3.3.3. Оценка прочности дорожных одежд

Прочность (несущая способность) дорожных одежд – способность сопротивляться развитию остаточных деформаций и разрушений под воздействием напряжений, возникающих в конструкции от расчетной нагрузки и влияния природных и климатических факторов.

В процессе эксплуатации дороги, под воздействием транспортных средств, погодно-климатических и других факторов прочность конструкции снижается, особенно при неблагоприятных гидрогеологических условиях, большой интенсивности движения и больших осевых нагрузках. Снижение прочности

конструкции, как правило, объясняется накоплением необратимых деформаций в каждом из слоев дорожной одежды и земляном полотне.

Несущая способность (прочность) дорожной конструкции оценивается фактической величиной упругого (обратимого) прогиба l_ф под расчетной нагрузкой или модулем упругости Е_ф.

Полевые испытания дорожных одежд нагрузкой состоят из линейных на каждом характерном участке дороги и испытаниях на контрольных точках. Оба вида полевых испытаний дорожной одежды рекомендуется осуществлять в расчетный период года.

Расчетным, считается наиболее неблагоприятный по условиям увлажнения период года в течение которого прочность дорожных конструкций достигает минимальных значений. Для северных и центральных районов Р.Ф. расчетный период совпадает со временем весеннего оттаивания грунта земляного полотна; в южных его начало совпадает с периодом выпадания – осенне-зимне-весенних осадков.

Продолжительность расчетного периода Т_р , суток в районах с сезонным промерзанием грунта земляного полотна (II – III ДКЗ) определяют по формуле

(10)

где h₀ – глубина промерзания земляного полотна, см;

а – среднесуточная скорость оттаивания грунта, равная 1–3 см/сут.

Испытания нагрузкой начинают с измерений фактического прогиба дорожной одежды на контрольных точках. Местоположение (адрес) точек уточняют в процессе линейных испытаний (после статистической обработки результатов измерений).

Методы измерения упругого прогиба

По условиям передачи нагрузок на дорожную конструкцию методы измерения упругого прогиба одежды делятся на статические и динамические (метод кратковременного нагружения).

Испытания на контрольных точках осуществляют методом статического нагружения колесом автомобиля.

При линейных испытаниях измерения упругого прогиба выполняют как методом статического, так и кратковременного нагружения. При одновременном использовании этих методов результаты линейных испытаний приводят к сопоставимому виду по методике, представленной в ОДН [11].

Для измерения обратимых прогибов методом статического нагружения используют прогибомеры. Наибольшее распространение из прогибомеров получил длиннобазовый рычажный прогибомер КП-204, обеспечивающий точность измерений ±0,02 мм (рис. 12).

Рис. 12. Рычажный прогибомер МАДИ - ЦНИЛ:

а-вид сбоку; б-вид сверху; 1 -пробка; 2 - стойка для индикатора; 3 - индикатор; 4 - держатель индикатора; 5 - швеллер; 6 - заднее

плечо рычага;7 - подъемный винт; 8 - соединительная муфта;

9 - опорный винт; 10 - стяжной болт; 11 - переднее плече рычага;

12 -измерительная игла; 13 - винт, закрепляющий иглу; 14 - подпятник, предохраняющий врезание измерительной иглы в дорожное покрытие; 15 - поперечная опорная балка

Прогибомер состоит из сборного рычага, который поворачивается на оси, закрепленной в корпусе опоры. Рычаг состоит из переднего и заднего плеч. На переднем плече закреплен щуп с подпятником (между скатами заднего сдвоенного колеса, под центром задней оси автомобиля).

Порядок испытаний прогибомером:

- устанавливают прогибомер на полосе наката так, чтобы измерительный щуп разместился строго между скатами сдвоенного колеса груженого автомобиля (с нагрузкой на заднее колесо в пределах 30 – 50 кН);

- устанавливают клиновидную опорную подкладку на покрытие так, чтобы ее наклонная поверхность имела контакт с концом стержня индикатора;

- выдерживают автомобиль на точке измерения до тех пор пока, отсчет по индикатору i₀ не будет изменяться за 10 с более чем на 0,005 мм и записывают его в журнал;

- автомобиль отъезжает вперед на расстояние не менее 5 м, выдерживают время и снова берут отсчет i;

- вычисляют упругий прогиб дорожной одежды l в точке измерений

(11)

По величине измеренных на контрольной точке прогибов l вычисляют модули упругости дорожной конструкции ЕА в рассматриваемый момент времени:

, (12)

где Е_А – модуль упругости дорожной конструкции при воздействии расчетной нагрузки, МПа

Q_к – нагрузка на колесо расчетного автомобиля, кН.

Поскольку прочность дорожной конструкции непрерывно изменяется во времени, для объективной оценки ее состояния необходима корректировка полученных при испытаниях результатов измерений путем их приведения к состоянию конструкции, наиболее характерному, типичному для всего расчетного периода. Типичное состояние конструкции характеризуется средним модулем упругости Е_ср. Методика определения Е_ср с учетом длительности различных состояний конструкции в расчетный период года изложена в отраслевых дорожных нормах [18].

Линейные испытания проводят на каждом характерном участке длиной не более 1 км. Испытания начинают после того, как по результатам испытаний на контрольных точках будет видна тенденция снижения прочности одежды во времени (увеличение прогиба под нагрузкой); при этом независимо от их начала испытания на контрольных точках продолжаются до тех пор, пока величина прогиба дорожной конструкции не стабилизируется у минимальных значений. Если линейные испытания проводят в расчетный период года, то они должны быть закончены раньше, чем на контрольных точках.

Количество измерений назначают в зависимости от расчетного уровня надежности дорожной одежды К_н, установленного для соответствующей категории дороги [7]. Если К_н обследуемой дороги не известен, то на каждом характерном участке проводят 30 испытаний.

Места измерений должны быть расположены равномерно по полосе наката (1 – 1,5 м от кромки покрытия).

Испытания методом кратковременного нагружения осуществляются с применением установки динамического нагружения типа УДН-НК, Дина-3М и др. (рис. 13 и 14).

Принцип действия УДН-НК заключается в имитации кратковременного многократного воздействия расчетного автомобиля (группы А) на дорожную конструкцию.

Испытание состоит в следующем:

груз весом 100±5 кг (соответствует нагрузке на ось автомобиля 100 кН) сбрасывают по направляющей стойке с высоты 80 – 100 см на амортизирующее устройство из жесткой пружины (или колеса). При этом создается кратковременное динамическое нагружение близкое к времени действия колеса автомобиля на дорожную одежду (t ≥ 0,02 с); погрешность измерений прогибов – не более 5 %.

Рис. 13. Установка динамического

нагружения (навесная) УДН-НК:

1 - испытательный груз; 2 - штамп;

3 - виброграф для измерения прогиба;

4 - пружина; G - вес груза;

H- высота сбрасывания груза

Для измерения упругих прогибов l применяют вибрографы, записывающие результаты испытания на бумажную ленту, или датчики перемещения с фиксацией деформации на магнитной ленте. В исходное положение груз подымают механической лебедкой.

Рис. 14. Установка динамического нагружения ДИНА-3М

Распределение деформационных свойств дорожной конструкции в пределах характерного участка носит случайный характер. Поэтому для объективной оценки состояния дорожных конструкций фактические прогибы одежды l_ф определяют на каждом характерном участке. Значение l_ф устанавливают по кумулятивным кривым, построенным по результатам линейных испытаний в соответствии с методикой [18]. Полученные величины прогибов (l_ф) используют для расчета фактических модулей упругости дорожных конструкций по формуле (10) заменив (l) на (l_ф) и (Е_А) на (Е_ф).

Установка динамического нагружения ДИНА-3М может работать как в автономном режиме, так и в составе передвижной дорожной лаборатории типа КП-514МП (см. рис.14). При использовании установки ДИНА-3М в составе лаборатории она оснащается модулем связи с бортовым вычислительным комплексом, что позволяет полностью автоматизировать процесс нагружения одежды (сбрасыванием груза массой 160 кг) и измерений прогиба в диапазоне 0,1 – 0,3 мм.

Упрощенные полевые испытания проводят с целью получить распределение прогибов одежды под нагрузкой на характерных участках обследуемой дороги. Такие испытания допускаются только при четко различимых дефектах покрытия, характеризующих предельное состояние дорожной одежды (сетки трещин, состоящей из ячеек преимущественно в виде четырехугольников со сторонами длиной до 1 м, при возможном сочетании с частыми поперечными трещинами, просадками, колейностью и продольными волнами длиной до 4 м).