RESEARCH OF THE INFLUENCE OF FROST HEAVING ON THE APPEARANCE OF DEFECTS IN ROAD ASPHALT CONCRETE COVERINGS USING THERMAL IMAGING METHOD
Abstract and keywords
Abstract (English):
The article presents the results of calculations for frost resistance according to the standard methodology and the methodology of ROSDORNII with their comparison, the results of a study of defects in road surfaces over time for frost heaving using a thermal imager. During the experiment, temperature profiles were compiled for the existing coating under the initial temperature conditions of St. Petersburg, and the results of a study of the occurrence of frost heaving were presented.

Keywords:
frost heaving, thermal imager, asphalt concrete pavement, highway
Text

Введение

Для более длительного периода эксплуатации необходимо проводить своевременный контроль состояния автомобильной дороги, который включает в себя отслеживание изменения эксплуатационных параметров, одним из которых является наличие дефектов. [1] Контроль над деформациями включает в себя измерение и наблюдение за различными трещинами, выбоинами, просадками, сдвигами, которые, в свою очередь, зависят от следующих факторов: транспортной нагрузки, климатических и грунтово-гидрологических условий и морозного пучения. [2] Также эксплуатационное состояние автомобильных дорог и межремонтные сроки эксплуатации напрямую зависят от мероприятий по содержанию дорог, их своевременного выполнения и правильности.

Одним из главных факторов, влияющих на деструктивные изменения дорожной конструкции, является морозное пучение. [3]

В настоящем времени процесс морозного пучения изучен достаточно широко, имеются различные экспериментальные данные, касаемо деформаций морозного пучения, изучен процесс, динамика и закономерности развития деформаций в различных грунтах. Исследованиями по данной теме занимались М.Н. Гольдштейн, Э.Д. Ершов, А.П. Бажанов, Н. А. Цытович и другие.  [4-6]

Однако имеются нераскрытые вопросы, затрагивающие морозное пучение автомобильных дорог, особенно на территории сезонно мерзлых грунтов.

Цель данного исследования – изучение процесса морозного пучения сезонномерзлых грунтов на территории города Санкт-Петербург и контроль над изменением величины деформаций, возникающих на дорожном покрытии.

Объект исследования

Объектом исследования выбрана Свердловская набережная города Санкт-Петербург. На рассматриваемом участке по всей протяженности выявлены просадки и трещины асфальтобетонного покрытия тротуара, образованные в результате подмыва дорожной конструкции водой и возможного морозного пучения. На рис. 1 и 2 приведены деформации покрытия, а именно: просадка покрытия и трещины в результате просадок.

Рис. 1. Просадка покрытия

 

Рис. 2. Трещины в асфальтобетонном покрытии

Вследствие обнаружения данных дефектов, образовавшихся из-за подмыва набережной, было принято решение провести исследование на предмет развития морозного пучения и деформаций с течением времени.

Теплотехнический расчет

Для исследования влияния морозного пучения на выбранный участок автомобильной дороги был произведен теплотехнический расчет дорожной конструкций. Также он проводится с целью определения температурной устойчивости и деформационного поведения материалов при различных условиях эксплуатации дорожных покрытий. [7] Это важный этап проектирования и строительства автомобильных дорог. Расчет на морозоустойчивость необходимо выполнять для характерных участков или групп характерных участков дороги, сходных по грунтово-гидрологическим условиям, имеющим одну и ту же конструкцию дорожной одежды и схему увлажнения рабочего слоя земляного полотна. [8]

Таким образом, был произведен расчет на морозоустойчивость на участке автомобильной дороги для скважины, которая представлена на рис. 3.

Рис. 3. Исследуемая скважина

 

Расчет производился по двум методикам:

1) по нормативной методике согласно [9]

Было установлено, что при данных инженерно-геологических условиях, допустимая величина морозного пучения для капитального типа дорожной одежды составит 4,8 см.

При предварительной проверке на морозоустойчивость величина возможного морозного пучения определена по формуле:

lпуч= lпуч.срКУГВКплКгрКнагрКвл=7,8*0,8*1,0*1,1*1,1*1,3=9,816 см.

9.816 см  > 4.8 см, следовательно, конструкция не считается морозоустойчивой согласно данной методике. 

2) по методике РОСДОРНИИ согласно [10]

Согласно данной методике, определена минимальная высота морозозащитного слоя дорожной конструкции с учетом глубины промерзания, которая составила по формуле:

z0=zдо+zдоп=60+1,2=61,2 см

61.2 см>4,8 см, следовательно, конструкция не считается морозоустойчивой.

Произведенный расчет конструкции на морозоустойчивость показал, что при исходных данных конструкция не обладает должной высотой морозозащитного слоя, следовательно, в дорожной конструкции происходит процесс морозного пучения, требующий капитального ремонта и принятия мер по устранению морозного пучения. Было принято решение провести дополнительные исследования возникающих деформаций дорожного покрытия и установить фактор влияния процесса морозного пучения.

Методика исследования

В данной статье будет рассмотрен тепловизионный метод исследования автомобильной дороги на предмет наличия дефектов и причин возникновения морозного пучения. [11] Тепловизоры часто используются при обследовании различных эксплуатационных показателей автомобильных дорог. [12]

Одним из таких приборов для оценки изменения температурных полей с течением времени был выбран тепловизор Testo-882.

Тепловизор Testo-882 - это высокотехнологичное устройство для измерения температурных полей, которое активно используется в строительной отрасли. Он обеспечивает надежное и точное отображение температурных измерений и позволяет обнаруживать тепловые утечки, влажность и другие проблемы. [13] В тепловизоре Testo 882 используется инновационная технология SuperResolution, которая обеспечивает максимальную четкость и качество изображения. Кроме того, устройство компактное, что делает его легко переносимым и простым в использовании. На рис. 4 представлена схема тепловизора.

Рис. 4. Схема тепловизора Testo-882:
1 – дисплей; 2 – кнопки управления; 3 – кнопка фиксации аккумулятора прибора;
4 – метрическая резьба; 5 – правая интерфейсная клемма; 6 – кнопка для включения/отключения моторизованного фокуса;
7 – светодиоды; 8 – объектив цифровой камеры; 9 – лазер; 10 – объектив инфракрасной камеры; 11 – ручная фокусировка;
12 – кольцо фиксации объектива; 13 – моторизованная фокусировка; 14 – запись изображения; 15 – левая интерфейсная клемма; 16 – С/Д-индикатор состояния

Методика исследования морозного пучения с использованием тепловизора состоит из следующих шагов:     

  • определение общих принципов действия тепловизора и его использования при исследовании морозного пучения автомобильных дорог;
  • определение параметров и критериев оценки морозного пучения на основе данных, получаемых с помощью тепловизора;
  • выбор участков покрытия автомобильной дороги для проведения экспериментальных исследований;
  • проведение эксперимента с использованием тепловизора для оценки морозного пучения;
  • анализ полученных данных в ходе эксперимента;
  • результат экспериментальных исследований.

Таким образом, экспериментальная часть исследования будет ориентирована на оценку геометрических изменений деформаций автодорог в условиях сезоннопромерзающих грунтов и переменной температуры, что также поможет установить, как процесс морозного пучения влияет на дорожную конструкцию.

Анализ полученных данных

Обследование выбранных участков дороги производилось в марте, апреле, июле и октябре при различных погодных условиях. Погодные условия в дни эксперимента приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Погодные условия в дни эксперимента

Дата эксперимента

Температура воздуха, °С

Влажность, %

Скорость ветра, м/с

19.03.2023

+4

77

1,3

05.04.2023

+5

84

1,7

15.07.2023

+22

67

5

08.10.2023

+4

89

6

 

На рис. 5 представлен один из исследуемых участков автомобильной дороги с дефектами.

Рис. 5. Исследуемый участок автомобильной дороги

Зная методику работы с тепловизором, приступим к обработке получившихся снимков. Также составим температурные профили, которые представлены на рис. 6.

Рис. 6. Температурные профили в период с 19.03.2023 по 08.10.2023: а) Температурный профиль исследуемого участка (19.03.2023);
б) Температурный профиль исследуемого участка (05.04.2023); в) Температурный профиль исследуемого участка (15.07.2023);
г) Температурный профиль исследуемого участка (08.10.2023)

Согласно температурным профилям, были выявлены значения средней, максимальной и минимальной температуры дефектов на выбранном участке автомобильной дороги. Результаты отображены в таблице 2.

Таблица 2.

Изменение температуры деформации выбранного участка автомобильной дороги

Дата измерения

Тср, °С

Tmax

Tmin

19.03.2023

7,8

8,3

5,9

05.04.2023

3,0

3,5

1,7

15.07.2023

36,6

37,8

32,8

08.10.2023

4,3

4,6

3,6

 

Таким образом, в ходе исследования было выявлено, что температура участка с деформациями изменялась в зависимости от температуры окружающей среды. Также заметна значительная разница температур в области дефекта и окружающем его покрытии. Температура на поверхности автомобильной дороги не снижалась ниже 1,7 °С. Следовательно, для более корректного изучения влияния процесса пучения необходимо провести измерения при переходе температуры поверхности участка в отрицательные значения. Также необходимо дальнейшее лабораторное исследование характеристик грунтов для понимания, подвержен ли исследуемый грунт морозному пучению.

Как итог, можно сделать вывод, что изучение причин возникновения и прогрессирования процесса морозного пучения в результате активного фазового перехода воды, таяния льда, а также при изменении температуры воздуха из отрицательной в положительную требует дальнейшей проработки.

Выводы

В заключение необходимо отметить:

1. Рассмотренные методики расчета дорожной конструкции на морозоустойчивость требуют уточнения и дальнейшего исследования с целью усовершенствования и получения более точных результатов, необходимых для строительства автомобильных дорог.

2. Использование тепловизора для исследования морозного пучения является эффективным и точным методом, позволяющим получить данные о распределении температуры на поверхности дороги и проанализировать причины возникновения морозного пучения и появления деформаций. Исследования с применением тепловизора требуют дальнейшего развития с изменением температуры окружающего воздуха на отрицательные значения.

3. Перспективным направлением по изучению процесса морозного пучения в сезоннопромерзающих грунтах является дальнейшее проведение лабораторных исследований сезоннопромерзающего грунта, что способствует увеличению сроков службы дорожной одежды, сокращению межремонтных сроков и сохранению дорожной конструкции от различных деформаций и дефектов вследствие морозного пучения.

References

1. Gotman N.Z., Panteleev Yu.I. Design of anti-karst protection of highways using geosynthetic materials and alarm systems // Construction and Geotechnics. - 2022. - T. 13. - No. 3. - pp. 5-14.

2. Zhuravlev I. N. Factors of influence on the mechanism of formation of deformations in the design of highways // Scientific aspect. - 2019. - T. 1. - No. 4. - pp. 102-104.

3. Goldshtein M. N., Tsarkov A. A., Cherkasov I. I. Soil mechanics, foundations and foundations: Textbook for railway universities. transport - Transport, 1981.

4. Bazhanov A.P. Analysis of the causes of deformations, destruction and defects of highways // Bulletin of PGUAS: construction, science and education. - 2019. - No. 2. - pp. 62-69. Bredyuk G. P. Device for monitoring the freezing and thawing of soils. - 1960.

5. Tsytovich N. A. Foundations and foundations. - Ripol Classic, 2013.

6. Larina T. A., Zubarev N. R. A method for monitoring the process of wear of coatings on multi-lane highways with high traffic intensity // Education. Transport. Innovation. Construction. - 2019. - pp. 156-161.

7. Shorin V. A., Kagan G. L., Velsovsky A. Yu. On the issue of determining the deformation of frost heaving of the soil of road structures using different methods // Transport structures. - 2018. - T. 5. - No. 3. - pp. 9-9.

8. ODN 218.046-01. Design of flexible road pavements: approved. by order of the State Road Service (Rosavtodor) of the Ministry of Transport of the Russian Federation dated December 20, 2000 N OS-35-R: introduced. effective from 01/01/2001. -M.: FSUE "Informavtodor", 2001. - 148 p.

9. PNST 371-2019. Public roads with low traffic intensity. Travel clothing. Design and calculation: approved. By order of the Federal Agency for Technical Regulation and Metrology dated November 19, 2019 N 48-pnst: introduced. effective 11/19/2019. - M.: FAU “ROSDORNII”, 2019. - 57 p.

10. Larina T. A., Zubarev N. R. Method for assessing the kinetics of wear of asphalt concrete pavements of highways // Avtomobil. Road. Infrastructure.= Avtomobil'. Doroga. Infrastructure. - 2019. - No. 1 (19). - P. 5.

11. Feofanova P. M. OPERATIONAL CONTROL OF PREPARATION AND LAYING OF ASPHALT CONCRETE MIXTURES USING A THERMAL IMAGER // Avtomobil. Road. Infrastructure.= Avtomobil'. Doroga. Infrastructure. - 2022. - No. 3 (33). - P. 2.

12. Proshkin S. S., Lobko K. K. Some features of temperature measurement using a thermal imager // Scientific dialogue: Young scientist. - 2018. - pp. 14-16.

13. Pochaev P. A. AUTOMATIC METHODS FOR SCANNING CHARACTERISTIC DEFECTS OF ROAD SURFACE DURING DIAGNOSIS OF HIGHWAYS //Internauka. - 2018. - No. 18-1. - P. 5-6.


Login or Create
* Forgot password?