Штамповые испытания нежестких дорожных конструкций презентация

Теоретические основы оценки несущей способности дорожных конструкций и их элементов
ОСНОВНЫЕ РАСЧЕТНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ НЕЖЕСТКИХ ДОРОЖНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
ВСП
НСП
ВСО
НСО
ДСО
Грунт земляного полотна

Расчетные характеристик слоев асфальтобетона
Упруговязкое деформирование
Плотный мелкозернистый асфальтобетон на БНД 90/130 (по данным Телтаева)

Расчетные характеристик слоев асфальтобетона

Расчетные характеристик слоев асфальтобетона

Расчетные характеристик слоев асфальтобетона

Расчетные характеристик укрепленных слоев оснований

Расчетные характеристик укрепленных слоев оснований

Расчетные характеристик укрепленных слоев оснований

Расчетные характеристик неукрепленных слоев оснований

Расчетные характеристики грунтов земляного полотна

Расчетные характеристики грунтов земляного полотна

Расчетные характеристики грунтов земляного полотна

Механизмы деформирования слоев нежестких дорожных конструкций

Механизмы деформирования слоев нежестких дорожных конструкций

Механизмы деформирования слоев нежестких дорожных конструкций

Штамповые испытания дорожных конструкций в зарубежной практике
Проведение измерений на поверхности неукрепленного слоя с использованием статического штампа
Проведение измерений на поверхности слоя песка с использованием динамического штампа
Оцениваемые параметры:
модуль деформации Ev1,
модуль упругости – Ev2,
условный показатель качества уплотнения Ev2 / Ev1

Штамповые испытания дорожных конструкций в зарубежной практике
Первый нормативный документ – СТ СЭВ 5497-86 «Дороги автомобильные международные. Определение несущей способности дорожных конструкций и их конструктивных слоев установкой динамического нагружения (УДН)
Автор: делегация ГДР в Постоянной Комиссии по сотрудничес­тву в области транспорта.
Основной принцип измерений
Современные нормативные документы:
DIN 18134:2012-04* "Soil - Testing procedures and testing equipment - Plate load test»
ASTM D 1195M – 09 (2015) Standard Test Method for Repetitive Static Plate Load Tests of Soils and Flexible Pavement Components, for Use in Evaluation and Design of Airport and Highway Pavements

Штамповое оборудование для статического нагружения
Статический штамп Infratest
Статический штамп HMP PDG

Штамповое оборудование для статического нагружения

Штамповое оборудование для статического нагружения

Штамповое оборудование для динамического нагружения
ZORN ZFG 3000 GPS
HMP LFG 3000 GPS

Штамповое оборудование для динамического нагружения

Штамповое оборудование для динамического нагружения

Штамповое оборудование для динамического нагружения

Нормативное обеспечение

Основные положения СТО АВТОДОР 10.3-2014

Основные положения СТО АВТОДОР 10.3-2014

Основные положения СТО АВТОДОР 10.3-2014

Требования к модулю упругости на поверхности грунта земляного полотна и морозозащитного слоя основания в ФРГ
E> 45 МПА
E> 120 МПА
Относительный показатель уплотнения – не менее 2.5

Традиционные подходы к оценке прочности дорожных конструкций в России
Неразрушающий метод:
Определение общего модуля упругости дорожной конструкции методом статического нагружения
Определение общего модуля упругости дорожной конструкции методом динамического нагружения
НЕДОСТАТКИ
Невозможно оценить несущую способность конструктивных элементов (покрытия, основания, грунта земляного полотна) дорожной одежды

Нормативная база РФ для оценки прочности нежестких дорожных конструкций

E2
E3
E1
Eобщ
Снижение общего модуля упругости в процессе эксплуатации дорожной конструкции

Разрушающий метод:
Отбор кернов асфальтобетонного покрытия
Устройство вырубок дорожной конструкции с послойным отбором и проведением лабораторных испытаний материалов конструктивных слоев дорожной одежды
НЕДОСТАТКИ
Высокая трудоемкость работ
Нарушение сплошности покрытия дорожной одежды

Традиционные подходы к оценке прочности дорожных конструкций за рубежом
FWD Dynatest
FWD JILS
FWD Primax
FWD KUAB

Отличия между подходами к оценке прочности дорожных конструкций в РФ и за рубежом

Документы, регламентирующие регистрацию чаши прогибов дорожной одежды, с использованием установки динамического нагружения FWD

Документы, регламентирующие регистрацию чаши прогибов дорожной одежды, с использованием установки динамического нагружения FWD

Документы, регламентирующие регистрацию чаши прогибов дорожной одежды, с использованием установки динамического нагружения FWD
Первый отечественный документ регламентирующий проведение работ по регистрации чаш прогибов дорожных конструкций с использованием установки динамического нагружения FWD, и определение модулей упругости слоев дорожных конструкций на стадии эксплуатации.

Актуальность СТО АВТОДОР 10.1 – 2013 «Определение модулей упругости слоев эксплуатируемых дорожных конструкций с использованием установки ударного нагружения» обусловлена:
Отсутствием в отечественной практике методов оценки модулей упругости слоев эксплуатируемых нежестких дорожных конструкций
Необходимостью выбора рациональных мероприятий при капитальном ремонте или реконструкции эксплуатируемой автомобильной дороги, позволяющих ликвидировать причину снижения прочности дорожных конструкций
Формированием нового подхода к управлению состоянием дорожных конструкций

Формирование нового подхода к оценке модулей упругости слоев эксплуатируемых нежестких дорожных конструкций на автомобильных дорогах Государственной компании «Российские автомобильные дороги» в рамках действующей нормативной базы Российской Федерации
Цель разработки СТО АВТОДОР 10.1 – 2013 «Определение модулей упругости слоев эксплуатируемых дорожных конструкций с использованием установки ударного нагружения» :

Теоретические предпосылки оценки состояния элементов дорожной конструкции на основе анализа чаши прогиба
Решение Бурмистера (Burmister, 1943) для определения напряженно-деформированного состояния многослойного полупространства при воздействии статической нагрузки.
Метод Одемарка-Буссинеска – Метод эквивалентных толщин (Method equivalent thicknesses MET):
Программные комплексы:
Evercalc;
Wesdef;
WinJulea;
Circly
Программные комплексы:
Rosy Design
Elmod
Линейная статическая теория упругости

Все слои являются линейно-упругими;
Все слои обладают сплошностью
(отсутствуют трещины, расслоения и.т.д);
Все слои являются изотропными;
Деформации на поверхности слоев,
возникающие при приложении
расчетной нагрузки, малы по сравнению
с толщинами слоев.
Положения статической теории упругости, принимаемые при анализе напряженно-деформированного состояния дорожной конструкции
E1, μ1,ρ1
E2, μ2,ρ2
E3, μ3,ρ3
E4, μ4,ρ4
h1
h2
h3
h4
q

Метод эквивалентных толщин
1896 год – Решение Буссинеска для анализа напряженно-деформированного состояния однородного полупространства
1949 год – Разработка метода Одемарка, расширяющего область применения решения Буссинеска для многослойных сред.
h1 E1 ν1
E2 ν2
E2 ν2
he E2 ν2

Теоретические предпосылки оценки состояния элементов дорожной конструкции на основе анализа чаши прогиба
d(r,0)
d (r,Z)= d (0,Z)
E1, h1
E2, h2
E3, h3
E4, h4
r
Z
p

Теоретические предпосылки оценки состояния элементов дорожной конструкции на основе анализа чаши прогиба
0 – 0,25 м – зона, характеризующая состояние слоев покрытия дорожной конструкции

Теоретические предпосылки оценки состояния элементов дорожной конструкции на основе анализа чаши прогиба
0,25 – 1,25 м – зона, характеризующая состояние слоев основания дорожной конструкции

Теоретические предпосылки оценки состояния элементов дорожной конструкции на основе анализа чаши прогиба
1,25 - 2,5 м – зона, характеризующая состояние слоев покрытия и основания дорожной конструкции

Теоретические предпосылки оценки состояния элементов дорожной конструкции на основе анализа чаши прогиба
Зависимость свойств асфальтобетона от температуры (Европа)

Теоретические предпосылки оценки состояния элементов дорожной конструкции на основе анализа чаши прогиба
Зависимость свойств асфальтобетона от времени нагружения и от температуры (США)
Динамический модуль упругости асфальтобетона, МПа
Частота нагружения, log, Гц
-27°С
4.5°С
21°С
30°С
38°С
Главная кривая

Регистрация чаши прогиба дорожной конструкции с использованием установки ударного нагружения FWD
FWD PRIMAX – двухосный прицеп с инерциальным тормозом. Вес прицепа около 1180 кг с одним слоем пригрузов (с 11-ю слоями около 1580 кг).
Регистрация чаши прогибов производится с использованием датчиков – геофонов.

Регистрация чаши прогиба дорожной конструкции с использованием установки ударного нагружения FWD
V = 60 км/час
P = 50 кН

Регистрация чаши прогиба дорожной конструкции с использованием установки ударного нагружения FWD
Диапазон прикладываемой ударной нагрузки на покрытие
2 – 150 кН (стандартная нагрузка – 50 кН)
t = 30 мс
P = 50 кН
Импульс нагружения

Регистрация чаши прогиба дорожной конструкции с использованием установки ударного нагружения FWD
Аппаратная часть
Программная часть
Амплитуда
Наложение на сигнал фильтра Баттерворда
Аналогово-цифровой преобразователь
Фильтрация
Преобразование Фурье
Изменение прогиба поверхности дорожной конструкции во времени

Пример конфигурации установки датчиков-геофонов для регистрации чаши прогиба на поверхности дорожной конструкции

Регистрация чаши прогиба дорожной конструкции с использованием установки ударного нагружения FWD

Регистрация чаши прогиба дорожной конструкции с использованием установки ударного нагружения FWD
Производительность установки – 15 км / смену
Количество персонала – 1 водитель + 1 инженер
Испытания дорожных конструкций рекомендуется проводить в течение расчетного периода года

План работ по регистрации чаши прогибов дорожной конструкции с использованием установки FWD
Подготовительные работы:
Включают сбор следующих данных:
-Местоположение и длина участка проведения испытаний
Категория автомобильной дороги
Ширина и количество полос движения в каждом направлении
Проектные данные о дорожной конструкции (толщины слоев, модули упругости слоев)
Проведение измерений с использованием установки FWD:
Калибровка установки FWD на участке проведения регистрации чаши прогибов дорожной конструкции
Измерение температуры покрытия дорожной конструкции
- Соврешение цикла ударных нагружений

Регистрация чаши прогиба дорожной конструкции с использованием установки ударного нагружения FWD
1. Калибровка установки FWD:
Перед началом проведения испытаний необходимо произвести калибровку установки FWD, состоящую в проведении серии тестовых ударных испытаний, в ходе которых производится подбор высоты сброса груза, для обеспечения итоговой нагрузки на покрытие 50 кН и времени действия импульса нагружения, составляющего 0.03 с (функция автоматической калибровки установки FWD существует в специализированных программных комплексах, поставляемых с данными установками).

Регистрация чаши прогиба дорожной конструкции с использованием установки ударного нагружения FWD
2. Задается необходимая нагрузка и количество ударов на каждой точке.

Регистрация чаши прогиба дорожной конструкции с использованием установки ударного нагружения FWD
3. Производится измерение температуры покрытия дорожной одежды
В покрытии дорожной одежды высверливается отверстие (глубиной 5 см) и устанавливается сенсор температуры смонтированный на FWD приблизительно на 2 минуты (Данную процедуру рекомендуется повторять каждый час).
Помимо ручного сенсора температуры на FWD смонтированы датчик температуры воздуха, и датчик температуры покрытия.
Ручной сенсор температуры

Регистрация чаши прогиба дорожной конструкции с использованием установки ударного нагружения FWD
4. Совершение удара
Балка с датчиками геофонами опускается на поверхность покрытия дорожной одежды и производится сброс груза:
По завершении серии сбросов груза строится экспериментальная чаша максимальных динамических прогибов на участке измерений

Регистрация чаши прогиба дорожной конструкции с использованием установки ударного нагружения FWD
Экспорт результатов регистрации чаши прогиба
FWD = формат Grontmij
PDDX = формат AASHTO
F25 = формат US (обычный)
Flat = формат Excel
ANA = спец. формат
Grontmij FWD

МЕТОД «ОБРАТНОГО» РАСЧЕТА МОДУЛЕЙ УПРУГОСТИ СЛОЕВ ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ ДОРОЖНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
I этап: Регистрация экспериментальной чаши прогибов дорожной конструкции
II этап: Построение расчетной чаши
прогибов дорожной конструкции
III этап: Определение модулей упругости слоев дорожной конструкции на этапе эксплуатации

Аналитико-эмпирический метод оценки модулей упругости конструктивных элементов нежестких дорожных одежд

Программные комплексы для оценки модулей упругости слоев эксплуатируемых нежестких дорожных конструкций

Параметры дорожной конструкции
Модули упругости слоев дорожной конструкции (по ОДН 218.046-01), МПа
Толщины слоев дорожной конструкции, см
Параметры ударного воздействия
Задаются аналогично уровню
нагружения FWD
В статической постановке
(Rosy Design) – нагрузка P, кН
В динамической постановке (АЭМ) – высота падения груза - h,
масса груза – m,
форма импульса нагружения
Параметры исследуемой области
Координаты точек наблюдения должны соответствовать местоположению датчиков-регистраторов прогиба при проведении экспериментальных замеров.
Входные данные для построения расчетной чаши прогибов дорожной конструкции

Выполнение «обратного» расчета в программном комплексе Primax
Панель для выполнения расчета модулей упругости
Участки на которых произведена регистрация экспериментальной чаши прогибов

Выполнение «обратного» расчета в программном комплексе Primax
1. Внесение данных об участке автомобильной дороги на котором производилась экспериментальная регистрация чаш максимальных динамических прогибов

Выполнение «обратного» расчета в программном комплексе Primax
2. Внесение данных о дорожной конструкции на участке автомобильной дороги, для которого выполняется оценка модулей упругости слоев
1
3
2
1- Конструкции дорожной одежды на различных участках оцениваемой автомобильной дороги
4
2- Наименование материала слоя параметры которого вносятся в данный момент.
3- Модуль упругости слоя, МПа (в примере принят в виде средневзвешенного значения пакета асфальтобетонных слоев по ОДН 218.046-01)
4 – Плотность слоя, кг/м^3

3. Запуск расчета модулей упругости слоев эксплуатируемой дорожной конструкции
Выполнение «обратного» расчета в программном комплексе Primax
Количество участков
Количество экспериментально зарегистрированных чаш прогибов

Выполнение «обратного» расчета в программном комплексе Primax
4. Сопоставление расчетных и экспериментальных чаш прогибов
Экспериментальная чаша прогибов
Расчетная чаша прогибов

Определяется модуль упругости грунта земляного полотна, как среднее арифметическое значений модулей упругости, рассчитанных по формуле , на расстоянии 0. 9 – 2.5 м от точки приложения нагрузки.
ν – коэффициент Пуассона,
a – радиус области контакта, мм
σ0 - нагрузка, передаваемая на покрытие, кН
r – расстояние на котором зараегистрован прогиб, мм
dr- величина прогиба, мм
2. Осуществляется итеративная процедура подбора модулей упругости слоя основания и покрытия дорожной одежды до достижения соответствия между расчетной и экспериментальной чашами прогибов.
Выполнение «обратного» расчета в программном комплексе Primax
4. Сопоставление расчетных и экспериментальных чаш прогибов

Выполнение «обратного» расчета в программном комплексе Primax
5. Вывод отчета о результатах определения модулей упругости слоев дорожной конструкции

Современное отечественное оборудование для диагностики дорожных конструкций
методом ударного нагружения
Модернизированная установка ДИНА-3М, разработанная ОАО СНПЦ «РОСДОРТЕХ», снабженная датчиками –акселерометрами, устанавливаемыми на различных расстояниях от точки ударного воздействия для регистрации чаши динамических прогибов
Мобильный виброизмерительный комплекс ВИК-1, разработанный РГСУ .
Установка динамического нагружения УДК-3, разработанная МАДИ

Отечественный программный комплекс для «обратного» расчета модулей упругости
слоев дорожных конструкций на стадии эксплуатации «АЭМ»

Отечественный программный комплекс для «обратного» расчета модулей упругости
слоев дорожных конструкций на стадии эксплуатации «АЭМ»

Оценка модулей упругости слоев эксплуатируемых дорожных конструкций участков автомагистрали М4 «ДОН»
Оценка модулей упругости слоев эксплуатируемой дорожной конструкции осуществлялась на автомобильной дороге М4 «ДОН» км 1054+000 – 1061+000

Оценка модулей упругости слоев эксплуатируемых дорожных конструкций участков автомагистрали М4 «ДОН»

Оценка модулей упругости слоев эксплуатируемых дорожных конструкций участков автомагистрали М4 «ДОН»
Экспериментальная и расчетная чаши динамических прогибов на км 1055+000 (направление на Ростов-на-Дону) до корректировки (при проектных значениях модулей упругости E1 = 2500, E2 = 300, E3 = 41)
Экспериментальная и расчетная чаши динамических прогибов на км 1055+000 (направление на Ростов-на-Дону) после корректировки (при расчетных значениях модулей упругости E1 = 1800 МПа, E2 = 300 МПа, E4 = 41 МПа.

Оценка модулей упругости слоев эксплуатируемых дорожных конструкций участков автомагистрали М4 «ДОН»
Экспериментальная и расчетная чаши динамических прогибов на км 1057+000 (направление на Ростов-на-Дону) до корректировки (при проектных значениях модулей упругости E1 = 2500, E2 = 300, E3 = 41)
Экспериментальная и расчетная чаши динамических прогибов на км 1057+000 (направление на Ростов-на-Дону) до корректировки (при проектных значениях модулей упругости E1 = 1100, E2 = 100, E3 = 30)

Оценка модулей упругости слоев эксплуатируемых дорожных конструкций участков автомагистрали М4 «ДОН»
Экспериментальная и расчетная чаши динамических прогибов на км 1059+000 (направление на Ростов-на-Дону) до корректировки (при проектных значениях модулей упругости E1 = 2500, E2 = 300, E3 = 41)
Экспериментальная и расчетная чаши динамических прогибов на км 1059+000 (направление на Ростов-на-Дону) до корректировки (при проектных значениях модулей упругости E1 = 2000 E2 = 110, E3 = 20)

Оценка модулей упругости слоев эксплуатируемых дорожных конструкций участков автомагистрали М4 «ДОН»
Экспериментальная и расчетная чаши динамических прогибов на км 1061+000 (направление на Ростов-на-Дону) до корректировки (при проектных значениях модулей упругости E1 = 2500, E2 = 300, E3 = 41)
Экспериментальная и расчетная чаши динамических прогибов на км 1061+000 (направление на Москву) после корректировки (при проектных значениях модулей упругости E1 = 1300, E2 = 150, E3 = 35)

Оценка модулей упругости слоев эксплуатируемых дорожных конструкций участков автомагистрали М4 «ДОН»

Оценка модулей упругости слоев эксплуатируемых дорожных конструкций участков автомагистрали М4 «ДОН» Расчет модулей упругости слоев эксплуатируемых дорожных конструкций на обследованных участках показал:
Снижение несущей способности дорожной конструкции на участке км 1055+000 связано в первую очередь со снижением модуля упругости слоя асфальтобетона до 1800 МПа, относительно нормативного значения.
На участке км 1057+000 и 1061+000 выявлено снижение модулей упругости всех элементов дорожной конструкции (покрытия, основания, грунта земляного полотна) относительно нормативных значений;
Наиболее ослабленным элементом дорожной конструкции на участке км 1059+000 является основание дорожной конструкции, модуль упругости которого составляет 110 МПа

Адекватность получаемых результатов оценки модулей упругости слоев дорожной конструкции
Достоверность и адекватность получаемых результатов подтверждается хорошей сходимостью значений статического упругого прогиба, замеренного в ходе полевых испытаний с использованием длиннобазового рычажного прогибомера, и значений прогиба, рассчитанных с учетом модулей упругости слоев дорожной одежды, полученных на основе разработанного метода.

Область применения СТО АВТОДОР 10.1 – 2013 «Определение модулей упругости слоев эксплуатируемых дорожных конструкций с использованием установки ударного нагружения» :
распространяется на оценку модулей упругости слоев эксплуатируемых дорожных конструкций (нежестких дорожных одежд) автомобильных дорог, находящихся в доверительном управлении Государственной компании «Российские автомобильные дороги».
определяет основные положения оценки модулей упругости слоев эксплуатируемых дорожных конструкций, регламентирует проведение экспериментального обследования дорожных конструкций с использованием установок динамического нагружения типа FWD, устанавливает общие требования к организации работ по оценке модулей упругости слоев дорожной конструкции на текущем этапе эксплуатации
стандарт следует рассматривать как составную часть единого подхода к оценке остаточного ресурса нежестких дорожных конструкций автомобильных дорог Государственной компании, отраженного в СТО АВТОДОР 2.4-2013 «Оценка остаточного ресурса нежестких дорожных конструкций автомобильных дорог Государственной компании «Российские автомобильные дороги».

Направления развития методов обеспечения качества с использованием штамповых методов
Контроль однородности модуля упругости и относительного показателя уплотнения на поверхности грунта земляного полотна
Контроль однородности модуля упругости и относительного показателя уплотнения на поверхности неукрепленного основания дорожной конструкции
Контроль однородности модуля упругости на поверхности укрепленных слоев основания
Контроль однородности модулей упругости конструктивных слоев нежестких дорожных одежд с использованием установки ударного нагружения FWD

Влияние неоднородности прочности конструкции на ее напряженно-деформированное состояние

Программа верификации и оценки деформативных параметров слоев нежестких дорожных конструкций

Обеспечение и контроль качества устройства слоев нежестких дорожных конструкций

Актуальность оценки усталостной долговечности асфальтобетонов и динамического модуля упругости в лабораторных условиях
Табличные значения
Регрессионные зависимости
Лабораторные испытания

Лабораторное оборудование для определения усталостной долговечности асфальтобетона
a
б
а – испытания на непрямое растяжение;
б- испытания на прямое растяжение

Методика экспериментальной оценки усталостной долговечности асфальтобетона ПНСТ 135-2016 Дороги автомобильные общего пользования. Смеси асфальтобетонные дорожные и асфальтобетон. Метод определения усталостной прочности при многократном изгибе.
ОДМ 218.3.018-2011 Методические рекомендации по определению усталостной долговечности асфальтобетонных покрытий
Подготовка испытательных образцов
Термостатирование образца при температуре не менее 20 °C+0.5
Определяется начальная жесткость образца при приложении 50 циклов нагрузки с уровнем деформации 250-750мкм/м
Испытание образца в ходе не менее чем 10000 циклов приложения нагрузки, пока жесткость образца не снизится более чем на 50 %
Обработка результатов измерений

Результаты лабораторных испытаний асфальтобетонов на усталостную долговечность
Асфальтобетон с ПДА-добавкой
Асфальтобетон без ПДА-добавки

Методика экспериментальной оценки динамического модуля упругости ПНСТ 133-2016 Дороги автомобильные общего пользования. Смеси асфальтобетонные дорожные и асфальтобетон. Метод определения динамического модуля упругости
Подготовка испытательных образцов
Термостатирование образцов до тестовых температур:
-10 °C; 4,4 °C; 21,1 °C; 37,8 °C и 54 °C
Закрепление образца в испытательной установке и проведение испытаний с частотой 0,1; 0,5; 1; 5; 10 и 25 Гц для каждой из перечисленных температур
Обработка результатов испытаний с вычислением динамического модуля упругости |E*(ω)| и фазового угла Θ(ω), пользуясь данными по конкретным частотам нагрузки (ω).