книги / Совершенствование метода вибродиагностики технического состояния элементов дорожных конструкций и кольцевых стендов

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

Российская академия транспорта

Д.С. Беляев, А.В. Кочетков, Л.В. Янковский

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДА ВИБРОДИАГНОСТИКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ДОРОЖНЫХ КОНСТРУКЦИЙ И КОЛЬЦЕВЫХ СТЕНДОВ

Монография

Издательство Пермского национального исследовательского

политехнического университета

2012

УДК 625.84:620.178.5 Б44

Рецензент

действительный член РАТ, МАН ВШ, ЖКАРФ, АПКРФ, ASCE, IABSE, RILEM, д-р техн. наук, проф. И.Г. Овчинников

(Саратовский государственный технический университет)

Беляев, Д.С.

Б44 Совершенствование метода вибродиагностики технического состояния элементов дорожных конструкций и кольцевых стендов : монография / Д.С. Беляев, А.В. Кочетков, Л.В. Янковский. – Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2012. – 151 с.

ISBN 978-5-398-00870-8

Изложены результаты теоретических и практических исследований метода оценки технического состояния дорожной конструкции на основе исследования колебаний поверхности покрытия, генерируемых проезжающим транспортом, для принятия решений о проведении или не проведении ремонтных работ и прогнозирования срока службы дорожной конструкции.

Создание методики оперативного контроля состояния дорожной конструкции позволяет осуществить систематический контроль параметров дорожных одежд, что не только обеспечивает непосредственную оценку технического состояния дороги, но и создает условия для разработки комплекса мероприятий в общей системе управления качеством на основе анализа информации о качественных и количественных результатах производственного контроля.

Предназначено для инженерно-технических и научных работников проектных, дорожно-строительных организаций, а также для преподавателей, студентов и аспирантов автодорожных факультетов вузов, обучающихся по направлениям «Строительство», «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов», «Технология транспортных процессов».

УДК 625.84:620.178.5

2

3

4

ВВЕДЕНИЕ

Внастоящее время транспортный комплекс России находится на сложном этапе своего развития, когда от финансирования строительства новых автомобильных дорог центр тяжести постепенно смещается к выделению все больших средств на содержание дорог – повышение их технического уровня и эксплуатационного состояния, капитальности дорожных одежд, реконструкции дорог и мостов.

Вдорожном хозяйстве накопилось много нерешенных проблем, которые могут стать тормозом в осуществлении со- циально-экономической политики нашей страны на долгосрочную перспективу:

1)развитие дорожной сети не соответствует темпам автомобилизации страны – по всем удельным показателям развития сети автомобильных дорог общего пользования Россия значительно уступает зарубежным странам;

2)не завершено формирование опорной сети федеральных

автомобильных дорог, особенно в районах Севера, Сибири

иДальнего Востока;

3)все более резко проявляется дефицит пропускной способности федеральной дорожной сети, в первую очередь на подходах к крупным городам и транспортным узлам страны;

4)низкий технический уровень дорог обуславливает увеличение себестоимости перевозок в 1,5 раза, а расхода горючего – на 30 % по отношению к аналогичным показателям развитых зарубежных стран;

5)из-за плохих дорожных условий в дорожно-транспорт- ных происшествиях ежегодно погибают 2 тыс. человек, 9 тыс. человек получают ранения;

6)не обеспечена связь по автодорогам с твердым покрытием 39 тыс. населенных пунктов, в которых проживает более 10 млн человек.

Выполнение комплекса работ по ремонту и содержанию автомобильных дорог является одним из важнейших направле-

5

ний обеспечения их сохранности, повышения безопасности движения и экологической безопасности объектов, долговечности и надежности автомобильных дорог и сооружений на них, эффективности обслуживания пользователей и оптимизации расходования средств, выделяемых на нужды дорожного хозяйства. Вступивший в действие с 1 июля 2003 года Федеральный закон «О техническом регулировании» от 27 декабря 2002 года № 184-Ф3 требует принятия и реализации в дорожной отрасли мер по переходу на новую систему технического регулирования, в частности, повышение номенклатуры показателей качества [45].

Научно-техническое обеспечение направлено на выполнение поисковых и фундаментальных исследований, прикладных научно-исследовательских, а также опытно-конструкторских работ, стандартов и нормативов. Прикладные НИР направлены на совершенствование системы управления дорожным хозяйством, совершенствование дорожных конструкций и материалов, повышение качества дорожных покрытий и др. Опытноконструкторские работы имеют целью создание современной техники для строительства, ремонта и содержания дорог и мостов, совершенствование методов и средств диагностики и контроля дорожных работ.

В техническом и организационном аспектах для решения проблемы повышения качества дорожных покрытий необходимо обеспечение достаточно полного контроля за соблюдением всех качественных показателей, фиксирование всех отклонений от нормативно-технических требований.

Проблемам создания и практического применения нормативных и методических материалов в дорожной отрасли России всегда уделялось самое пристальное внимание. Особое место занимают вопросы обеспечения качества автомобильных дорог. При этом это не только профессиональная внутриотраслевая задача, но и важнейший элемент при обосновании эффективности использования средств дорожных фондов. Неотъ-

6

емлемой частью обеспечения качества является проведение своевременной диагностики дорожной конструкции [3, 12, 26].

Исследованиями в области взаимодействия автомобиля

идорожного покрытия успешно занимались многие отечественные и зарубежные ученые: А.К. Бируля, Н.Я. Говорущенко, Д.В. Ермакович, В.Ф. Бабков, А.П. Васильев, А.В. Смирнов, Ю.М. Яковлев, В.В. Сильянов, А.А. Хачатуров, А.Г. Малофеев, В.Н. Кравец, М.С. Коганзон, А.В. Жуков, Б.С. Радовский, B.Л. Афанасьев, В.П. Жигарев, В.Б. Борисевич, О.А. Красиков, В.Д. Казарновский, В.П. Носов, Ю.В. Слободчиков, А.Р. Рзаев, В.В. Кузьмин, З.А. Круцух, А.С. Супрун, Р.В. Ротенберг, Ф.И. Бомхард, Е. Клоппел, Н. Мопперт, Р. Коеслер, П. Пильц

имногие другие.

Поиск оптимального алгоритма и технологии, обеспечивающих реализацию контроля параметров технического состояния грунтов земляного полотна дорожных конструкций, является актуальной научной задачей [7].

Базой для любой методики оценки качества является набор показателей состояния объекта исследования. Показатели качества дорог отражены в СНиП 3.06.03–85 «Автомобильные дороги», в которые включены 23 единичных показателя качества, измеряемых инструментально, и около 20 требований альтернативного характера [34].

В ОДН-218.0.006–2002 «Правила диагностики и оценки состояния автомобильных дорог» использован только один из критериев несущей способности дорожной одежды с асфальтобетонным покрытием, а именно жесткость всей конструкции

вцелом, оцениваемая по величине ее модуля упругости, что

вряде случаев является недостаточным [27].

Для проведения диагностики дорожных конструкций широко практикуются различные методы, направленные на измерение одного или нескольких параметров. Для принятия решения используется сравнение измеренного параметра с нормативным.

7

Иногда основой для принятия решений о проведении ремонтных работ является визуальная оценка состояния асфальтобетонного покрытия. При этом определяется неровность, наличие дефектов и степень повреждения дорожного покрытия. Отсутствует единая научно-методическая основа оценки технического состояния дороги, позволяющая принимать технически обоснованные решения.

В связи с большим числом факторов, определяющих состояние дорожной конструкции и влияющих на дальнейшую ее эксплуатацию, на практике самым надежным способом является метод экспертных оценок, который с успехом был применен в США при проведении известных испытаний по программе AASHO, когда состояние дороги оценивалось по пятибалльной шкале.

Под совместным воздействием многократно повторяющихся нагрузок от автомобилей и природных факторов в дорожной конструкции возникают напряжения и деформации, которые, постепенно накапливаясь, приводят к ее разрушению. При этом в грунтах внутренних слоев дорожной конструкции происходит потеря прочности и, как следствие, осадки и сдвиговые процессы, приводящие к колееобразованию, ползучести слоев и осыпанию откосов земляного полотна. На грунт земляного полотна передается и распределяется все давление от транспортных средств, и на него существенно воздействуют изменчивые природные факторы, поэтому он является весьма ответственным элементом конструкции. При деформациях

иразрушениях земляного полотна неизбежно деформируется

иразрушается дорожная одежда.

Таким образом, назрела необходимость в проведении крупномасштабных экспериментальных исследований поведения дорожно-строительных материалов под воздействием многократных динамических и вибрационных нагрузок с оценкой вероятности образования усталостных разрушений и остаточ-

8

ных деформаций в слоях дорожной конструкции в процессе эксплуатации [20].

На сегодняшний день существует множество методов оценки прочности дорожных конструкций, которые основываются как на статическом, так и на динамическом воздейст-

вии [20].

В последнее время наиболее популярными становятся методы, основанные на исследовании вибраций дорожных конструкций. Методы вибродиагностики основаны на сравнении экспериментальных и расчетных динамических характеристик сооружений. Существуют два способа нагружения дороги: активный и пассивный. Они отличаются по способности измерения входного воздействия. При активном способе возбуждения можно не только точно измерить входное воздействие, но и для получения наиболее качественных результатов управлять им. При пассивном способе возбуждения входное воздействие не поддается прямому измерению, поэтому к пассивным способам относятся нагрузки от проходящего транспорта, сейсмический фон и т.д. Преимущества пассивного нагружения состоят в отсутствии необходимости применения громоздких установок, которые создают существенные динамические нагрузки в конструкции и при многократном использовании которых разрушаются отдельные элементы дорожной конструкции. Кроме того, снимается проблема сложности моделирования искусственной нагрузки и обеспечивается требуемая оперативность измерения [38].

Можно отметить практическую выгоду использования методики, основанной на пассивном способе нагружения дороги (колесом движущегося автомобиля), – это отсутствие необходимости применять специальные установки для воздействия на дорогу.

Создание методики оперативного контроля состояния дорожной конструкции позволяет осуществить систематический контроль параметров дорожных одежд, что не только обеспе-

9

чивает непосредственную оценку технического состояния дороги, но и создает условия для разработки комплекса мероприятий в общей системе управления качеством на основе анализа информации о качественных и количественных результатах производственного контроля.

Перспектива развития вибродинамических методов контроля состояния дорожных конструкций состоит в их интеграции с методами принятия решения о необходимости проведения требуемого вида ремонтных работ для обеспечения заложенного срока службы дороги.

Целью данной работы является разработка метода оценки технического состояния дорожной конструкции на основе исследования колебаний поверхности покрытия, генерируемых проезжающим транспортом, для принятия решений о проведении или непроведении ремонтных работ и прогнозирования срока службы дорожной конструкции.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1.Изучение существующих теоретических и экспериментальных методов диагностики автомобильных дорог.

2.Разработка методики регистрации характеристик отклика дороги на основе данных, полученных в ходе проведения экспериментально-теоретических исследований по оценке динамического воздействия транспортных средств на дорожную конструкцию.

3.Сопоставление результатов полученных теоретических исследований с экспериментальными, а также с нормативной литературой.

4.Выбор интегрального диагностического показателя технического состояния дороги, определяемого на основе характеристик виброколебаний дорожной конструкции.

5.Разработка алгоритма принятия решения о техническом состоянии дорожной конструкции на основе математического моделирования и применения метода нечеткой логики.

10