Общий характер изменения прочности дорожных одежд в процессе эксплуатации

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

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

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

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

Рис. 7.1. Изменение прогиба дорожной одежды с асфальтобетонным покры­тием в весенний период по мере оттаивания грунта земляного полотна (данные Р.С. Нордала, Норвегия).

Стрелками показаны дождливые и сухие периоды (Z — глубина оттаивания, м; L — прогиб, мм)

В этих условиях в качестве обобщённого критерия прочности нежёстких конструкций используют величину прогиба под нагрузкой или рассчитываемый по его величине эквивалентный модуль упругости. Дорожные одежды считаются прочными, если обеспечивается коэффициент прочности ³ 1 в пределах межремонтного срока службы (где Е_Ф и Е_ТР соответственно фактический и требуемый модули упругости).

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

, МПа, (7.1)

, МПа, где (7.2)

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

w^О — коэффициент, учитывающий влияние погодно-климатических факторов на агрессивность воздействия расчётных автомобилей;

N₁ — интенсивность движения расчётных нагрузок на полосу в первый год эксплуатации, авт/сут. Состав движения приводят к расчётному двухосному автомобилю с осевой нагрузкой на заднюю ось 100 кН (удельное давление в плоскости контакта колеса с покрытием — 0,6 МПа) с учётом типа дорожной одежды;

К_ПР — коэффициент относительной прочности дорожной одежды, принимаемый в зависимости от типа дорожной одежды и категории дороги;

К_РЕГ — региональный коэффициент, зависящий от дорожно-климатической зоны;

К_Z — коэффициент, зависящий от фактической интенсивности движения;

К_СИ — коэффициент, учитывающий сопротивление конструктивных слоёв сдвигу и растяжению при изгибе;

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

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

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

Е_Ф = 0,36 , МПа, где (7.3)

Q_К — вертикальная нагрузка, кН;

— прогиб, см.

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

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

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

Рис. 7.3. Закономерности изменения обратимого прогиба дорожной конструкции с асфальтобетонным покрытием в весенний период времени на дорогах Московской области под воздействием погодно-климатических факторов

1, 2, 3 — закономерности для разных контрольных точек

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

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

, МПа, где (7.4)

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

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

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

Е_Ф = h×(Е_Р- Е_min)+ Е_min, МПа. (7.5)

Значения коэффициента h приведены в табл. 7.1.

Таблица 7.1

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

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

В соответствии с [107]

, где(7.6)

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

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

. (7.7)

7.2. Динамика изменения ровности дорожных покрытий в зависимости
от начальной ровности и грузонапряжённости

Ровность дорожных покрытий в соответствии с Техническими правилами ремонта и содержания дорог [95] рассматривается как один из основных транспортно-эксплуатационных показателей, определяющих технический уровень и эксплуатационное состояние автомобильных дорог, непосредственно влияющий на эффективность перевозок грузов и пассажиров, удобство и безопасность дорожного движения.

Имеются два основных фактора, определяющих ровность дорожного покрытия и динамику её изменения в процессе эксплуатации:

технология производства работ (с учётом качества производства работ и используемых материалов) при строительстве и ремонте дорожной одежды и земляного полотна, определяющие начальную ровность дорожного покрытия;

воздействие движения и погодно-климатических факторов, вызывающих естественные процессы образования микротрещин и накопления остаточных деформаций в слоях дорожной одежды, проявляющихся в конечном итоге развитием сквозных трещин на дорожном покрытии (см. рис. 7.4), образованием просадок и колеи по мере снижения несущей способности дорожных конструкций и достижения предельного состояния дорожной одежды.

Комплексное влияние этих факторов на ровность дорожного покрытия может учитываться эмпирическими зависимостями от прочности дорожных конструкций типа [6]:

, где (7.8)

S_t и S₀ — прогнозируемое и начальное (после сдачи дороги в эксплуатацию) значения ровности дорожного покрытия по толчкомеру, см/км;

a, b, c, d — эмпирические коэффициенты для дорожных одежд капитального типа: a = 0,02; b = 0,7; c = 6,7×10⁹; d = –5,65;

n — количество расчётных дней в году, n = 365 дн.

N₁ — интенсивность движения в первый год службы, приведённая к расчётной нагрузке;

q — показатель роста интенсивности движения во времени t;

E_min — минимальный модуль упругости с заданной надёжностью при односторонней доверительной вероятности, МПа:

, где (7.9)

— математическое ожидание модуля упругости;

— нормированное отклонение;

— среднеквадратическое отклонение модуля упругости.

Имеется также решение, прогнозирующее состояние покрытия по ровности в зависимости от изменения грузонапряжённости на автомобильной дороге (Слободчиков Ю.В. Обоснование оценочных показателей выбора ремонтной стратегии автомобильных дорог с дорожными одеждами нежесткого типа в изменяющихся условиях эксплуатации. — М.: Информавтодор, 1994. — 189 с):

, где (7.10)

a — эмпирический параметр, учитывающий региональные условия работы дороги (Северный Казахстан). Для средних условий a = 23,5;

b — параметр, характеризующий начальную ровность асфальтобетонного покрытия по толчкомеру после проведения дорожных работ (b = 90 см/км);

Q_t — грузонапряжённость в млн. брутто тонн за t лет эксплуатации дороги:

Q_t = 365 , где (7.11)

N_t — среднегодовая суточная интенсивность движения в t-ом году, авт./сут;

Q_i — масса каждого из i-тых порожних автомобилей, т;

Г_i — номинальная грузоподъемность i-того автомобиля, т;

g, l — коэффициенты использования пробега и грузоподъемности автомобилей соответственно;

v — количество типов автомобилей в составе транспортного потока;

p_i — доля i-того автомобиля в составе транспортного потока.

Начальная ровность покрытий в приведённых зависимостях непосредственно связана с используемой технологией и качеством проведённых работ.

Более устойчивые корреляции имеют место, если динамику изменения ровности оценивать по развивающимся в покрытии остаточным деформациям и трещинам. Однако не все эти дефекты оказывают существенное влияние на состояние покрытия по ровности (рис. 7.5). Наиболее интенсивно изменение ровности покрытия происходит в местах образования сетки трещин, характеризующихся минимальными показателями прочности дорожной конструкции, где интенсивно протекают процессы повреждения кромок трещин, взаимного смещения и просадки частей покрытия при переходе системы в запредельное состояние.

Показательно, что ямочным ремонтом, проводимом, как правило, в местах развития сетки трещин, только частично удается улучшить состояние покрытия по ровности. Развивающиеся в покрытии сквозные поперечные и косые трещины не сказываются на динамике изменения ровности покрытия (корреляции отсутствуют). Определённое влияние замечено только с начала появления частых поперечных трещин при несвоевременном их содержании (трещины открытые с рваными кромками).

В этих условиях для прогнозирования ровности покрытия по развивающейся во времени сетки трещин используется решение, полученное в результате совместного рассмотрения известной зависимости скорости движения транспортного потока от ровности асфальтобетонного покрытия, определённой в результате обобщения данных МАДИ (ГТУ) и Гипродорнии, и зависимости скорости движения от степени деформирования покрытия (Золотарь И.А., Некрасов В.К. и др. Повышение надёжности автомобильных дорог. / Под ред. И.А. Золотаря. — М.: Транспорт, 1977. — 183 с.):

, где (7.12)

d_i — показатель ровности покрытия по толчкомеру, см/км;

m, a — эмпирические параметры, учитывающие влияние начальной ровности покрытия на скорость движения транспортного потока (m = 86,14 и a = 0,0125);

h, b — эмпирические коэффициенты, влияющие соответственно на скорость движения и динамику изменения ровности покрытия в зависимости от вероятности повреждения покрытия r _ik (h = 0,123; b = 0,045).

Рис. 7.5. Влияние различных дефектов на изменение показателя ровности асфальтобетонного покрытия (данные
обследования 25-км участка дороги Москва — Ярославль; оценка ровности выполнена с помощью автомобильной
установки ПКРС-2): 1 — сетка трещин; 2 — сетка трещин, отремонтированная ямочным ремонтом; 3 — волна
с шагом 0,9—1,5 м вдоль дороги; 4 — просадки в разных местах покрытия

Вероятность повреждения покрытия r_ik в любой рассматриваемый год определяют с использованием распределений фактических обратимых прогибов нежёстких дорожных одежд, полученных по результатам полевых испытаний нагрузкой и представленных (рис.7.6) в виде кумулятивных кривых прогибов (Апестин В.К. Оптимизационная модель для обоснования требований к прочности нежёстких дорожных одежд и норм межремонтных сроков их службы. — тр. Гипродорнии, вып. 46. — М.: 1985. — С. 57 — 73):

r_ik= f(Х_ik), где (7.13)

Х_ik — соотношение среднего и расчётного модуля упругости, обеспечивающего работоспособность дорожной одежды на рассматриваемый момент времени:

. (7.14)

Ежегодные расчётные модули упругости определяют по формуле (7.1) при подстановке последовательно t=1;2;3;… Т_О лет и окончательно искомые вероятности находят по кривой накопления (см. рис. 7.6).

Рис. 7.6. Схема определения ежегодной вероятности повреждения покрытия r_ik;

1— кривая распределения прогибов; 2 — кривая накопления;l_ik и E_ik — значения прогибов и рассчитанных по их величине модулей упругости соответственно; l_ik и Е_СРk — соответственно среднеарифметические значения прогиба и модуля упругости дорожной конструкции; s — среднеквадратическое отклонение прогибов в распределении

Общий вид получаемой закономерности представлен на рис. 7.4 кривой вероятности повреждения покрытия сеткой трещин.

Для технико-экономических расчётов и предварительных оценок динамики изменения ровности при отсутствии результатов диагностики используют обобщённую кривую распределения прогибов, установленную по данным многолетних наблюдений за нежёсткими дорожными одеждами разных конструкций и фактических сроков службы. Параметры этого распределения [107] приведены в табл. 7.2.

По полученным значениям r_ik определяют соответствующее им состояние дорожного покрытия по ровности d_i по формуле (7.12) или по табл. 7.3.

Таблица 7.2

rik	0,490	0,365	0,255	0,180	0,140	0,100	0,075	0,055	0,040
Хik	1,05	1,10	1,15	1,20	1,25	1,30	1,35	1,40	1,45

Примечание. Промежуточные значения определяют по интерполяции.

Таблица 7.3

rik	0,45	0,40	0,35	0,30	0,25	0,20	0,15	0,10	0,05
di, см/км

Примечания: 1. Показатель ровности покрытия соответствует показаниям толчкомера ТХК-2, установленного на автомобиле УАЗ-452. При использовании других марок автомобилей требуется предварительная тарировка прибора. Промежуточные значения находят по интерполяции. 2. В случае если диагностика автомобильной дороги выполнена с помощью автомобильной установки типа ПКРС-2, соответствующее значение по ТХК определяют:
d_ТХК = ; см/км.