міністерство освіти і науки україни

національний транспортний університет

Смолянець Василь Володимирович

удк 625.712:625.852.061

Удосконалення проектування асфальтобетонного покриття нежорсткого дорожнього одягу в умовах міст

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

Мозговий Володимир Васильович, Національний транспортний університет, завідуючий кафедрою дорожньо-будівельних матеріалів і хімії.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Жданюк Валерій Кузьмович, Харківський національний автомобільно-дорожній університет, завідуючий кафедрою „Будівництва та експлуатації автомобільних доріг”.

кандидат технічних наук

Головко Сергій Костянтинович, Державний дорожній науково-дослідний інститут імені М.П.Шульгіна, начальник відділу дорожніх одягів.

Провідна установа: Національний університет „Львівська політехніка”, кафедра „Автомобільні шляхи” Міністерства освіти і науки України

Захист дисертації відбудеться 11 березня 2005 р. о 15 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 3 лютого 2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук І.А. Рутковська

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. В Україні найбільш поширеним покриттям міських вулиць та доріг є асфальтобетонне як найбільш зручне для будівництва, експлуатації і ремонту. Однак воно передчасно руйнується і потребує значних витрат на ремонт. Руйнування проявляються різною мірою в залежності від багатьох факторів (навантаження, час його дії, температура, геометричні параметри покриття та ін.). Одним із найбільш поширених руйнувань є тріщини від дії транспортних засобів.

Забезпечення тріщиностійкості асфальтобетонного покриття дорожнього одягу в залежності від транспортного навантаження відображено в сучасній нормативній літературі з проектування дорожнього одягу, що базується на розрахунковому апараті Інструкції ВСН 46-83. Однак необхідно відзначити, що цей метод розрахунку переважно зорієнтований на проектування дорожнього одягу автомобільних доріг загального користування. В ньому специфіка впливу транспортних засобів на дорожній одяг міських вулиць і доріг не одержала належного відображення, що в певній мірі позначається на якості проектування і, відповідно, на термінах служби асфальтобетонного покриття.

Крім того на даний час спостерігається перенасичення вулично-дорожньої мережі транспортними засобами. Це призводить до того, що на дорожній одяг часто діють навантаження значно перевищуючі їх граничний вплив. Конструкції дорожнього одягу вулично-дорожньої мережі проектуються, як правило, без врахування специфічності транспортного потоку в містах та його режиму руху. Не враховується характер дії навантаження на перехресті, поблизу перехрестя, на зупинках громадського транспорту, на автостоянках, в заторах, збільшення тривалості дії навантаження внаслідок зменшення середньої швидкості руху у порівнянні із дорогами загального користування тощо. Всі ці фактори значно впливають на час дії навантаження, що суттєво впливає на властивості матеріалів всього дорожнього одягу і особливо асфальтобетонного покриття.

В зв’язку з цим виникає необхідність удосконалення методу проектування асфальтобетонного покриття міських вулиць і доріг з метою підвищення довговічності нежорсткого дорожнього одягу.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Наукові результати роботи одержані в процесі виконання плану науково-дослідних робіт Національного транспортного університету: „Теоретичні основи забезпечення довговічності дорожнього полімерасфальтобетонного покриття транспортних споруд” (д/б № 23 РК 0103U003173); з тематичним планом науково-дослідних робіт Державної служби автомобільних доріг України „Розробити технічні умови на щебенево-мастиковий асфальтобетон на полімербітумному в’яжучому” (д/б № 47 РК 0102U003893).

Мета і задачі дослідження

Метою роботи є удосконалення методу проектування асфальтобетонного покриття нежорсткого дорожнього одягу міст для забезпечення його тріщиностійкості як основи заходів щодо підвищення довговічності міських вулиць і доріг.

Для досягнення мети були поставлені такі задачі:

· провести аналіз умов роботи і характеру руйнування асфальтобетонного покриття міського дорожнього одягу;

· встановити аналітичні залежності для розрахунку довговічності за тріщиностійкістю асфальтобетонного покриття міського дорожнього одягу;

· встановити на основі експериментальних досліджень розрахункові характеристики для розрахунку асфальтобетонного покриття міського нежорсткого дорожнього одягу;

· розробити інженерний метод розрахунку на тріщиностійкість асфальтобетонного покриття міського нежорсткого дорожнього одягу;

· розробити практичні рекомендації щодо підвищення тріщиностійкості асфальтобетонного покриття міського нежорсткого дорожнього одягу.

Об’єкт дослідження – асфальтобетонне покриття нежорсткого дорожнього одягу міст.

Предмет дослідження – тріщиностійкість при дії транспортних засобів асфальтобетонного покриття нежорсткого дорожнього одягу міст.

Методи дослідження – методи натурних досліджень асфальтобетонного покриття та дорожнього одягу; методи експериментального визначення термомеханічних характеристик дорожньо-будівельних матеріалів; методи теорії пружності, теорії в’язкопружності та кінетичної теорії міцності твердих тіл.

Наукова новизна отриманих результатів:

· вперше встановлено аналітичні залежності для прогнозування граничного стану за тріщиностійкістю з урахуванням: накопичення пошкодженості структури асфальтобетону та її часткового відновлення, розподілу температури по товщині асфальтобетонного покриття та зміни властивостей асфальтобетону зі зміною температури;

· отримано нові експериментальні закономірності про: вплив режиму і часу дії транспортного навантаження на характер тріщиноутворення і руйнування асфальтобетонного покриття в міських та позаміських умовах; вплив особливостей конструювання дорожнього одягу на їх міцність і довговічність в міських умовах; параметри функції довговічності та параметри функції відновлення традиційних та нових видів асфальтобетону.

Практичне значення одержаних результатів. Створено інженерні методики конструювання і розрахунку тріщиностійкості асфальтобетонного покриття нежорсткого дорожнього одягу міських вулиць і доріг з метою забезпечення його довговічності.

Результати роботи використані: при розробці рекомендацій щодо проектування конструкцій міського дорожнього одягу; при розробці нових видів асфальтобетону для покриття в міських умовах, при визначенні оцінки економічної ефективності проведення будівництва, реконструкції чи капітального ремонту міських вулиць і доріг; при розробці типових конструкцій дорожнього одягу вулиць та доріг.

Особистий внесок здобувача. За матеріалами дисертації опубліковано 6 статей, 1 з них – одноосібно [6]. У працях [1, 5] автором показано підхід до візуальної оцінки міри пошкодженості асфальтобетонного покриття, як нежорсткого дорожнього одягу так і на штучних спорудах в умовах міст . У праці [2], на основі гіпотези про виникнення поверхневих розтягуючих напружень, автором виконаний числовий аналіз їх впливу на довговічність асфальтобетонного покриття нежорсткого дорожнього одягу. У праці [3] показано підхід до можливості застосування нових видів асфальтобетону для влаштування покриття нежорсткого дорожнього одягу в міських умовах. У праці [4] автором показано можливість покращення якості проектів міських вулиць та доріг за рахунок раціонального проектування дорожнього одягу.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи були представлені: на науковій конференції професорсько-викладацького складу Національного транспортного університету № 60 в 2004 р.; на міжнародній науково-технічній конференції „Сучасні проблеми та перспективи розвитку дорожньо-будівельного комплексу України”, 30 вересня - 1 жовтня 2004 року, Київ, Україна.

Публікації. За результатами дисертаційної роботи опубліковано шість друкованих робіт, всі у фахових виданнях.

Структура та об’єм дисертації. Дисертація включає вступ, чотири розділи, загальні висновки, список використаних джерел із 154 найменувань. Основний текст викладений на 108 сторінках. Текст ілюструється 38 рисунками, містить 16 таблиць та 3 додатки.

основний Зміст РОботи

У вступі викладено актуальність обраної теми, критично проаналізовано стан справ з даного предмету дослідження, показано зв’язок з науковими програмами, сформульовано мету та задачі досліджень, наведено основні наукові результати, показано практичне значення отриманих результатів.

У першому розділі роботи розглянуто стан питання з проектування асфальтобетонного покриття нежорсткого дорожнього одягу міських вулиць і доріг. Звернута увага на відмінність у часі дії навантаження, що пов’язано з режимом руху транспорту. Однією з основних відмінностей режиму руху транспортних засобів на вулично-дорожних мережах міста є досить широкий спектр швидкостей руху у порівнянні із рухом на автомобільних дорогах загального користування. Швидкість руху на міських вулицях та дорогах змінюється від нуля до максимально допустимих значень, встановлених правилами дорожнього руху і залежить від багатьох впливових факторів: наявність в складі руху змішаних автомобільно-тролейбусних потоків; наявність підйомів та спусків, наявність регульованого руху, вірогідності появи заторів тощо.

Проблемами організації руху в міських умовах, займалися такі вчені, як М.Б. Афанасьєв, В.Ф. Бабков, О.А. Білятинський, Вебстер, О.П. Дзюба, О.М. Дудніков, В.Н. Іванов, В.Т. Капітанов, А.М. Пальчик, В.П. Печерський, В.П. Поліщук, В.В. Рудюк, Л.В. Савченко, В.В. Сильянов, О.С.Фурманенко, Б.М. Четверухін та ін. На даний час проведені широкі, як теоретичні, так і експериментальні дослідження руху транспортних потоків в містах. Однак, незважаючи на це, в сучасних діючих нормативно-технічних документах стосовно проектування асфальтобетонного покриття нежорсткого дорожнього одягу не відображено вплив режимів руху на вулицях і дорогах на властивості асфальтобетону.

Питанням оцінки напруженого стану і методів розрахунку шарів нежорсткого дорожнього одягу від дії транспорту як багатошарового пружного напівпростору займалися: О.Т. Батраков, А.К. Біруля, А.Г. Булавко, Д. Бурмістер, А.П. Васильєв, Н.Н. Іванов, Я.А. Калузький, Б.І. Коган, М.С. Коганзон, В.М. Кононов, М.Б. Корсунський, В.Д. Кривіський, О.Ю. Мерзлікін, С.І. Міховіч, В.В. Мозговий, В.Г. Піскунов, В.В. Плевако, А.К. Приварніков, Є.Д. Прусенко, Б.С. Радовський, Р.М. Раппопорт, О.О. Рассказов, В.М. Ряпухін, В.Я. Савенко, А.О. Салль, П.І. Теляєв, О.Є.Шехтер, Ю.М. Яковлєв та ін.

Із аналізу літературних джерел слідує, що застосування рішень теорії пружності є основоположним підходом у розвитку механіки дорожнього одягу. Однак експериментальні дослідження О.Т. Батракова, Л.С. Губача, В.К. Жданюка, В.О.Золотарьова, О.Ю. Мерзлікіна, В.В.Мозгового, К. Монісміта, Пела, Б.С. Радовського, А.О.Салля, А.С. Супруна, П.І. Теляєва показали, що рішення теорії пружності у багатьох випадках відрізняються від експериментально виміряних параметрів напружено-деформованого стану.

Тому для зближення теоретичних і експериментальних значень напружень, деформацій і переміщень почали застосовувати більш ретельний вибір розрахункових пружних характеристик матеріалів дорожнього одягу в залежності від температури, вологості і часу дії навантаження, намагаючись таким чином врахувати відмінність фактичних властивостей цих матеріалів від властивостей ідеально пружного тіла.

Аналіз особливостей поведінки нежорсткого дорожнього одягу під впливом рухомих автотранспортних засобів зумовив доцільність розвитку розрахункової схеми як шаруватого в’язкопружного напівпростору при рухомому навантаженні, що показано в роботах: О.Т.Батракова, А.А. Іллюшина, М.А. Колтунова, В.Д. Казарновського, М.М. Калініна, Б.Є.Победрі, Ю.М. Работнова, О.О. Рассказова, Б.С.Радовського, А.Р. Ржаніцина та ін.

Наявність створеної теоретичної бази, що враховує вплив швидкості і часу дії навантаження зумовила ряд досліджень, які присвячені розрахунку нежорсткого дорожнього з урахуванням умов регулювання руху у містах. Такими дослідженнями займалися: Б.С. Радовський В.В. Мозговий, О.М. Бесараб, В.В. Рудюк та ін. Таким чином, на основі проведених досліджень був створений потужний розрахунковий апарат, що дає можливість розраховувати напружено-деформований стан шаруватих систем, до яких відноситься і дорожній одяг. Однак, незважаючи на широкомасштабні дослідження в даному напрямку, до цього часу не розроблено як методу так і жодного нормативного документу стосовно розрахунку асфальтобетонного покриття нежорсткого дорожнього одягу міст.

Другий розділ присвячений теоретичним дослідженням: обґрунтування вибору граничного стану та умови міцності за тріщиностійкістю асфальтобетонного покриття міських вулиць і доріг; визначення граничного прикладання навантажень на асфальтобетонне покриття; визначення розрахункових параметрів дії навантаження з урахуванням особливостей роботи нежорсткого дорожнього одягу міських вулиць і доріг.

Для визначення тріщиностійкості асфальтобетонного покриття необхідна його кількісна оцінка на основі напружено-деформованого стану, тобто потрібно знати при якому рівні напруження чи деформації відбувається руйнування. Однак використання існуючих основних гіпотез граничного стану матеріалів в класичних теоріях міцності не дає можливості в повній мірі оцінити тріщиностійкість асфальтобетону так, як їх можна застосовувати тільки при крихкому руйнуванні або для ідеально пластичних матеріалів. Матеріали на основі органічних в’яжучих (асфальтобетон) мають абсолютно пружні або абсолютно пластичні властивості тільки в короткий проміжок часу (певні періоду зими та літа), який не є розрахунковим, з точки зору небезпечності виникнення руйнування.

Виходячи із існуючих експериментальних даних про властивості асфальтобетону, зрозуміло, що для забезпечення цілісності зв’язків між його частинками необхідно мати дещо іншу умову міцності, що враховує характер руйнування зв’язків при змінному в часі напруженні і змінній в часі температурі. Для забезпечення суцільності асфальтобетону, що виявляє в'язкопружні властивості, недостатньо як для пружних матеріалів вимог – напруження в будь-який момент повинні бути менші межі міцності матеріалу. В даному випадку необхідно ще врахувати попередню історію закономірності зміни напруження в асфальтобетонному покритті при його експлуатації, що впливає на поступове у часі накопичення пошкодження і одночасно часткове відновлення зв’язків між частинками асфальтобетону.

Тому для вирішення поставлених задач, застосовували таку умову граничного стану та умову міцності, що враховує часовий характер руйнування при змінному в часі напруженні у(t) і температурі Т(t).

В даному випадку граничний стан описували критерієм Бейлі, визначаючи на його основі міру пошкодженості структури асфальтобетону

(1)

де tp – час до руйнування (розтріскування) покриття; – функція довговічності асфальтобетону; у(t) – напруження в асфальтобетоні; Т(t) – температура асфальтобетону.

Функцію довговічності використовували у вигляді степеневої залежності Бартєнєва

, (2)

де , -постійні, що визначаються експериментально в залежності від температури.

Розробка граничного стану для оцінки тріщиностійкості асфальтобетонного покриття ґрунтується на розрахунковій схемі, показаній на рис. 1.

Рис. 1. Розрахункова схема для розрахунку на тріщиностійкість асфальтобетонного покриття нежорсткого дорожнього одягу міст:

Vр – швидкість руху автомобіля, Д – розрахунковий діаметр сліду колеса автомобіля, p – розрахунковий питомий тиск колеса на покриття, tн – час дії навантаження; уr(t) – розтягуючі напруження на підошві покриття, уповr(t) – розтягуючі напруження на поверхні покриття, Еі – модуль пружності і-го шару дорожнього одягу, Rі-міцність і-го шару дорожнього одягу, C(tн), ц(tн) – показники міцності ґрунту земляного полотна.

Враховуючи здатність асфальтобетону частково відновлювати свою структуру, умову граничного стану було отримано у вигляді

, (3)

де - міра пошкодженості структури асфальтобетонного покриття від дії транспортного навантаження; - міра відновленості структури асфальтобетонного покриття; - граничнодопустиме значення міри пошкодження.

Опираючись на раніше проведені дослідження В.В. Мозгового та О.М. Бесараба враховано, що в загальному випадку транспортні засоби проїжджаючи через певні характерні зони, з точки зору режиму навантаження вулиці чи дороги, створюють такі характерні ділянки: ділянка безперервного руху; ділянка гальмування; ділянка зупинки; ділянка розгону. Оскільки, як показали дослідження В.В. Мозгового та О.М. Бесараба найбільшого пошкодження і повного спектру дії навантаження в процесі експлуатації зазнає ділянка зупинки, то опис процесу визначення міри пошкодженості приведемо саме для неї. На цій ділянці зупинки спостерігаються такі комбінації часу дії навантаження: – час дії навантаження при безперервному русі транспортних засобів; – час дії навантаження від транспортних засобів, що гальмують, але не зупиняються в зоні перехрестя; – час дії навантаження при зупинці руху транспортних засобів в зоні перехрестя; – час дії навантаження від транспортних засобів, що набирають розгін в зоні перехрестя. З урахуванням того, що при часі дії навантаження при безперервному русі транспортних засобів навантаження асфальтобетону буде циклічним, а при всіх інших випадках деякий час буде перебувати при деякому навантаженні, отримана залежність у вигляді

, (4)

де nі – кількість прикладань навантажень з часом дії навантаження 0,1 с; – граничне значення кількості прикладань навантажень з часом дії 0,1с; , , – час дії навантаження асфальтобетону при умовах відповідно: від транспортних засобів, що гальмують, але не зупиняються, від транспортних засобів, що зупиняються, від транспортних засобів, що набирають розгін; , , – час до руйнування асфальтобетонного покриття при умовах аналогічних навантаження.

При встановленні враховано, що

, (5)

де – розтягуючі напруження, що виникають при безперервному русі транспортних засобів; Ав, Вв, Св, Dв, ав, вв, rв, в – постійні, що знаходять за результатами випробувань на тривалу міцність при різних температурах і навантаженнях.

При встановленні , , використовувався аналогічний підхід. Наприклад, час до руйнування асфальтобетону, при проїзді транспортних засобів, що гальмують, але не зупиняються визначається за наступною залежністю

, (6)

де ,– розтягуючі напруження, що виникають при проїзді транспортних засобів, що гальмують, але не зупиняються.

На основі цього була встановлена залежність для визначення міри пошкодженості асфальтобетонного покриття з урахуванням впливу передбаченого спектру часу дії транспортного навантаження

,(7)

де , – розтягуючі напруження, що виникають відповідно при зупинці транспортних засобів та при проїзді транспортних засобів, що розганяються.

Відновлену частину структури асфальтобетонного покриття до моменту часу t раніше накопиченої міри пошкодження знаходили із міркувань наведених нижче. Після проведення експериментальних досліджень з визначення міри пошкодження асфальтобетону та відновлення його структури було описано розрахункову залежність, що зв’язує час відновлення асфальтобетону tвід і стискаюче нормальне вертикальне напруженням увід у вигляді степеневого закону

, (8)

де А(Т), а(Т) - постійні, що визначаються експериментально та залежать від температури.

Тоді з урахуванням цього, знаючи комбінації часу дії навантаження, що відповідають за напружений стан покриття на характерних ділянках, отримували аналітичні залежності для визначення міри відновленості саме на цих ділянках. Наприклад, для ділянки зупинки з урахуванням комбінацій навантажень можна записати

, (9)

де nвіді – кількість прикладань навантажень для відновлення частково пошкодженої структури асфальтобетону з часом дії навантаження 0,1 с; –значення кількості прикладань навантажень з часом дії 0,1с для відновлення частково пошкодженої структури асфальтобетону; , , – час дії стискаючих напружень асфальтобетону при яких відбувається відновленність частково пошкоджених зв’язків для умов навантаження відповідно: від транспортних засобів, що гальмують, але не зупиняються; від транспортних засобів, що зупиняються; від транспортних засобів, що набирають розгін; , , – час відновлення частково пошкодженої структури асфальтобетону при умовах навантаження відповідно: від транспортних засобів, що гальмують, але не зупиняються; від транспортних засобів, що зупиняються; від транспортних засобів, що набирають розгін.

При визначенні , використовуючи функцію відновленості структури асфальтобетону у вигляді степеневої залежності та приймаючи, що було встановлено

, (10)

де –стискаючі нормальні вертикальні напруження, що виникають при безперервному русі транспортних засобів.

Використовуючи встановлені закономірності відновленості частково пошкоджених зв’язків в асфальтобетоні для прийнятих комбінацій навантажень встановили залежність для визначення міри відновленості до моменту часу t раніше накопиченої міри пошкодження структури асфальтобетонного покриття

,. (11)

Отримані залежності для визначення міри пошкодженості з урахуванням її часткового відновлення дають можливість встановити результативну ступінь пошкодженості структури асфальтобетонного покриття і порівняти її з граничним значенням.

Граничнодопустиме значення міри пошкодженості можна визначали за наступною залежністю

, (12)

де т1 – коефіцієнт, що враховує зниження міцності в часі від дії погодно-кліматичних умов; т2 – коефіцієнт, що враховує зниження міцності матеріалу в конструкції в результаті температуро-усадкових впливів; Мтр - граничне значення показника тріщиностійкості асфальтового бетону (залежить від умов та виду навантаження, встановлюється експериментально).

На основі вищенаведених підходів була встановлена умова забезпечення тріщиностійкості асфальтобетону від дії транспорту. Наприклад, для прийнятого повного спектру комбінацій навантажень така умова має вигляд

. (13)

У третьому розділі наведені результати експериментальних натурних та лабораторних досліджень, приведені методики, а також матеріали, прилади та обладнання, прийняті для досліджень.

При проведенні натурних досліджень встановлювали закономірності розтріскування асфальтобетонного покриття від дії транспорту в міських умовах. Для проведення натурних досліджень була розроблена методика оцінки розтріскування асфальтобетонного покриття в залежності від режиму руху в міських умовах та оцінки його впливу на несучу здатність дорожнього одягу. Для цього виконувались візуальні і інструментальні обстеження та здійснювалися відповідні розрахунки. Результати візуальних досліджень підтвердили про значне збільшення руйнувань у вигляді тріщин в міських умовах у порівнянні із дорогами загального користування. Аналіз результатів підтвердив дослідження інших вчених щодо підвищеного ступеня пошкодження асфальтобетонного покриття у вигляді тріщин в місцях де транспортні засоби повільно рухаються та зупиняються. Найбільші об’єми розтріскування асфальтобетонного покриття встановлені в зонах дії світлофорів та на зупинках громадського транспорту. В цих місцях дорожній одяг за всіма ознаками втратив свою несучу здатність за критерієм граничного стану по міцності монолітних шарів на розтяг при згині (наявність поздовжніх тріщин і сітки тріщин по смугах накату). На суміжних ділянках проїзної частини з такими ж конструкціями дорожнього одягу спостерігаються лише окремі пошкодження та деформації. Погіршення несучої здатності дорожнього одягу у місцях розтріскування асфальтобетонного покриття було підтверджено результатами вимірювання прогинів поверхні покриття під розрахунковим навантаженням групи А за допомогою прогиноміру балки Бенкельмана. Для цього використовували двохосний автомобіль марки МАЗ-500 із навантаженням на задню вісь 100 кН з тиском у пневматиках 0,6 МПа.

Аналіз результатів вимірів пружних прогинів показав, що в зонах світлофорів спостерігаються найбільші їх значення. Такі прогини в зонах зупинок транспортних засобів перевищують їх значенням в зонах безперервного руху в 2-4 рази (рис. 2). Результати натурних досліджень показали, що місця з найгіршою несучою здатністю нежорсткого дорожнього одягу міських вулиць і доріг співпадають з ділянками де транспортні засоби повільно рухаються і зупиняються (ділянка гальмування, ділянка зупинки та ділянка розгону).

Рис. 2. Результати визначення пружних прогинів на проспекті Перемоги в м. Києві.

При проведенні лабораторних досліджень використовували стандартне обладнання, що дозволило визначити фізико-механічні властивості, показники деформативності різних складів асфальтобетонів (механічні та гідравлічні преси, маятниковий прилад, важільний прес для дослідів на повзучість, а також група приладів для визначення стандартних фізико-механічних характеристик складових асфальтобетону та ін). Для визначення показників довговічності асфальтобетону за різних температур використовували нестандартне обладнання (прилад А-1, прилад для випробувань зразків при постійному навантаженні), а також власні розроблені прилади. Так, наприклад, для виготовлення зразків багатощебенистих сумішей був розроблений спеціальний прилад, що моделює ущільнення асфальтобетону легкими, середніми та важкими котками. Лабораторні дослідження виконували з метою перевірки адекватності теоретичних досліджень для встановлення закономірностей тріщиноутворення в асфальтобетоні з урахуванням часткової відновленості його структури та для встановлення термореологічних характеристик матеріалів. Для з’ясування закономірностей і особливостей розтріскування асфальтобетонного покриття та для перевірки адекватності теоретичних рішень розглядали випадок багатоступеневого навантаження за схемою „розтяг-стиск”(рис. 3).

Рис. 3. Схема навантаження асфальтобетону.

Теоретично, згідно прийнятої гіпотези у відповідності із прийнятим навантаженням руйнування та відновлення структури асфальтобетону повинно відбуватися за схемою наведеною на рис. 4.

Рис. 4. Схема руйнування та відновлення структури асфальтобетону:

фактична зміна міри пошкодження М(?,Т) асфальтобетону з урахуванням відновленості його структури у часі при зміні у(t) згідно рис.3; прогнозована зміна М(?,Т) при постійній дії ур; прогнозована зміна М(?,Т) при постійній дії увід .

На основі розроблених підходів міру пошкодженості структури асфальтобетону М(?,Т) після першого циклу навантаження протягом часу t1 можна визначити за наступною залежністю

. (14)

Аналогічно були отримані аналітичні залежності для визначення М(?,Т) при послідовній дії навантажень „розтяг-стиск”. Так, на п’ятому циклі навантажень М(?,Т) згідно рис.3 визначається за наступною залежністю

. (15)

Також були отримані аналітичні залежності для визначення часу до повного руйнування (розтріскування) асфальтобетону на кожному циклі дії розтягуючих напружень. Так, час до руйнування під час дії п’ятого циклу навантажень визначається за наступною залежністю

. (16)

Перевірку адекватності теоретичних рішень експериментальним дослідженням виконували на традиційних складах асфальтобетону, що відповідають ДСТУ Б.В.2.7-119-2003 „Суміші асфальтобетонні і асфальтобетон дорожній і аеродромний. Технічні умови”.

В цьому випадку були виготовлені відповідні склади асфальтобетонних сумішей, визначені параметри функції тривалої міцності, функції відновлення та визначений час до руйнування при різних циклах пошкодження та відновлення у відповідності із залежностями 14-16 (табл. ).

Таблиця

Результати дослідження тріщиностійкості асфальтобетону

Кількість циклів | Параметри функції довговічності

bф/Вф | Параметри функції відновлення

а/А | Час до руйнування експер., tpeксп , с | Час до руйнування теор. tpт, с | дt, %

Т=+31 0С, асфальтобетон А-1

3 | 2,29/0,152 | -0,35/31,32 | 852 | 913 | 6,8

5 | 2,29/0,152 | -0,35/31,32 | 1271 | 1390 | 8,6

Т=+20 0С, асфальтобетон А-2

3 | 2,43/0,142 | -0,27/86,67 | 693 | 823 | 7,9

5 | 2,43/0,142 | -0,27/86,67 | 975 | 1059 | 15,8

Результати свідчать, що теоретичні розрахунки задовільно погоджуються з експериментальними даними. Це вказує на можливість застосування теоретичних залежностей, отриманих для розрахунку на тріщиностійкість асфальтобетонного покриття нежорсткого дорожнього одягу в умовах міст.

На основі проведення лабораторних досліджень були визначенні необхідні розрахункові характеристики та показники довговічності різних асфальтобетонів для виконання розрахунків з оцінки тріщиностійкості покриття міських вулиць і доріг за допомогою залежностей, що встановлені в теоретичній частині. Отримані експериментальні дані про параметри термореологічних властивостей асфальтобетону різних складів можна використовувати при розрахунках тріщиностійкості асфальтобетонного покриття відповідно на стадії експлуатації та проектуванням. Результати лабораторних досліджень засвідчили, що для підвищення тріщиностійкості асфальтобетонного покриття міських вулиць і доріг необхідне ціленаправлене застосування як існуючих так і нових сучасних матеріалів з метою направленого регулювання тріщиностійкості асфальтобетонного покриття.

Четвертий розділ присвячений практичним аспектам теоретичних та експериментальних досліджень. Теоретичні та експериментальні дослідження дозволили розробити інженерний метод розрахунку міських дорожніх одягів на тріщиностійкість. Були розроблені напрямки підвищення тріщиностійкості асфальтобетонного покриття в умовах міст. Вони розділені на дві основні групи: перша група – забезпечення довговічності на рівні виконання проектних робіт (при конструюванні регулювати властивості асфальтобетону і його компонентів з метою підвищення міцності і витривалості на різних ділянках; застосовувати якісно нові матеріали для підвищення тріщиностійкості; застосовувати раціональне конструювання дорожнього одягу з метою зниження розтягуючих напружень в асфальтобетонному покритті); друга група – забезпечення довговічності на рівні виконання робіт по утриманню автомобільних доріг (організовувати візуальне обстеження ділянок, що експлуатуються, визначати ресурс ділянок, що експлуатуються та проводити своєчасні профілактичні заходи, направлені на відновлення структури асфальтобетону).

Результати дисертаційних досліджень реалізовані при влаштуванні асфальтобетонного покриття на декількох об’єктах України. Результати досліджень були впроваджені при проектуванні реконструкції таких міських автомобільних доріг та вулиць: Червонозоряний проспект; Пр-т Возз’єднання (м. Київ); вул. Мельницька (м. Одеса); вул. Соборна (м. Рівне).

Висновки

1. Обґрунтовано вибір умови тривалої міцності та критерію граничного стану для оцінки тріщиностійкості асфальтобетонного покриття з урахуванням режиму навантаження, характерного для умов міста. Виходячи із існуючих експериментальних та теоретичних положень про властивості матеріалів на основі органічних в’яжучих застосовували умову тривалої міцності, що враховує температурно-часовий характер руйнування асфальтобетонного покриття при змінних у часі напруженні у(t) і температури Т(t). Для цього використана модифікована умова тривалої міцності Бартенєва та умова граничного стану Бейлі.

2. Встановлено, що для оцінки тріщиностійкості асфальтобетонного покриття, з урахуванням спектру навантажень міських вулиць і доріг, доцільно використовувати міру пошкодженості, що виникає від дії розтягуючих напружень з урахуванням часткової відновленості структурних зв’язків асфальтобетону. Часткове відновлення структурних зв’язків асфальтобетону описано мірою відновленості. Отримано аналітичні залежності для розрахунку довговічності за тріщиностійкістю асфальтобетонного покриття міських дорожніх одягів.

3. За результатами натурних досліджень встановлені закономірності розтріскування асфальтобетонного покриття від дії транспорту в міських умовах. Показано, що найбільші об’єми розтріскування асфальтобетонного покриття спостерігаються в зонах дії світлофорів та на зупинках громадського транспорту. Результати натурних досліджень показали, що місця з найгіршою несучою здатністю нежорсткого дорожнього одягу міських вулиць і доріг співпадають з ділянками де транспортні засоби повільно рухаються і зупиняються (ділянка гальмування, ділянка зупинки та ділянка розгону). На цих ділянках пружні прогини перевищують в 2-4 рази прогини на ділянках безперервного руху.

4. На основі проведених лабораторних досліджень були встановлені термореологічні показники (функція релаксації R(t), функція температурно-часового зсуву aT(T), функція довговічності tp(у,T), функція відновленості tвід(у,T)) різних видів асфальтобетону, що необхідні для виконання розрахунків асфальтобетонного покриття нежорсткого дорожнього одягу міст. За допомогою експериментальних досліджень були встановлені кількісні дані про відновленність структури асфальтобетону. Показано, що вона підвищується із збільшенням температури і залежить від рівня пошкодженості структури асфальтобетону. Підтверджена адекватність теоретичних положень шляхом співставлення розрахованого часу до руйнування з експериментальним його значенням.

5. Досліджено шляхом чисельно-експериментального аналізу вплив особливостей конструювання дорожнього одягу на їх міцність і довговічність в міських умовах. Встановлено характер напружено-деформованого стану асфальтобетонного покриття, розташованого на основі з різною термореологічною чутливістю з урахування термомеханічних властивостей матеріалів.

6. Створено інженерні методики конструювання і розрахунку тріщиностійкості асфальтобетонного покриття нежорсткого дорожнього одягу міських вулиць і доріг з метою забезпечення його довговічності. Результати роботи використані: при розробці рекомендацій щодо проектування конструкцій міського дорожнього одягу; при розробці нових видів асфальтобетону для покриття в міських умовах, при визначенні оцінки економічної ефективності проведення будівництва, реконструкції чи капітального ремонту міських вулиць і доріг; при розробці типових конструкцій дорожнього одягу вулиць та доріг.

Основні положення дисертації опубліковані в роботах

1. Мозговий В.В., Бесараб О.М., Смолянець В.В. Натурні дослідження тріщиностійкості асфальтобетонного покриття в місцях із змінним режимом навантаження та її вплив на безпеку руху // Безпека дорожнього руху України. Науково-технічний збірник. – 2003.-№ 1-2.– С.73-83.

2. Мозговий В.В., Бесараб О.М., Смолянець В.В. Тріщиностійкість асфальтобетонних шарів при дії поверхневих розтягуючих напружень // Безпека дорожнього руху України. Науково-технічний збірник. – 2003.-№ 3-4.– С.114-121.

3. Бесараб О.М., Столярова Л.В., Смолянець В.В., Аветисян А.Г. Досвід застосування дренуючого полімерасфальтобетону на основі модифікатору Елвалой-АМ // Автомобільні дороги і дорожнє будівництво, 2003, випуск №66.- Київ, Національний транспортний університет.-С. 68-78.

4. Мозговий В.В., Бесараб О.М., Смолянець В.В. Покращення якості проектів міських вулиць та доріг за рахунок оптимізації проектування дорожнього одягу // Автомобільні дороги і дорожнє будівництво, 2003, випуск №68.-Київ, Національний транспортний університет. -С. 3-11.

5. Іщенко О.М., Бесараб О.М., Смолянець В.В., Аветисян А.Г. Дослідження температурного розтріскування асфальтобетонного покриття транспортних споруд на основі натурного обстеження // Вісник ДГАСА. - 2004. - № 1 (43). – С. 196-203.

6. Смолянець В.В. Дослідження тріщиностійкості асфальтобетонних шарів міських вулиць і доріг // Автомобільні дороги і дорожнє будівництво, 2004, випуск№70. – Київ, Національний транспортний університет. – С. 22-31.

Анотація

Смолянець В.В. Удосконалення проектування асфальтобетонного покриття нежорсткого дорожнього одягу в умовах міст. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.22.11 – автомобільні шляхи та аеродроми. – Національний транспортний університет, Київ, 2005.

Проведено аналіз умов роботи і характеру руйнування асфальтобетонного покриття міських дорожніх одягів. Показано, що розтріскування покриття від дії транспорту тим інтенсивніше чим більший час дії навантаження. Обґрунтовано вибір граничного стану та умову міцності для оцінки тріщиностійкості асфальтобетонного покриття міських вулиць і доріг. Визначено граничну кількість прикладання навантажень на асфальтобетонне покриття нежорсткого дорожнього одягу та визначено розрахункову інтенсивності руху з урахуванням режиму руху транспортних засобів в міських умовах. Введено поняття „міра відновленості пошкодженої структури асфальтобетону”, на основі якого уточнено аналітичну залежність для визначення сумарної міри накопичення пошкодження покриття. Експериментально визначено розрахункові характеристики та показники довговічності різних асфальтобетонів для виконання розрахунків з оцінки тріщиностійкості покриття міських вулиць і доріг. Теоретичні дослідження експериментально перевірено, результати засвідчили, що теоретичні розрахунки добре узгоджуються з експериментальними даними. Результати дисертаційних досліджень знайшли практичну реалізацію при проектуванні та будівництві асфальтобетонного покриття в міських умовах.

Ключові слова: асфальтобетонне покриття міських вулиць і доріг, конструкція дорожнього одягу, умова довговічності, тріщиностійкість, міра відновленості структури асфальтобетону.

АННОТАЦИЯ

Смолянец В.В. Совершенствование проектирования асфальтобетонного покрытия нежесткой дорожной одежды в условиях городов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.22.11 - автомобильные дороги и аэродромы. - Национальный транспортный университет, Киев, 2005.

Диссертация посвящена совершенствованию метода проектирования асфальтобетонного покрытия нежестких дорожных одежды в условиях городов. Обоснован выбор предельного состояния и условия прочности для оценки трещиностойкости асфальтобетонного покрытия городских улиц и дорог с учетом длительности действия нагрузок от транспорта. Введено понятие "мера восстановления поврежденной структуры асфальтобетона", на основе которого, была установлена аналитическая зависимость для определения результирующей меры поврежденности асфальтобетонного покрытия. Определено предельное количество нагрузок асфальтобетонного покрытия нежесткой дорожной одежды и определена расчетная интенсивность движения с учетом режима движения транспортных средств в городских условиях.

По результатам натурных исследований установлены закономерности растрескивания асфальтобетонного покрытия от действия транспорта в городских условиях. Показано, что наибольшие объемы растрескивания асфальтобетонного покрытия наблюдаются в зонах действия светофоров и на остановках общественного транспорта. Результаты натурных исследований показали, что места с наиболее плохой несущей способностью нежесткой дорожной одежды городских улиц и дорог совпадают с участками, где транспортные средства медленно двигаются и останавливаются (участок торможения, участок остановки и участок разгона). На этих участках упругие прогибы превышают в 2-4 раза прогибы на участках беспрерывного движения.

Экспериментально определены расчетные характеристики и показатели долговечности разных асфальтобетонов для выполнения расчетов по оценке трещиностойкости покрытия городских улиц и дорог. Установлена расчетная зависимость, которая связывает время восстановления асфальтобетона и напряжение в виде степенного закона. С помощью экспериментальных исследований была подтвержденная адекватность теоретических положений путем сопоставлением рассчитанного времени до разрушения с экспериментальными его значениями при испытании образцов асфальтобетонного покрытия. Это указывает на возможность применения теоретических зависимостей для оценки трещиностойкости асфальтобетонного покрытия в городских условиях. Численно-экспериментальный анализ позволил исследовать влияние особенностей конструирования дорожной одежды на их прочность и долговечность в городских условиях. Изучено напряженно-деформированное состояние монолитного покрытия, расположенного на основании с разными изменениями модуля упругости по глубине. Полученные результаты свидетельствуют, что напряженное состояние покрытия существенным образом зависит от соотношения модулей упругости покрытия и основания.

Теоретические и экспериментальные исследования позволили разработать инженерный метод расчета городских дорожных одежд на трещиностойкость. Разработаны направления повышения трещиностойкости асфальтобетонного покрытия в условиях городов. Результаты исследований были внедрены при проектировании реконструкции городских автомобильных дорог и улиц: Краснозвездный проспект, проспект Воссоединения (г. Киев); ул. Мельницкая (г. Одесса); ул. Соборная (г. Ровно).

Ключевые слова: асфальтобетонное покрытие городских улиц и дорог, конструкция дорожной одежды, условие долговечности, трещиностойкость, мера восстановления структуры асфальтобетона.

Abstract

V.V. Smolianets. Design upgrade of asphalt pavement of non-rigid road construction in conditions of the city. - Manuscript.

The dissertation on reception of a scientific degree of the candidate of technical science speciality 05.22.11 – Roads and Aerodromes. - National Transport University, Kiev, 2005.

Analysis of work conditions and fracture character of city roads asphalt pavements is performed. Cracks propagation intensity straight dependence on the time of the load is determined. Selection of boundary state type and condition of sufficient strength for crack resistance of city roads pavements is substantiated. Boundary number of load application to asphalt pavement of non-rigid construction of road and calculation intensity of traffic with traffic conditions consideration are determined. Concept of “damaged asphalt structure rehabilitation measure” is introduced and on its base analytical dependence for summary measure of pavement damage accumulation is precised. Design characteristics and durability indexes of various asphalt are experimentally determined for crack resistance estimation for city roads’ pavements. Results of experimental tests of theoretical investigations illustrate the fact that both experimental tests and theoretical investigations conform to each other. The dissertation investigations results found practical application in design and construction of asphalt pavement in city conditions.

Key words: asphalt pavement of city roads, pavement construction, durability condition, crack resistance, asphalt structure rehabilitation measure.