розділ 2. РОЗРОБКА МЕТОДУ РОЗРАХУНКУ ТОНКОШАРОВОГО ЕМУЛЬСІЙНО-МІНЕРАЛЬНОГО ПОКРИТТЯ ЗА МІЦНІСТЮ І РІВНІСТЮ
У даній роботі ТЕМП розглядається як відновлення та зміцнення поверхні існуючих покриттів дорожніх одягів з метою запобігання водопроникненню та поліпшення транспортно-експлуатаційних властивостей. Такі покриття складаються з композиту, який формується при відповідних технологічних операціях змішування, розподілу, самоущільнення, ущільнення і доущільнення литої емульсійно-мінеральної суміші. Склад і технологія інтегрально визначають макроскопічні властивості матеріалу ТЕМП.
Всебічний аналіз стану справ у проектуванні ТЕМП виявив необхідність створення на єдиній методологічній основі методики їх розрахунку по намічених конструкціях. Розраховувати товщину ТЕМП пропонується із умов досягнення граничного стану (виникнення пластичних деформацій, руйнувань, незадовільної рівності, недостатнього зчеплення і т.п.), що у значній мірі визначається його напружено-деформованим і експлуатаційним станами. Граничні стани тонкошарового покриття пропонується здійснювати на основі моделей, які дозволяють сформулювати механічні і транспортно-експлуатаційні критерії. Передбачається, що два стани покриття будуть еквівалентними, якщо напруження, деформації чи показники його транспортно-експлуатаційних властивостей, підраховані по будь-якому критерію, будуть однакові.
Для розробки методу розрахунку необхідно розв'язати наступні задачі: 1) уточнити критерії розрахунку, що намічені у п. 1, та визначити місця концентрації і величину розрахункових напружень на основі аналізу напружено-деформованого стану тонкошарових покриттів дорожніх одягів; 2) розробити методи визначення розрахункових параметрів; 3) встановити аналітичну залежність для розрахунку товщини тонкошарового покриття з урахуванням нерівності його поверхні та основи. Вирішення цих проблем повинно враховувати особливості технології влаштування ТЕМП і конструкції існуючого дорожнього одягу, пружньо-в'язкі властивості матеріалу з литої емульсійно-мінеральної суміші, умови його експлуатації (вплив води, старіння, дія навантаження, тощо).
2.1. Уточнення виду та визначення величини розрахункових параметрів на основі аналізу напружено-деформованого стану тонкошарового покриття дорожніх одягів
Мета аналізу полягає у встановленні якісних та кількісних закономірностей роботи тонкошарових покриттів у конструкціях дорожніх одягів жорсткого та нежорсткого типів та визначенні значень напружень, що мають практичне значення при їх розрахунку. Для цього вивчено вплив відношення модулів шару та основи, товщини покриття, умов взаємодії на контактній поверхні на напружено-деформований стан конструкції. Засобом досягнення мети є програма LESY_NDS, яка реалізує точний розв'язок теорії пружності для багатошарового напівпростору, отриманого проф. А.К. Приварніковим [99].
Дорожній одяг розглядається як багатошарова конструкція, що складена з n-шарів. Для аналізу НДС тонкошарових покриттів існуючий дорожній одяг приводиться до еквівалентного по жорсткості шару основи, тобто реальна конструкція без втрати точності приводиться умовно до двошарової моделі (рис. 2.1) у циліндричній системі координат.
Кожний шар моделі дорожнього одягу (i=1; 2) характеризується модулем пружності Ei, коефіцієнтом Пуасона ?i і товщиною hi (причому h2=?). Сполучення покриття та напівпростору (існуючого дорожнього одягу) характеризується як спайним, так і гладким контактом. На поверхні першого шару діє рівномірно розподілене по площі кола діаметром D=2R вертикальне навантаження інтенсивністю p. При обчисленнях у всіх випадках прийнято р=0,6 МПа, D=37 см, ?1=0,25, ?2=0,35, що відповідає значенням розрахункового навантаження на вісь 100 кН (автомобілі групи А) і середнім величинам коефіцієнта Пуасона дорожньо-будівельних матеріалів.
Особливістю аналізу з точки зору розрахунку дорожніх одягів є дослідження у межах h1/D ? 0,1, що за даних умов навантаження, характеризує роботу тонкошарового покриття нежорстких дорожніх одягів товщиною 1 см ?h1 ?4 см. Для порівняння розглянуто також h1 =6 см. Таким чином, охоплено діапазон товщин покриття h1/D ? [0,027; 0,108].
В якості об'єктів дослідження прийнято конструкції дорожнього одягу: жорсткого типу з відношенням модулів шарів ?=E1/E2=0,5, напівжорсткого - ?=1, 5, та нежорсткого - ?=10, 20. У нежорсткій конструкції матеріал покриття моделюється від слабозв'язного до монолітного.
Напруження, переміщення і деформації у верхньому шарі моделі розглянуто як функцію виду контакту покриття з основою, координат r і z, ? і відносної товщини h1 /D. По глибині покриття z ? [0, h1]. При розрахунках координату r змінювали у межах 0? r ? 2,62D так, щоб охопити площадку, де шар під дією навантаження відстає від основи.
Виконаний на персональному комп'ютері детальний розрахунок дозволив встановити кількісну оцінку напружено-деформованого стану тонкошарових покриттів (рис. 2.2 - 2.4). Аналіз результатів показує, що як і для покриттів традиційної товщини, найбільш напружені зони тонких покриттів є контактні поверхні під діючим навантаженням (рис. 2.2 - 2.7), що в цілому співпадає з відомими закономірностями [74].
Із аналізу розподілу вертикальних нормальних напружень слідує, що на границі покриття - основа напруження досягають найбільшого значення по осі дії навантаження при малих h1/D (див. рис. 2.2). Швидкість їх затухання незначно залежить від відносної товщини і трохи зростає з її збільшенням. Величина ?z/p на нижній поверхні покриття змінюється у межах 0,98?1. Це дає підстави говорити про низьку розподільчу здатність тонкошарових покриттів дорожніх одягів.
З позицій теорії пружності по величині коефіцієнту напружень ?z max/p можна дати точне визначення умов переходу звичайних покриттів у тонкошарові. Тонкошаровим слід вважати таке покриття, у якого здатність розподіляти вертикальне нормальне напруження не перевищує 2 % від тиску на поверхні, тобто справджується умова
.