибрационного разрушения нежестких дорожных одежд;
• Результаты математического моделирования вертикальной динамики дорожной конструкции;
• Теоретические основы ударного взаимодействия автомобиля и дорожной конструкции;
• Метод динамического подбора соотношения толщин слоев дорожных одежд, обеспечивающий снижение их вибрационной нагруженности;
• Методика расчета дорожных одежд на прочность по допустимому упругому прогибу с учетом вибрационного фактора;
• Методика расчета дорожного покрытия на сопротивление усталостному разрушению при изгибе при наличии вибронагруженности дорожной конструкции.
• Метод расчета прогнозных сроков службы дорожных одежд.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав, основных выводов, списка литературы и 4 приложений. Основной текст диссертации изложен на 295 страницах, включая 100 рисунков, 45 таблиц и список литературы из 267 наименований. Приложения на 15 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении представлено обоснование актуальности темы исследования, отмечена научная новизна и практическая значимость научной работы, сформулирована цель исследования.

В первой главе проведен анализ состояния дорожных одежд нежесткого типа, выполнен обзор научных представлений об основных причинах их преждевременного разрушения, проанализированы существующие методы расчета прочности дорожных конструкций и применяемые при этом расчетные модели, обоснована эффективность применения математического моделирования для исследования вибрационных процессов

В настоящее время дорожная наука обладает огромным статистическим и теоретическим материалом в области проектирования, строительства и эксплуатации автомобильных дорог. Теоретическая и методологическая база расчета и конструирования нежестких дорожных одежд была заложена научными трудами представителей отечественной науки: А.К. Бируля, Н.Н. Иванова, В.Ф. Бабкова, Н.А. Пузакова, А.Я. Тулаева, Д.М. Бурмистра, О.Я. Шехтера, Б.И. Когана, М.Б. Корсунского, А.М. Кривисского, П.И. Теляева, В.Б. Безелянского, Б.С. Радовского, А.О. Салля, И.А. Золотаря, А.В. Смирнова, В.Д. Казарновского, А.В. Руденского, М.С. Коганзона, Ю.М. Яковлева и др.

Фундаментальный метод расчета нежестких дорожных одежд был предложен Н.Н.Ивановым более 70 лет назад. Метод основан на принципах формирования общей толщины дорожной одежды с учетом параметров грунта земляного полотна, нагрузки от колес автомобиля на покрытие и интенсивности движения.

Многочисленные исследования, посвященные влиянию погодно-климатических факторов на разрушение дорожных конструкций, позволили обосновать необходимость проведения расчета дорожных одежд для наиболее неблагоприятного весеннего периода года, когда прочностные характеристики всех элементов дорожной конструкции понижены. Кроме того, в соответствии с нормами на проектирование, слои дорожных одежд должны быть водо-, морозо- и термо- устойчивыми.

Необходимость учета циклического нагружения слоев дорожных одежд в эксплуатации, прежде всего асфальтобетонного покрытия, привела к развитию теории усталостного разрушения монолитных слоев А.О. Саллем, Б.С. Радовским, А.В. Руденским, Г.С. Бахрахом, Л.А. Горелышевой, Е.В. Угловой и др. Процесс этого разрушения характеризуется возникновением усталостных трещин. При появлении усталостных трещин модули упругости слоев снижаются, прочность дорожной одежды уменьшается и на покрытии быстро растет число поверхностных повреждений.

Вопросам исследования процессов образования остаточных деформаций посвящены научные труды В.П. Матуа, А.А. Иноземцева, М.С. Коганзона, Ю.М. Яковлева и др. Исследования базировались на том, что в эксплуатации основной причиной разрушения дорожных одежд и грунта земляного полотна является непрерывное накопление остаточных деформаций.

Развитию теории напряженно-деформированного состояния дорожных одежд, учитывающей закономерности работы дорожных конструкций под различными нагрузками, и оценке повышения их работоспособности и долговечности были посвящены научные труды Б.С.Радовского, А.В.Руденского А.С.Супруна, М.С.Коганзона, Ю.М.Яковлева, В.Д. Казарновского, В.К.Апестина, А.М.Шака, А.Е.Мерзликина, Г.С.Бахраха, А.П.Васильева, В.В.Сильянова, В.П.Носова, М.В.Немчинова, А.В.Смирнова, В.И.Майорова, А.А.Иноземцева, М.Я.Телегина, О.А.Красикова, С.К.Илиополова, В.П.Матуа, С.А. Матвеева и др.

Эти исследования позволили развить представления о процессах деформирования нежестких дорожных одежд и на этой основе предложить пути повышения прочностных показателей дорожных конструкций.

Многие научные положения в определенной степени нашли свое отражение в действующих отраслевых дорожных нормах ОДН 218.046-01 «Проектирование нежестких дорожных одежд».

В связи с тем, что, с физической точки зрения, формирование напряженно-деформированного состояния (НДС) многослойной нежесткой дорожной одежды является многофакторной задачей, существует большое разнообразие моделей, описывающих ее поведение в условиях реальной эксплуатации. Основой различных методов расчета дорожных одежд на прочность является теория НДС слоистой среды. В результате проектирование и расчет нежестких дорожных одежд базируется на методах теории упругости.