Обеспечение надежности дорожных конструкций, прежде всего по прочности и ровности находятся в ряду основных задач строительства, эксплуатации и реконструкции дорог. В настоящее время ставятся задачи обеспечения долговечности дорожных покрытий и доведения их жизненного цикла до 35 лет [1]. Особое значение эти задачи приобретают в связи с увеличением масштабов дорожного строительства, увеличением нагрузки на ось автотранспортных средств (АТС), повышением скорости их движения и высоких требований по безопасности и снижения экономических ущербов, вызываемых повреждениями автомобильных дорог.
Современные методы обеспечения надежности эксплуатации дорог и снижение рисков не выполнения требований транспортно – эксплуатационных показателей строятся на методах технической диагностики [2]. Это в свою очередь требует создания диагностических моделей, устанавливающих связь между различными классами технического состояния дорожных конструкций и диагностическими признаками состояния, т.е. характеристиками, используемых в системе диагностики сигналов, которые несут в себе информацию об изменении параметров конструкции. Диагностические модели на основе динамической теории работы слоистых конструкций при воздействии подвижных АТС позволяют сформулировать информативные характеристики вибрационных процессов, которые способны практически мгновенно и достаточно точно отражать изменения технического состояния дорожных конструкций, а с учетом разработанной электронной аппаратуры и соответствующего программного обеспечения являются весьма эффективным средством подготовки принятия решений о качестве строящихся и эксплуатируемых дорог.
В представленной работе рассматривается возможность измерения динамического обратимого прогиба и частоты колебаний затухающего процесса слоев дороги и сопоставления с аналогичными параметрами, полученными расчетным путем. При этом динамическая модель представлена в форме вертикальных колебаний двух масс, одна из которых моделирует асфальтобетон и слои щебня, укрепленного цементом, а другая масса – слои из малопрочных материалов и укрепленных грунтов. Массы соединены между собой и с неподвижным основанием элементами жесткости. Такие типы моделей широко применяются для анализа характера процессов в вибрационной сейсморазведке в ближней зоне источника колебаний [3]. Известны модели системы «дорожная конструкция - грунт» различного уровня сложности [2]. Однако разработка и практическая реализация функциональных возможностей с получением диапазонов применимости в целях задач вибродиагностики дорог, а также оценки степени точности моделей является актуальной задачей. Система «автомобиль – конструкция дороги» совершает вынужденные и собственные колебания. Поскольку импульс воздействия АТС на слои дороги в конкретной точке достаточно непродолжительный, рассматривается процесс свободных колебаний. Затухание колебаний в построении динамической модели не учитывается.
Уравнения частот системы с двумя степенями свободы имеет вид:
(1)
где 
- частота колебаний; С1 и С2 – жесткости покрытия и основания; m1 и m2 - массы покрытия и основания.
Вещественные и положительные решения уравнения (1) являются собственными двухчастотными характеристиками колебательного процесса конструкции, определяемого функциями 
и 
с соответствующими амплитудами свободных колебаний и фазой.
Жесткости модели С1 и С2 принимались: для первой массы постоянной и равной 
, для второй массы С2 - с учетом динамических прогибов слоев основания. Здесь Р1 – давление, воспринимаемое поверхностью дорожного полотна; D1 – диаметр пятна контакта, по площади которого распределяется давление; x1 – прогиб покрытия. Прогибы слоев основания определяем в соответствии с моделью представленной в [4].
Установление прямых корреляционных связей между диагностическими признаками и конструктивными параметрами дорожных конструкций возможно в том случае, если объект диагностики наблюдаем по параметрам состояния и диагностического сигнала. Собственные колебания дорожной конструкции определяются значениями ускорений, скоростей и перемещений, а также спектром вибрации. Для измерения вибрации поверхности дороги применялся прибор «Вибран - 2» с вибропреобразователем типа ВД – 2.0 (заводской № 102). Параметры состояния определяются расчетным путем.
В результате расчетов при принятых параметрах: модуль упругости 200 … 300 кг/см2; диаметр окружности передачи нагрузки на грунт 50 см; сцепление 0,055; количество транспортного потока 1000 авт/сут; количество проездов с повышенной нагрузкой 800; угол внутреннего трения 300; влажность 0,95% и масса покрытия 1,017 кг·с2/см определены частоты колебаний, приведенные на рис.1. На рис.2 показаны изменения расчетной частоты от модуля слоев основания, при массе покрытия 1,017 кг·с2/см и массе основания 0,0535 кг·с2/см.
Рис.1. Зависимость частоты колебаний основания от его массы и модуля материала основания
Рис.2. Зависимость частоты колебаний основания от модуля упругости материала основания
С учетом дополнительной информации о влажности грунта определяется модуль упругости основания и оценивается верхняя и нижняя граница поля допуска параметра. Считая закон распределения частоты колебаний нормальным, оцениваем среднеквадратичное отклонение (СКО), математическое ожидание (МО) и коэффициент вариации, полученными на основе программы генератора случайных чисел реализованной на компьютере, и сравниваем с вероятностными характеристиками измеренной частоты при ±5% основной относительной погрешности.
Таким образом, в статье предложен алгоритм вибродиагностики дорожных конструкций, ориентированный на получение результатов о техническом состоянии слоев основания дорожных одежд. Инструментальный контроль вибраций внешнего слоя в режиме свободных колебаний конструкции и расчетный метод описания колебаний нижележащих слоев дают возможность осуществить допусковый контроль модуля упругости материала основания. Допусковый контроль состоит в сравнении полученного значения параметра с его допустимыми пределами и получение одного из следующих результатов:
где Е – расчетное значение параметра; Δ1, Δ2 – нижняя и верхняя границы поля допуска на параметр. Выход параметра за поле допуска означает нарушение работоспособности объекта диагностики.
Количественный контроль осуществляется с анализом абсолютных значений параметра или отклонения его от номинала. Это предложено выполнять с использованием генератора случайных чисел с определением характеристик СКО, МО и коэффициента вариации. Показано, что снижение модуля упругости материалов слоев основания уменьшает частоту колебаний по первой гармонике.
Расчетная частота колебаний может быть использована для прогнозирования присоединенных масс и объемов образующихся при эксплуатации дорог трещин, пустот и зон повышенной влажности в слоях основания.
Список используемых источников
1. Проказов Н. Развенчанные мифы // Автомобильные дороги – 2009. - № 12. - С. 12 – 14.
2. Смирнов А.В., Илиополов С.К., Александров А.С. Динамическая устойчивость и расчет дорожных конструкций. Учеб. пособие. – Омск: СибАДИ, 2003. - 188с.
3. Шнеерсон М.Б., Потапов О.А., Гродзенский В.А. и др. Вибрационная сейсморазведка. Под ред. Шнеерсона М.Б. – М.: Недра, 1990.-240с.
4. Александров А.С., Александрова Н.П., Кузин Н.В., Андреева Е.В. Моделирование поведения слабых оснований насыпей промысловых дорог при воздействии повторяющихся динамических нагрузок. // Дороги и мосты. Сборник. ФГУП РОСДОРНИИ.-М., 2006, выпуск 16/2 – С. 73-85.
