Исследование характеристик динамического отклика дорожных конструкций при ускоренном тестировании

Введение. Усталостные повреждения являются одной из основных форм повреждений эксплуатируемых асфальтобетонных покрытий [1][2]. Как правило, они связаны со знакопеременным нагружением от интенсивного многоциклового воздействия транспортного потока. Этот вид разрушений характерен для автомобильных дорог всего мира и является одной из важнейших проблем, на решение которой направлено внимание ученых-дорожников. Одним из приоритетных направлений современных исследований в области прогнозирования усталостного разрушения является испытание дорожных конструкций на установках ускоренного тестирования. Определенный вклад в решение этой проблемы внесли китайские ученые, проанализировавшие закон изменения модуля упругости асфальтобетонного слоя и его деформации в процессе ускоренного нагружения [3][4]. Механизм разрушения и усталостные характеристики асфальтобетонной смеси в процессе эксплуатации исследованы в работе [5]. Ее авторами был получен поправочный коэффициент, учитывающий различие в механизмах деформирования дорожной конструкции при воздействии испытательной нагрузки на установках ускоренного тестирования и при реальных испытаниях в полевых условиях.

В целом нужно отметить, что, несмотря на достаточно эффективное моделирование проезда единичных нагрузок от транспортного потока, воспроизводимое на установках ускоренного тестирования, возникают сложности с моделированием распределения нагрузки по ширине проезжей части, условий окружающей среды, грунтово-геологических условий и прочего. Таким образом, результаты испытаний на установках ускоренного тестирования нельзя напрямую использовать для оценки усталостных характеристик фактического дорожного покрытия. Они требуют дополнительной валидации под реальные условия.

Авторы работ [6–8] изучили отклики дорожных конструкций на динамическое воздействие тестовой нагрузки, сравнили и проанализировали их изменения. Исследователями были применены методы, сочетающие визуальное наблюдение в реальном времени, инструментальные испытания на прогиб и сопротивляемость усталостным разрушениям в процессе нагружения, а также выполнены работы по установлению взаимосвязей между напряжениями, деформациями в структуре дорожной одежды и температурой различных конструкций дорожного покрытия.

Также необходимо отметить, что подобные исследования, помимо КНР, проводятся и в других странах, в том числе и в Российской Федерации, государствах Европы и США. Результаты активных исследований, направленных на сопоставление лабораторных режимов нагружения с режимами нагружения, соответствующими реальным дорожным условиям, были рассмотрены в работах [9–11]. Вместе с тем отсутствуют аналогичные сопоставления результатов полевых и лабораторных исследований с результатами, получаемыми на крупномасштабных моделях в условиях управляемого эксперимента. Результаты экспериментальных исследований в области прогнозирования усталостного разрушения асфальтобетонных слоев приводятся в работах [12–14]. В них комплексно рассмотрены вопросы определения эмпирических коэффициентов, необходимых для прогнозирования усталостного разрушения слоев асфальтобетона по данным полевых визуальных наблюдений, а также стандартные методы испытаний асфальтобетона на усталость при приложении четырехточечной нагрузки или при непрямом растяжении. Однако вопросы исследования на крупномасштабных моделях в них также не затрагиваются. Ряд работ касается непосредственно крупномасштабного моделирования, но для разных по своей конструкции дорожных одежд [15–17]. Сопоставление же равнопрочных конструкций с различными слоями и их толщинами является наиболее интересным с исследовательской точки зрения, так как оно позволит установить закономерности в процессах деформирования асфальтобетона, связанных с его усталостным разрушением.

Материалы и методы. Установка ускоренного тестирования. Установка ускоренного тестирования (ALF) находится на территории Транспортного университета г. Шаньдунь. Она представляет собой набор оборудования для комплексных испытаний дорожных конструкций (рис. 1). На текущий момент это один из методов моделирования, наиболее приближенных к реальным условиям воспроизведения движущейся транспортной нагрузки. ALF применяют для изучения характеристик асфальтобетонных покрытий при пластических деформациях, усталостном трещинообразовании и нисходящем трещинообразовании. На установках ALF можно регулировать нагрузку на ось и скорость ее движения, что обеспечивает наилучшее из всех видов испытательного оборудования соответствие реальным условиям деформирования.

Для изучения усталостной сопротивляемости асфальтобетонных смесей в процессе эксплуатации, дефектов дорожного покрытия в разных регионах были выбраны три типовые конструкции дорожных одежд для устройства на испытательной дороге. Тестовый участок дороги имеет длину 12 м, ширину 4 м. Конструкция дорожной одежды представляет собой рабочий слой грунта земляного полотна, укрепленного цементом, с покрытием из трех различных типов асфальтобетона: S1, S2 и S3 соответственно (рис. 2). Расчетная нагрузка, воспроизводимая системой ALF, представляет собой полуосевую нагрузку, передаваемую через два колеса — BZZ-100. Диапазон воспроизводимой нагрузки составляет 80–200 кН, шаг нагрузки — 20 кН, интервал времени между приложениями нагрузки — 9 с.

Для обеспечения мониторинга в режиме реального времени за динамическим откликом конструкции в процессе строительства тестового участка дороги был смонтирован набор оборудования из датчиков давления грунта, деформации и температуры, установленных параллельно и перпендикулярно направлению нагружения (рис. 3, 4). В нижней части монолитного асфальтобетонного слоя расположены четыре датчика горизонтальной и продольной деформации (рис. 5). Канал сбора данных соответствующего датчика и его местоположение указаны в таблице 1. Такая схема расстановки оборудования подтверждается мировым опытом мониторинга напряженно-деформированного состояния (НДС) дорожных конструкций и отражена в работах [18–19].

Для регистрации динамического отклика на поверхности дорожной конструкции в дополнение к установке ALF использовалась установка динамического нагружения с падающим грузом FWD PRIMAX 1500. Эта установка представляет собой импульсный динамический измеритель перемещений поверхности покрытия, который позволяет определять историю перемещений на поверхности покрытия дорожной одежды при ударном воздействии посредством установленных датчиков геофонов (рис. 6). Исследования показали, что FWD можно использовать для определения модулей упругости слоев дорожных одежд во время испытания на установках ускоренного тестирования ALF [20]. В ходе исследований измерения установкой FWD проводились каждый раз по истечении 70 000 циклов на установке ALF. Схема проведения измерений показана на рис. 7.

Испытания прочности на растяжение при расколе. Для получения сопоставимых результатов в рамках данного исследования были проведены лабораторные испытания на усталостную долговечность на установке тестирования асфальтобетона MTS [21–24] (рис. 8). Испытания проводились на образцах асфальтобетона, отобранных с участка проведения ускоренных испытаний в соответствии со стандартом КНР-JTG E20-2011¹. При испытании асфальтобетона на раскол температура составляла 15 °С, скорость нагружения — 50 мм/мин. Каждый вид асфальтобетонной смеси подвергался четырем параллельным испытаниям. При испытании на усталостную долговечность в условиях контролируемого напряжения форма сигнала представляла собой полусинусоиду с частотой 10 Гц. В качестве критерия разрушения принималось полное разрушение образца. Каждое испытание проводилось для трех уровней напряжения и трех образцов асфальтобетонной смеси.

Результаты исследования. Температурный режим функционирования дорожной конструкции на участке ускоренных испытаний. Датчики температуры были смонтированы в тестовых конструкциях дорожных одежд на глубине 0,2 и 6 см от поверхности покрытия дороги соответственно (рис. 9).

Автоматический сбор данных осуществлялся каждые 15 минут. На рис. 9 показана кривая изменения температуры на различной глубине конструкции дорожного покрытия. Видно, что температура здесь изменяется совместно с изменением температуры окружающей среды. Температура на глубине 2 см от поверхности покрытия практически в течение всего периода наблюдений выше температуры воздуха и температуры на глубине 6 см.

Анализ температуры, напряжений и деформаций в нижнем слое асфальтобетона. При проведении испытаний на установке ускоренного тестирования данные о растягивающих деформациях на нижней границе нижнего асфальтобетонного слоя собирались в течение каждого дня испытаний. Для обеспечения
точности и достоверности данных о деформации ее регистрация проходила с использованием канала с частотой передачи 2 000 Гц и непрерывной записью отклика продолжительностью не менее трех минут, с возможностью параллельной фиксации информации о температуре.

Максимальное число циклов до появления усталостных трещин при испытании на установке ускоренного тестирования составило 420 000 приложений нагрузки. При этом было установлено, что температура оказывает наибольшее влияние на растягивающие деформации в диапазоне от 140 000 до 240 000 приложений, что видно по данным, представленным на рис. 10, 11.

Как видно на рис. 10 и рис. 11, деформация различных слоев дорожного покрытия изменяется в зависимости от температуры при разном времени нагружения: в конструкции S1 растягивающая деформация в нижней части верхнего слоя покрытия составляет 19,3–39,7 µε, а деформация на нижней границе нижнего слоя асфальтобетона колеблется от 58,3 до 75,6 µε. В конструкции S2 диапазон изменения деформации на нижней границе верхнего слоя покрытия составляет 42,5–64,8 µε, диапазон деформации нижнего слоя асфальтобетона — 59,2–115,37 µε. Деформации растяжения и сжатия на нижней границе нижнего слоя покрытия постепенно уменьшаются с увеличением времени нагружения и сильно зависят от температуры. Изменения на нижней грани нижнего слоя асфальтобетона не очевидны. В конструкции S3 диапазон изменения деформации в нижней части верхнего слоя покрытия составляет 76,2–105,2 µε, диапазон деформации на нижней грани нижнего слоя асфальтобетона составляет 92,8–186,2 µε. Деформация при растяжении нижнего слоя покрытия преимущественно не зависит от температуры.

Диапазон изменения сжимающего напряжения на верхней границе слоя основания составляет 30,2–48,3 кПа, по мере увеличения количества нагружений изменение сжимающего напряжения имеет высокую корреляцию с тенденцией изменения температуры.

Анализ результатов испытаний установкой ударного нагружения FWD. Установка FWD применялась, в первую очередь, для определения фактических значений модулей упругости слоев дорожной конструкции и их изменения в процессе тестирования установкой ускоренных испытаний ALF² в соответствии с методикой backcalculation [25].

Было проведено в общей сложности шесть испытаний установкой FWD. На каждой точке испытания замеры проводились по три раза при одной и той же нагрузке. Затем в качестве характерного перемещения было использовано среднее значение прогиба в центральной точке нагружения за последние два удара. Кривые изменения вертикального перемещения в точке приложения нагрузки в зависимости от числа циклов приложения нагрузки в ходе ускоренных испытаний показаны на рис. 12.

На рис. 12 показано, что величина прогиба в центре приложения нагрузки установкой FWD постепенно увеличивается с увеличением числа нагрузок. В зависимости от температуры и времени загрузки в течение первых 100 000 циклов нагрузки изменение величины прогиба незначительно. Наибольшее изменение величины вертикального перемещения отмечается в диапазоне от 100 000 до 200 000 приложений нагрузки. После 200 000 приложений нагрузки вертикальное перемещение стабилизируется. Поскольку на конструкцию дорожного покрытия воздействуют температура и время нагрузки, прочность конструкции дорожной одежды будет соответственно снижаться, а величина вертикального перемещения — увеличиваться.

Для проверки результатов определения модуля упругости асфальтобетонных слоев с использованием методики backcalculation, базирующейся на результатах испытания установкой динамического нагружения FWD, было проведено дополнительное лабораторное тестирование образцов асфальтобетона с целью определения их динамического модуля упругости³. Фактический динамический модуль упругости, как правило, приводится к стандартному значению, замеренному при температуре 20 °С по формуле 1:

(1)

где E₂₀ — обратно рассчитанный модуль асфальтобетонного слоя при 20 °С, МПа; E_T — обратно рассчитанный модуль упругости асфальтобетонного слоя при фактической температуре, МПа; T — температура, °С.

На рис. 13 представлены результаты определения модуля упругости асфальтобетонного слоя основания в зависимости от количества циклов нагрузки, воспроизведенных при ускоренном тестировании.

На рис. 13 видно, что по мере увеличения количества приложений нагрузки модуль нижнего слоя асфальтобетона различных конструкций дорожного покрытия имеет тенденцию к снижению. На начальном этапе испытания, 0–100 000 приложений нагрузки (нормативная суммарная расчетная нагрузка на ось 0–25,6 млн приложений), модуль упругости нижнего слоя асфальтобетона медленно уменьшается с увеличением количества приложений нагрузки (среднее снижение составляет 5,23 %). Когда количество приложений нагрузки превышает 100 000, скорость снижения модуля упругости нижнего слоя асфальтобетона значительно увеличивается. Модуль упругости нижнего слоя асфальтобетона всех конструкций уменьшается в среднем на 54,87 %.

Анализ испытаний прочности на растяжение при расколе. Как показали результаты испытаний на ускоренное тестирование, усталостные трещины начинают появляться примерно к 350 000 циклу приложения нагрузки. Когда нагрузка достигает 420 000 приложений, наблюдаются усталостные трещины на поверхностном слое асфальтобетона шириной раскрытия до 2 мм и испытание останавливают.

При отборе кернов в местах локализации трещин было установлено, что трещины, как правило, появляются на поверхности покрытия, а не проникают в слои. Большинство из них являются поперечными, проходящими через полосы наката колесной нагрузки, и только малая часть может быть отнесена к нисходящим усталостным трещинам. По результатам лабораторных испытаний образцов асфальтобетона, отобранных на участках ускоренного тестирования, были установлены зависимости прочности на раскол от числа циклов прикладываемой нагрузки.

На рис. 14 показано, что прочность на растяжение при расколе асфальтобетонных смесей в процессе эксплуатации, подвергнутых различному времени ускоренного нагружения, мало изменяется. В целом влияние ускоренного нагружения на прочность на растяжение при расколе асфальтобетонной смеси в процессе эксплуатации незначительно.

Определение расчетного количества циклов асфальтобетона до отказа. В завершении данного исследования в соответствии с нормативным документом КНР JTG D50-2017 «Технические условия на проектирование асфальтобетонного покрытия автомобильных дорог»⁴ и на основе данных, непосредственно полученных авторами данного исследования, с применением метода регрессионного анализа была получена зависимость (2) для прогнозирования предельного количества циклов до наступления усталостного разрушения. Для учета влияния толщины пакета слоев асфальтобетона с применением метода регрессионного анализа и на основе данных, полученных в ходе ускоренных испытаний, была определена зависимость для назначения поправочного коэффициента, представленная на рис. 15.

(2)

(3)

где N_f — количество циклов нагружения на фактической конструкции дорожной одежды автомобильной дороги, циклы; N_alf — количество циклов нагружения на установке ускоренного тестирования ALF, циклы; e_t — величина деформации при растяжении на нижней грани асфальтобетонного слоя, мкε; E — модуль упругости асфальтобетонного слоя, МПа; C₁ — поправочный коэффициент между лабораторными значениями и значениями, полученными на полномасштабной испытательной установке ALF.

Структура зависимости отвечает общему виду, полученному Asphalt institute [14]:

, (4)

где a, b, c — эмпирические коэффициенты, определяемые исходя из лабораторных или полевых испытаний; e — предельная деформация, при которой проводятся испытания; s — параметр жесткости материала.

Анализ характеристик механического отклика. В JTG D50-2017 «Технические условия на проектирование асфальтобетонного покрытия автомобильных дорог» параметр усталостного трещинообразования нижнего слоя асфальтобетона является одним из расчетных показателей, принятых при проектировании. Из-за большей жесткости нижнего слоя асфальтобетона на его нижней границе концентрируются наибольшие растягивающие деформации, что подтверждается результатами, приведенными в данной статье. В рамках численного эксперимента в качестве примера рассматривается конструкция S3 как ключевая контрольная конструкция для расчета деформации при растяжении в нижней части асфальтобетонного покрытия. Расчетная схема дорожной одежды, принятая при моделировании, представлена на рис. 16.

Расчет отклика конструкции выполнен на конечно-элементной модели дорожной конструкции, при этом принята гипотеза о полном сцеплении между всеми конструктивными слоями дорожной одежды. Расчет осуществлен для спаренного колеса автотранспортного средства с нагрузкой на ось 200 кН и давлением 1,1 МПа [25–27]. При подстановке в математическую модель в качестве входных данных использовались модули упругости слоев дорожной одежды, рассчитанные по результатам испытаний установкой ударного нагружения FWD. Результаты сопоставления отклика дорожной конструкции, зарегистрированного при проведении ускоренных испытаний и рассчитанного по методу конечных элементов (МКЭ), приведены на рис. 17.

Судя по данным на рис. 17, из-за влияния температуры окружающей среды и толщины нижнего слоя асфальтобетона расчетное значение деформации в нижней части немного меньше измеренного значения деформации. Однако это может быть объяснено рядом упрощений, принятых в математической модели. В целом результаты натурных испытаний и численного моделирования достаточно близки и характеризуются схожими тенденциями изменения, что свидетельствует об адекватности как постановки натурных испытаний, так и применяемых методов численного моделирования.

Обсуждение и заключение. Одним из основных результатов, представленных в данной статье и отличающихся от итогов ранее проведенных исследований [3–8][14][19][20], является вывод о превалирующем влиянии толщины верхнего слоя основания на величину вертикальной упругой деформации, регистрируемой на поверхности дорожной конструкции, что подтверждается комплексом экспериментальных измерений с использованием установки динамического нагружения с падающим грузом FWD Primax 1500. В аналогичных работах отмечалось, что в наибольшей степени влияние на величину упругого прогиба на поверхности оказывает совокупное влияние толщины нижнего слоя покрытия и верхнего слоя основания.

Также в рамках данного исследования по итогам комплексного анализа результатов испытаний на установке ускоренного тестирования и численных экспериментов на основе известных моделей прогнозирования усталостных разрушений получены зависимости (2) и (3) для осуществления перехода и обеспечения сопоставимости данных результатов. Следует отметить, что коэффициенты, полученные в ходе данной работы для зависимости (2), отличаются от аналогичных известных нам значений, полученных на полигоне MnRoad [14] (рис. 18).

Отличия в коэффициентах в значительной степени обусловлены различиями в правилах подбора асфальтобетонных смесей, а также региональными условиями проведения испытаний. Также следует отметить, что данные коэффициенты несколько ужесточают классическую модель работоспособности, уменьшая прогнозный срок службы дорожных одежд, в сравнении с моделью MnRoad.

Несомненно, данные результаты получены для достаточно ограниченной выборки экспериментов и набора материалов по своим физико-механическим свойствам, соответствующих требованиям к асфальтобетонным смесям, используемым при возведении автомобильных дорог в КНР, и достаточно близким к смесям, применяемым в Российской Федерации. Вместе с тем видится перспективность использования полученных результатов, в дальнейшем работы по калибровке зависимости будут продолжены с учетом данных с тестовых участков эксплуатируемых автомобильных дорог в РФ и КНР.

В ходе лабораторных испытаний на прочность на раскол установлено, что прочность при раскалывании практически не зависит от количества циклов нагружения испытанных асфальтобетонов при проведении ускоренного тестирования.

Полученные результаты могут быть применены для дальнейшей разработки и усовершенствования нормативной базы дорожной отрасли, регламентирующей методы расчета и прогнозирования усталостного трещинообразования.