міністерство освіти і науки україни

національний транспортний університет

Василевич Олександр Віталійович

удк 625.02:625.852.061

моделі та метод розрахунку асфальтобетонних шарів нежорстких дорожніх одягів армованих

синтетичними матеріалами

05.22.11 – Автомобільні шляхи та аеродроми

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2005

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Національному транспортному університеті Міністерства освіти і науки України, м. Київ.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Савенко В’ячеслав Якович, Національний транспортний університет, завідувач кафедри будівництва та експлуатації доріг.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Павлюк Дмитро Олександрович, Національний транспортний університет, професор кафедри ”Аеропорти”.

кандидат технічних наук, професор

Прусенко Євген Дмитрович, Державна служба автомобільних доріг України, начальник Управління науково-технічної політики.

Провідна установа: Харківський національний автомобільно-дорожній університет, кафедра будівництва і експлуатації автомобільних доріг Міністерства освіти і науки України.

Захист дисертації відбудеться ” 10 ” червня 2005 р. о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.059.02 при Національному транспортному університеті за адресою: 01010, Україна, м. Київ, вул. Суворова 1.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного транспортного університету (01103, Україна, м. Київ, вул. Кіквідзе, 42).

Автореферат розіслано ” 5 ” травня 2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

кандидат технічних наук І.А. Рутковська

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. На даний час на автомобільних дорогах України, як і в цілому світі, переважають нежорсткі дорожні одяги з асфальтобетонними шарами. Такі дорожні одяги нерідко під дією транспортного навантаження досить швидко руйнуються та вимагають передчасних ремонтів. Руйнування проявляються різною мірою в залежності від режиму і характеру навантаження. Досить поширеними руйнуваннями асфальтобетонних шарів є тріщини. Тому, в останні роки, для підвищення довговічності таких шарів, на практиці досить широко застосовують армуючі прошарки у вигляді синтетичних матеріалів, але їх застосування не підкріплене досить строгою теоретичною базою, яка б дозволяла розраховувати асфальтобетонні шари дорожнього одягу з урахуванням особливостей роботи армуючих синтетичних прошарків.

За останні десятиліття вивченню тріщиностійкості асфальтобетонних шарів присвячено багато наукових праць вітчизняних і зарубіжних вчених, але дослідженню впливу армуючих синтетичних прошарків на загальний напружено-деформований стан цих шарів приділялось недостатньо уваги. Тому в цій області практично відсутні теоретичні розробки, що дозволили б розробити єдину методику розрахунку асфальтобетонних шарів армованих синтетичними матеріалами. Як відомо, дорожньо-будівельні матеріали та ґрунти земляного полотна при їх навантаженні проявляють в’язко-пружні властивості, які необхідно враховувати при визначенні напружено-деформованого стану армованих асфальтобетонних шарів дорожнього одягу від дії транспортних навантажень та при оцінці їх граничного стану, що ще більш ускладнює задачу.

Подальший розвиток методів розрахунку армованих асфальтобетонних шарів вимагає більш досконалого і ретельного вивчення впливу синтетичного прошарку на напружено-деформований стан та розподіл напружень в нежорсткому дорожньому одязі автомобільних доріг і вулиць.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Наукові результати роботи одержані в процесі виконання плану науково-дослідних робіт Національного транспортного університету: „Розробка математичних моделей армування дорожніх одягів синтетичними матеріалами і методів їх реалізації” (д/б тема № 22 РК 0103U003382); тематичного плану науково-дослідних робіт Державної служби автомобільних доріг України „Розробити методику розрахунку нежорстких дорожніх одягів з армуючими прошарками” (д/б № 38/55 РК 0102U003929); „Переробити ВБН 46-83 „Інструкція з проектування дорожніх одягів нежорсткого типу” (д/б № 157 РК 0102U003926).

Автор приймав безпосередню участь у виконанні вказаних наукових тем.

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є розробка моделей та методу розрахунку асфальтобетонних шарів нежорстких дорожніх одягів, армованих синтетичними матеріалами як основи заходів з підвищення їх довговічності.

Для досягнення мети були поставлені такі задачі:

· дослідити та узагальнити механізм взаємодії армуючого синтетичного прошарку з асфальтобетонними шарами нежорсткого дорожнього одягу з обґрунтуванням фізичної моделі даного процесу;

· розробити моделі роботи армуючих прошарків в асфальтобетонних шарах нежорстких дорожніх одягів для визначення нормальних напружень від дії транспортних засобів;

· розробити метод розрахунку армованих асфальтобетонних шарів з обґрунтуванням та оцінкою їх граничного стану;

· провести експериментальні дослідження армованих асфальтобетонних шарів у лабораторних умовах та методом акустичної емісії для оцінки адекватності запропонованих моделей та методу їх розрахунку.

· на основі узагальнення результатів дослідження розробити методику проектування дорожніх одягів нежорсткого типу з асфальтобетонними шарами армованими синтетичними матеріалами.

Об’єкт дослідження – армовані асфальтобетонні шари нежорсткого дорожнього одягу.

Предмет дослідження – моделі та метод розрахунку асфальтобетонних шарів армованих синтетичними матеріалами.

Методи дослідження – фундаментальні закони механіки твердого деформівного тіла, теорії пружності, математичне моделювання та експериментальні дослідження.

Наукова новизна одержаних результатів:

· запропоновано аналітичні залежності визначення розтягуючих напружень в активній зоні армування асфальтобетонних шарів, які показують, що при дії зовнішнього транспортного навантаження вони максимальні у місцях найбільшого прогину, пропорційні йому та обернено пропорційні квадрату радіуса чаші прогину покриття;

· вперше для прогнозування стану армованих асфальтобетонних шарів застосовано метод акустичної емісії (АЕ), який дозволив визначити, що в армованих конструкціях дорожнього одягу кількість сигналів АЕ в 2–3 рази менша в порівнянні з неармованими; при чому, в момент часу, коли відбувається руйнування неармованого асфальтобетону, випромінювання сигналів АЕ носить лавиноподібний характер.

Практичне значення одержаних результатів. На підставі запропонованого методу розроблено інженерну методику розрахунку армованих асфальтобетонних шарів та практичні рекомендації щодо підвищення їх міцності та довговічності з оцінкою економічної ефективності від застосування армуючих матеріалів.

Результати виконаних досліджень використані при розробці методики розрахунку МР-218-02070915-322-2003 “Методика розрахунку нежорстких дорожніх одягів з армуючими прошарками” та відомчих будівельних норм ВБН В.2.3-218-186-2004 “Споруди транспорту. Дорожній одяг нежорсткого типу”.

Особистий внесок здобувача. Результати наведених у дисертації досліджень отримані автором самостійно.

Особистий внесок здобувача полягає в наступному:

· виведення аналітичних залежностей та співвідношень розроблених моделей армованих асфальтобетонних шарів нежорстких дорожніх одягів та розробка методу їх реалізації;

· проведення експериментальних досліджень дорожніх одягів нежорсткого типу за допомогою методу акустичної емісії з використанням програмного комплексу “АКЕМ” для реєстрації та аналізу сигналів акустичної емісії від розвитку мікротріщин в армованих асфальтобетонних шарах.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи були представлені на: наукових конференціях професорсько-викладацького складу Національного транспортного університету №№ 56–61 в 2001–2005 рр.; на міжнародній науково-технічній конференції „Прогресивні технології і енергозбереження в дорожньому будівництві”, 24–26 жовтня 2001 року, Київ, Україна; X International Conference „Durable and safe road pavements”. Kielce, 11–12 May 2004.

Публікації. За результатами дисертаційної роботи опубліковано дев'ять друкованих робіт в наукових фахових виданнях, збірниках наукових праць та в тезах доповідей на конференціях, із них 6 – в спеціалізованих виданнях за переліком ВАК України.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація включає вступ, чотири розділи, загальні висновки, список використаних джерел із 156 найменувань та додатки. Основний текст викладений на 164 сторінках. Текст ілюструється 53 рисунками, містить 22 таблиці і 3 додатка.

основний Зміст РОботи

У вступі викладено актуальність дисертаційної теми, сформульовано мету та задачі досліджень, наведено основні наукові результати, показано практичне значення отриманих результатів та напрямки впровадження.

У першому розділі виконано огляд та аналіз існуючих підходів до оцінки напружено-деформованого стану та методів розрахунку на міцність асфальтобетонних шарів нежорстких дорожніх одягів, зроблено аналіз світового досвіду будівництва та експлуатації дорожнього одягу з прошарками, що підвищують міцність та тріщиностійкість асфальтобетонних шарів автомобільних доріг, обґрунтовано шляхи удосконалення існуючих методів проектування та розрахунку асфальтобетонних шарів армованих синтетичними матеріалами.

Для прогнозу тріщиноутворення в асфальтобетонних шарах армованих синтетичними матеріалами на даний час застосовується декілька теорій міцності. Одні теорії потребують спеціальних методів визначення міцнісних характеристик матеріалів, інші обходяться традиційними характеристиками чи їх модифікаціями.

Сучасні методи розрахунку нежорстких дорожніх одягів базуються на результатах наукових досліджень напружено-деформованого та граничного стану конструктивних шарів, властивостей матеріалів дорожнього одягу і ґрунту земляного полотна відомих вітчизняних вчених: В.Ф. Бабкова, О.Т.Батракова, О.К. Біруля, А.М.Богуславського, А.Г. Булавка, М.І. Волкова, Л.Б. Гезенцвея, Г.І. Глушкова, М.М. Дмитрієва, К.Є. Єгорова, В.К. Жданюка, В.О. Золотарьова, М.М. Іванова, Б.І Когана, М.Б. Корсунського, А.М. Кривіського, О.В. Марчука, О.Ю.Мерзликіна, С.І.Міховича, В.В. Мозгового, В.Г. Піскунова, А.К.Приварнікова, Є.Д. Прусенка, Б.С.Радовського, Р.М. Раппопорт, О.О. Рассказова, А.В. Руденського, В.Я. Савенка, А.О. Саля, С.І. Сіденка, В.С. Сіпетова, А.С.Супруна, Г.К. Сюньї, К.С. Теренецького, В.С. Титаря, К.К Туроверова, П.І. Тєляєва, Л.І. Федоренко, Ю.А. Шевлякова, О.Я. Шехтєра, та зарубіжних вчених: Бурмістера, Джонса, Мергера, Фокса, Шифмане та ін.

Проведені дослідження дозволили створити декілька аналітично-розрахункових апаратів, що дозволяють виконувати розрахунки напружено-деформованого стану шарів дорожнього одягу, використовуючи їх деформаційні характеристики.

Однак існуючі на даний час теоретичні та експериментальні дослідження носять розрізнений характер. До цього часу не існує єдиної методики, яка б дозволяла розраховувати армовані асфальтобетонні шари нежорсткого дорожнього одягу з урахуванням спільної роботи матеріалів дорожнього одягу та армуючих прошарків, які безперечно впливають як на загальний напружений стан, так і граничний стан армованого асфальтобетонного шару.

Крім того, незважаючи на велику кількість проведених досліджень з вивчення поведінки асфальтобетонних шарів, питання розрахунку армованих асфальтобетонних шарів у нормативних документах взагалі не розглядається.

Ідея використання в дорожніх конструкціях тонких прошарків-мембран, що працюють на розтяг не нова, але передумови для її реалізації з'явилися з розвитком хімії полімерних матеріалів. В даний час розширився асортимент геосинтетичних матеріалів, що призвело до розширення області їхнього застосування і функціональності.

На українському ринку представляють свої геотекстильні матеріали такі відомі фірми-виробники як Huesker Synthetic (Німеччина), DuPont (Франція), Євроізол (Україна), Presto Products Company (США), ВАТ “Ірпінський комбінат “Прогрес”, Могилів-Подільська фабрика нетканих матеріалів та ін. Кожна із цих фірм випускає декілька видів геотекстильного матеріалу або навіть декілька десятків найменувань продукції, що в свою чергу потребує розробки класифікації геотекстильних матеріалів та держстандарту на такі матеріали. На даний час існує декілька класифікацій геотекстильних матеріалів і всі вони відрізняються між собою.

Враховуючи таке різноманіття геотекстильних матеріалів за відсутності єдиної та чіткої класифікації виникає проблема ефективного їх використання, враховуючи їх властивості та функціональне призначення. Але такого виду проблема мізерна у порівнянні із тим, що запроектований дорожній одяг із армуючим синтетичним прошарком необхідно розрахувати на дію транспортних навантажень, надійність та довговічність.

Армування асфальтобетонних шарів нежорстких дорожніх одягів набуло надзвичайного поширення в останні роки у вітчизняному будівництві. Але застосування синтетичних матеріалів в якості армуючих прошарків не підкріплене теоретичною базою, і як правило, при проектуванні дорожнього одягу вони призначаються конструктивно, що не дозволяє на стадії проектування визначити реальний термін служби армованого асфальтобетонного шару.

Другий розділ присвячений розробці та обґрунтуванню моделей та методу розрахунку асфальтобетонних шарів нежорстких дорожніх одягів армованих синтетичними матеріалами.

На дорогах із асфальтобетонним покриттям при проїзді транспортних засобів можуть з’являтися тріщини, які в цілому негативно впливають на експлуатаційний стан дорожньої конструкції.

Метою застосування синтетичних матеріалів в якості армування асфальтобетонних шарів є перерозподіл горизонтальних та зниження напружень в асфальтобетонному шарі та в результаті не допущення утворення тріщин.

Взаємодія асфальтобетону як матеріалу із синтетичним прошарком являє собою складний процес. В даному випадку ми маємо справу з матеріалами абсолютно різними за своїм походженням, складом та властивостями, що ускладнює механізм їх взаємодії. Якщо представити собі цей механізм, то зчеплення армуючого прошарку із асфальтобетоном забезпечується наступним чином: збільшення опору асфальтобетону зусиллям зминання (рис. 1), що обумовлено нерівностями та періодичним профілем арматури, тобто механічним зчепленням армуючого прошарку із асфальтобетоном; утворенням тертя на поверхні армуючого прошарку завдяки обтискуванню його асфальтобетоном при ущільненні; склеювання асфальтобетону з прошарком, обумовлене наявністю бітуму та адгезійних добавок.

Під час спільної роботи “системи” (асфальтобетонний шар – армуючий синтетичний прошарок – асфальтобетонний шар) в асфальтобетонному шарі нижче нейтральної осі від дії зовнішнього навантаження виникають розтягуючі напруження, які частково передаються та сприймаються армуючим прошарком та намагаються його розтягнути. При цьому в прошарку виникають реактивні зусилля, обумовлені порушенням стану рівноваги в результаті дії навантаження.

На рис. 2 зображена лінія впливу реактивних напружень в армуючому прошарку на асфальтобетонні шари.

В асфальтобетонних шарах, між якими укладено армуючу сітку, на певній відстані вище та нижче від сітки утворюється зона, де загальний напружено-деформований стан визначається не тільки властивостями асфальтобетону, а й наявністю армуючого матеріалу. Тобто в межах цієї зони сітка впливає на напружено-деформований стан в асфальтобетонних шарах, причому біля самої сітки він змінюється максимально, а на деякій відстані від сітки ця зміна дорівнює нулю.

Ділянка, що знаходиться в межах лінії впливу, називається активною зоною армування.

“Система” буде діяти найбільш ефективно за умови абсолютного зчеплення її складових, тобто асфальтобетонного шару із армуючим прошарком, так як в цьому випадку площа контакту буде максимальною і не буде місць розриву напружень.

При влаштуванні армованого асфальтобетонного шару під час будівництва припускається, що прошарок максимально можливо контактує із асфальтобетонним шаром. Але в процесі експлуатації в силу дії різних факторів площа контакту, де не можливі переміщення прошарку відносно шару (абсолютний контакт) зменшується в результаті часткового відриву армуючого прошарку від асфальтобетонного шару. Тому, в даному випадку, можна виділити дві контактуючі ділянки:

· ділянка з абсолютним контактом;

· ділянка, де можливі переміщення прошарку відносно асфальтобетонного шару.

В другому випадку розтягуючі напруження від асфальтобетонного шару передаються армуючому прошарку тільки за рахунок їх взаємного тертя та механічного зчеплення.

Перший випадок характерний тим, що між прошарком та асфальтобетонним шаром виникають зовнішні сили тертя, внутрішні сили тертя, а також супроводжуюче тертя явище адгезії, що полягає в зчепленні частинок із поверхнею макроскопічних тіл в результаті дії поля сил, які створюють міжатомні і міжмолекулярні в’язі.

З вище викладеного можна зробити висновок, що для забезпечення надійного контакту між прошарком і асфальтобетонним шаром необхідно, щоб сили тертя та адгезія були максимальними. При теоретичних розрахунках для практичних цілей особливо важливим є випадок абсолютного зчеплення армуючого прошарку із асфальтобетонним шаром, коли арматура максимально включається в роботу, тому в роботі використовувалась гіпотеза, що взаємні переміщення армуючого прошарку та асфальтобетонного шару неможливі (випадок абсолютного зчеплення).

Обґрунтовано і розроблено модель для визначення горизонтальних розтягуючих напружень в активній зоні армування , що можуть викликати розтріскування армованих асфальтобетонних шарів при одноразовому чи багаторазовому прикладенні навантаження. Враховуючи квазіпружні властивості асфальтобетону при розрахунковій температурі Т = 0С, передбачено встановлювати на основі відомих залежностей теорії пружності.

Запропоновано аналітичні залежності, які дозволяють при відомих значеннях модуля пружності та коефіцієнта Пуассона активної зони армування визначати розтягуючі напруження :

, (1)

де | х– | відстань від центра прикладення навантаження до перетину, що розглядається;

Еаза, аза– | відповідно модуль пружності та коефіцієнт Пуассона активної зони армування;

w(х)– | прогин поверхні активної зони армування.

Формула (1) показує, що при дії зовнішнього навантаження, розтягуючі напруження, які виникають в активній зоні армування, максимальні в місцях найбільшого прогину, пропорційні йому та обернено пропорційні квадрату радіуса чаші прогину покриття.

Максимальне напруження в активній зоні армування від вертикального навантаження з використанням формули М.Б. Корсунського для максимального прогину виразиться залежністю:

, (2)

де | hп– | товщина покриття, см;

p– | розрахунковий тиск на покриття, МПа;

D– | діаметр круга, рівновеликого сліду колеса розрахункового автомобіля, см;

n– | коефіцієнт, що характеризує розподіл напружень в шаруватому півпросторі, дорівнює (за М.Б.Корсунським)

,

гр– | коефіцієнт Пуассона ґрунту;

гр– | коефіцієнт Пуассона покриття.

Розроблено модель роботи армуючих прошарків в асфальтобетонних шарах дорожнього одягу нежорсткого типу, що дозволяє визначати горизонтальні нормальні напруження в армованому асфальтобетонному шарі від дії транспортних засобів. Умови роботи армуючого прошарку в асфальтобетонних шарах наведено на рис. 3.

На основі теорії композитів була запропонована залежність, яка пов’язує між собою загальне напруження розтягу в композитному матеріалі , розтягуюче напруження в активній зоні армування та горизонтальне нормальне напруження в асфальтобетоні :

, (3)

де | nr, аза– | щільність активної зони армування (відношення площі поперечного перерізу активної зони армування до загальної площі поперечного перерізу).

Від діючого зовнішнього навантаження горизонтальна складова нормального напруження в будь-якій точці покриття при згині може бути визначена за формулою:

, (4)

де , |

h1– | товщина покриття, см;

і – | модуль пружності та коефіцієнт Пуасона матеріалу покриття;

Езаг.о і сер– | загальний модуль пружності основи і середнє значення коефіцієнта Пуасона конструкції, підстилаючої покриття;

z1– | відстань по вертикалі від розглядуваної точки до серединної поверхні покриття, см;

r– | відстань по горизонталі від розглядуваної точки до осі діючого навантаження, см;

w0– | величина прогину, см;

D = 2R– | діаметр круга, рівновеликого сліду колеса розрахункового автомобіля, см;

На основі залежностей (1), (3) та (4) було запропоновано залежності для визначення розтягуючих напружень:–

загального в армованому асфальтобетонному шарі

, (5)–

в неармованому асфальтобетоні

, (6)–

в активній зоні армування

, (7)

де .

Для оцінки граничного стану армованих асфальтобетонних шарів щодо тріщиностійкості, на підставі положень кінетичної теорії міцності твердих тіл, було використано умову довготривалої міцності Бейлі:

(8)

та універсальну модифіковану залежність Г.М. Бартенєва у вигляді:

, (9)

де bф(Т), Вф(Т) – показники функції довговічності.

Тоді час до руйнування при відповідному рівні напружень та температурі визначиться за такими аналітичними залежностями:–

в армованому асфальтобетонному шарі

, (10)–

в неармованому асфальтобетонному шарі

, (11)

– в активній зоні армування

, (12)

Для визначення граничного стану (міри небезпеки розтріскування) армованих асфальтобетонних шарів в межах активної зони армування запропоновано залежність:

. (13)

Результати теоретичних досліджень дозволили запропонувати метод розрахунку асфальтобетонних шарів армованих синтетичними матеріалами на тріщиностійкість (рис. 4) від дії транспортних засобів.

Третій розділ містить експериментальні дослідження та чисельний аналіз розрахунку асфальтобетонних шарів армованих синтетичними матеріалами. Наведено методики лабораторних та натурних досліджень впливу армування на міцність асфальтобетонних шарів, матеріали, прилади та обладнання, прийняті для дослідження.

Лабораторні дослідження. Для визначення геометричних розмірів активної зони армування виготовлялись балочки з розмірами 160 мм 40 мм 20 мм та 160 мм 40 мм 30 мм, в яких армуюча сітка закладалась на ? їх висоти, тобто посередині.

Також виготовлялись балочки з розмірами 160 мм 40 мм 40 мм, в яких армуюча сітка розташовувалась на різній висоті від нижньої грані балочки, в тому числі і посередині. Конструктивно армовані синтетичною сіткою балочки мали вигляд, зображений на рис. 5.

Величина захисного шару а змінювалась за законом

, см

Технологія виготовлення зразків-композитів була наступною. В процесі підготовки зразків спочатку виготовлялись нижні шари композиту, що мали однакові розміри в плані та різну висоту. Заздалегідь нарізалась синтетична сітка необхідних розмірів в плані.

Для того, щоб унеможливити просковзування сітки в композиції, її торці по 10 мм обробляли епоксидною смолою, створюючи, таким чином упори, які в композиції зачіплюються за кам’яні матеріали. Потім для зчеплення сітки з асфальтобетоном виконувалась підґрунтовка нижніх шарів бітумною емульсією з розрахунку 0,6 л/м2. На підґрунтовані нижні шари вкладалась заздалегідь підготовлена синтетична сітка.

Далі підготовлена основа поміщалась у підігріту форму. Після цього в форму досипалась наважка асфальтобетону необхідної маси та з необхідною температурою, форма ставилась під прес, де остаточно формувався і ущільнювався зразок-композит. Після чого зразок виймали з форми і готували для випробування.

Отримані результати лабораторних досліджень дозволили встановити закономірності впливу армування на деформаційні та міцнісні характеристики асфальтобетону (табл. 1) та залежності, отримані в результаті статистичної обробки експериментальних даних (рис. 6–8). Найбільший вплив на міцнісні та деформаційні характеристики армованого асфальтобетону здійснюють синтетичні матеріали на основі поліестерних волокон (Armatex, Hatelit). Так, їх модулі пружності збільшуються в порівнянні з базовим асфальтобетоном при Т = 0 С та а = 0 відповідно в 1,14 та 1,10 рази, а міцність – в 1,37 та 1,32 рази. Базальтоволоконна сітка майже не підвищує модуля пружності та міцності асфальтобетону базового складу.

Таблиця 1

Міцнісні та деформаційні характеристики армованих асфальтобетонів

№

п/п | Тип армую-чого матеріалу | Величи-на захис-ного шару, а | Опір розтягу при згині, R, МПа | Модуль пружності, Е, МПа, при температурі, С

t = 0 С | коефі-цієнт варіації | 0 | коефі-цієнт варіації | 20 | коефі-цієнт варіації

1 |

Без армування | 0,0

0,5

1,0

1,5

2,0 | 7,85

7,84

7,76

7,81

7,85 | 8,4

5,8

12,2

9,3

4,1 | 4325

4510

4130

4180

4330 | 8,7

7,2

12,5

5,6

10,0 | 2820

2840

2790

2815

2820 | 9,2

6,8

11,5

15,6

9,6

2 |

Armatex

G 100

(арматекс) | 0,0

0,5

1,0

1,5

2,0 | 10,67

9,65

8,68

8,12

7,80 | 1,3

1,0

1,2

0,7

0,4 | 4890

4705

4630

4540

4510 | 6,8

8,3

4,8

12,1

6,5 | 3115

3005

2950

2880

2820 | 10,4

10,8

7,8

15,4

11,7

3 |

Hatelit 40/17-C

(хателіт) | 0,0

0,5

1,0

1,5

2,0 | 10,30

9,02

8,37

8,12

7,81 | 7,9

5,3

5,4

4,6

2,3 | 4750

4630

4560

4535

4500 | 14,7

5,3

9,8

12,4

2,7 | 3060

2970

2915

2855

2815 | 14,5

10,4

14,2

8,6

11,1

4 | Базальто-волоконна сітка марки ПСБП-Д | 0,0

0,5

1,0

1,5

2,0 | 9,32

8,31

8,02

8,05

7,80 | 10,3

10,2

12,3

3,1

2,6 | 4620

4560

4525

4505

4490 | 10,8

9,4

12,7

11,2

7,4 | 2965

2925

2870

2845

2815 | 12,0

14,8

15,7

16,2

11,3

В якості підтвердження достовірності отриманих результатів було визначено найбільше напруження від розтягу при згині в нижньому волокні двохшарової балочки за відомою формулою:

, (14)

Наприклад для балочок з величиною захисного шару 1 см армованих сіткою Armatex руйнуюче навантаження становило Р = 2640,8 Н, при l = 14 см, b = 4 см, h = 2 см і експериментально отриманих Ев = 4630 МПа та Ен= 4300 МПа можна отримати теоретичне значення максимального напруження від розтягу при згині за (14) при якому повинно відбутися руйнування МПа, що практично співпадає з експериментально отриманим значенням R = 8,68 МПа (табл. 1)

На основі отриманих експериментальних даних щодо міцності та модуля пружності для армованого асфальтобетону, була розроблена методика визначення цих характеристик за допомогою аналітичних залежностей з використанням коефіцієнтів ефективності армування.

Для визначення характеристик втоми направлено-армованого асфальтобетону виконувались випробування зразків-балочок на міцність при згині в режимі зростаючого з постійною швидкістю навантаження.

При випробуванні на довготривалу повзучість при постійному навантаженні фіксували час до руйнування зразка, після чого визначали параметри функції довговічності та .

В табл. 2 наведено результати випробувань дрібнозернистого асфальтобетону типу Б на бітумі БНД-60/90.

Таблиця 2

Експериментальні дані з оцінки довговічності дрібнозернистого асфальтобетону типу Б при постійній швидкості навантаження

Вид асфальто-бетону | Темпера-тура випро-бувань,

Т, С |

Назва матеріалу армування | Рівняння регресії |

Показник втоми,

т

Асфальто-бетон тип Б на бітумі БНД-60/90 | 0– | 4,386 | 5,662 | 0,18

0 | базальт | 4,433 | 5,993 | 0,17

0 | поліестер | 5,187 | 6,234 | 0,16

В результаті обробки експериментальних даних отримані наступні апроксимуючі залежності:

– для неармованого асфальтобетону

,

– для асфальтобетону армованого базальтовими сітками

,

– для асфальтобетону армованого поліестерними сітками

.

Аналіз результатів показує, що армування асфальтобетону базальтовими сітками незначно збільшує його міцність на втому, навіть при температурі 0 С показники втоми для неармованого асфальтобетону та армованого базальтовою сіткою відрізняються між собою в межах розкиду експериментальних даних. Більш суттєвий вплив на довготривалу міцність армованого асфальтобетону при температурі 0 С здійснюють поліестерні сітки.

Отримане експериментальним шляхом значення n для асфальтових бетонів як армованих (п = 6,23), так і неармованих (п 6,0), узгоджується із результатами випробувань на втому, проведених А.О. Саллем (п = 6,25), Т.Н. Калашниковою (п = 6,27), Хіменсоном і Галауеєм (п = 6,25), Пеллом (п = 6,1), Бейкером і Папазяном (п = 6,28).

З метою прогнозування стану асфальтобетонних шарів за допомогою методу акустичної емісії в натурних умовах були досліджені спеціально влаштовані конструкції дорожнього одягу нежорсткого типу. Для реєстрації та аналізу акустичної емісії використовувався програмний комплекс “АКЕМ”.

Результати досліджень показують, що армування асфальтобетонних шарів синтетичними матеріалами підвищує їх міцність та подовжує час до початку фізичного руйнування. Зафіксовані сигнали акустичної емісії підтверджують, що процес накопичення мікродефектів в армованих асфальтобетонних шарах відбувається в 2–3 рази повільніше в порівнянні з неармованими. Застосування армованих асфальтобетонних шарів дозволяє підвищити момент тріщиноутворення і отримати меншу ширину розкриття тріщини. Це підтверджується нижчим рівнем енергії акустичної емісії процесів в момент утворення тріщини в порівнянні з неармованими асфальтобетонними шарами.

Для встановлення моменту тріщиноутворення в асфальтобетонних шарах можна використовувати параметр акустичної емісії – коефіцієнт Кр (рис. 9–10).

В результаті проведених досліджень встановлено, що в асфальтобетонних шарах дорожнього одягу нежорсткого типу за момент утворення мікротріщин можна приймати навантаження, при якому Кр > 3.

Четвертий розділ присвячений практичним розробкам і впровадженню результатів досліджень.

Розроблений метод розрахунку асфальтобетонних шарів нежорстких дорожніх одягів армованих синтетичними матеріалами та аналіз їх тріщиностійкості дозволили виділити найбільш ефективні перспективні напрямки та технологічні заходи забезпечення необхідної довговічності асфальтобетонних шарів.

На підставі запропонованого методу розроблено інженерну методику розрахунку армованих асфальтобетонних шарів та практичні рекомендації щодо підвищення їх міцності та довговічності з оцінкою економічної ефективності від застосування армуючих матеріалів при будівництві, реконструкції та капітальному ремонті дорожніх одягів автомобільних доріг.

Розроблено і впроваджено рекомендації для підвищення тріщиностійкості асфальтобетонних шарів за рахунок їх армування.

Результати дисертаційних досліджень реалізовані при проектуванні реконструкції автомобільної дороги Київ-Одеса (км 232+000 – км 236+000, км 266+000 – км 272+000) та капітального ремонту автомобільної дороги Київ Бориспіль.

Висновки

В дисертації отримано наступні основні наукові та практичні результати

1. На основі аналізу існуючих методів розрахунку та досвіду роботи армованих асфальтобетонних шарів нежорсткого дорожнього одягу на автомобільних дорогах досліджено та узагальнено механізм взаємодії армуючого синтетичного прошарку з асфальтобетонними шарами нежорсткого дорожнього одягу з обґрунтуванням фізичної моделі даного процесу.

2. Розроблено моделі роботи армуючих прошарків в асфальтобетонних шарах дорожнього одягу нежорсткого типу з їх експериментальним підтвердженням, що дозволяє визначати розтягуючі напруження в активній зоні армування та горизонтальні нормальні напруження в армованому асфальтобетонному шарі від дії транспортних засобів.

3. Запропоновано метод розрахунку армованих асфальтобетонних шарів на основі реалізації розроблених моделей з обґрунтуванням та оцінкою умови граничного стану та функції довговічності, що описують розтріскування асфальтобетонних шарів з урахуванням їх армування.

4. На основі лабораторних досліджень встановлено закономірності впливу армування на деформаційні та міцнісні характеристики армованого асфальтобетону та показник втоми. Визначено, що найбільше підвищення модуля пружності (в 1,14 рази) та міцності (в 1,37 рази) відбувається при застосуванні в якості армуючого матеріалу поліестерних сіток. Адекватність запропонованих моделей та методу розрахунку підтверджується співставленням теоретичних результатів з експериментальними даними.

5. Вперше для прогнозування стану армованих асфальтобетонних шарів застосовано метод акустичної емісії з використанням програмного комплексу АКЕМ. Результати експериментальних та натурних досліджень показують, що в армованих конструкціях дорожнього одягу кількість сигналів АЕ в 2–3 рази менша в порівнянні з неармованими. На підставі цих досліджень встановлено, що в асфальтобетонних шарах дорожнього одягу нежорсткого типу за момент утворення мікротріщин можна приймати навантаження, при якому Кр > 3.

6. На основі запропонованих моделей та методу розрахунку розроблено інженерну методику проектування армованих асфальтобетонних шарів нежорсткого дорожнього одягу з урахуванням типу армуючого матеріалу та його розрахункових характеристик.

7. Результати виконаних досліджень використані при розробці методики розрахунку МР-218-02070915-322-2003 “Методика розрахунку нежорстких дорожніх одягів з армуючими прошарками” та відомчих будівельних норм ВБН В.2.3-218-186-2004 “Споруди транспорту. Дорожній одяг нежорсткого типу”. Розроблено і впроваджено практичні рекомендації щодо підвищення тріщиностійкості асфальтобетонних шарів за рахунок їх армування при проектуванні реконструкції автомобільної дороги Київ-Одеса (км 232+000 – км 236+000, км 266+000 – км 272+000) та капітального ремонту автомобільної дороги Київ Бориспіль, що підтверджується актами впровадження результатів дисертаційних досліджень.

Основні положення дисертації опубліковані в роботах

1. Савенко В.Я., Василевич О.В. Акустична емісія – перспективний метод контролю без руйнування // Автомобільні дороги і дорожнє будівництво: Міжвідомчий наук.-техн. збірник – К.: НТУ, 2001. Вип. 62. – С. 243-246.

2. Савенко В.Я., Василевич О.В. Застосування методу єдиного пакета шарів при розрахунках дорожніх одягів // Автомобільні дороги і дорожнє будівництво: Міжвідомчий наук.-техн. збірник – К.: НТУ, 2001. Вип. 63. – С. 229-233.

3. Савенко В.Я., Василевич О.В. Теоретичні основи розрахунку асфальтобетонних шарів, армованих синтетичними прошарками // Автошляховик України. – 2002. – № 4. – С. 37-39.

4. Савенко В.Я., Василевич О.В. Методика розрахунку нежорстких дорожніх одягів з армуючими прошарками // Автошляховик України. – 2003. – № 3. – С. 37-38.

5. Василевич О.В. До питання взаємодії геосинтетичного армуючого прошарку у вигляді сітки із асфальтобетонним шаром // Вісник НТУ, ТАУ. – 2002. № 7. – С. 125-126.

6. Василевич О.В. Узагальнена математична модель взаємодії синтетичних прошарків із конструктивними шарами дорожнього одягу // Автомобільні дороги і дорожнє будівництво: Міжвідомчий наук.-техн. збірник – К.: НТУ, 2003. Вип. 63. – С. 156-160.

7. Savenko V.Ya., Vasylevych A.V. Technique of account of unrigid road clothes with reinforced layers // X International Conference “Durable and safe road pavements”. Kielce, 11–12 May 2004. – P. 441-446.

8. Василевич О.В. Методика експериментального моделювання роботи армованих асфальтобетонів, постановка задачі, проведення експерименту та основні результати // Зб. тез 60 ювілейної наукової конференції професорсько-викладацького складу і студентів НТУ. – К., 2004. – С 73.

9. Іваниця Є.В., Василевич О.В. Розробка математичної моделі взаємодії геосинтетиків із конструктивними шарами дорожнього одягу // Зб. тез 61 наукової конференції професорсько-викладацького складу і студентів НТУ. – К., 2005. – С 90-91.

Анотація

Василевич О.В. Моделі та метод розрахунку асфальтобетонних шарів нежорстких дорожніх одягів армованих синтетичними матеріалами. – Рукопис.

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

Дисертація присвячена розробці моделей та методу розрахунку асфальтобетонних шарів нежорстких дорожніх одягів армованих синтетичними матеріалами. Проведено аналіз існуючих методів розрахунку армованих асфальтобетонних шарів на міцність. Досліджено та узагальнено механізм взаємодії армуючого синтетичного прошарку з асфальтобетонними шарами нежорсткого дорожнього одягу з обґрунтуванням фізичної моделі даного процесу. Розроблено моделі роботи армуючих прошарків в асфальтобетонних шарах нежорстких дорожніх одягів, що дозволяють визначати нормальні напруження від дії транспортних засобів. Розроблено метод розрахунку армованих асфальтобетонних шарів, вибрано та обґрунтовано умову граничного стану, що описує розтріскування армованих асфальтобетонних шарів. На основі проведених експериментальних досліджень було запропоновано методику визначення розрахункових характеристик для асфальтобетону армованого різними синтетичними матеріалами за допомогою аналітичних залежностей. Вперше для прогнозування стану армованих асфальтобетонних шарів використано метод акустичної емісії. На основі узагальнення результатів дослідження обґрунтовано і розроблено інженерну методику проектування дорожніх одягів нежорсткого типу з асфальтобетонними шарами армованими різними синтетичними матеріалами Наведені результати виробничої апробації.

Ключові слова: армовані асфальтобетонні шари, синтетичні матеріали, армуючі сітки, напружено-деформований стан, граничний стан, довговічність.

АННОТАЦИЯ

Василевич А.В. Модели и метод расчета асфальтобетонных слоев нежестких дорожных одежд армированных синтетическими материалами. – 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 разработке моделей и метода расчета асфальтобетонных слоев нежестких дорожных одежд армированных синтетическими материалами.

Проанализировано существующие методы расчета армированных асфальтобетонных слоев на прочность от действия транспортных средств. Исследовано и обобщено механизм взаимодействия армирующей синтетической прослойки с асфальтобетонными слоями нежесткой дорожной одежды с обоснованием физической модели данного процесса. Дано определение активной зоны армирования, в пределах которой армирующий материал влияет на общее напряженно-деформированное состояние асфальтобетонных слоев.

Разработано модели работы армирующих прослоек в асфальтобетонных слоях нежестких дорожных одежд, которые позволяют на основе теории композитов с использованием фундаментальных законов теории упругости и приближенного решения М.Б. Корсунского определять горизонтальные нормальные напряжения в армированных асфальтобетонных слоях от действия транспортных средств.

Выбрано и обосновано условия предельного состояния, которые описывают растрескивание асфальтобетонных слоев армированных разными синтетическими материалами, растрескивание активной зоны армирования и неармированных асфальтобетонных слоев. Также получены аналитические зависимости для оценки влияния горизонтальных растягивающих напряжений на прочность асфальтобетонных слоев с учетом их армирования. На основе разработанных моделей и условий предельного состояния предложен метод расчета асфальтобетонных слоев армированных синтетическими материалами.

На основе выполненных натурных (метод акустической эмиссии) и лабораторных исследований подтверждена достоверность теоретических разработок, установлены геометрические параметры активной зоны армирования и влияние наличия армирующего материала в асфальтобетонных слоях на деформационные и прочностные характеристики асфальтобетона. Анализ и обработка лабораторных данных позволили разработать методику определения расчетных характеристик для асфальтобетона армированного различными синтетическими материалами с помощью аналитических зависимостей.

На основании предложенного метода разработана инженерная методика расчета армированных асфальтобетонных слоев и практические рекомендации повышения их прочности и долговечности с оценкой экономической эффективности, ожидаемой от применения армирующих синтетических материалов.

Приведены результаты научной и производственной апробации при проектировании реконструкции и капитального ремонта автомобильных дорог Украины.

Ключевые слова: армированные асфальтобетонные слои, синтетические материалы, армирующие сетки, напряженно-деформированное состояние, предельное состояние, долговечность.

Abstract

Vasylevych O.V. Models and a method of calculation of asphalt-concrete layers nonrigid road clothes by reinforced synthetic materials. – 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.

The thesis has been devoted to the development of models and a method of calculation asphalt-concrete layers of nonrigid road clothes reinforced by synthetic materials. The analysis of existing methods of calculation reinforced asphalt-concrete layers on durability is carried out (spent). It is investigated and is generalized the mechanism of interaction reinforced a synthetic layer with asphalt-concrete layers of nonrigid road clothes with a substantiation of physical model of the given process. Models of work reinforced layers in asphalt-concrete layers of nonrigid road clothes which allow to define (determine) normal pressure (voltage) from action of vehicles are developed. The method of calculation reinforced asphalt-concrete layers is developed, is chosen and the condition of a limiting condition which describes of crack resistance reinforced asphalt-concrete layers is proved. On the basis of the carried out (spent) experimental researches the technique of definition of settlement characteristics for asphalt-concrete reinforced by different synthetic materials with the help of analytical dependences was offered. For the first time for forecasting a condition reinforced asphalt-concrete layers the method of acoustic issue is used. On the basis of generalization of results of research the engineering technique of designing of road clothes of nonrigid type with asphalt-concrete layers the reinforced different synthetic materials is proved and developed Are given results of industrial approbation.

Key words: reinforced asphalt-concrete layers, synthetic materials, reinforced grids, stressed and deformed state, a limiting condition, durability, boundary state.