Измерение прочности дорожных одежд

Общие положения. Оценка прочности дорожных одежд предназначена для установления соответствия их фактической прочности условиям современного или перспективного движения. Современные методы оценки прочности разработаны в основном для наиболее распространенных в дорожной практике нежестких одежд, которые рассчитаны по трем критериям: допустимому упругому прогибу, по условию сдвигоустойчивости подстилающего грунта и малосвязных конструктивных слоев, по сопротивлению монолитных слоев усталостному разрушению при изгибе [72]. Из этих расчётных показателей в полевых условиях реально измерить можно только упругий прогиб с последующим вычислением фактического модуля упругости дорожной одежды Е_ф:

где (10.1)

Р - среднее удельное давление, развиваемое нормативной нагрузкой, Па (для всех групп нормативных нагрузок Р = 0,60 МПа);

D - диаметр круга, равновеликого отпечатку колеса под нормативной нагрузкой, для нагрузки группы А ₁, развивающей усилие 100 кН на ось, величина D = 0,37 (0,33) м, для группы А ₂ с усилием 110 кН - D = 0,39 (0,34) м, для группы А ₃ с усилием 130 кН - D = 0,42 (0,37) м (в скобках указаны значения D для стоящего автомобиля, без скобок - для движущегося);

l - упругий прогиб дорожной одежды под нормативной нагрузкой, м;

m - коэффициент Пуассона, принимаемый для дорожных одежд равным 0,3.

Прочность жёстких дорожных одежд, так же как и одежд переходного типа, не оценивают. Их состояние определяют на основе детального визуального обследования с фиксацией имеющихся дефектов. В случае необходимости оценку прочности жёстких дорожных одежд допускается осуществлять путём сопоставления фактических толщин жёстких слоев с толщинами, устанавливаемыми по действующим нормативным документам [37].

Классификация методов измерения показателей прочности. Методы измерения прочности дорожных одежд можно классифицировать по ряду признаков. По условиям измерения прочности различают дискретные методы с записью прогиба в отдельных точках и непрерывные методы с записью прогибов при движении лаборатории в непрерывном режиме через короткие расстояния, например, 3-6 м.

По характеру приложения испытательной нагрузки к дорожной одежде различают:

методы статического нагружения колесом автомобиля с измерением прогибов дорожной одежды;

методы кратковременного нагружения или испытания колесом движущегося автомобиля с приложением нагрузки в течение более 0,2 с и измерением кратковременного прогиба;

динамические методы испытания - методы приложения динамической нагрузки в течение менее 0,2 с, ударной или вибрационной нагрузки с измерением динамического прогиба, амплитуды колебаний, виброкорреляционной или других косвенных показателей прочности дорожной одежды.

Методы и установки статического нагружения по характеру передачи нагрузки на поверхность дорожной одежды делятся на две группы: с нагружением через жёсткий штамп и с нагружением колесом автомобиля.

При статическом нагружении жестким штампом нагрузка, соответствующая нормативной на одно колесо (половина нагрузки на ось) и более, передаётся дорожной одежде через круглый жёсткий, обычно металлический, штамп, равновеликий отпечатку колеса автомобиля. Оборудование для испытаний монтируется на шасси грузового автомобиля или на передвижной лаборатории. Усилие развивается обычно гидравлической системой. Данный метод испытаний малопроизводителен и дорог. Его применяют, главным образом, в исследовательских целях, поскольку при этом обеспечивается возможность изучить процесс деформирования дорожной одежды при различных нагрузках и различной длительности нагружения, а также для послойного определения прочностных показателей. Для измерения вертикальных перемещений дорожной одежды используются датчики, смонтированные на балке, опирающейся на поверхность дорожной одежды за пределами чаши ее прогиба.

При статическом нагружении колесом грузового автомобиля нормативная нагрузка передается непосредственно через его колесо, а прогиб измеряют рычажным прогибомером.

Первым типом прогибомера является балка Бенкельмана длиной 2,4 м с соотношением грузового плеча к измерительному 0,8:1,6 м, т.е. 1:2. Более совершенным является длиннобазовый прогибомер МАДИ-Гипродорнии длиной 3,75 м с соотношением плеч 1,25:2,5, который выпускается в России под маркой КП-204 (рис. 10.5). В качестве нагрузки в этом методе используют грузовой автомобиль с осевой нагрузкой 100 кН или 60 кН.

Рис. 10.5. Схема длиннобазового рычажного прогибомера МАДИ-Гипродорнии (КП-204):
1 - клиновидная опорная прокладка; 2 - кронштейн; 3 - индикатор; 4 - измерительное плечо рычага; 5 - опорная часть; 6 - грузовое плечо рычага; 7 - колесо автомобиля; 8 - измерительный штырь; 9 - подпятник

Прогиб покрытия измеряют на полосе наката проезжей части по центру между скатами спаренного колеса автомобиля через каждые 200-250 м. В каждом месте выполняют 2-3 измерения через 5-10 м. Для этого устанавливают прогибомер так, чтобы щуп с подпятником разместился строго между скатами сдвоенного колеса гружёного автомобиля точно под центром задней оси (рис. 10.6). Затем устанавливают клиновидную опорную подкладку на покрытие так, чтобы ее наклонная поверхность вошла в контакт с концом измерительного стержня индикатора. Выдерживают автомобиль на точке измерения до тех пор, пока отсчёт по индикатору l₀ не будет изменяться за 10 с более чем на 0,005 мм, и записывают его в журчал измерений. После этого автомобиль отъезжает вперед на расстояние не менее 5 м. Дождавшись, пока отсчет по индикатору (l) после съезда автомобиля с точки измерения в течение 10 с не будет изменяться более чем на 0,005 мм, записывают его в журнал. Удвоенная разность отсчетов по индикатору до и после съезда автомобиля соответствует упругому прогибу дорожной одежды в данной точке:

l_y = 2×(l - l₀), мм. (10.2)

Рис. 10.6. Измерение прогиба дорожной одежды прогибомером

Разность между последним отсчётом по индикатору при нагруженной поверхности покрытия и начальным показанием индикатора представляет собой полную деформацию. Разность между последним показанием при разгруженной поверхности покрытия и начальным показанием характеризует остаточную деформацию. Зная полную и остаточную деформации, вычисляют величину упругого прогиба, а затем по формуле (10.1) вычисляют общий модуль упругости одежды.

Этот способ испытаний широко распространён в России и за рубежом. Его достоинством является простота применяемого оборудования. При проведении испытаний в 20 точках на одном километре, что обеспечивает обычно необходимую достоверность результатов, на один километр затрачивается в зависимости от погодных условий 1-1,5 часа. Рассмотренный метод испытаний не обеспечивает полного соответствия результатов испытаний воздействию реального движущегося автомобиля, поскольку продолжительность нагружения значительно превышает фактическую.

Метод кратковременного нагружения реализован при измерении под колесом движущегося автомобиля. Для этой цели применяют специальные автомобили-лаборатории, выпускаемые в ряде стран. Наиболее широкое применение имеет дефлектограф, выпускаемый французской фирмой МАП (Lacroix-LPC Deflectographs).

Прогиб и радиус кривизны дорожной одежды на каждой из двух колей измеряется шагающим устройством через каждый оборот колеса автомобиля, движущегося в среднем со скоростью до 4-5 км/ч (рис. 10.7).

Рис. 10.7. Модифицированный дефлектограф Flash

Для измерения приборов применяется реперная балка, на один конец которой наезжают задние колеса автомобиля. В этот момент измеряется максимальный прогиб, а реперная балка быстро перемешается вперед и снова укладывается на покрытие.

В настоящее время выпускается модифицированный дефлектограф Flash, который двигается в процессе измерения со скоростью 7 км/ч. Следует отметить, что такая скорость движения не обеспечивает полного соответствия условий нагружения воздействию реальных движущихся автомобилей и частота измерений существенно превышает необходимую. Достоинством подобных установок для испытаний является их большая производительность и высокий уровень автоматизации обработки результатов испытаний.

Динамические методы испытаний находят все большее применение в настоящее время. В разных странах имеется большое количество установок динамического испытания различных конструкций. Однако физическая сущность метода испытаний, используемая в этих конструкциях, во многом одинакова.

Она состоит в том, что испытательная нагрузка прикладывается к покрытию мгновенно в виде падающего груза, циклической или вибрационной нагрузки. Нагрузка на покрытие передается через жёсткий или гибкий штамп. В установках динамического нагружения (УДН) груз сбрасывается с определенной высоты на амортизационное устройство из жесткой пружины или колеса. При этом создается кратковременное (0,2-0,4 с) динамическое нагружение, близкое к нагрузке от движущегося автомобиля. Схема и принцип действия установки динамического нагружения падающим грузом УДН-НК, разработанной в МАДИ проф. Ю.М. Яковлевым, показаны на рис. 10.8. Груз 2, сбрасываемый по направляющей 1 на амортизирующее устройство 5, создает кратковременное усиление, которое через штамп 4 действует на испытываемую дорожную одежду. Подъем груза и штампа осуществляют механической лебёдкой. Для измерения упругой деформации одежды применяют вибрографы 3, записывающие испытания на специальную ленту, или датчики перемещения с фиксацией деформации на магнитной ленте. В модели УДН-НК груз сбрасывают не на жёсткий штамп с пружиной, а на спаренное колесо, играющее роль одновременно и амортизатора.

Установка динамического нагружения УДН-НК с гибким штампом принята за основу передвижной лаборатории для определения прочности нежёстких дорожных одежд КП-502 МП, разработанной МАДИ (рис. 10.9).

Рис. 10.8. Принципиальная схема установки динамического нагружения (УДН):
1 - направляющая штанга; 2 - падающий груз; 3 - виброграф; 4 - штамп; 5 - пружина

Рис. 10.9. Установка для динамического нагружения (навесная УДН-НК):
1 - несущая рама; 2 - электроталь; 3 - верхний кронштейн; 4 - ограничитель подъёма; 5 - зацепное устройство; 6 - нижний кронштейн; 7- испытательный груз; 8 - штамп; 9 - опорная рама; 10 - измерительная тележка; 11 - лебёдка для подъёма штампа; 12 - прибор управления электроталью

Динамическое усилие, близкое к нормативному, создаётся сбрасыванием груза. Роль амортизатора и гибкого штампа, соответствующего колесу с расчётной осевой нагрузкой, играют спаренные колёса, развивающие удельное давление, равное или достаточно близкое к давлению от автомобильного колеса. Испытательное оборудование монтируют на грузовом автомобиле - лаборатории. Эти установки находят применение в России. Они обеспечивают самое близкое соответствие условий испытания реальному воздействию колеса движущегося автомобиля, полную автоматизацию процесса испытаний и обработки результатов, высокую производительность (40 и более точек в час).

С применением жёсткого штампа в России разработана установка динамического нагружения ДИНА-3М, которая выпускается серийно. Установка размещена на прицепе к автомобилю (рис. 10.10), в салоне которого размещена регистрирующая аппаратура и бортовой компьютер для автоматической обработки результатов измерений.

Рис. 10.10. Прицепная установка ДИНА-3М для измерения прочностных показателей дорожной одежды

Динамическое усилие, соответствующее нормативной нагрузке, создается путем сбрасывания груза на амортизаторы, передающие это усилие круглому жесткому штампу диаметром, равным его величине, для нормативной нагрузки. Жесткость амортизаторов подбирают таким образом, чтобы создать усилие и его длительность, близкие к их величине, создаваемой движущимся автомобилем с расчётной осевой нагрузкой.

Работа установки достаточно высокоавтоматизирована, но на каждой точке необходима остановка. Производительность таких установок до 20 точек в час. Недостатком является неполное соответствие воздействию от жёсткого штампа действию автомобильного колеса.

По типу жёсткого штампа с динамическим нагружением работает установка FWD 8000 (Falling Weght Deflectometer) производства фирмы Dynatest (рис. 10.11).

Рис. 10.11. Установка динамического нагружения FWD 8000

Установка позволяет измерять прогиб дорожной одежды в намеченных точках. При этом испытательная нагрузка может менять свои значения от 7 до 120 мН. Время одного измерения около 2 мин.

По результатам измерения оценивают модуль упругости дорожной одежды, остаточную работоспособность, необходимость усиления и т.д. Аналогичные установки выпускаются во многих странах мира.

Между результатами испытаний одежды разными методами имеется корреляционная связь, которая зависит от конструкции дорожной одежды, температуры воздуха, влажности и типа грунта. В общем виде эта связь может быть выражена формулой

l_ст = а × l_d + b, мм, где (10.3)

l_ст - обратимый прогиб при статическом нагружении;

l_d - то же, при динамическом нагружении.

Величина а может изменяться от 1,1 до 1,25, b - от 0,15 до 0,2 мм.

Порядок измерения прочности дорожных одежд. Инструментальные измерения прочности дорожных одежд производят на тех участках, где ровность покрытия не отвечает нормативным требованиям, имеется большое количество деформаций и разрушений, свидетельствующих о недостаточной прочности дорожной одежды. Полевые работы и обработку полученных результатов выполняют в соответствии с ОДН 218.1.052-2002 «Оценка прочности нежёстких дорожных одежд» [107].

В процессе визуальной оценки состояния покрытия выделяют однотипные участки длиной 100-1000 м, границы которых назначают по однотипным или близким дефектам. Расстояния устанавливают по спидометру автомобиля или датчику пройденного пути. Внутри каждого участка назначают частные участки с практически одинаковым состоянием дорожной одежды.

При проведении оценки прочности могут использоваться различные варианты полевых испытаний дорожных одежд нагрузкой:

только в расчётный период;

только в нерасчётные периоды года;

непрерывные - в расчётный и нерасчётный периоды года;

комбинированный метод, когда линейные испытания проводят в нерасчётные периоды года, а контрольные испытания - непрерывно в течение всего периода испытаний.

Вариант испытаний выбирают по технико-экономическим соображениям в зависимости от задач обследования, наличия оборудования, объёмов и сроков выполнения работ.

Испытания в расчётный период при значительном протяжении обследуемого участка (более 20 км) необходимо начинать с южного или западного его конца. В местах, подверженных интенсивному солнечному освещению, испытания рекомендуется проводить раньше, чем в затенённых местах (глубокие выемки, участки, проходящие в лесу, и др.).

Измерения прочности начинают с испытания дорожных конструкции на контрольных точках. На каждом характерном участке выбирают одну контрольную точку в таком месте на покрытии, где состояние его по видам дефектов является характерным для данного участка. Если в пределах характерного участка развито несколько видов дефектов, занимающих примерно одинаковые площади, то контрольную точку надо располагать в пределах минимальных высот насыпи на участке или в зоне распространения дефекта, соответствующего худшему состоянию покрытия. Контрольные точки следует располагать на ближайшей кромке покрытия полосе наката.

Местоположение контрольной точки должно быть уточнено в ходе проведения линейных испытаний после статистической обработки полученных результатов, когда прогиб на данной контрольной точке отличается более чем на 10 % от прогиба, соответствующего допускаемому проценту деформированной поверхности покрытия на обследуемом характерном участке. Место расположения контрольной точки должно быть отмечено на покрытии яркой водостойкой краской в виде прямоугольника размером 10´20 см, вытянутого в продольном направлении.

Контрольные испытания в расчётные (весенние) периоды года должны быть начаты за 7-10 дней до обычного срока интенсивного оттаивания земляного полотна и продолжены в течение всего периода наибольшего ослабления дорожной конструкции. Ориентировочно продолжительность расчетного периода в сутках (Т_р) в районах с сезонным промерзанием грунта земляного полотна (II-III ДКЗ) определяют по формуле

где (10.4)

h - глубина промерзания грунта земляного полотна, см;

а - среднесуточная скорость оттаивания, равная 1-3 см/сут, рассчитываемая по скорости опускания нулевой изотермы, приведённой в климатических справочниках.

На каждой контрольной точке испытание проводят через день с 14.00 до 17.00. В процессе испытаний на контрольных точках следует строго следить за установкой колеса автомобиля в пределах прямоугольника, отмеченного краской на покрытии. Общий период испытаний на каждой контрольной точке - не менее 30-35 дней.

Контрольные испытания осуществляют методом статического нагружения колесом автомобиля. Для испытаний применяют грузовой двухосный автомобиль, имеющий нагрузку на заднее колесо в пределах 30-50 кН, давление воздуха в шинах - 0,50-0,55 МПа. Шины задних колёс автомобиля должны иметь дорожный тип рисунка протектора и быть в хорошем состоянии.

Результаты испытаний приводят к расчётной нагрузке по формуле, справедливой при значении коэффициента Пуассона дорожной конструкции т = 0,3;

где (10.5)

Е_а - модуль упругости дорожной конструкции при воздействии расчётной нагрузки (нагрузка на колесо - 50 кН, удельное давление колеса на покрытие 0,6 МПа;

К_а - коэффициент, равный 0,36 МПа см/кН;

Q_k - нагрузка на колесо используемого автомобиля, кН;

l - величина измеренного обратимого прогиба, см.

Нагрузку на колесо проверяют с помощью переносных гидравлических или других весов, обеспечивающих точность взвешивания до 0,5 кН.

Для измерения обратимых прогибов используют длиннобазовый рычажный прогибомер модели КП-204. Допускается использование других приборов, прошедших метрологическую аттестацию и обеспечивающих измерение прогибов с точностью не менее ±0,02 мм.

Линейные испытания дорожных одежд проводят высокопроизводительным методом кратковременного нагружения установкой динамического нагружения типа УДН-НК конструкции МАДИ.

При соответствующем технико-экономическом обосновании возможно использование других средств кратковременного нагружения типа ДИНА-3М, прошедших метрологическую аттестацию, обеспечивающих время действия нагрузки t > 0,02 с и точность измерения прогиба не менее 5 %. При отсутствии установок динамического нагружения можно также применять метод статического нагружения колесом автомобиля. При одновременном использовании методов статического и кратковременного нагружения проводят тарировочные испытания с целью приведения результатов линейных испытаний к сопоставимому виду.

Линейные испытания проводят равномерно по полосе наката (1-1,5 м от кромки покрытия) в объеме:

20 испытаний на каждом километровом отрезке характерного участка и на каждом отрезке характерного участка длиной менее 1 км при расчётном уровне надёжности дорожной одежды 0,85-0,90;

28 испытаний при уровне надёжности 0,95;

12 испытаний при уровне надёжности 0,75-0,80;

10 испытаний при уровне надёжности 0,5-0,6.

Допускается проведение линейных испытаний участками длиной по 500 м в пределах каждого километрового отрезка при сохранении указанного объёма испытаний. Если расчётный уровень надежности обследуемой дорожной одежды неизвестен, то на каждом отрезке проводят 30 испытаний. Точки испытаний, попадающие в зоны пучинообразования, выносят за пределы этих зон. Места развития пучин обследуют отдельно путём вскрытия дорожной одежды.

Проведение линейных испытаний в расчётный период начинают при выявлении по результатам испытаний на контрольных точках общей тенденции снижения прочности во времени (увеличение прогиба под нагрузкой). При этом, независимо от начала линейных испытаний, следует в прежнем режиме проводить испытания на контрольных точках и продолжать их до тех пор, пока не станет видна общая тенденция стабилизации величины прогиба дорожной конструкции. Следует стремиться, чтобы линейные испытания были закончены раньше, чем на контрольных точках.

Для приведения результатов испытаний к расчетному году параллельно с испытанием контрольных точек определяют влажность грунта земляного полотна. Для этого вырывают шурфы на обочине непосредственно вблизи контрольных точек и периодически (один раз в 3-5 дней) отбирают пробы грунта из-под проезжей части для выявления изменения относительной влажности грунта во времени.

Особенностью испытаний в нерасчётный период года является то, что на каждой контрольной точке проводят одноразовое испытание с одновременным измерением температуры покрытия и влажности грунта земляного полотна непосредственно у кромки проезжей части в скважине или шурфе, отрытом на обочине напротив контрольной точки. Время между линейными испытаниями и испытаниями на контрольной точке не должно превышать двух часов. Кроме того, на каждом виде дорожной одежды одну из контрольных точек испытывают в течение одного дня через каждые два часа (с 8.00 до 17.00) с одновременным измерением температуры покрытия. Результаты испытаний, выполненных в нерасчетные периоды года, приводят к расчётному через коэффициент приведения, полученный путём сравнения результатов испытаний на контрольных точках в расчётный и нерасчётный периоды года:

где (10.6)

Е_г - модуль упругости дорожной одежды на контрольной точке в расчётный период года;

E_N - то же, в нерасчётный период.

Тогда полученный в нерасчётный период в любой точке модуль упругости будет равен:

Е_ф = K_E ´ E_N, МПа. (10.7)

Результаты испытаний, выполненных в нерасчётный период года, могут быть приведены к расчётному периоду в соответствии с ОДН 218.1.052-2002 [107]. Результаты измерений прочности дорожных одежд заносят в автоматизированный банк дорожных данных (АБДД).

Все рассмотренные методы испытаний для оценки прочности дорожных одежд дают результаты, характеризующие фактическую прочность дорожной одежды, только в случае их проведения в расчётный период наибольшего ослабления дорожной одежды после оттаивания верхней части земляного полотна. Этот период длится обычно не более нескольких суток, и уловить его очень трудно. Кроме того, не каждый год является расчетным. Существующие способы приведения результатов испытаний к расчётному периоду достаточно сложны, требуют дополнительных наблюдений и испытаний и не всегда обеспечивают необходимую их достоверность. Поэтому во многих случаях существующие методы визуальной оценки прочности дорожных одежд (см. п. 9.3) дают результаты, не уступающие по достоверности инструментальным измерениям.

Дата добавления: 2015-06-04