Проектування тонкошарових емульсійно-мінеральних покриттів дорожніх одягів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Національний транспортний університет

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

проектування тонкошарових емульсійно-мінеральних покриттів дорожніх одягів

Островерхий О.Г.

Спеціальність 05.22.11 - Автомобільні шляхи та аеродроми

Київ-2002

Анотація

Островерхий О.Г. Проектування тонкошарових емульсійно-мінеральних покриттів дорожніх одягів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.22.11 - автомобільні шляхи та аеродроми. - Національний транспортний університет, Київ, 2002.

Дисертація присвячена розробці методу проектування тонкошарових дорожніх покриттів з литої емульсійно-мінеральної суміші (ТЕМП). Встановлено характеристики напружено-деформованого стану тонкошарових покриттів. Запропоновано метод розрахунку ТЕМП нежорсткого одягу автомобільних доріг за двома критеріями: міцності на зсув і вирівнювання основи. Отримано теоретичне рішення про вплив нерівностей верхньої і нижньої поверхонь покриття на його товщину. Експериментально визначено основні фізико-механічні і розрахункові показників матеріалу з литої емульсійно-мінеральної суміші та експлуатаційні якості ТЕМП. Встановлено область раціонального використання ТЕМП за міцністю, рівністю і економічною ефективністю та оцінено термін його служби у вітчизняних умовах. Розроблено і впроваджено метод проектування ТЕМП.

Ключові слова: тонкошарове покриття, лита емульсійно-мінеральна суміш, напружено-деформований стан, міцність, нерівність, розрахункові показники, область використання, метод проектування.

Summary

Ostroverkhyy O.G. Designing of slurry seal layers of pavements. - Manuscript.

The dissertation aimed to achieve the degree of candidate of science in speciality 05.22.11 - highways and airfields. - National Transport University, Kiev, 2002.

The dissertation work is dedicated to the development of a method designing of slurry seal layers (SSL) of pavements. The characteristics tight-strained state of thin layer are established. The computational method of SSL flexible pavement of highways behind criteria of shear strength and equalization of the basis is offered. The theoretical solution on effect of inequalities of top and bottom surfaces of SSL on his width is obtained. The main physical, mechanical and computational parameters of a slurry seal and service performance of SSL are determined experimentally. The area of rational usage of SSL on strength is established, irregularities and economic efficiencies and term of his service in domestic conditions rated. The design technique of SSL is designed for practical usage.

Keywords: thin layer, slurry seal, tight-strained state, strength, irregularity, computational parameters, area of usage, design technique.

Аннотация

Островерхий О.Г. Проектирование тонкослойных эмульсионно-минеральных покрытий дорожных одежд. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.22.11 - автомобильные дороги и аэродромы. - Национальный транспортный университет, Киев, 2002.

Диссертация посвящена разработке метода проектирования тонкослойных дорожных покрытий из литой эмульсионно-минеральной смеси (ТЭМП), как технической основы для совершенствования инженерных решений при проектировании слоев износа, выравнивающих и защитных слоев нежесткой одежды автомобильных дорог.

Установлены характеристики напряженно-деформированного состояния тонкослойных покрытий на основании численного моделирования точного решения теории упругости. Полученные характеристики свидетельствуют, что тонкослойными надлежит считать покрытие, в котором способность распределять вертикальное нормальное напряжение не превышает 2 % от давления на поверхности. Установлены наиболее напряженные зоны его контакта с нижним слоем, возможность отслаивания от основания и влияние условий сцепление с ней. Обоснованы необходимость проверки деформативности основания и расчетный параметр (максимальное касательное напряжение).

Предложен метод расчета ТЭМП нежесткой одежды автомобильных дорог за двумя критериями: прочности на сдвиг и выравнивания основания. Для реализации этого метода:

- усовершенствован метод расчета общего модуля упругости конструкции дорожной одежды с учетом суммарного количества нагрузок и точного решения теории упругости, что позволяет повысить точность расчетов для тонкослойных покрытий на 14 %;

- разработан метод определения расчетного параметра, который учитывает толщину покрытия и два расчетных случая: при отсутствии сцепления с основанием (этап уплотнения) и обеспеченное сцепление (на стадии доуплотнение и эксплуатации) с рекомендацией показателей предела прочности на сдвиг для каждого из них. Предлагается в первом расчетном случае значения прочности принимать не менее 0,8 от интенсивности действия нагрузки, а во втором - не менее 1,0;

- получено теоретическое и полуэмпирическое решения о влиянии неровности основания и поверхности покрытия на его толщину.

Метод состоит в следующему: 1) проверка деформативности основания на соответствие уровню приложенной нагрузки; 2) последовательное определение толщины из расчетов на прочность при сдвиге и выравнивание основания до оптимального уровня (прямая задача) или расчет необходимой прочности на сдвиг при заданной толщине (обратная задача). В работе приводится четкая последовательность действий по расчету ТЭМП, представленная в виде формул и номограмм.

Экспериментально определены основные физико-механические показатели и расчетные значения прочности на изгиб, кратковременного модуля упругости, показателя динамической усталости материала из литой эмульсионно-минеральной смеси, которые свидетельствуют о принадлежности эмульсионно-минерального материала к асфальтобетону. Во время этих исследований впервые внедрена в Украине методика оценки пригодности каменного материала к применению в составе литой эмульсионно-минеральной смеси по показателю адсорбции метилена синего. Исследованиями эксплуатационных качеств в натуре доказано, что использование ТЭМП повышает распределительную способность существующего покрытия благодаря восстановлению его сплошности и укреплению поверхности, общий модуль упругости конструкции дорожной одежды до 9%, ровность и сцепные качества.

Установлена область использования ТЭМП по коэффициенту запаса прочности, неровности основания и экономической эффективностью в условиях Украины. Определено, что минимальный коэффициент запаса прочности по общему модулю упругости основания ТЭМП составляет 0,9 для капитальной дорожной одежды и 0,85 - для облегченной. В работе приведена допустимая неровность основания. Экономически эффективным признано применение ТЭМП для повышения сцепных качеств дорог I-II категорий во всех дорожно-климатических зонах Украины. Установлено, что срок его службы в отечественных условиях составляет на дорогах І-ІІ категорий 3-5 лет, а IV категории - 2-3 года.

На основании обобщения результатов теоретических и экспериментальных исследований разработан метод рационального проектирования ТЭМП, который дает возможность научно обоснованно определять толщину покрытия или необходимую прочность материала, как исходные данные для лабораторного подбора состава литой эмульсионно-минеральной смеси. Использование этого метода в практике проектирования позволяет уменьшить трудоемкость, учесть особенности конструкции дорожной одежды, нагрузки и материала. Метод и результаты диссертационной работы внедрены при разработке нормативной базы дорожного хозяйства и при ремонте участков магистральных и местной дорог Украины.

Ключевые слова: тонкослойное покрытие, литая эмульсионно-минеральная смесь, напряженно-деформированное состояние, прочность, неровность, расчетные показатели, область использования, метод проектирования.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. В даний час питання проектування тонкошарових дорожніх покриттів з литої емульсійно-мінеральної суміші (ТЕМП) вирішується, переважно, методами лабораторного моделювання властивостей матеріалу. Однак із їхньою допомогою важко врахувати такі параметри дорожнього одягу, як міцність та нерівність його поверхні. Відсутність науково обгрунтованих методів проектування ТЕМП, що могли б забезпечити цілеспрямований розрахунок цих та інших параметрів, підкреслює доцільність даного дослідження, особливо в умовах стрімкого погіршення стану доріг України із-за несвоєчасних ремонтних заходів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основою для підготовки дисертації є науково-дослідні роботи “Розробити регламент на влаштування тонкошарових дорожніх покриттів з емульсійно-мінеральних сумішей” (№ 0100U003714) та “Розробити технічні умови на емульсійно-мінеральні суміші для влаштування тонкошарових захисних килимків на основі бітумних емульсій” (№ 0102U000275), які виконувалися кафедрою будівництва та експлуатації доріг Національного транспортного університету згідно тематичного плану Управління науково-технічної політики державної служби автомобільних доріг України. В них здобувачем обгрунтовано нормативні показники властивостей ТЕМП та апробовано методики випробування емульсійно-мінеральних сумішей.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розробка методу проектування тонкошарових дорожніх покриттів з литої емульсійно-мінеральної суміші, як технічної основи для вдосконалення інженерних рішень при проектуванні шарів зносу, вирівнюючих і захисних шарів нежорсткого одягу автомобільних доріг.

Для досягнення мети досліджень поставлено задачі:

- розробити метод розрахунку ТЕМП із умов міцності та забезпечення рівності поверхні дорожнього одягу;

- визначити основні фізико-механічні і розрахункові показники емульсійно-мінерального матеріалу тонкошарового покриття та його експлуатаційні якості;

- встановити область раціонального використання ТЕМП та здійснити їх техніко-економічне обгрунтування;

- розробити метод проектування ТЕМП.

Об'єктом дослідження є напружено-деформований стан тонкошарового емульсійно-мінерального покриття дорожніх одягів під дією автомобільного навантаження та з урахуванням стану основи і погодно-кліматичних умов.

Предмет дослідження - тонкошарове дорожнє покриття з литої емульсійно-мінеральної суміші .

Методи дослідження. Критерії розрахунку товщини вивчалися методами теорії пружності шаруватого середовища і наближеними методами розв'язування задач експлуатації автомобільних доріг. Методами теорії ймовірності розв'язувалася задача по встановленню аналітичної залежності між товщиною ТЕМП і нерівністю основи. Експериментальними методами вимірювання у лабораторних умовах і на ділянках автомобільних доріг перевірялася достовірність теоретичних рішень, з'ясовувалися питання про розрахункові і експлуатаційні показники ТЕМП. Дослідження економічної ефективності використання ТЕМП виконувалося на основі методів фінансового менеджменту.

Наукова новизна одержаних результатів. Отримано нові якісні характеристики напружено-деформованого стану тонкошарових дорожніх покриттів на підставі чисельного моделювання.

Запропоновано метод розрахунку тонкошарового покриття з литої емульсійно-мінеральної суміші за міцністю і рівністю.

Отримано теоретичне рішення про зв'язок товщини тонкошарового покриття з нерівністю його основи і поверхні на підставі розв'язування задачі методами теорії ймовірності.

Визначено нові експериментальні дані про міцність на згин, модуль пружності, коефіцієнт динамічної втоми матеріалу із литої емульсійно-мінеральної суміші з використанням нетрадиційних і звичайних експериментально-розрахункових способів.

Розроблено метод проектування ТЕМП нежорстких одягів автомобільних доріг.

Практичне значення одержаних результатів. Запропонований метод проектування дозволив сконструювати і розрахувати ТЕМП при ремонті ділянок автомобільних доріг Київ - Одеса (1997 р.), Ростов - Одеса (1997 р.) і Київ - Боярка (2001 р.).

Отримані результати покладені в основу технічних вимог нормативних документів: “Технологічний регламент на влаштування тонкошарових дорожніх покриттів з емульсійно-мінеральних сумішей” (2000-2001 рр.) і проект технічних умов “Суміші литі емульсійно-мінеральні та холодні асфальтобетонні” (2002 р.), що розроблялися на замовлення Державної служби автомобільних доріг України.

Розроблений метод рекомендується для впровадження при ремонті автомобільних доріг.

Особистий внесок здобувача. За матеріалами дисертації опубліковано 5 робіт, одна з яких одноосібна [5]. В [1] автором розроблено новий гідродинамічний метод виробництва в'яжучого для емульсійно-мінеральних сумішей, на підставі сучасного методу цифрово-аналогового перетворення і аналізу швидкозмінних зображень запропоновано методику вимірювання дисперсності бітумних емульсій та встановлені вид і параметри функції розподілу дисперсності емульсії. У [2] здобувачем запропоновано ідею та критерій визначення економічної ефективності, на підставі яких встановлено область застосування ТЕМП. Вклад у [3] полягає у вимірюванні довготривалої міцності матеріалу ТЕМП під дією зростаючого зі сталою швидкістю навантаження, які дозволили підібрати параметри функції довговічності і визначити показник динамічної втоми. У роботі [4] здобувачем проведено чисельне моделювання, на підставі якого виконано аналіз напружень, вертикальних переміщень, радіусу зони контакту, які дозволили обгрунтувати вимоги до розрахунку тонкошарового покриття.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертації доповідались, обговорювались та були схвалені на науково-технічних та науково-практичних конференціях: “Шляхи підвищення ефективності дорожнього господарства України в нових умовах господарювання” (м. Київ, 1994 р.); “Сучасні методи підвищення транспортно-експлуатаційного стану автомобільних доріг влаштуванням тонкошарових захисних покриттів” (м. Чернігів, 1997 р.), “Проблеми приготування та використання бітумних емульсій для будівництва, ремонту і утримання автомобільних доріг” (м. Одеса, 1997 р.); міжнародних наукових конференціях: “Автомобильный транспорт и дорожное хозяйство на рубеже 3-го тысячелетия” (м. Харків, 2000 р.); “Прогресивні технології і енергозбереження в дорожньому будівництві” (Київ, 2001 р.); а також на 49-53 і 56-ій наукових конференціях професорсько-викладацького складу Національного транспортного університету у 1993-1997, 2000 роках.

2. Основний зміст роботи

У вступі викладено основні передумови, що обгрунтовують актуальність роботи. Сформульовано мету, задачі досліджень, наукову новизну і їх практичне значення. Представлено анотований зміст розділів роботи.

В першому розділі розглянуто тонкошарові дорожні покриття, які використовують для профілактики і ремонту автомобільних доріг, та проаналізовано світовий і вітчизняний досвід їх проектування.

Останні 40 років стратегія технічної політики в області ремонтів автомобільних доріг полягає у попередженні руйнувань дорожніх одягів. Такі профілактичні заходи все частіше здійснюються шляхом влаштування тонкошарових покриттів із монолітних матеріалів, які розвивалися поступово у напрямку зменшення товщини: тонкі (35-50 мм); особливо тонкі (20-35 мм); надтонкі (менше 20 мм). З точки зору дорожньо-будівельного матеріалу застосування особливо тонких і надтонких покриттів пов'язано з литими емульсійно-мінеральними сумішами. Становлення ТЕМП відбулося завдяки роботам таких вітчизняних і зарубіжних дослідників, як О.П. Архіпова, М. Аудеон, С.Ф. Балашов, О.В. Бернштейн, В.І. Братчун, Й. Броссауд, Б. Бруле, М. Вів'єр, Р. Вітлінгер, П. Гебель, Ф.П. Гончаренко, А.А. Горнаєв, П. Дюпонт, С.В. Єгоров, Г.М. Ільяшов, Е.О. Казарновська, Л.Ф. Кириченко, А. Кларак, М.Г. Кононов, Л.Я. Кремнев, М.І. Кучма, В.В. Назаров, М.Ф. Нікішина, Г. Оле, Р. Петерс, І.А. Плотникова, С.О. Попченко, І.І. Раб, М. Раденберг, Н.В. Редьков, Ф. Рашиг, Е.М. Рвачева, П.А. Ребіндер, С.І. Романов, Р. Спілмаекер, Л.Ф. Ступакова, К. Такамура, Х. Хартрідж, Д. Шміт та ін.

На сьогоднішній день розроблено методику проектування тонкошарових емульсійно-мінеральних покриттів на основі методів лабораторного моделювання, яка дозволяє визначити оптимальний склад суміші. Визначення товщини ТЕМП методами лабораторного моделювання обумовлено максимальним розміром кам'яного матеріалу. Дані методи проектування не дозволяють враховувати величину навантаження, жорсткість та рівність основи, тощо. Провідна роль у їх розробці і поширенні належить Міжнародній асоціації будівельників шламових покриттів (ISSA). Вагомий внесок зроблено також німецькою Асоціацією контролю якості холодних сумішей, Центральною лабораторією доріг і мостів Франції та іншими. Вітчизняні методи розроблялися у 1970 ? 1980-х рр. співробітниками Держшляхів.

Структура і властивості ТЕМП можуть бути враховані на підставі незалежних один від одного критеріїв та моделей розрахунку традиційних покриттів, що враховують їх механічну поведінку під дією навантаження, і поверхневих обробок, які враховують їх транспортно-експлуатаційний стан. Розробці та становленню цих моделей присвячено значну кількість робіт: Ю.А. Агалікова, В.Ф. Ажмегова, Е. Барбера, Д. Бурмістера, Й. Вейцмана, Д. Дандерса, В.О. Золотарьова, М.М. Іванова, С.С. Кизими, Л. Кіра, Б.М. Когана, А. Коккаліса, М.Б. Корсунського, В.Д. Ламзюка, С.І. Міховича, А.Г. Наумова, В.С. Никишина, В.М. Ольховикова, В.Д. Охрименко, В.І. Петришина, А.К. Приварнікова, Б.С. Радовського, Р.М. Раппопорт, В.М. Сіденко, П.І. Теляєва, А.С. Терехова, В.В. Харіна, І.М. Христолюбова, К. Цзая, Г.С. Шапіро та інших. Однак, у літературі не наведено науково обгрунтованих підходів до зведення цих або подібних критеріїв і моделей у єдину методику проектування ТЕМП. В той же час, відмінні закономірності поведінки тонкошарових і традиційних покриттів потребують подальшого уточнення та розвитку для створення теоретичного методу проектування ТЕМП нежорстких дорожніх одягів.

В результаті проведеного огляду стану справ сформульовано мету і задачі, реалізація яких дозволить розв'язати завдання, що мають важливе наукове і практичне значення.

Другий розділ присвячено розробці методу розрахунку ТЕМП за критеріями міцності і рівності.

ТЕМП розглядається як відновлення та зміцнення поверхні існуючих покриттів дорожніх одягів з метою запобігання водопроникненню та поліпшення транспортно-експлуатаційних властивостей. Такі покриття складаються з композиту, який формується при відповідних технологічних операціях змішування, розподілу, самоущільнення, ущільнення і доущільнення литої емульсійно-мінеральної суміші. Склад і технологія інтегрально визначають макроскопічні властивості матеріалу ТЕМП.

Розробці методу розрахунку передувало дослідження напружено-деформованого стану тонкошарових покриттів автомобільних доріг, які дозволили уточнити критерії розрахунку та визначити місця концентрації і величини розрахункових напружень. Виконано його з використанням програми LESY_NDS. За модель прийнята двошарова система, для якої проведені дослідження впливу відношення модулів шару та основи, умов взаємодії на контактній поверхні, відносної товщини покриття h/D під дією розрахункового навантаження групи А на підставі точного розв'язку теорії пружності для багатошарового напівпростору, отриманого проф. А.К. Приварніковим.

В результаті отримано нові якісні характеристики напружено-деформованого стану тонкошарового покриття автомобільних доріг. Вони свідчать, що тонкошаровими слід вважати покриття, у яких здатність розподіляти вертикальне нормальне напруження не перевищує 2 % від тиску по поверхні.

Встановлено також, що у межах площадки прикладання навантаження найбільш напруженою зоною є поверхня контакту шарів. Радіус зони контакту ТЕМП в найбільш небезпечному випадку (при просковзуванні) коливається в межах 12 розмірів площадки дії навантаження, а для традиційних покриттів він завжди більше 2. Умови зчеплення шарів мають значний вплив при жорстких або напівжорстких типах дорожніх одягів, і майже не впливають - при нежорстких. Розмір області контакту при відсутності просковзування з жорсткою основою більший, ніж при різних умовах контакту з нежорсткою.

Оцінка зміни загального модуля пружності дорожнього одягу при застосуванні ТЕМП дозволила встановити, що він збільшується в умовах повного зчеплення з жорсткою основою на 3 %, а з нежорсткою ? на 19 %. Ця обставина обумовлює необхідність обов'язкової перевірки деформативності основи при проектуванні ТЕМП.

Аналіз результатів чисельного моделювання дозволив встановити найбільш небезпечну характеристику напружено-деформованого стану тонкошарового покриття - максимальне дотичне напруження фmax, що діє на нижній поверхні шару і приймається за розрахунковий параметр. Ці результати дозволили отримати раніше невідомі залежності фmax/р від відносної товщини h/D тонкошарового покриття автомобільної дороги при фіксованих значеннях відношення модулів шару та основи Д.

Встановлені закономірності деформування тонкошарових покриттів та аналіз даних багаторічного досвіду їх експлуатації дозволили запропонувати метод розрахунку ТЕМП. Послідовність реалізації запропонованого методу полягає у наступному: 1) перевірка деформативності основи на відповідність рівню прикладеного навантаження; 2) послідовне визначення товщини з розрахунків на міцність при зсуві і вирівнювання основи до оптимального рівня (пряма задача) або розрахунок необхідної міцності матеріалу на зсув при заданій товщині (зворотна задача). Розрахунок має чітку послідовність дій, що представлена у вигляді формул і номограм.

Перевірка деформативності основи рівню діючого навантаження здійснюється шляхом порівняння фактичного загального модуля пружності основи з допустимим значенням. Методами інструментального вимірювання визначається фактичний загальний модуль пружності, склад і інтенсивність руху, що перераховується на перспективну (на кінець терміну служби ТЕМП) сумарну кількість повторних розрахункових навантажень за відомими методиками.

Для оцінки допустимої деформативності конструкції основи методами теорії пружності визначався потрібний загальний модуль пружності на поверхні існуючого покриття, виходячи із умови, що на кінець терміну служби ТЕМП загальний модуль пружності на його поверхні повинен дорівнювати потрібному. Ці результати дали можливість удосконалити метод розрахунку загального модуля пружності конструкції дорожнього одягу з урахуванням сумарної кількості повторних розрахункових навантажень і точного розв'язку теорії пружності, який дозволяє підвищити точність розрахунків на 14 % для шарів товщиною h/D ? 0,1. Метод передбачає чітку послідовність дій і представлений у вигляді номограм для дорожньо-кліматичних зон України У-І - У-ІІІ та осьових розрахункових навантажень 60, 100, 115 кН.

Для розрахунку ТЕМП за критерієм міцності на зсув, розроблено метод визначення максимального дотичного напруження, який заснований на точному розв'язку теорії пружності і враховує товщини тонкошарових покриттів та два розрахункові випадки: зчеплення з основою відсутнє - на етапі ущільнення матеріалу; зчеплення забезпечене - на стадії доущільнення структури і експлуатації. Для кожного розрахунковому випадку нормується характеристика граничного стану - границя міцності на зсув матеріалу з емульсійно-мінеральної суміші на відповідному етапі структуроутворення. На першому розрахунковому етапі її значення пропонується приймати не менше 0,8р (р - інтенсивність дії навантаження), а на другому - не менше 1,0р, виходячи із аналізу зміни розрахункового параметра і величини тормозних зусиль.

Для розрахунку товщини ТЕМП за умовою вирівнювання отримано два рішення. Перше - на основі емпіричної функції С.С. Кизими, яке описує зменшення нерівності основи So (см/км) до оптимального рівня улаштуванням поверхневих обробок, і має вигляд

, (1)

де k та m - коефіцієнти, що залежать від матеріалу основи і категорії дороги. Цей розв'язок є наближеним і застосовується при вимірюванні нерівність основи поштовхоміром.

Друге рішення отримано при застосуванні методів теорії ймовірності для оцінки впливу верхньої і нижньої поверхонь дорожнього покриття на його товщину, і має вигляд

, (2)

де - товщина покриття, визначена за критерієм міцності на зсув;

- коефіцієнт варіації нерівності покриття;

о, о, , - параметри статистичної функції розподілу Вейбулла, яка описує нерівності відповідно нижньої і верхньої поверхонь покриття.

Використовуючи ці рішення запропонована послідовність оцінки товщини ТЕМП в залежності від характеру вихідних даних про нерівність.

В результаті проведених теоретичних досліджень розроблено метод розрахунку товщини ТЕМП за двома критеріями: міцності на зсув і вирівнювання основи.

В третьому розділі наведено методики експериментального дослідження основних фізико-механічних і розрахункових показників на зразках матеріалу з литої емульсійно-мінеральної суміші та експлуатаційних якостей ТЕМП при натурному обстеженні. Дослідження були проведені у 1994-98 рр. в лабораторії дорожньо-будівельних матеріалів НТУ і на дослідних ділянках автомобільних доріг І категорії Київ - Одеса (1996-97 рр.) та Ростов - Одеса (1997 р.).

Мета експериментів полягає: у встановленні розрахункових показників матеріалу з емульсійно-мінеральної суміші; підтвердженні достовірності основних теоретичних результатів, прийнятих робочих гіпотез; калібруванні розроблених методів і методик; узагальненні теоретичних та експериментальних результатів для розробки інженерного методу проектування ТЕМП.

Лабораторні дослідження основних фізико-механічних і розрахункових показників матеріалу ТЕМП дозволили встановити необхідні умови формування зразків. Визначено нові розрахункові значення міцності на згин, короткочасного модуля пружності, показника динамічної втоми матеріалу ТЕМП, які при температурі 10ОС становлять: на бітумі БНД 90/130 Rзг=1,41 МПа, Е= 1457 МПа, m=0,34; на БНД 60/90 Rзг=2,15 МПа, Е= 2735 МПа, m=0,30. Порівняння основних фізико-механічних показників, довготривалої міцності емульсійно-мінерального матеріалу і асфальтобетону різних видів вказує на їх однотипність, що підтверджує робочу гіпотезу про належність емульсійно-мінеральних матеріал до асфальтобетонів.

Експлуатаційні показники ТЕМП визначались методами інструментального вимірювання і візуального обстеження конструкцій нежорсткого дорожнього одягу капітального типу в Одеській області.

Пружний прогин конструкції дорожнього одягу вимірювався важільним прогиноміром. Отримані результати підтвердили дані інших авторів про те, що розподіл значень прогину поверхні дорожнього одягу відбувається за законом Гауса, який вказує на рівнозначність групи факторів (температури покриття, вологості грунту, тощо) при вимірюванні пружного прогину.

За результатами порівняння чаші прогину дорожнього одягу до і після влаштування ТЕМП встановлено зменшення (8,6 %) максимального прогину нежорсткого дорожнього одягу за рахунок укладання ТЕМП товщиною 15мм. Відмінність радіусів кривизни чаші прогину говорить про здатність ТЕМП покращувати розподільчу здатність конструкції дорожнього одягу за рахунок відновлення суцільності існуючого покриття. Цей результат підтверджує гіпотезу про зміцнення поверхні існуючого покриття з певним усуненням його поверхневих деформацій.

Дослідження відповідності фактичного прогину поверхні дорожньої конструкції теоретичному, розрахованому при приведенні навантаження до двох кіл та одного, показали, що у першому випадку експериментальні та теоретичні дані збігаються, а у другому - теоретичні значення перевищують експериментальні на 17 %. Ці результати підтверджують допустимість застосування точного розв'язку теорії пружності для визначення напружень і деформацій у ТЕМП.

Натурні дослідження нерівності ТЕМП дозволили запропонувати емпіричну функцію вирівнюючої ефективності тонкошарового покриття товщиною 15 мм з коефіцієнтом кореляції 0,93. При її порівнянні із загальною залежністю, яка використовувалася у (1), встановили їх адекватність, що доводить допустимість використання останньої по відношенню до ТЕМП. Цим експериментом підтверджено правильність вибору функції розподілу Вейбулла при розробці формули (2).

Оцінка зчіпних якостей ТЕМП в натурних умовах стандартними методами і дорожнім профілографом ДПП, яка виконувалась Д.О. Павлюком, Є.В. Іваніцою та автором, підтвердила їх відповідність показникам зчеплення поверхневих обробок та подібність статистичного розподілу висоти виступів шорсткості і макронерівностей.

В результаті експериментальних досліджень визначені основні розрахункові показники емульсійно-мінерального матеріалу. Отримані дослідні дані, емпіричні закономірності, якісна і кількісна відповідність результатів теорії та експерименту доводять правильність розроблених теоретичних положень, які є основою методу проектування ТЕМП.

Четвертий розділ присвячений практичним аспектам застосування результатів досліджень.

Запропоновані в роботі номограми для загального модуля пружності основи визначають межу раціонального використання ТЕМП за деформативністю основи. При цьому коефіцієнт запасу її міцності по загальному модулю пружності повинен бути не менше 0,9 для капітального дорожнього одягу і не менше 0,85 - для полегшеного.

Чисельне моделювання товщини ТЕМП за рівністю основи дозволило визначити область їх використання. Нерівність основи вирівнюється тонкошаровим покриттям без додаткового профілювання, якщо її значення не перевищують даних табл. 1.

Таблиця 1

Для встановлення економічної ефективності використання ТЕМП запропоновано за критерій приймати чисту теперішню вартість (різницю між дисконтованими прибутками по рокам періоду експлуатації і початковим капіталовкладенням у будівництво). Даний критерій дозволив обгрунтувати область економічно ефективного застосування ТЕМП для підвищення зчіпних якостей, а саме: на дорогах I-II категорій всіх дорожно-кліматичних зон України.

Для встановлення терміну служби ТЕМП в роботі запропоновано застосовувати мінімальний коефіцієнт запасу міцності та показник динамічної втоми матеріалу. Результати чисельного аналізу дозволили встановити, що термін служби ТЕМП доріг І-ІІ категорій складає 3-5 років, а IV категорії - 2-3 роки. Ці результати можуть використовуватися при перспективному плануванні ремонтних робіт та для нормування міжремонтних термінів.

Узагальнення результатів теоретичних та експериментальних досліджень дозволили розробити метод проектування, який наведено на рис. 1. Цей метод дозволяє науково обгрунтовано визначати товщину ТЕМП або необхідну міцність матеріалу. Впровадження цього методу в практику проектування автомобільних доріг дозволить зменшити трудомісткість проектних робіт, врахувати особливості конструкції дорожнього одягу, навантаження та матеріалів, що сприяє вдосконаленню інженерних рішень і підвищує довговічність покриття.

Запропонований метод був впроваджений при проведенні ремонту ділянок автомобільних доріг: Київ - Одеса (км 1660 - 1660,5) і Ростов - Одеса (км 22 - 29) у 1997 р., які при повторному візуальному обслідуванні у 2000 році показали задовільний експлуатаційний стан ТЕМП і відсутність дорожньо-транспортних пригод, пов'язаних з недоліками покриття; Київ - Боярка (0,3 км) у 2001 р., що дозволило отримати економічний ефект у сумі 11,06 тис. грн. за рахунок зменшення на 33 % матеріаломісткості захисного шару. Результати дослідження знайшли відображення у нормативних документах: “Технологічний регламент на влаштування тонкошарових дорожніх покриттів з емульсійно-мінеральних сумішей”; проекті технічних умов “Суміші литі емульсійно-мінеральні та холодні асфальтобетонні”.

Рис. 1 Алгоритм методу проектування ТЕМП автомобільної дороги

Висновки

Чисельне моделювання напружено-деформованого стану тонкошарових покриттів на основі точного розв'язку теорії пружності дозволило встановити найбільш напружені зони його контакту з нижнім шаром, можливість відставання від основи, вплив умов зчеплення з нею. Ці результати дозволили запропонувати класифікацію таких покриттів за вертикальним нормальним напруженням, обгрунтувати необхідність перевірки деформативності основи та розрахунковий параметр (максимальне дотичне напруження).

Запропоновано метод розрахунку ТЕМП із умов міцності матеріалу шару на зсув та забезпечення рівності поверхні дорожнього одягу. Для реалізації цього методу:

- удосконалено метод розрахунку загального модуля пружності конструкції дорожнього одягу з урахуванням сумарної кількості навантажень і точного розв'язку теорії пружності;

- розроблено метод визначення розрахункового параметру, який враховує товщину покриття і два розрахункові випадки: при відсутності зчеплення з основою (етап ущільнення) та при забезпеченому зчепленні (на стадії доущільнення та експлуатації) з рекомендацією показників границі міцності на зсув для кожного з них;

- отримано напівемпіричне та теоретичне рішення про вплив нерівності основи і поверхні покриття на його товщину.

Лабораторні та натурні дослідження дозволили визначити основні фізико-механічні і розрахункові показників матеріалу з литої емульсійно-мінеральної суміші та експлуатаційні якості ТЕМП, які свідчать про належність емульсійно-мінерального матеріалу до асфальтобетону. Доведено, що використання ТЕМП підвищує розподільчу здатність існуючого покриття завдяки відновленню його суцільності і зміцненню поверхні, загальний модуль пружності конструкції дорожнього одягу до 9 %, рівність та зчіпні якості. Результати цих досліджень підтвердили правильність розроблених теоретичних положень та робочих гіпотез.

Теоретичні і експериментальні дослідження дозволили встановити область раціонального використання ТЕМП за коефіцієнтом запасу міцності по загальному модулю пружності, рівністю основи, економічною ефективністю та оцінити термін його служби у вітчизняних умовах. Отримані результати дозволяють нормувати відповідні показники.

Узагальнення результатів теоретичних та експериментальних досліджень дозволило розробити метод проектування ТЕМП, який дає можливість науково обгрунтовано визначити товщину покриття або необхідну міцність матеріалу. Використання цього методу у практиці проектування дозволить зменшити трудомісткість, врахувати особливості конструкції дорожнього одягу, навантаження та матеріалів, що сприяє вдосконаленню проектних рішень.

Результати дослідження знайшли практичне втілення при розробці нормативної бази дорожнього господарства (“Технологічний регламент на влаштування тонкошарових дорожніх покриттів з емульсійно-мінеральних сумішей” і проект технічних умов “Суміші литі емульсійно-мінеральні та холодні асфальтобетонні”) та при ремонті ділянок автомобільних доріг: Київ - Одеса і Ростов - Одеса у 1997 р.; Київ - Боярка у 2001 р. з економічним ефектом у сумі 11,06 тис. грн. на 0,3 км за рахунок зменшення матеріаломісткості.

дорожний одяг емульсійний знос

Список опублікованих праць за темою дисертації

Радовський Б.С., Мозговий В.В., Гамеляк І.П., Борисенко А.А., Островерхий О.Г., Рябченко О.І. Дисперсність емульсії при гідродинамічному проточно-кавітаційному способі її отримання // Автомоб. дороги і дор. буд-во.- 1997.- Вип. 54.- С. 115-119.

Островерхий О.Г., Борисенко А.А. Економічна ефективність будівництва шорстких тонкошарових покриттів із емульсійно-мінеральної суміші литої консистенції // Автомоб. дороги і дор. буд-во.- 1999.- Вип. 57.- С. 175-182.

Гамеляк І.П., Островерхий О.Г. Довговічність холодного литого асфальтобетону на бітумній емульсії // Автомоб. дороги і дор. буд-во.- 2001.- Вип. 60.- С. 40-46.

Гамеляк І.П., Островерхий О.Г. Чисельний аналіз напружено-деформованого стану тонкошарових покриттів дорожнього одягу // Автомоб. дороги і дор. буд-во.- 2001.- Вип. 61.- С. 118-126.

Островерхий О.Г. Вирівнююча здатність тонкошарового емульсійно-мінерального покриття // Автомоб. дороги і дор. буд-во.- 2001.- Вип. 63.- С. 52-54.

Размещено на Allbest.ru