книги / Совершенствование метода вибродиагностики технического состояния элементов дорожных конструкций и кольцевых стендов

и т.д. Сползание происходит на косогорных участках из-за недостаточного сопротивления сдвигу основания насыпей или на оползневых участках. Причинами этих деформаций являются недоброкачественная подготовка основания (отсутствие уступов, недостаточное уплотнение), наличие в основании слабых грунтов, повышенное увлажнение и недоуплотнение нижних слоев насыпи.

Оползание откосов наблюдается при применении слабых грунтов, их переувлажнении и недоуплотнении, чаще всего изза отсутствия укреплений и интенсивного увлажнения атмосферными осадками или поверхностной водой.

Размывание и выдувание обочин и откосов происходит вследствие водной и ветровой эрозии, когда земляное полотно возведено из несвязных или слабосвязных грунтов при недостаточно эффективном укреплении откосов и обочин. Для обочин характерны деформации в виде колей и выбоин, возникающих от наезда автомобилей на неукрепленные обочины, особенно увлажненные и недостаточно уплотненные. К деформациям обочин относят образование обратного уклона, особенно там, где установлены парапеты, ограждения и сигнальные столбики, мешающие планировке обочин в процессе содержания. Деформации и разрушения водоотводных сооружений различны по характеру и причинам возникновения. Для водопропускных труб характерны раковины, выщелачивание раствора, вымывание грунта из тела насыпи, трещины, сдвиги звеньев, деформации оголовков, отделение оголовков от тела трубы, просадки, засорение.

Деформации и разрушения могут затрагивать не только покрытия, но и всю дорожную одежду в целом. К первым относят износ, шелушение, выкрашивание, выбоины, сдвиги, волны, гребенки и трещины покрытия (рис. 1.6), ко вторым – пучины, просадки, проломы, колеи и разрушение кромок дорожных одежд.

21

Сдвиги – неровности, вызванные смещением материала покрытия при устойчивом основании; чаще всего образуются в местах торможения автомобилей (остановки, перекрестки). Под действием касательных сил происходит сдвиг верхнего слоя либо его сдвиг по поверхности нижнего слоя с образованием поперечных трещин на полосах наката. Этому способствует повышенная пластичность верхнего слоя (избыток вяжущего или недостаточная теплоустойчивость при высокой температуре). Смещаемый колесом поверхностный слой образует складки и наплывы.

Волны и гребенки – неровности в виде поперечных гребней и впадин с пологими краями. Закономерно чередуясь вдоль покрытия, они формируются, как и сдвиги, в местах торможения автомобилей практически на всех типах покрытий, кроме цементобетонных. Основная причина волнообразования – излишняя пластичность материала, избыток вяжущего или низкая теплоустойчивость смеси, недостатки уплотнения, а также систематическое воздействие на покрытие автомобилей одинаковой массы при одинаковой скорости.

Трещины на дорожных покрытиях бывают различных размеров и форм. На асфальтобетонных и других покрытиях, построенных с применением органического вяжущего, трещины могут быть одиночные поперечные, продольные, косые и в виде сетки. Трещины поперечные сквозные на всю ширину покрытия (температурные) возникают осенью и в начале зимы вследствие резких перепадов температуры воздуха и недостаточной сопротивляемости температурным напряжениям. Они располагаются по проезжей части на определенном расстоянии друг от друга (5–10 м).

Продольные трещины, расположенные через 20–40 см друг от друга на полосах наката, в сочетании с поперечными трещинами через 1–4 м на всю ширину проезжей части бывают на покрытиях, содержащих органические вяжущие, построенных на непрочных основаниях из грунтов или каменных мате-

23

риалов, укрепленных минеральными вяжущими (цемент, известь, золы уноса).

Продольные трещины на асфальтобетонных покрытиях часто появляются на стыке двух полос укладки покрытия при плохом сопряжении. Продольные трещины на полосах наката образуются под интенсивным движением автомобилей из-за недостаточной прочности отдельных слоев одежды и грунтового основания (недоуплотнение, переувлажнение), превышения нагрузок и интенсивности движения по сравнению с расчетными. Сетка трещин с мелкими ячейками на полосах наката размером сторон 10–20 см бывает на покрытии, как правило, при недостаточной прочности основания на участках оттаивания переувлажненного грунта в весенний период и период пучинообразования. Главная причина большинства трещин – усталость дорожных одежд, их недостаточная прочность.

Трещины на цементобетонных покрытиях бывают поперечные сквозные, продольные и косые сквозные, поверхностные и волосные усадочные. Поперечные сквозные трещины образуются при больших расстояниях между швами и в тех случаях, когда произошло сцепление бетонных плит с основанием и они не могут перемещаться при температурных изменениях. Продольные сквозные трещины возникают при неоднородно уплотненном земляном полотне, когда края, уплотненные меньше, начинают давать осадку. Косые сквозные трещины появляются над пустотами, осадками земляного полотна и при недостаточно прочном покрытии. Наличие сквозных трещин в цементобетонных покрытиях обычно служит признаком недостаточной прочности и начала разрушения.

Разрушение стыков – обламывание кромок и выбивание заполняющей мастики. Основными причинами являются удары колес автомобилей, недоброкачественная цементобетонная смесь, неудовлетворительная нарезка и отделка швов.

Пучины – деформации и разрушения дорожной одежды в виде бугров и сетки трещин. Пучение (пучинообразование) –

24

неоднородные по площади проезжей части взбугривания дорожной одежды, обусловленные одновременным сочетанием трех факторов: интенсивным морозным влагонакоплением, при котором максимальная относительная влажность грунта в верхней части полотна Wmax > 0,75WT; промерзанием грунта под дорожной одеждой на глубину hпр > 0,5 м; наличием мелких пылеватых песков и супесей, пылеватых суглинков.

Просадки – впадины глубиной 50–100 мм и более с пологой поверхностью, но без выпучивания и образования трещин на прилегающих участках. Они возникают в местах пониженной прочности слоев одежды и грунта при увлажнении.

Проломы – разрушения одежды в виде более или менее длинных прорезей глубиной до 100 мм по полосам наката и выпучиваний сбоку проломов высотой 50–100 мм.

Колеи – деформации и разрушения дорожной одежды

ввиде небольших углублений по полосам наката. При интенсивном тяжелом движении колес колеи могут превратиться

впроломы. Колеи образуются при накоплении пластических деформаций в слоях дорожной одежды, а также усиленном износе верхнего слоя покрытия.

Разрушение кромок – отдельные трещины и сетки трещин вдоль кромок, откол, искажение поперечного профиля прикромочных полос. Разрушение кромок происходит вследствие пониженной прочности прикромочных полос проезжей части (заниженная толщина слоев одежды у кромок, повышенная влажность грунта основания под кромкой) и отсутствия укрепленных полос со стороны обочин. На износ дорожных покрытий наибольшее влияние оказывают движущиеся автомобили. Под нагрузкой шина деформируется, в зоне контакта с покрытием сжимается, а вне контакта расширяется (рис. 1.8).

Путь точки на шине в плоскости контакта I1 меньше, чем вне его, I, точка перемещается с ускорением, большим по сравнению с движением до входа в контакт с покрытием. В то же время угловая скорость в секторах практически одинакова, по-

25

этому точка проходит по покрытию путь определенной длины с проскальзыванием вместо одного качения. Под воздействием этих усиленных касательных напряжений в плоскости следа истираются покрытие и шины. Наибольшие касательные усилия и наибольший износ возникают при торможении автомобиля. Износ от грузовых автомобилей примерно в два раза больше в сравнении с легковыми. Чем больше прочность, тем меньше и равномернее износ покрытия по ширине.

Рис. 1.8. Схема истирания покрытия шиной: А – зона сжатия; Б – растяжения

На покрытиях из малопрочных материалов интенсивность износа значительно выше, чаще образуются колеи и выбоины. Средний износ по всей площади покрытия (мм) hср = Khн, где K – коэффициент неравномерности износа (в среднем K = = 0,6…0,7); hн – износ в полосе наката, мм.

Износ усовершенствованных дорожных покрытий измеряют в мм, а покрытий переходного типа – и по объему потери материала.

Особенности износа шероховатых покрытий проявляются в уменьшении высоты и шлифования неровностей микрошероховатости. Уменьшение микрошероховатости покрытий под

26

действием колес автомобилей происходит в два этапа. На первом этапе сразу после окончания строительства шероховатость покрытия уменьшается за счет погружения щебня в нижележащий слой покрытия. Размер этого погружения зависит от интенсивности и состава движения, крупности щебня и твердости покрытия, которую оценивают глубиной погружения иглы твердомера; асфальтобетонные покрытия могут быть: очень твердые – 0–2 мм, твердые – 2–5 мм, нормальные – 5–8 мм, мягкие – 8–12 мм, очень мягкие – 12–18 мм. Цементобетонные покрытия обладают абсолютной твердостью.

В качестве критерия предельного состояния покрытия по износу можно принять размер допустимого износа Ни для покрытий: асфальтобетонных – 10–20 мм; щебеночных (гравийных), обработанных органическими вяжущими, – 30–40 мм; щебеночных из прочного щебня – 40–50 мм; гравийных – 50– 60 мм.

Ежегодный износ цементобетонных и асфальтобетонных покрытий измеряют при помощи реперов, закладываемых в толщу покрытия и износомера. Для определения износа покрытий можно использовать различного рода электрические приборы для измерения толщины слоев в слоистых полупространствах. Например, в Германии используют электромагнитный прибор «стратотест», основанный на отражении электромагнитных волн.

1.4. Аналитические методы мониторинга и диагностики автомобильных дорог

Вопросы диагностики дорожной одежды с учетом динамического характера ее нагружения и деформирования достаточно широко обсуждаются в последнее время. Создание и теоретическое обоснование экспериментальных методов, позволяющих в реальных условиях изучать особенности волновых полей в дорожном полотне, возбуждаемых при движении

27

автомобиля, является актуальной задачей, не решенной до настоящего времени.

Согласно исследованиям, проведенным учеными из Ростовского ГСУ С.К. Илиополовым и М.Г. Селезневым, при движении транспортного средства в непосредственном месте контакта шины с дорожным покрытием генерируется волновое поле интенсивности до 0,1g в частотном диапазоне единиц от герц до килогерц. Динамический диапазон уровней интенсивности волнового поля существенно зависит от скорости движения, массы, типа шин, типа транспортного средства, от характера езды – маневр, поворот, торможение, а также от характеристик дорожного покрытия – ровность, выбоины и прочие дефекты [20].

Высокочастотные составляющие (единицы герц) практически сразу затухают в элементах дорожной конструкции, не доходя до грунтовой среды. В грунтовой среде в области контакта с дорожным полотном уровни интенсивности волнового поля составляют величины до 0,05g в диапазоне частот от единиц герц до 200–250 Гц, а на удалениях порядка 8–10 м и более от дорожного полотна присутствует практически только поверхностная волна Релея со спектром частот от единиц герц до

35–40 Гц.

На рис. 1.9–1.11 представлены результаты, полученные в РГСУ при обработке волнового поля в ближней зоне при проезде автомобиля «газель» со скоростью 60 км/ч. Даны соответственно амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) и функция спектральной плотности (энергетический спектр) этого сигнала, для сравнения представлен энергетический спектр сигнала отклика при проезде автомобиля «газель» со скоростью 60 км/ч в дальней зоне на расстоянии 14 м от асфальтобетонного покрытия.

Анализ этих фрагментов показывает, что энергетические характеристики имеют четко выраженный резонансный характер, при увеличении расстояния с 5 до 14 м амплитуда энерге-

28

тической характеристики падает примерно в 10 000 раз, а ширина спектра уменьшается, и сам спектр сдвигается в более низкочастотную область. Ширина спектра частот АЧХ (см. рис. 1.10) по уровню 0,1 нормированного сигнала составляет 40–45 Гц, в то время как в зоне контакта шины с дорожным покрытием она составляет 2,5 кГц.

Это означает, что значительная часть энергии возбуждаемого при движении автомобиля остается в элементах дорожной конструкции и расходуется на пластические деформации и разрушение дорожной одежды.

Основная идея предлагаемого метода диагностики автомобильных дорог состоит в использовании конструкции дороги в качестве информационного источника для определения характеристик ее слоев. Ударяя по дороге, мы вводим ее в режим свободных колебаний. Колебания, искусственно созданные в сплошном «теле» дороги, с течением времени затухают, упругая энергия колебаний рассеивается, превращаясь в тепловую энергию. С помощью пьезоэлектрических датчиков в момент удара с автомобильной дороги снимается соответствующая информация в виде частот, виброскоростей и виброускорений. Для преобразования полученной информации в показатели прочности автомобильной дороги (напряжения, модуль упругости и т.д.) по слоям необходимо иметь математическую модель объекта исследования, т.е. смоделировать структуры, представляющие собой, в частности, сыпучий материал, относящийся к сложным для изучения объектам. Теоретические исследования процессов генерации колебаний в дорожной конструкции осложнены необходимостью решения сложных краевых задач механики сплошной среды в пространственной постановке. На сегодняшний день учеными разработаны десятки динамических моделей конструкций автомобильных дорог.

30