Отраслевой дорожный методический документ ОДМ 218.2.024-2012 "Методические рекомендации по оценке прочности нежестких дорожных одежд"

Предисловие

1 Разработан Московским автомобильно-дорожным государственным техническим университетом (МАДИ).

2 Внесен Управлением эксплуатации и сохранности автомобильных дорог Федерального дорожного агентства.

3 Издан на основании распоряжения Федерального дорожного агентства от 05.05.2012 N 255-р.

4 Имеет рекомендательный характер.

5 Введен впервые.

1 Область применения

1.1 Настоящий отраслевой дорожный методический документ (далее - методический документ) разработан в дополнение к действующим отраслевым дорожным нормам ОДН 218.1.052-2002 с целью упрощения процесса измерения прочности при проведении измерений на автомобильных дорогах значительной протяженности.

Методический документ содержит дополнения, направленные на обеспечение единства измерений при выполнении работ устройствами динамического нагружения, отличающимися конструктивными особенностями и параметрами динамического воздействия. Данный документ разработан для обеспечения возможности выполнения измерений прочности в нерасчетный период года, когда влажность земляного полотна в значительной степени отличается от расчетной и не имеется технической возможности откорректировать результаты измерения прогибов с учетом фактического состояния влажности подстилающего грунта. Также в нем представлены методы коррекции результатов измерений с учетом температуры связных слоев и степени их разрушения.

1.2 Данный документ содержит методические рекомендации по измерению прочности дорожных одежд методом динамического нагружения. Он может быть использован для оценки состояния дорожных одежд нежесткого типа при:

- проведении поверочных и корреляционных испытаний приборов динамического нагружения, предназначенных для определения модулей упругости дорожных одежд нежесткого типа;

- выполнении диагностики и паспортизации автомобильных дорог;

- проведении приемочных испытаний вновь построенных и отремонтированных дорожных одежд;

- решении вопроса об усилении существующих дорожных одежд.

1.3 Настоящий методический документ предназначен для организаций, проводящих обследования и испытания дорожных одежд с целью оценки их прочности.

2 Нормативные ссылки

В настоящем методическом документе использованы ссылки на следующие документы:

ГОСТ Р 50597-93 Автомобильные дороги и улицы. Требования к эксплуатационному состоянию, допустимому по условиям обеспечения безопасности дорожного движения

ГОСТ Р 52398-2005 Классификация автомобильных дорог. Основные параметры и требования

ГОСТ Р 52748-2007 Дороги автомобильные общего пользования. Нормативные нагрузки, расчетные схемы нагружения и габариты приближения

3 Термины и определения

В настоящем методическом документе применены следующие термины с соответствующими определениями:

3.1 дорожная одежда: Конструкция, состоящая из покрытия и основания, предназначенная для передачи колесной нагрузки на рабочий слой земляного полотна.

3.2 нежесткая дорожная одежда: Дорожная одежда, конструктивные слои которой выполнены без применения в качестве вяжущего цемента.

3.3 покрытие: Верхняя часть дорожной одежды, устраиваемая на дорожном основании и предназначенная для восприятия нагрузки от транспортных средств и защиты дорожной одежды от атмосферных воздействий.

3.4 основание: Одно- либо многослойная конструкция, совместно с покрытием обеспечивающая снижение нагрузки от транспортных средств и передающая ее на расположенные ниже дополнительные слои основания либо на грунт земляного полотна.

3.5 подстилающий грунт земляного полотна: Расположенный под дорожной одеждой верхний слой земляного полотна, испытывающий деформации от действующей на дорожную одежду нагрузки.

3.6 связные слои дорожной одежды: Слои, выполненные с применением вяжущих материалов.

3.7 прочность дорожной одежды: Свойство, характеризующее способность конструкции под воздействием многократно повторяющихся нагрузок от движущихся транспортных средств сохранять требуемую ровность покрытия в течение заданного срока службы.

3.8 модуль упругости: Параметр, определяемый величиной деформации под воздействием нагружения, используется для характеристики прочности дорожных одежд.

3.9 оценка прочности дорожной одежды по упругому прогибу: Способ, при котором к дорожному покрытию прикладывается вертикально действующая нагрузка, создающая упругий прогиб, по величине которого рассчитывается модуль упругости.

3.10 оценка прочности дорожной одежды статическим нагружением: Метод, основанный на определении модуля упругости дорожной одежды при статическом воздействии на нее нагрузки от колеса автомобиля либо штампа.

3.11 оценка прочности дорожной одежды динамическим нагружением: Метод оценки прочности, основанный на определении модуля упругости дорожной одежды при динамическом воздействии на нее штампа либо пневматического колеса; в большинстве известных приборов динамическое воздействие создается падающим с определенной высоты грузом на упругий элемент, формирующий динамический импульс с требуемыми параметрами.

3.12 уровень надежности: Показатель, характеризующий вероятность безотказной работы дорожной одежды с допустимыми параметрами ровности покрытия в течение межремонтного периода.

3.13 коэффициент прочности: Отношение допускаемого при нагружении прогиба к фактическому либо измеренного модуля упругости к требуемому.

3.14 расчетный период года: Наиболее неблагоприятный доя дорожной одежды период года (обычно весенний), когда вследствие разуплотнения при оттаивании и переувлажнения грунта земляного полотна дорожная одежда работает с максимальными прогибами.

4 Требования к приборам, динамического нагружения

4.1 Приборы динамического нагружения должны создавать на дорожную одежду динамическое воздействие с требуемыми параметрами и обеспечивать возможность измерения упругого прогибав центре чаши прогиба с погрешностью, не превышающей % от измеряемой величины. Приборы динамического нагружения могут быть как навесными, смонтированными на автомобиле, так и прицепного типа.

4.2 Рабочий орган прибора, передающий динамическое воздействие на дорожную одежду, может быть выполнен в виде пневматического колеса либо жесткого штампа. При использовании жесткого штампа его конструкция должна обеспечивать при выполнении измерений плотное прилегание штампа к дорожной поверхности, что может быть достигнуто предварительным прижатием штампа к покрытию и обеспечением возможности его угловых перемещений.

4.3 При выполнении измерения энергия динамического воздействия рабочего органа установки на дорожную одежду не должна быть менее 400 Дж.

4.4 В случае использования жесткого штампа пластина, передающая динамическое воздействие на покрытие, должна иметь форму круга, а ее диаметр должен быть в пределах 33-34 см. Для равномерного распределения давления по площади контакта штампа с покрытием нижняя его поверхность должна иметь резиновую прокладку толщиной 5-10 мм.

4.5 Прогиб дорожной одежды должен регистрироваться с использованием датчика ускорения либо перемещения. Результаты измерений прогиба не должны зависеть от диаметра и формы его чаши. Применяемый для регистрации прогиба датчик должен фиксировать полосу частот не менее 500 Гц.

4.6 При использовании в качестве измерительного элемента датчика ускорения с целью предотвращения отрыва датчика от покрытия сила, прижимающая корпус датчика к покрытию, должна создаваться пружинами либо другими упругими элементами, предотвращающими отрыв датчика от покрытия при ускорениях до 30 g. В связи с этим вертикальная сила, прижимающая датчик к покрытию, должна не менее чем в 30 раз превышать массу датчика вместе с его корпусом.

4.7 Продолжительность динамического воздействия капсулы прибора на дорожную одежду должна находиться в пределах от 0,015 до 0,030 с.

4.8 Усилие динамического воздействия, передаваемое упругим элементом установки, должно быть пропорционально его прогибу, что может быть достигнуто использованием в качестве упругого элемента различного вида пружин.

4.9 Скольжение падающего груза по направляющим должно осуществляться с минимальным трением, высота повторного падения груза после его взаимодействия с упругим элементом и отскока должна составлять не менее 0,7 от первоначальной высоты падения.

4.10 Регистрирующая аппаратура должна обеспечивать возможность фиксации прогиба дорожной одежды во времени с погрешностью, не превышающей %.

4.11 Среднее значение усилия воздействия штампа на дорожную одежду (рисунок 1) необходимо определять с учетом потерь на трение в системе нагружения с использованием зависимости

, (1)

где - масса груза, кг;

- масса штампа, кг;

g - ускорение свободного падения, м/с ²;

h - высота падения груза, м;

- прогиб упругого элемента при динамическом нагружении, м.

4.12 Модуль упруго сти должен определяться по величине упругого прогиба с использованием зависимости

, (2)

где Р - удельное давление штампа в зоне контакта с покрытием, МПа;

D - диаметр штампа, м;

- величина измеренного упругого прогиба, м;

- коэффициент Пуассона (0,3 для дорожных одежд).

При известной величине среднего значения усилия штампа установки на дорожную одежду модуль упругости по измеренному прогибу определяется по формуле

, (3)

где - среднее усилие воздействия штампа на дорожную одежду, Н;

- прогиб дорожной одежды, мм.

1 - падающий груз; 2- штамп; h - высота падения груза;

- прогиб упругого элемента под динамической нагрузкой

Рисунок 1 - Схема воздействия падающего груза через упругий элемент на дорожную одежду

4.13 Наиболее точно значение силы воздействия штампа установки динамического нагружения на дорожную одежду может быть определено при помощи стенда, описание которого приведено в приложении А.

5 Учет влияния температуры связных слоев дорожных одежд на величину динамического прогиба

5.1 При динамическом нагружении температура несвязных слоев не оказывает существенного влияния на прочностные характеристики дорожной одежды. В связи с этим прогибы дорожных одежд и оснований, не имеющих слоев, выполненных с применением вяжущих материалов, не требуют коррекции по температуре.

5.2 Температура связных слоев дорожной одежды в значительной степени определяет их упругие свойства. При повышении температуры наблюдается стремительное снижение модуля упругости материалов, выполненных с применением органических вяжущих. При температуре связных слоев выше 50°С их роль в обеспечении прочности дорожной одежды чрезвычайно низка. Величина снижения модуля упругости при повышении температуры зависит от толщины связных слоев дорожной одежды. На рисунке 2 представлены теоретические зависимости общего модуля упругости от температуры связных слоев.

Рисунок 2 - Теоретические зависимости снижения модуля упругости с повышением температуры при различной толщине связных слоев

В связи со значительным влиянием температуры на модуль упругости связных слоев оценку прочности дорожных одежд, выполненных с применением вяжущих, целесообразно проводить при температурах связных слоев, близких к расчетным, и не проводить измерения при температурах выше 30°С, когда роль связных слоев в обеспечении прочности чрезвычайно низка.

5.3 На дорожных одеждах известной конструкции при известной зависимости изменения температуры связного слоя по глубине величина температурной поправки модуля упругости может быть рассчитана теоретически. Для этого с использованием ОДН 218.046-2001 определяется теоретический модуль упругости конструкции применительно к температуре связных слоев, равной 10°С. Затем связный слой делится на 2-3 подслоя, каждому из которых присваивается температура, установленная при фактическом ее измерении в оцениваемой дорожной одежде. После этого по ОДН 218.046-2001 с учетом модулей упругости, определенных для установленной температуры, повторно определяется модуль упругости дорожной одежды. По разности полученных расчетным путем модулей упругости определяют величину, на которую необходимо откорректировать экспериментально определенный модуль упругости.

5.4 При отсутствии информации о распределении температуры по глубине, в том случае когда известна общая толщина связного слоя, температурная поправка может быть определена по температуре на поверхности покрытия. Приведенный модуль упругости к расчетной температуре покрытия 10°С можно рассчитать по следующей формуле:

, (4)

где - рассчитанный модуль упругости по зафиксированному установкой динамического нагружения прогибу, МПа;

- температура покрытия во время проведения эксперимента, °С;

k -коэффициент.

Значение коэффициента к в зависимости от толщины связных слоев определяется по рисунку 3.

5.5 При выполнении измерений прочности на дорогах, на которых толщина связных слоев может существенно меняться по протяженности дороги, допускается величину снижения модуля упругости находить по графику, приведенному на рисунке 4. Он дает возможность определить значение величины снижения модуля упругости в процентах в зависимости от температуры покрытия. При этом ошибка в определении модуля упругости может достигать 14%.

Рисунок 3 - График определения значений коэффициента k

Рисунок 4 - График определения величины температурной поправки в полевых условиях в зависимости от толщины связных слоев

5.6 В полной мере коррекцию полученного модуля упругости с учетом температуры связных слоев необходимо выполнять только тогда, когда дорожная одежда не разрушена трещинами. При размещении штампа на одиночной трещине необходимо снижать температурную поправку, поскольку в этом случае связные слои работают не в полной мере и в большей степени в работу вовлекается несвязное основание, прочностные свойства которого не зависят от температуры. В том случае, когда соседние трещины расположены не ближе 5 м, прочность снижается только той трещиной, на которой установлен штамп. При этом величину температурной поправки, рассчитанной с учетом фактической толщины связных слоев и их температуры, следует умножить на коэффициент 0,69, характеризующий снижение влияния разрушенного трещиной связного слоя на получаемые модули упругости. При более частом расположении трещин этот коэффициент следует уменьшать, определяя его с помощью графика, представленного на рисунке 5, а когда трещины делят покрытие на фрагменты, соизмеримые с размером штампа, температурная поправка не требуется.

Рисунок 5 - График определения коэффициента снижения температурной поправки в зависимости от расстояния между трещинами

5.7 Результаты измерений прогиба могут быть откорректированы по температуре с учетом результатов испытаний дорожной конструкции на контрольной точке. Для этого на контрольной точке с известным модулем упругости проводят измерения прогиба и температуры поверхности покрытия для различных периодов времени в течение суток (рисунок 6). Затем на оцениваемой дорожной одежде идентичной конструкции проводят замеры прогиба и температуры покрытия. После этого с учетом результатов измерений на контрольном участке, выполненных в данном временном диапазоне, корректируют результаты измерений, умножая полученные прогибы на коэффициент, рассчитанный по прогибам на контрольном участке.

Рисунок 6 - Пример построения графика зависимости температуры покрытия от прогиба дорожной одежды по результатам испытания дорожной конструкции на контрольной точке

5.8 Определение модуля упругости дорожных одежд должно осуществляться в следующей последовательности.

5.8.1 При работе в летний период, когда температура связных слоев превышает 15°С, на дорогах, не разрушенных трещинами, измеряется температура покрытия и определяются прогибы. С учетом данных фактической толщины связных слоев находится температурная поправка, и экспериментально полученные модули упругости приводятся к температуре 20°С. Исходя из температуры связных слоев производится пересчет требуемого модуля упругости. Требуемый модуль упругости рассчитывается с учетом конструкции дорожной одежды и толщин связных слоев с использованием ОДН 218.046-2001. Такой пересчет необходим, поскольку требуемый модуль упругости, согласно этого документа, находится с учетом температуры связных слоев, равной 10°С. В рассчитанный по экспериментально определенным прогибам модуль упругости вносится температурная поправка. Коэффициент прочности находится как отношение фактического модуля упругости, приведенного к температуре 10°С, к требуемому.

5.8.2 При работе в условиях, когда температура связных слоев оцениваемой дорожной одежды ниже 15°С, с учетом данных фактической толщины связных слоев определяется температурная поправка, и экспериментально полученные модули упругости приводятся к температуре 10°С. Коэффициент прочности находится как отношение фактического модуля упругости, приведенного к температуре 10°С, к требуемому.

5.8.3 При работе на разрушенных трещинами покрытиях штамп установки необходимо располагать в непосредственной близости от трещины и вычислять величину температурной поправки, руководствуясь подразделом 5.6 и пунктами 5.8.1, 5.8.2.

5.9 При измерении прочности летом целесообразно выполнять замеры в период времени с 8 до 10 ч, когда температура поверхности покрытия близка к средним значениям температуры связных слоев. Необходимо избегать проведения измерений во время наибольшей активности солнца, когда температура на поверхности покрытия существенно отличается от средних значений температуры связных слоев. Наиболее точные результаты, не требующие поправки на температуру, могут быть получены в пасмурные дни, когда температура воздуха и покрытия близки между собой.

6 Оценка прочности дорожных одежд при выполнении диагностики

6.1 При выполнении диагностики проведение полевых работ должно быть согласовано с дорожными организациями, обслуживающими диагностируемые дороги и отвечающими за безопасность движения.

6.2 Передвижные автомобильные лаборатории, выполняющие измерения прогибов, должны быть оборудованы проблесковыми маячками желтого цвета, иметь хорошо видимое спереди и сзади световое табло с надписью, предупреждающей о проведении измерений; работы должны выполняться с включенными фарами ближнего света, а также с включенной аварийной сигнализацией. На задней стенке автомобильной установки или прицепного устройства должны быть укреплены предписывающий дорожный знак "Направление объезда препятствия" и предупреждающий знак "Прочие опасности". При проведении измерений с использованием установок, требующих для выполнения одного измерения более 30-40 с, в зоне производства измерений должны быть установлены переносные ограждения. При работе с применением установок, работающих без выхода оператора на проезжую часть и требующих меньшего времени для выполнения измерений в одной точке, устанавливать ограждения не следует. В этом случае для кратковременной остановки можно использовать имеющиеся в движении транспортных средств интервалы.

6.3 При выполнении диагностики на двухполосных дорогах следует производить не менее двух замеров прогибов на 1 км дороги, при работе на дорогах с разделительной полосой - не менее двух замеров прогибов в каждом направлении. Измерения надлежит производить в правой полосе наката правой полосы движения. При наличии хорошо заметных границ, разделяющих обследуемую дорогу по состоянию покрытия, измерения следует осуществлять за 8-10 м перед границей и на таком же расстоянии за ее пределами, отмечая местоположение границы в путевом журнале.

6.4 При наличии на обследуемой дороге участков, разрушенных пучением, измерения прочности в зоне пучин не производятся, необходимо провести измерения за 5-10 м до визуально заметных разрушений и через 5-10 м после них. Участку дороги, разбитому пучением, целесообразно присвоить модуль упругости, равный 50 МПа, без выполнения замеров.

6.5 Измерения прогибов следует производить в местах, имеющих наибольшее количество дефектов. Как правило, наличие продольных трещин на полосах наката свидетельствует о низкой прочности дорожной одежды. В том случае, когда продольные трещины в большей степени располагаются в левой полосе наката, замеры прогибов также необходимо проводить и в левой полосе наката.

6.6 Замеры прогибов необходимо дополнять измерениями температуры дорожного покрытия. Их следует выполнять в месте расположения штампа установки. Корректировка измеренного прогиба производится по методике, изложенной в разделе 5 настоящего методического документа.

6.7 По скорректированному с учетом фактической температуры и степени разрушения дорожной одежды прогибу определяется фактический модуль упругости. Коэффициент прочности дорожной одежды рассчитывается как отношение фактического модуля упругости к требуемому. При этом требуемый и фактический модули упругости до