Оцінка динамічного впливу транспортних засобів на тріщиноутворення

 

Автомобільний потік, що рухається по дорозі, являє собою складне сполучення випадкових явищ, що змінюються в часі і просторі. Під впливом цих факторів випадково змінюються характеристики руху автомобільних потоків — їхня інтенсивність, швидкість, склад та інш. Автомобільний потік характеризують по щільності руху, вимірюваної кількістю автомобілів, що приходяться на 1 км дороги, та по ступені завантаження дороги, обумовленої відношенням інтенсивності руху N до пропускної здатності.

В залежності від розмірів і чергування різних геометричних елементів дороги (повздовжні і поперечні ухили, криві в плані і повздовжньому профілі та ін.) автомобілі рухаються нерівномірно, випливаючи за їхніми змінами. Рух по покриттях з нерівностями супроводжується ударами і вертикальними коливаннями коліс, кузова й інших частин автомобіля. Розходження мікропрофілю по шляху руху лівих і правих коліс викликає поперечні коливання. При цьому виникають перемінні по величині динамічні сили, що діють як на дорожнє покриття, так і на автомобіль.

З підвищенням швидкості автомобілів час дії розтягуючого напруження в покритті скорочується, разом з цим зменшуються пошкодження від транспортних засобів. Однак це відбувається тільки на рівних покриттях. При наявності нерівностей виникають руйнування із-за динамічної дії навантаження. Горизонтальні (тангенціальні) стискаючі та розтягуючи напруження служать причиною пластичних деформацій, а також руйнувань у верхніх шарах дорожнього одягу (зсувів, хвиль, напливів і поперечних тріщин по слідам накату).Такі деформації особливо часті на тонких покриттях – товщиною менше 8 см. При великій товщині покриття зсувні деформації бувають рідше, так як напруження, викликаємі в дорожній конструкції тангенціальними зусиллями, прикладеними на поверхні покриття, порівняно швидко згасають по глибині.

В результаті прикладення навантажень від коліс автомобілів дорожній одяг прогинається, потім поступово відновлюється. При високих інтенсивностях і швидкостях руху навантаження від коліс вантажних автомобілів можуть повторюватися через кожні 1,5-6 сек. Прогин від колеса важкого вантажного автомобіля розповсюджується в усі сторони, створюючи чашу радіусом до 3-4 м, яка переміщується в напрямку руху автомобіля. Чаші прогинів частково перекривають одна одну, охоплюючи всю ширину смуги руху. При цьому в шарах дорожнього одягу виникають напруження стиску, розтягу, згину та зсуву. Надмірні напруження від транспортних навантажень приводять до виникнення деформацій, а накопичення залишкових деформацій приводить до руйнування дорожнього покриття.

Міцність дорожнього одягу є найбільш важливим показником транспортно-експлуатаційного стану автомобільної дороги, якому необхідно регулярно оцінювати протягом усього терміну її служби.

Міцністні якості дорожнього одягу визначаються, насамперед, опірністю ґрунту, що підстилає, стиску. Дорожній одяг повинний розподіляти діючу на неї навантаження від колеса автомобіля по можливості на велику площу.

При дії тиску від колеса основа дорожнього одягу стискується в межах активної зони, як у поперечному, так і в подовжньому напрямку, у результаті чого відбувається прогин дорожнього одягу по деякій криволінійній поверхні з утворенням так називаної «чаші прогину».

Тиск, переданий на ґрунтову основу, залежить від площі, на яку розподіляється навантаження. Зі збільшенням товщини дорожнього одягу ця площа збільшується, а тиск відповідно зменшується. У весняний чи осінній періоди, коли внаслідок перезволоження знижується міцність ґрунту, існуюча товщина дорожнього одягу не забезпечує безпечний тиск, і при проїзді дуже важких автомобілів можуть виникати руйнування дорожнього одягу.

Вертикальні та дотичні сили, що виникають при русі автомобілів, викликають пружні і залишкові деформації в покриттях, у результаті яких покриття зношуються та руйнуються. Нагромадження залишкових деформацій на поверхні покриття робить останнє нерівним і непридатної для руху з високими швидкостями. При напругах і деформаціях, що перевищують припустимі межі, може відбутися повне руйнування одягу.

 

Рисунок 4.1

 

а) Види деформацій і руйнувань дорожнього одягу в поперечному профілі; б) Види деформацій і руйнувань дорожнього одягу в повздовжньому профілі. 1- чаша прогину; 2 - зона стиску одягу; 3 - зона розтягання; 4 - поверхня зрізу одягу; 5 - площа передачі тиску на ґрунт; 6 - ущільнення ґрунту в основі дорожнього одягу; 7 - напрямок стиску ґрунту; 8 - напрямок випирання ґрунту;9 - тріщини в дорожньому одязі (а - повздовжні; б - поперечні): 10 - деформації дорожнього одягу.

Варто розрізняти:

а) деформації всього одягу в цілому як інженерної конструкції під дією статичних і динамічних вертикальних сил. Ці деформації виражаються в осаді і вигині одягу:

б) деформації верхніх шарів (руйнування матеріалу шару) і, зокрема, поверхневого шару внаслідок стиску, зминання, стирання і зрушення під дією вертикальних і дотичних сил.

По характері опору діючим зусиллям і по роду виникаючих деформацій дорожні одяги поділяють умовно на:

тверді одяги, що роблять опори вигину і розраховані на міцність по опорі вигину як плита на пружній основі. До таких одягів відносяться цементобетонні, а також покриття на цементобетонній основі;

нежорсткі одяги, що володіють малим опором вигину і міцність яких у більш істотному ступені залежить від опору ґрунту земляної полотнини. До них відноситься більшість розповсюджених у даний час конструкцій дорожніх одягів.

Дорожній одяг можна розглядати як інженерну конструкцію, що складається з декількох шарів, кожний з який виконує визначену функцію в роботі всього одягу.

Будівельні норми і правила (БНіП) виділяють у дорожньому одязі наступні конструктивні шари:

1) покриття — верхній шар одягу, що характеризує транспортно-експлуатаційні якості проїзної частини. Цей шар може складатися з основного покриття і періодично поновлюваного шаруючи зносу;

2) основа - несуча частина дорожнього одягу, що забезпечує стійкість конструкції одягу і передає разом з покриттям навантаження на підстильний чи шар безпосередньо на ґрунт земляної полотнини. Цей шар може складатися з декількох шарів;

3) додатковий шар основи — нижній конструктивний шар одягу, що бере участь у передачі навантаження на полотнину і виконуючий одночасно свої основні функції морозозахистного, дренуючого та вирівнюючого шару.

Конструкції застосовуваних у даний час дорожніх одягів дуже різноманітний і зазначене вище розподіл на шари витримує не у всіх випадках. Нежорсткі одяги в цілому варто розглядати як багатошарову, у тім чи іншому ступені пружну-пластичну конструкцію, окремі шари якої розрізняються по своїх властивостях. Тверді одяги при розрахунках розглядають як пружні плити, що лежать на пружній основі; напруги і деформації цих покрить можуть бути знайдені з достатнім ступенем точності по методах будівельної механіки.

Дослідження привели до висновку, що граничний стан одягу по міцності виникає унаслідок виникнення осад такої величини, при якій порушується монолітність одягу. Початок плину ґрунту і руйнування одягу залежить не тільки від величини діючої навантаження, але і від кількості її додатків і їхньої тривалості. Хоча при короткочасній дії навантаження деформації одягу менше, ніж при тривалому, але часте повторення навантажень викликає поступове нагромадження пластичних деформацій і руйнування верхнього більш твердого шару. Нагромадження внутрішніх деформацій зосереджується головним чином у найбільш слабких шарах підстави й у ґрунті, що підстилає. Величина вертикальних напруг, що передаються на ґрунт через багатошаровий одяг, залежить від твердості її шарів, характеризуємій модулем деформації.

На величину напруг у покриттях помітний вплив робить швидкість руху автомобіля, оскільки для поширення напруженого стану в пружних-грузлих системах необхідно якийсь час.

Під дією звичайних на дорогах навантажень нежорсткі одяги виявляють більш-менш явно виражені пластичні властивості. При вертикальному тиску від колеса відбувається осад одягу, що закінчується не відразу, як у пружних тіл, а поступово загасає згодом, як у грузлих і пластичних тіл. Тільки при незначних навантаженнях (1,0—2,0 кГ/см²) і міцних одягах деформації бувають цілком пружні. Після зняття навантаження одяг поступово повертається в колишнє положення. При навантаженнях, що перевищують визначену величину і недостатньо міцних для даного руху одягах, осаду цілком не зникає. Таким чином, як загальне правило, на одягах нежорсткого типу одночасно виникають пружні і пластичні (необоротні) деформації.

Під рухом коліс порушується зв’язність нежорстких покрить і на їхнє поверхні виникають вибою, і з'являється хвилястість. Ці деформації торкаються лише покриття і роблять його поверхню нерівної [4].

Деформації поверхневого шару викликаються динамічними силами як вертикальними, так і горизонтальними. Розвитку цих деформацій сприяють атмосферні фактори, що послабляють міцність і зв’язність покрить - вивітрювання, розмивання водою, видування дрібних фракцій вітром, хімічні впливи. Схеми динамічного впливу автомобіля на дорожнє покриття приведені на листі 2.