Общий характер изменения прочности дорожных одежд в процессе эксплуатации

Прочность дорожных одежд является важнейшим транспортно-эксплуатационным показателем, влияющим на технический уровень и эксплуатационное состояние автомобильной дороги и, в частности, определяющим способность дорожных конструкций сопротивляться многократно повторяющемуся воздействию нагрузок от проезжающих транспортных средств и обеспечивать эффективность перевозочного процесса в течение межремонтного срока службы. Транспортные средства воздействуют на дорогу одновременно с факторами, зависящими от природно-климатических условий (водой, температурой, ветром, солнечной радиацией).

В годовом цикле изменения водно-теплового режима земляного полотна выделяют четыре характерных периода: первоначальное накопление влаги осенью; промерзание, перераспределение и накопление влаги в земляном полотне зимой; оттаивание земляного полотна и переувлажнение грунта весной; просыхание земляного полотна летом.

Весной (обычно в апреле-мае) в начале оттаивания земляного полотна грунт наиболее увлажнён и разуплотнён (W» [0,85-1,0] W_T; К_пл = 0,85, где W_T - влажность грунта на границе текучести; К_пл - коэффициент уплотнения). Нагрев поверхности дороги солнцем весной вызывает поток тепла в конструкцию, который приводит к просыханию и уплотнению верхних слоев земляного полотна. По мере оттаивания увеличивается влажность грунта и снижаются прочностные характеристики дорожной конструкции. Данные рис. 7.1 свидетельствуют, что с увеличением глубины оттаивания увеличивается и прогиб дорожной одежды под нагрузкой. Максимальные деформации наблюдаются только в момент полного оттаивания грунта земляного полотна. По мере просыхания земляного полотна прогиб резко уменьшается, свидетельствуя о повышении несущей способности дорожной конструкции.

Рис. 7.1. Изменение прогиба дорожной одежды с асфальтобетонным покрытием в весенний период по мере оттаивания грунта земляного полотна (данные Р.С. Нордала, Норвегия).
Стрелками показаны дождливые и сухие периоды (Z - глубина оттаивания, м; L - прогиб, мм)

Весенний период наибольшего ослабления дорожной одежды рассматривается в качестве расчётного периода с продолжительностью от 20-30 суток до 1,5-2 месяцев в зависимости от региональных условий Российской Федерации. Особенности определения расчётного периода изложены в разделе 20.2 применительно к сезонному ограничению движения транспортных средств по осевым нагрузкам.

В этих условиях в качестве обобщённого критерия прочности нежёстких конструкции используют величину прогиба под нагрузкой или рассчитываемый по его величине эквивалентный модуль упругости. Дорожные одежды считаются прочными, если обеспечивается коэффициент прочности в пределах межремонтного срока службы (где Е_ф и Е_тр соответственно фактический и требуемый модули упругости).

Расчётные требуемые модули упругости [107], полученные с учётом результатов многолетних испытаний дорожных одежд, назначают на требуемую перспективу t (1-20 лет) в зависимости от конкретно решаемых задач:

(7.1)

где (7.2)

А, В, g - эмпирические параметры, характеризующие закономерности изменения требуемых модулей упругости от перспективной интенсивности движения;

w ° - коэффициент, учитывающий влияние погодно-климатических факторов на агрессивность воздействия расчётных автомобилей;

N ₁ - интенсивность движения расчётных нагрузок на полосу в первый год эксплуатации, авт/сут. Состав движения приводят к расчётному двухосному автомобилю с осевой нагрузкой на заднюю ось 100 кН (удельное давление в плоскости контакта колеса с покрытием - 0,6 МПа) с учётом типа дорожной одежды;

К_пр - коэффициент относительной прочности дорожной одежды, принимаемый в зависимости от типа дорожной одежды и категории дороги;

К_рег - региональный коэффициент, зависящий от дорожно-климатической зоны;

K_z - коэффициент, зависящий от фактической интенсивности движения;

K_си - коэффициент, учитывающий сопротивление конструктивных слоев сдвигу и растяжению при изгибе;

X_i - параметр, характеризующий отклонение расчётного модуля упругости от среднего в статистической выборке и принимаемый в зависимости от расчётной надёжности дорожной одежды.

Находящиеся в эксплуатации дорожные одежды представляют собой некоторую систему со случайным распределением прочностных свойств по длине автомобильной дороги, подчиняющимся закону нормального распределения (Апестин В.К., Шак A.M., Яковлев Ю.М. Испытание и оценка прочности нежёстких дорожных одежд. - М.: Транспорт, 1977. - 102 с). Это обусловлено неоднородностью физико-механических свойств материалов конструктивных слоев дорожной одежды и земляного полотна, некоторым колебанием толщин конструктивных слоев за счёт допусков, принимаемых при строительстве и ремонте автомобильной дороги, а также воздействием автомобильного движения и погодно-климатических факторов, носящим случайный характер.

В этих условиях фактическое состояние дорожных одежд оценивают фактическим модулем упругости Е_ф, определяемым по величине прогиба l_ф, соответствующего расчётному уровню надёжности К_н или допустимой вероятности повреждения покрытия [ r ] = 1 - К_н в конце расчётного (межремонтного) срока службы (рис. 7.2):

где (7.3)

Q_k - вертикальная нагрузка, кН;

l_ф - прогиб, см.

Рис. 7.2. Определение фактического состояния дорожной одежды по прочности по результатам её полевых испытаний вертикальной нагрузкой [107]:
1 - уровень, соответствующий допустимой вероятности повреждения покрытия; 2 - кривая распределения прогибов покрытия на характерном участке дороги; 3 - кумулятивная кривая; l - накопленная частость; L - величина i -того прогиба; l_ф - то же, соответствующего допустимой вероятности повреждения покрытия

Под воздействием погодно-климатических факторов фактическое состояние дорожной одежды и грунтов земляного полотна непрерывно изменяется, причем каждая точка конструкции вдоль дороги имеет свою собственную закономерность (рис. 7.3). Учитывая это, для получения фактической закономерности изменения прочности дорожной одежды во времени следует ориентироваться не на случайно выбранные точки, а только на те места конструкции, которые характеризуются величиной прогиба, соответствующего допустимой вероятности повреждения покрытия.

В связи с естественной неоднородностью дорожной конструкции внезапного её отказа под воздействием движения и погодно-климатических факторов не происходит в процессе эксплуатации. Изменение состояния дорожной одежды по прочности происходит постепенно во времени по мере развития в конструкции различных дефектов и повреждений. Показательно, что характер растрескивания одинаков для жёстких и нежёстких покрытий. Различие только в отношении объёма повреждений (Апестин В.К., Дудаков А.И. Влияние построечного транспорта на состояние покрытия в процессе его устройства // Автомобильные дороги. - 1977. - № 7).

Рис. 7.3. Закономерности изменения обратимого прогиба l_k дорожной конструкции с асфальтобетонным покрытием в весенний период времени на дорогах Московской области под воздействием погодно-климатических факторов
1,2,3 - закономерности для разных контрольных точек

Рис. 7.4. Закономерности снижения расчётных (требуемых) модулей упругости дорожной конструкции и повышения вероятности разрушения (сетка трещин [107]) покрытия:
1 - изменение вероятности повреждения покрытия в пределах периода 2 - изменение модуля упругости дорожной конструкции в пределах срока службы дорожной одежды, 3 - кривая распределения модулей упругости дорожной конструкции;
Е_пр = Е_ср - проектный наиболее вероятный модуль упругости дорожной конструкции; Е_min - предельно допускаемый модуль упругости в конце расчётного срока службы дорожной одежды, МПа; Е_р = Е_тр - расчётный (требуемый) модуль упругости дорожной одежды и земляного полотна, МПа; [ r ] - допустимая вероятность повреждения покрытия

С выработкой запасов прочности дорожных одежд происходит постепенное снижений модулей упругости конструкции (рис. 7.4) и переход системы в предельное состояние в виде сетки трещин [107], определяемое расчётной надёжностью конструкции. Закономерность снижения, полученная на основе решения (7.2), определяется зависимостью [17], согласующейся с результатами полевых испытаний, проведённых в России и за рубежом:

где (7.4)

Т_н - расчётный (межремонтный) срок службы дорожной одежды, запасы прочности которой определены решением (7.1).

Формула (7.4) справедлива при величине выражения под логарифмом ³ 5.

Модули упругости конструкции, соответствующие моменту образования различных дефектов, могут быть определены (Апестин В.К. К вопросу определения несущей способности дорожной одежды: Тезисы докладов Республиканской н-т конференции «Проблемы дорожного строительства». - Суздаль, 1996. - С. 76-77.) следующим эмпирическим выражением [17]:

E_ф = h ·(E_р - E_min) + E_min, МПа. (7.5)

Значения коэффициента h приведены в табл. 7.1.

Таблица 7.1

h	Вид дефекта	Вероятность повреждения
1,0	Нет дефектов
0,95	Одиночные поперечные трещины
0,90	Отдельные поперечные трещины с расстоянием не менее 10 м	0,1·[ r ]
0,85	Редкие поперечные трещины с расстоянием от 5 до 10 м	0,3·[ r ]
0,50	Частые поперечные трещины с расстоянием от 1 до 5 м	0,7·[ r ]
0,25	Частые поперечные трещины с одиночными продольными по полосе наката	0,9·[ r ]
	Сетка трещин	[ r ]

Примечание. Объём повреждения определяется по вероятности [ r ], соответствующей расчётному уровню надёжности дорожной одежды.

В соответствии с [107]

где (7.6)

А - эмпирический показатель, принимаемый для условий статического и кратковременного нагружения дорожной одежды соответственно 125 и 145 МПа.

Оценку изменения состояния жёстких дорожных одежд с цементобетонными покрытиями по критерию трещиностойкости в процессе эксплуатации не выполняют в связи с трудоёмкостью определения фактических суммарных напряжений в плитах покрытия от совместного действия температуры и транспортной нагрузки. В производственных условиях [95] ограничиваются сравнением фактической толщины покрытия Н_ф с требуемой по условиям движения Н_тр. Дорожная одежда с цементобетонным покрытием считается прочной, если обеспечивается следующий коэффициент прочности:

(7.7)

Дата добавления: 2015-06-04