студент с 01.01.2022 по настоящее время
Уфа, Республика Башкортостан, Россия
ВАК 2.1.1 Строительные конструкции, здания и сооружения (Технические науки)
ВАК 2.1.3 Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение (Технические науки)
ВАК 2.1.5 Строительные материалы и изделия (Технические науки)
ВАК 2.1.6 Гидротехническое строительство, гидравлика и инженерная гидрология (Технические науки)
ВАК 2.1.7 Технология и организация строительства (Технические науки)
ВАК 2.1.8 Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей (Технические науки)
ВАК 2.1.9 Строительная механика (Технические науки)
ВАК 2.1.10 Экологическая безопасность строительства и городского хозяйства (Технические науки)
ВАК 2.1.11 Теория и история архитектуры, реставрация и реконструкция историко-архитектурного наследия (Технические науки)
ВАК 2.1.12 Архитектура зданий и сооружений. Творческие концепции архитектурной деятельности (Технические науки)
ВАК 2.1.13 Градостроительство, планировка сельских населенных пунктов (Технические науки)
ВАК 2.1.14 Управление жизненным циклом объектов строительства (Технические науки)
ВАК 2.1.15 Безопасность объектов строительства (Технические науки)
УДК 692.1 Основания сооружений
ГРНТИ 67.01 Общие вопросы строительства
ББК 308 Монтаж, эксплуатация, ремонт машин и промышленного оборудования
В статье приведены результаты расчета на морозоустойчивость по нормативной методике и методике РОСДОРНИИ с их сравнением, результаты исследования дефектов покрытия автомобильной дороги с течением времени на предмет морозного пучения с применением тепловизора. В ходе эксперимента были составлены температурные профили для существующего покрытия при исходных температурных условиях г. Санкт-Петербурга, и приведены результаты исследования возникновения морозного пучения.
морозное пучение, тепловизор, асфальтобетонное покрытие, автомобильная дорога
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:
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:
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.
1. Готман Н. З., Пантелеев Ю. И. Проектирование противокарстовой защиты автомобильных дорог с использованием геосинтетических материалов и системы сигнализации //Construction and Geotechnics. - 2022. - Т. 13. - №. 3. - С. 5-14.
2. Журавлев И. Н. Факторы влияния на механизм образования деформаций в конструкции автомобильных дорог //Научный аспект. - 2019. - Т. 1. - №. 4. - С. 102-104.
3. Гольдштейн М. Н., Царьков А. А., Черкасов И. И. Механика грунтов, основания и фундаменты: Учебник для вузов ж.-д. трансп. - Транспорт, 1981.
4. Бажанов А. П. Анализ причин возникновения деформаций, разрушений и дефектов автомобильных дорог //Вестник ПГУАС: строительство, наука и образование. - 2019. - №. 2. - С. 62-69.Бредюк Г. П. Прибор для наблюдения за промерзанием и оттаиванием грунтов. - 1960.
5. Цытович Н. А. Основания и фундаменты. - Рипол Классик, 2013.
6. Ларина Т. А., Зубарев Н. Р. Способ контроля за процессом износа покрытий на многополосных магистралях с высокой интенсивностью движения //Образование. Транспорт. Инновации. Строительство. - 2019. - С. 156-161.
7. Шорин В. А., Каган Г. Л., Вельсовский А. Ю. К вопросу определения деформации морозного пучения грунта дорожных конструкций разными методами //Транспортные сооружения. - 2018. - Т. 5. - №. 3. - С. 9-9.
8. ОДН 218.046-01. Проектирование нежестких дорожных одежд: утв. распоряжением Государственной службы дорожного хозяйства (Росавтодора) Министерства транспорта Российской Федерации от 20.12.00 N ОС-35-Р: введ. в действие с 01.01.2001. -М.: ФГУП «Информавтодор», 2001. - 148 с.
9. ПНСТ 371-2019. Дороги автомобильные общего пользования с низкой интенсивностью движения. Дорожная одежда. Конструирование и расчет: утв. Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 19.11.19 N 48-пнст: введ. в действие 19.11.2019. - М.: ФАУ «РОСДОРНИИ», 2019. - 57 с.
10. Ларина Т. А., Зубарев Н. Р. Метод оценки кинетики износа асфальтобетонных покрытий автомобильных дорог //Автомобиль. Дорога. Инфраструктура.= Avtomobil'. Doroga. Infrastruktura. - 2019. - №. 1 (19). - С. 5.
11. Феофанова П. М. ОПЕРАЦИОННЫЙ КОНТРОЛЬ ПРИГОТОВЛЕНИЯ И УКЛАДКИ АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ СМЕСЕЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕПЛОВИЗОРА //Автомобиль. Дорога. Инфраструктура.= Avtomobil'. Doroga. Infrastruktura. - 2022. - №. 3 (33). - С. 2.
12. Прошкин С. С., Лобко К. К. Некоторые особенности измерения температуры с помощью тепловизора //Научный диалог: Молодой ученый. - 2018. - С. 14-16.
13. Почаев П. А. АВТОМАТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ СКАНИРОВАНИЯ ХАРАКТЕРНЫХ ДЕФЕКТОВ ДОРОЖНОГО ПОКРЫТИЯ ПРИ ДИАГНОСТИКИ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ //Интернаука. - 2018. - №. 18-1. - С. 5-6.
