Измерение показателей деформативности конструктивных слоев дорожной одежды. Недостатки ГОСТ Р 59866 – 2022

При проектировании дорог рассчитываются физико-механические характеристики дорожной одежды, исходя из предполагаемой интенсивности движения и массы автомобилей. Если при строительстве дорог эти расчетные требования не выполняются, то после непродолжительной эксплуатации появится колейность, просадки, трещины и прочие дефекты. Для увеличения срока службы автомобильных дорог требуются не только новые технологии, но и надлежащие средства операционного контроля технологических операций, проводимых при их строительстве.

01 апреля 2022 года взамен ПНСТ 311-2018 был введен в действие ГОСТ Р 59866 – 2022 «Дороги автомобильные общего пользования. Показатели деформативности конструктивных слоев дорожной одежды из несвязных материалов и грунтов земляного полотна. Технические требования и методы определения».

Изучив ГОСТ Р 59866 обращаем внимание на то, что в пункте 6.1 «Требования к средствам измерений, вспомогательным устройствам и материалам», в п.п. 6.1.2 требования для выполнения измерений методом динамического нагружения, а именно: «Штамповая установка динамического нагружения должна обеспечивать измерение деформации с относительной погрешностью не более 5 % от измеряемой величины и состоять из следующих элементов:

1) механизм нагружения — груз, падающий по направляющей штанге, весом: - (10,0 ± 0,1) кг, создающий импульс нагружения (7,07 ± 0,05) кН и обеспечивающий давление под нагрузочной плитой на поверхность испытуемого слоя (0,10 ± 0,01) МН/м2, либо - (15,0 ± 0,1) кг, создающий импульс нагружения (10,60 ± 0,05) кН и обеспечивающий давление под нагрузочной плитой на поверхность испытуемого слоя (0,15 ± 0,01) МН/м2;» установлены не корректно, потому что импульсное нагружение с максимальной (средней) силой на разных грунтах будет изменяться в зависимости от типа грунта, несмотря на то, что груз падает с одной и той же высоты, т.к. максимальная сила зависит от модуля упругости грунта, и не является величиной постоянной.

Применяемый термин «импульс нагружения» так же является некорректным. В научной терминологии применяются термины «импульс силы» либо «импульсное нагружение с максимальной (средней) силой».

С физической точки зрения импульс силы является характеристикой силового воздействия на объект в течение некоторого промежутка времени. Импульс силы в единицах измерений СИ является произведением Ньютона на секунду S (Н•с) или S (кН•с) (рисунок 1).

Рисунок 1 – Изменение силы в процессе удара

С математической точки зрения импульсом силы (F), действующей на тело за конечный промежуток времени Δt, называют определенный интеграл от этой силы, с нижним пределом t₀ и верхним пределом, отличающимся от t₀ на временной промежуток Δt.

При импульсном нагружении падающим грузом максимальная сила не будет величиной постоянной, она будет зависеть от модуля упругости (модуля деформации) грунта.

Исходя из закона сохранения энергии, если падение груза происходит с одной и той же высоты, то при упругом воздействии нагрузочной плиты на грунт импульс силы будет величиной постоянной (S₁ = S₂), а максимальная сила и величина упругой деформации грунта будет зависеть от модуля упругости грунта. Чем меньше модуль упругости грунта, тем меньше будет максимальная сила, а деформация грунта и время воздействия нагрузочной плиты на грунт увеличатся (рисунок 2).

Рисунок 2

Примечания:

1. Модуль деформации представляет собой обобщенную характеристику грунта, отражающую как упругие, так и пластические деформации. Модуль деформации не является стабильной характеристикой грунта, изменяется в зависимости от давления под нагрузочной плитой и от времени воздействия плиты на грунт.
2. Модуль упругости грунта характеризует зависимость между давлением и упругой составляющей деформаций. Модуль упругости всегда будет больше, чем модуль деформации того же грунта. Между модулем деформации и модулем упругости одного и того же грунта нет определенной зависимости.
3. В переносных штамповых установках динамического нагружения (ПДН) давление, создаваемое под нагрузочной плитой, обычно меньше чем при статическом нагружении, время воздействия нагрузочной плиты на грунт кратковременное, поэтому на хорошо уплотненных дорожных основаниях ПДН будет измерять модуль упругости. На слабых и неуплотненных грунтах – модуль деформации.

В п.п. 6.1.2 ГОСТ Р 59866 указано, что «импульс нагружения» (предположим что этот термин обозначает максимальную или среднюю силу при импульсном нагружении) должен быть равен (7,07 ± 0,05) кН или (10,60 ± 0,05) кН, но в настоящее время нет ни одного прибора, который мог бы воспроизвести умпульсное нагружение указанной силой на всех типах грунтов.

Так, например, в описании типа измерителей динамического модуля упругости грунтов серии LFG и Zorn ZFG в технических характеристиках указано, что максимальная сила воздействия штампа 7,07 кН; 7,09 кН и 10,62 кН. При этом не указано на что воздействует штамп, а так же не указана погрешность измерений силы, т.е. нормированные характеристики силы не являются метрологическими характеристиками. Тем не менее, характеристики этих приборов были взяты за основу при нормировании требований в п.п. 6.1.2 ГОСТ Р 59866.

В приборах серии LFG и Zorn ZFG нет датчиков силы, поэтому эти приборы не могут измерить действительную (реальную) силу при импульсном нагружении. Производитель этих приборов указывает в характеристиках силу, которая возникает в нагрузочном устройстве при падении груза. Сила измеряется установленным на стенде эталонным датчиком силы. Если груз падает с одной и той же высоты, а для измерения силы используется стенд с установленным на нем датчиком силы (так происходит поверка приборов LFG и Zorn ZFG), то при одной и той же жесткости стенда датчик силы будет фиксировать одно и тоже значение силы. Если нагрузочное устройство с падающим грузом будет воздействовать на штамп, устанавливаемый на разные по типу грунты, с разным модулем упругости, то сила уже не будет постоянной, но вышеуказанные приборы это зафиксировать не смогут, т.к. у них отсутствует датчик силы.

ООО «СКБ Стройприбор» выпускает прибор ПДУ-МГ4 для измерения модуля упругости (модуля динамической деформации или несущей способности) грунтового основания дорожного полотна (номер госреестра 45397-10). В измерителе ПДУ-МГ4 (и его модификациях) модуль упругости измеряется косвенным методом на основе прямых измерений амплитуды перемещения штампа (деформации дорожного основания) и силы, действующей на круглый штамп.

Например, на песчаных основаниях максимальная сила при импульсном нагружении составляет 6 ÷ 8 кН при перемещении штампа на величину до 1200 мкм, а на щебеночных основаниях максимальная сила при импульсном нагружении возрастает до 17 ÷ 19 кН при перемещении штампа до 250 мкм.

В приборе ПДУ-МГ4 модуль упругости рассчитывается по формуле:

где L – амплитуда перемещения, м;
μ – коэффициент Пуассона;
d – диаметр нагружаемого штампа, м;
σ – значение контактного напряжения, рассчитанное по формуле

где F – сила удара, Н.
Подставляя выражение (2) в формулу (1) получим:

Сила (F) и перемещение (L) измеряются соответствующими датчиками, а коэффициент Пуассона μ можно вводить в соответствии с испытываемом типом грунта.

ПДУ-МГ4 можно использовать как на низкопрочных, заторфованных грунтах так и на щебеночных основаниях.

Утвержденная Росстандартом Методика поверки ПДУ-МГ4 была разработана при содействии (ФГУП «УНИИМ» г. Екатеринбург) УНИИМ — филиал ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева», она позволяет поверять прибор в любом региональном ЦСМ, который имеет виброустановку поверочную и эталонный динамометр второго разряда.

Однако после введения в действие ГОСТ Р 59866 измеритель модуля упругости грунтов и оснований дорог ПДУ-МГ4 оказался непригодным для проведения испытаний.

30 мая 2013 г. на полигоне Московского государственного университета путей сообщения (МИИТ) были проведены сравнительные испытания прибора ПДУ-МГ4 ООО «СКБ Стройприбор» и прибора компании «Zorn Instruments» Zorn ZFG в присутствии представителей от предприятий изготовителей с обеих сторон.

По результатам сравнительных испытаний был оформлен протокол, подписанный членами комиссии, проводившей испытания:

Зав. лабораторией кафедры «Путь и путевое хозяйство» А.В. Замуховский
Технический директор ООО «Инфраструктурные технологии» А.В. Мелиоранский
Представитель компании «Zorn Instruments» T. Hildebraud
Нач. тех. отдела ООО «СКБ Стройприбор» Н.В. Величутин

Сравнительные испытания выявили большие различия в показаниях приборов при измерении модуля упругости особенно на щебеночных основаниях. У прибора компании «Zorn Instruments» Zorn ZFG измеренное значение модуля упругости на щебеночном основании в 3 … 3,5 раза было меньше, нежели по показаниям ПДУ-МГ4. Причем разброс показаний у прибора компании «Zorn Instruments» Zorn ZFG на щебеночных основаниях составил до 30% тогда как у прибора ПДУ-МГ4 это значение не превышало 4%.

Рисунок 3 – Усредненная зависимость показаний прибора компании «Zorn Instruments» от показаний ПДУ-МГ4 ООО «СКБ Стройприбор

На рисунке 3 приведена усредненная зависимость между показаниями прибора компании «Zorn Instruments» Zorn ZFG и ПДУ-МГ4 ООО «СКБ Стройприбор». По оси абсцисс отложены показания ПДУ-МГ4.

Подобная зависимость была установлена Фирмой Дорстройпроект совместно с Санкт-Петербургским филиалом СоюздорНИИ, а затем и фирмой ВАД между динамическим модулем деформации E_od по «Zorn Instruments» Zorn ZFG и модулем упругости Е по прогибомеру под колесами груженого автосамосвала. (Костельев М.П. Похаренко Д.В. Опыт фирмы «ВАД» по устройству плотных, прочных и жестких щебеночных оснований. Дорожная техника. Каталог-справочник. СПб, 2006).

Выясним, почему же возникает такая большая разница в показаниях двух приборов. Не будем подробно вдаваться в теорию удара и применять для решения этой задачи дифференциальные уравнения.

Для упрощения задачи предположим, что сила (F), действующая на штамп при ударе грузом, увеличивается, и спадает по линейному закону. Работа, совершаемая этой силой в данном случае, определяется как площадь треугольника с высотой (F) и основанием (L):

На рисунке 4 приведен график зависимости изменения силы, воздействующей на штамп, от деформации грунта. Исходя из закона сохранения энергии работа, совершаемая этой силой, будет величиной постоянной A₁ = A₂. Следовательно при увеличении деформации грунта сила, воздействующая на штамп, будет уменьшаться если деформация грунта будет только упругой.

Рисунок 4 – Зависимость силы (F), воздействующей на штамп, от перемещения штампа (L) при условии, что работа совершаемой силой остается постоянной величиной.

Зависимость силы от деформации грунта будет описываться гиперболической функцией (рисунок 4):

Теперь предположим, что сила, воздействующая на штамп, остается величиной постоянной, как ошибочно принято в приборе Zorn ZFG. В этом случае при увеличении деформации грунта работа, совершаемая этой силой, растет. Появляется неизвестный науке источник энергии (рисунок 5).

Рисунок 5 – Работа, совершаемая постоянной силой, при различной упругой деформации грунта.

Преобразуем формулу (3) вычисления модуля упругости:

Подставим выражение (5) в формулу (6). Тогда упрощенная формула для вычисления модуля упругости грунта для прибора ПДУ-МГ4 примет вид:

Для прибора Zorn ZFG упрощенная формула запишется в виде:

Дословный текст руководства по эксплуатации прибора Zorn ZFG:
Модуль упругости вычисляется по формуле:

где k – коэффициент, зависящий от геометрии плиты и веса груза (22,5 – для ZFG-02, 33,75 – для ZFG-06)

Соотношение между статическим (E_v2) и динамическим (E_vd) модулем упругости.
Динамический модуль зависит от вида грунта и степени уплотнения. Опыт показывает, что соотношение E_v2/E_vd лежит в диапазоне от 1 до 4. Для хорошо уплотненных грунтов E_v2/E_vd около 2,3.
В среднем наблюдается следующее соотношение:

Это соотношение не выполняется при крайних значениях модулей.

Определим зависимость E_ZFG от E_ПДУ.

Упростим выражение, заменим постоянные составляющие выражения (9) одним коэффициентом:

Действительно, при параллельных испытаниях двух приборов эмпирическая зависимость (рисунок 3) получилась близкой к зависимости, полученной в грубом приближении:

Для калибровки Zorn ZFG требуется специальный стенд и быстродействующая мессура, с временем измерения не более 15 миллисекунд, что само по себе уже проблематично при проведении поверки для большинства ЦСМ. Перемещение плиты в Zorn ZFG и в ПДУ-МГ4 измеряется с помощью акселерометров, сигнал с которых интегрируется. Самый простой и надежный способ проверки работы интеграторов — это виброустановка поверочная которая для большинства ЦСМ не является редкостью.

При проведении параллельных испытаний приборов Zorn ZFG и ПДУ-МГ4, было отмечено, что измеренные значения модуля упругости с помощью прибора Zorn ZFG из-за отсутствия у данного прибора датчика силы нельзя считать физической величиной. По этой причине следует считать результаты измерений, полученных с помощью приборов Zorn ZFG, косвенной характеристикой модуля упругости (модуля деформации).

Опасность применения Zorn ZFG в том, что он измеряет модуль упругости в своих "попугаях" повторить которые может только прибор данного производителя, откалиброванный на оборудовании предприятия изготовителя. Чтобы получить действительный модуль упругости Zorn ZFG необходимо применять поправочный коэффициент, который меняется в диапазоне от 1 до 4 в зависимости от типа грунта.

Критерием истины для приборов динамического нагружения является измерение модуля упругости статическим методом. При динамическом нагружении грунта реологические свойства грунта не проявляются, поэтому приборы, использующие кратковременные динамические способы нагружения, будут в какой-то степени завышать значения модуля упругости (на слабых грунтах до 15%), а не занижать (в разы в зависимости от типа грунта) как это происходит у прибора Zorn ZFG.

На основании вышеизложенного предлагаем пункт 6.1.2 ГОСТ Р 59866 – 2022 изложить в новой редакции:

6.1.2 При выполнении измерений методом динамического нагружения применяют следующие средства измерений, вспомогательные устройства и материалы:

а) установки динамического нагружения штамповые.

1) Установка динамического нагружения штамповая должна обеспечивать измерение перемещения штампа (деформации грунта) с относительной погрешностью не более 5 %, измерение максимальной силы при импульсном нагружении с абсолютной погрешностью ± (0,01F + 20) Н, где F – измеряемая сила в Н, и вычислять на основе результатов измерений силы и перемещения модуль упругости (деформации) (E_Vdf).

Установка должна состоять из:

− нагрузочного устройства с падающим по направляющей штанге грузом обеспечивающим энергию удара не менее W_p= 43 Дж; (Масса падающего груза в зависимости от высоты падения рассчитывается по формуле:

где g – ускорение свободного падения; h – высота падения груза; η – КПД нагрузочного устройства.)

− нагрузочной плиты с ручками для переноски, выполненной из стали, диаметром (300,00 ± 0,25) мм, толщиной не менее 20 мм;

(Допускается применение нагрузочной плиты меньшего/большего диаметра, при условии обеспечения давление, под нагрузочной плитой, на поверхность испытуемого слоя не менее 0,1 МН/м².)

− переходного упругого элемента (амортизатора) между нагрузочной плитой и нагрузочным устройством.

2) Установка динамического нагружения штамповая (не имеющая датчика силы) должна обеспечивать измерение перемещения штампа (деформации грунта) с относительной погрешностью не более 5 %, и вычислять динамический модуль упругости (E_Vd), являющейся косвенной характеристикой модуля упругости при проведении измерений методом динамического нагружения.

Установка должна состоять из:

− нагрузочного устройства с падающим по направляющей штанге грузом массой (10,0 ± 0,1) кг или (15,0 ± 0,1) кг;

максимальная сила, создаваемая нагрузочным устройством при импульсном нагружении падающим грузом, калибруемая на специальном стенде, должна составлять:

▪ (7,07 ± 0,05) кН для груза массой (10,0 ± 0,1) кг и обеспечивать давление, под нагрузочной плитой, на поверхность испытуемого слоя (0,10 ± 0,01) МН/м².

▪ (10,60 ± 0,05) кН для груза массой (15,0 ± 0,1) кг и обеспечивать давление, под нагрузочной плитой, на поверхность испытуемого слоя (0,15 ± 0,01) МН/м².

− нагрузочной плиты с ручками для переноски, выполненной из стали, диаметром (300,00 ± 0,25) мм, толщиной не менее 20 мм;

− переходного упругого элемента (амортизатора) между нагрузочной плитой и нагрузочным устройством;

Все публикации
Архив по годам: 2006; 2008; 2013; 2015; 2016; 2018; 2019; 2020; 2021; 2022; 2023; 2024;