Разработка теории вибрационного разрушения нежестких дорожных одежд и путей повышения их долговечности

Динамические силы в слоях возникают при ударных (импульсных) возмущениях и реализуются в процессе затухающих свободных колебаний. Они зависят от динамических параметров слоев. Величина максимальной амплитуды динамической силы является функцией высоты динамической неровности, соотношения неподрессоренной массы автомобиля и приведенной массы дорожной одежды, а также скорости движения автомобиля.

Для исследования процесса формирования динамических сил в слоях дорожных одежд при ударном возмущении были проведены расчеты уровней вибронагружений при различных вариантах сочетания толщин слоев пятислойной дорожной конструкции. Введение новых сочетаний толщин слоев дорожной одежды, меняющих жесткостные и инерционные параметры, изменяет также частотный состав, связанный с упругими связями между слоями. Использование различных соотношений частот упругого взаимодействия между слоями создает иную качественную и количественную картину вибронагруженности.

В работе было исследовано одиннадцать вариантов конструкций пятислойных дорожных одежд, которые характеризовались различными соотношениями частот (таблица 4). Эти частоты были образованы динамическими параметрами дорожных одежд, представлеными в таблице 5.

Для сравнительного анализа было рассмотрено четыре конструкции дорожных одежд на автомобильной дороге II технической категории М-13 (21 км, 41 км, 64 км и 81 км), которые моделировались как варианты 7, 8, 9 и 10 соответственно. Выбор вариантов конструкций дорожных одежд обусловлен результатами мониторинга, проведенного в течении 12 лет на данной дороге. Мониторинг позволил получить статистические данные по структуре и динамике роста интенсивности движения в этот период, возрастанию в транспортных потоках числа многоосных автопоездов, оценить темпы и объемы разрушения дорожных покрытий, а также сопоставить их с объемами и видами ремонтных работ. Особенностью дороги М-13 является наличие большого разнообразия конструкций дорожных одежд на всем ее протяжении, что обеспечило возможность создания объективной картины их работоспособности. Оценка осуществлялась по уровню динамических сил.

Таблица 4 – Спектр собственных круговых частот слоев дорожных одежд

№ варианта	Круговые частоты, рад/с
1	265	214	205	296	126	202	238	101	99	142	73	90
2	265	214	229	313	126	202	238	101	99	142	73	90
3	265	214	214	302	126	216	250	101	99	142	73	90
4	265	214	204	296	126	183	222	101	113	152	70	88
5	265	214	204	296	126	192	229	101	108	148	70	88
6	265	214	247	327	126	199	235	101	80	129	86	101
7	265	214	242	323	126	162	205	101	80	129	95	109
8	265	214	140	256	126	268	296	101	107	147	92	106
9	265	214	202	294	126	207	243	101	107	147	92	106
10	265	214	168	272	126	249	279	101	127	162	69	87
11	265	214	229	313	126	215	249	101	88	134	77	94

Таблица 5 – Динамические параметры слоев дорожной одежды

№ варианта	Параметры
	Толщина слоя, м					Масса, кН*с2/м					Жесткость, кН/м*103
1	0,04	0,07	0,09	0,16	0,30	1,82	3,06	3,42	5,47	10,54	128	140	54	56,0	30
2	0,05	0,07	0,09	0,16	0,30	2,28	3,06	3,42	5,47	10,54	160	140	54	56,0	30
3	0,05	0,08	0,09	0,16	0,30	2,28	3,50	3,42	5,47	10,54	160	160	54	56,0	30
4	0,06	0,09	0,11	0,18	0,30	2,73	3,93	4,18	6,15	10,54	192	180	66	63,0	30
5	0,07	0,10	0,12	0,19	0,30	3,19	4,37	4,56	6,50	10,54	224	200	72	66,0	30
6	0,07	0,09	0,11	0,18	0,30	3,19	3,93	4,18	6,15	10,54	224	180	66	63,0	30
7	0,04	0,05	0,10	0,27	0,30	1,82	2,18	3,80	9,23	10,54	128	100	60	94,5	30
8	0,04	0,15	0,11	0,17	0,20	1,82	6,55	4,18	5,81	7,03	128	300	66	59,5	20
9	0,05	0,09	0,11	0,17	0,20	2,28	3,93	4,18	5,81	7,03	160	180	66	59,5	20
10	0,05	0,13	0,11	0,12	0,25	2,28	5,68	4,18	4,10	8,79	160	260	66	42,0	25
11	0,05	0,07	0,08	0,18	0,30	2,28	3,06	3,04	6,15	10,54	160	140	48	63,0	30

Следует отметить, что мониторинг не выявил прямой связи между интенсивностью движения и частотностью возникновения характерных разрушений покрытия в виде трещинообразования и ямочности. Наиболее повреждаемые участки дороги, так называемые «слабые» участки, характеризуются как большой, так и относительно малой интенсивностью движения. В тоже время значения расчетных прочностных показателей конструкций дорожных одежд на этих участках выше требуемых.

В сравнительный анализ была также включена конструкция, сформированная на принципе динамического рационального соотношения частот упругой связи смежных слоев, представленная в таблице 5 под номером 11. При расчетах возбуждение колебаний моделировалось воздействием двухосного грузового автомобиля движущегося со скоростью 90 км/ч по шероховатости с амплитудой 0,01 м. Материалы расчетов по средним динамическим силам в слоях, анализируемых конструкций дорожных одежд, представлены в виде гистограмм (рис. 8…10).

Расчетные гистограммы динамических сил в слоях дорожных одежд для исследуемых сочетаний толщин слоев хорошо иллюстрируют недостатки метода упрочнения дорожных одежд за счет простого повышения толщин слоев, без учета их соотношения. Рациональный подбор соотношений толщин слоев предполагает не только снижение уровня динамических сил, но и возможного уменьшения общих толщин дорожных одежд. Вариант № 11 с таким соотношением частот смежных слоев характеризуется пониженных уровнем динамических сил в дорожной одежде в 2,5 раза и в слое асфальтобетонного покрытия в 4 раза.

Анализ гистограмм выявил также, что на «слабых» участках автомобильной дороги М-13 наблюдается повышенный уровень динамических сил в слоях. Отсюда прослеживается связь между высоким уровнем динамических сил в слоях и ускоренным преждевременным разрушением дорожных одежд на этих участках.

Рис. 8. Гистограмма расчетных средних динамических сил

в слое плотного асфальтобетона

Рис. 9. Гистограмма расчетных средних динамических сил

в двухслойном основании из щебня

Рис. 10. Гистограмма расчетных средних динамических сил в дорожной одежде

Для подтверждения этого вывода были проведены расчеты динамических сил в слоях для большинства эксплуатационных участков автомобильной дороги М-13. Исследование проводилось на основе сравнения транспортно-эксплуатационных и динамических параметров участков дороги с наибольшим повреждением покрытия и смежных участков. В анализ были также включены участки, на которых была проведена реконструкция. Было установлено, что для наиболее повреждаемых участков характерен очень высокий уровень динамических сил в слоях. Увеличение толщин покрытий на отдельных участках при их реконструкции не только не снизило, а наоборот повысило уровень динамических сил.

Динамические показатели 11-го конструкционного варианта, по сравнению со всеми исследуемыми конструкциями, являются более предпочтительными. Дорожные конструкции, спроектированные на принципах варианта № 11, позволяют не только снизить уровень вибрационного нагружения, но и достичь экономического эффекта, за счет снижения общей толщины покрытия. Сравнительные ценовые показатели для исследуемых вариантов представлены в таблице 6 (в ценах 2006 г.).

Таблица 6 – Ценовые показатели расчетных вариантов