Ускоренные испытания конструкций дорожных одежд - Транснациональное контрольно-измерительное оборудование

Краткое содержание
HVS-Nordic является единственным мобильным симулятором нагрузок тяжелых транспортных средств (HVS) в Европе. Шведский национальный научно-исследовательский институт автомобильных дорог и транспорта (VTI) считает, что HVS - это испытательный комплекс. Он доступен для отраслевых и исследовательских испытаний по всей Европе. Испытания проводились как для европейских заказчиков, таких как органы управления дорожным хозяйством, так и для   строительных компаний. В 2008 году в рамках проекта SPENS “устойчивые дорожные покрытия для новых европейских государств-членов” планируется провести испытания на территории Польши и Словении. Сотрудничество   на европейском уровне в отношении использования испытательного комплекса HVS может быть экономической альтернативой при возможных ограничениях финансирования разработок и комплексных испытаний на национальном уровне. Комплекс HVS можно использовать для оценки новых концепций строительства автомобильных дорог и стратегий по их техническому обслуживанию и содержанию в целях снижения затрат и воздействий на окружающую среду. Поскольку этот комплекс является общеевропейским проектом (имеется ввиду, что он создан на средства стран ЕС), архивные данные с результатами испытаний, полученные в ходе публичных исследовательских проектов, доступны для исследователей разных стран в качестве справочных материалов.

1.    Вступление
В 1997 году Финляндия и Швеция совместно инвестировали средства в ЮАР (Южно-Африканская Республика) для разработки симулятора нагрузок тяжелых транспортных средств (HVS), получившего название HVS-Nordic.  В свое время между Финляндией и Швецией была согласована программа научно-исследовательского сотрудничества в области ускоренных испытаний дорожных покрытий на период 1997-2003 года. В настоящее время, по соглашению о сотрудничестве с Финляндией, испытательный комплекс принадлежит шведскому Национальному научно-исследовательскому институту автомобильных дорог и транспорта (VTI). Комплекс HVS-Nordic является единственным мобильным симулятором нагрузок тяжелых транспортных средств (HVS) в Европе. VTI признает , что установка HVS является европейским испытательным комплексом . Он доступен для отраслевых и исследовательских испытаний по всей Европе. Поскольку HVS является мобильным объектом, он особенно подходит для использования Заказчиками или исследователями по всей Европе. В ряде случаев, на национальном уровне применение дорогостоящего оборудования может столкнуться с определенными проблемами финансирования, тогда для получения доступа к оборудованию такого типа возникает потребность в сотрудничестве на общеевропейском уровне. HVS может быть использован для оценки новых концепций дорог и стратегий технического обслуживания с целью снижения затрат и воздействия на окружающую среду. Поскольку этот комплекс является общеевропейским проектом, архивные данные с результатами испытаний, полученными в ходе публичных исследовательских проектов, доступны для исследователей разных стран в качестве справочных материалов.
HVS-Nordic - это мобильная (линейная)  полномасштабная установка для ускоренных испытаний дорожного покрытия. Установка способна перемещаться на короткие расстояния своим ходом со скоростью пешехода. Транспортировка установки на большие расстояния осуществляется с помощью полуприцепной сцепки с тягачом, как представлено на рис. 1.
Установка HVS-Nordic оснащена системой нагрева  / охлаждения, и поэтому во время испытания может обеспечить поддержание постоянной температуры. Воздух внутри изолированного объема (изотермического кузова)  нагревается или охлаждается, и обеспечивает контроль за поддержанием постоянной температуры дорожного покрытия в заданном диапазоне , см. Рис. 2.

HVS может работать на дизельном топливе или на электрической энергии. Дизельный двигатель также обеспечивает питание системы нагревания / охлаждения и, таким образом , не зависит от внешнего источника энергоснабжения .
Основные технические характеристики заключаются в следующем:
•    Колеса для создания нагрузки - сдвоенные или одинарные;
•    Нагрузка может осуществляться в одной или двух плоскостях (направлениях) ;
•    Количество циклов нагружения в двух направлениях -  около 22 000 за 24 часа (включая перерыв на ежедневное техническое обслуживание);
•    Предельное боковое смещение  центра колеса с испытательной нагрузкой -  до 0,70 м в одну сторону;
•    Нагрузка, создаваемая испытательным колесом на дорожной покрытие на скорости до 12 км/ч, может изменяться в пределах от 30 кН до 110 кН (что соответствует осевым нагрузкам от 60 до 220 кН);
•    Комплекс может работать 24 часа в сутки, в том числе и в ночное время в отсутствии кого-либо из персонала;
•    Габаритная размеры комплекса: длина  - 23 м, ширина  3,5 м, высота 4,2 м и общий вес установки - 46 тонн.
На своем испытательном полигоне в г. Линчёпинг (Швеция) VTI устроены испытательные секции, позволяющие строить полнопрофильные дорожные испытательные конструкции (глубиной 3 м, шириной 5 м и длиной 15 м) для последующих лабораторных испытаний. При условии доставки на полигон своих дорожно-строительных материалов, такие секции могут создаваться и для испытаний дорожных конструкций других стран.

2. Транснациональные совместные исследования
И хотя VTI считает испытательный комплекс HVS общеевропейской собственностью, она доступна и для оказания помощи в проведении испытаний на территории других стран. У нас есть опыт участия в проведении испытаний  в рамках общеевропейских исследовательских проектов, к примеру, с Администрацией автомобильных дорог Швеции , Шведской строительной компанией NCC (совместно с концерном Strabag), Производственным Управлением Администрации автомобильных дорог Швеции (Vägverket Produktion), Датским управлением дорожным хозяйством, Государственное управлением автодорогами Исландии и др.
В течение 2008 года в рамках проекта SPENS “долговечные дорожные покрытия для новых европейских государств-членов” запланированы испытания на территории Польши и Словении. Доступны и справочные материалы по многим из ранее выполненным исследованиям.

2.1 Швеция и Финляндия
Программа сотрудничества в области ускоренных испытаний дорожных покрытий методом нагружения была согласована между Финляндией и Швецией на период с 1997 по 2003 годы. Основная задача  совместного исследования заключалась в широком изучении эксплуатационных характеристик  и прогиба дорожного покрытия . Второй, но наиболее значимой задачей, было изучение способности комплекса HVS адекватно моделировать нагрузки при плотном трафике, насколько глубоко он  воздействует на  дорожное покрытие , и как это отразится на  реальной пропускной способности автомобильной дороги  (Huhtala and Pihlajmäki, 2000; Korkiala-Tanttu and Jovankoski, 2003; Wiman, 2001 and 2006).

2.2 Швеция и Исландия
В 1999 году Государственное управление автомобильными дорогами  Исландии заключило с VTI соглашение об испытаниях двух типовых дорожных конструкций, применяемых на дорогах с низкой интенсивностью движения  (Erlingsson and Ingason, 2004). Исландские дорожные материалы доставили в Швецию, и на испытательном стенде VTI протестировали обе исландские дорожные конструкции, см. Рис. 3.    

2.3 Европейский исследовательский проект REFLEX
Европейский исследовательский проект REFLEX «армирование гибких дорожных конструкций стальной сеткой для продления срока службы» подразумевал трехлетние Европейские исследования с целью разработки новой технологии для строительства и реконструкции автомобильных дорог с применением стальных армирующих сеток. Было проведено три полномасштабных ускоренных испытания: два в Швеции (летом 2000 года), и одно - в Финляндии весной 2001 года (Pihlajamäki et al., 2002). Полученные результаты сопоставлены с результатами одновременно проведенных испытаний эталонных дорожных покрытий (без стальной арматуры).

2.4 Швеция и Польша
Для устройства нежесткого дорожного покрытия на новых участках платной автомагистрали А2 близ Познани в Польше генеральный подрядчик проекта   консорциум A2 Bau Development GmbH разработал проектное предложение . Для его проверки по критерию долговечности  и, соответственно, остаточного ресурса дороги, было принято решение провести в 2002 году в Польше комплексные полигонные испытания . Основные задачи этого испытания: изучение влияния толщины слоев, стабилизированных цементом, на расчетный срок службы дороги, а также соответствие основным строительным нормативным допускам    проекта (Blab et al., 2004). Для этого на территории Польши создали испытательный полигон с двумя вариантами толщины слоев, укрепленных цементом. Испытательные участи построили в полном масштабе и с помощью установки HVS подвергли их испытанию ускоренным нагружением у, см. Рис. 4

2.5 Швеция и Дания
В рамках сотрудничества Швеции и Дании осенью 2003 года на юге Швеции был реализован  совместный проект, в ходе реализации которого комплекс HVS использовали для полномасшабных испытаний датских экспериментальных   конструкции нежестких дорожных одежд (Busch et al., 2006).

2.6 Европейский исследовательский проект SPENS
Ускоренные испытания нагружениями с помощью установки HVS будут проводиться и в рамках европейского проекта SPENS “Долговечные дорожные покрытия  для новых европейских государств-членов". Проект SPENS запущен с осени 2006 года и будет завершен осенью 2009 года.
В течение 2008 года в Польше и Словении будут проведены испытания по оценке материалов для модернизации автомобильных дорог. При этом, в Польше планируется провести испытание конструкций с использованием асфальта с высоким модулем упругости , а в Словении - три испытания   различных методов увеличения прочности дорожного покрытия  ,  а именно:
- с укладкой основания каменным материалом, обработанным вяжущим, и без него;
- с различной толщиной связанных слоев дорожной одежды;
- с армированием и без армирования стальной сеткой нижнего слоя асфальтобетонного покрытия.

3. Прогнозное моделирование деформативности и эксплуатационного состояния покрытий по результатам испытаний комплексом HVS
Пример прогнозирования разрушений дорожных покрытий  на основе  моделирования транспортных нагрузок установкой  HVS Nordic можно найти в работе Erlingsson (2007), где  приведены результаты испытаний двух тонкослойных  конструкций  для верхнего слоя  износа дорожного покрытия. В первом случае слой износа укладывался поверх несвязанного слоя толщиной 20 см, а во втором – поверх 10-сантиметрового слоя, стабилизированного вяжущим, уложенном  на несвязанном основании толщиной 10 см.  Оба варианта конструкции исследовались с целью оценки прогибов, деформаций и напряжений в различных зонах в толще  конструкции. Поперечное сечение этих двух конструкций показано на рисунке 5.
Кроме того,   на массиве полученных фактических результатов измерений была создана  математическая   модель  деформативности конструкции покрытий. Моделирование проводилось с использованием различных методик:  как 3D, так и 2D осесимметричный анализ  пространственное моделирование  3D и 2D выполнялись с применением  метода конечных элементов  и  положений уточненной  теории упругости многослойных сред . Реакция несвязанного основания дорожного покрытия   моделировалась как линейно-упругая, так и нелинейно-упругая среда. Полученные результаты были также использованы для моделирования накопления  остаточной деформации в каждом слое.
На графиках рис. 6 показаны расчетные значения нормальных  вертикальных напряжений   в центе зоны контакта одного колеса  с давлением воздуха в шине  p = 800 кПа,  под воздействием нагрузки  W = 60 кН  , которая близка к условиям приложения  стандартной  осевой нагрузке  (11,5 тн).
Представленные на  рис. 6 графики демонстрируют важность учета нелинейного поведения структуры не связанного основания. На графиках видно, что результаты расчета по методике  линейного анализа завышают оценку  напряжения в верхней части конструкции по сравнению с результатом нелинейного  анализа в двух плоскостях.
На рисунке 7 показаны результаты сравнения прогнозируемой и  измеренной накопленной остаточной деформации основания, подстилающего слоя и земляного полотна в зависимости от повторяемости нагрузки для обеих дорожных конструкций после первых  300 000 циклов нагрузки.
При расчете остаточной деформации  было использовано простое допущение степенного закона . Это, по-видимому,  дает удовлетворительную сходимость между математической  моделью  и фактическими результатами измерений  для обеих конструкций. Наибольшее отклонение имело место в начале испытания, но после этого скорость накопления остаточных деформаций была довольно близка  как  у  расчетных  показателей , так и у  фактических измерений.
Любопытно  сравнить процессы развитие остаточных деформаций в этих двух конструкциях. В том случае, когда верхняя часть основания стабилизирована вяжущим , остаточная деформация  после 300 000  циклов повторного нагружения  составила в общей сложности около 14 мм, в то время как конструкция с несвязанным основанием  после такого же количества проходов  нагрузки имела  деформацию почти 40 мм. Это указывает на совершенно различную долговечность этих двух конструкций. При этом ,  в равных условиях приложения  вертикальных нагрузок к обеим конструкциям и практически  идентичному  напряжению  в верхней части земляного полотна, разница стоимости жизненного цикла конструкций не является превалирующим фактором ( не столь очевидна) (см. рис. 6).

4. Возможные будущие совместные исследования
Комплекс HVS предлагается  польским и словенским ученым  для выполнения  исследований в рамках Европейского исследовательского проекта SPENS на территории своих стран. Это пример применения установки HVS для проведения исследований в других странах.
Одна из возможностей заключается также в том, чтобы отправить материалы в VTI и построить дорожную полномасштабную конструкцию из дорожных материалов конкретной страны для последующих комплексных  исследований  на  испытательном полигоне VTI. Возможные темы будущих исследований могут быть классифицированы следующим образом:
•    Оценка эксплуатационных характеристик различных дорожных сооружений;
•    Анализ проектов дорожных одежд и технологий ремонта дорожных  покрытий;
•    Испытания новых конструкций и новых материалов;
•    Оценка существующих и разработка новых методов проектирования;
•    Проверка точности лабораторных испытаний;
•    Разработка эффективных технических решений для автомобильных дорог с высокой пропускной способностью.

5. Выводы
Транснациональное научно-исследовательское сотрудничество может  положительно сказаться на  использовании европейского исследовательского оборудования, и тем самым, повысить конкурентоспособность европейского сектора дорожного строительства. Ведущие (ключевые) ученые  из разных стран могут использовать его  для проведения своих исследований.
Поскольку комплекс HVS-Nordic является передвижным оборудованием, он особенно подходит для использования заказчиками  или исследователями из других странах. Зачастую финансирование разработок и комплексных испытаний сопряжено  с затруднениями на национальном уровне , и поэтому примеры сотрудничества на общеевропейском уровне в части проведения испытания с помощью мобильного комплекса  HVS могут рассматриваться в качестве  экономически рациональной  альтернативы.
Установка HVS может использовать для оценки новых концепций автомобильных дорог и стратегий их технического обслуживания в целях снижения затрат и воздействий на окружающую среду. Поскольку это оборудование при надлежит всем странам Европы,  архивные данные с результатами испытаний, полученными в ходе предыдущих  публичных исследовательских проектов, доступны для ученых  из разных стран в качестве справочных материалов.