способ оценки состояния дорожных конструкций спектральным анализом волновых полей при тарированном ударном воздействии

Формула изобретения

Способ оценки состояния дорожных конструкций спектральным анализом волновых полей при тарированном ударном воздействии, включающий измерение реакции дорожной конструкции, отличающийся тем, что тарированное ударное воздействие рассматривается в качестве источника волнового поля с известными амплитудно-временной и амплитудно-частотной характеристиками; измерение реакции дорожной конструкции производится пьезокерамическими виброакселерометрами в контрольных точках на различных расстояниях от центра области контакта на поверхности покрытия в направлении, параллельном оси автомобильной дороги; на основании данных амплитудно-временных зависимостей вертикальной составляющей ускорений производится вычисление амплитудно-временных зависимостей перемещений, спектральных и количественных характеристик волнового поля: интеграл по амплитудам ускорений в интервале продолжительности сигнала отклика и интегральная оценка спектральной характеристики; на основании сопоставительных зависимостей комплекса предложенных параметров в различных контрольных точках, исходя из характера изменения экстремумов спектральных характеристик, продолжительностей сигналов откликов, коэффициентов затухания по значениям амплитуд ускорений и перемещений, а также предложенных количественных показателей оценивается состояние отдельных элементов дорожной конструкции: слоев покрытия, основания и земляного полотна.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области строительства и эксплуатации автомобильных дорог, а именно к методам и средствам диагностики состояния дорожных конструкций.

Известен способ испытаний дорожных конструкций высокопроизводительным методом кратковременного воздействия установкой динамического нагружения типа УДН-НК конструкции МАДИ, при котором фиксируется величина упругого прогиба в центре приложения нагрузки и на основании которого рассчитывается общий модуль упругости (ОДН 218.1.052-2002. Оценка прочности нежестких дорожных одежд, Москва, 2003 - С.20).

Известен способ испытаний дорожных конструкций воздействием движущегося автомобиля, при котором измеряются виброперемещения поверхности покрытия в точках, не совпадающих с колеей, затем на основании этих данных рассчитывается максимальное значение перемещения в области контакта колеса с поверхностью покрытия, в результате определяется общий динамический модуль упругости (Белоногов Л.Б., Кычкин В.И., Пугин К.Г. Вибродиагностика прочности дорожных одежд нежесткого типа, Пермь, 1999, Депонировано в ВИНИТИ. УДК 625.75:658.562).

Наиболее близким к предлагаемому изобретению относится способ испытаний дорожных конструкций малогабаритной установкой динамического нагружения, при котором определяют деформацию поверхности покрытия по краям опорной плиты при воздействии на нее падающего груза, усилие которого передается через демпфирующий элемент, установленный на направляющей штанге; исходя из полученных значений деформации рассчитывается общий модуль дорожной конструкции (Schellprüfungen mit dem Leichten Fallgerät. Weingart Wolfgang, Strasse, №7, 1990 - C.217-219).

Данный способ имеет следующие недостатки.

В качестве параметра, характеризующего состояние дорожной конструкции, рассматривается общий модуль упругости. При этом исключается возможность установления причины снижения несущей способности. Отсутствие информации о состоянии отдельных элементов сооружения (слоев покрытия, основания и земляного полотна) не позволяет назначать в каждом конкретном случае наиболее эффективный комплекс ремонтных работ.

Задачей изобретения является усовершенствование способа оценки состояния дорожных конструкций, позволяющее определять помимо общего модуля упругости, также состояние их отдельных элементов.

В качестве тарированного источника динамического воздействия используется удар с определенной энергией. Спектр ударного воздействия на дорожную конструкцию является достаточно широкополосным (охватывает весь возможный частотный интервал воздействия движущегося автомобильного транспорта при всех возможных скоростях и режимах движения) и, вместе с тем, характеризуется равновесным распределением амплитуд на всех частотных составляющих, что позволяет с высокой точностью оценивать состояние отдельных элементов дорожной конструкции (слоев покрытия, основания и земляного полотна) по динамике изменения качественных (спектральных) и количественных (энергетических) показателей волнового поля, с удалением от источника воздействия.

Предлагаемый для достижения технический результат: обеспечить возможность оценки состояния отдельных элементов дорожной конструкции (слоев покрытия, основания и земляного полотна) на основании анализа трансформации волнового поля при тарированном ударном воздействии.

Сущность изобретения заключается в том, что в основе предлагаемого способа оценки состояния дорожных конструкций спектральным анализом волновых полей при тарированном ударном воздействии, включающего измерение реакции дорожной конструкции, тарированное ударное воздействие рассматривается в качестве источника волнового поля с известными амплитудно-временной и амплитудно-частотной характеристиками; измерение реакции дорожной конструкции производится пьезокерамическими виброакселерометрами в контрольных точках на различных расстояниях от центра области контакта на поверхности покрытия в направлении, параллельном оси автомобильной дороги; на основании данных амплитудно-временных зависимостей вертикальной составляющей ускорений производится вычисление амплитудно-временных зависимостей перемещений, спектральных и количественных характеристик волнового поля: интеграл по амплитудам ускорений в интервале продолжительности сигнала отклика и интегральная оценка спектральной характеристики; на основании сопоставительных зависимостей комплекса предложенных параметров в различных контрольных точках, исходя из характера изменения экстремумов спектральных характеристик, продолжительностей сигналов откликов, коэффициентов затухания по значениям амплитуд ускорений и перемещений, а также предложенных количественных показателей оценивается состояние отдельных элементов дорожной конструкции: слоев покрытия, основания и земляного полотна.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:

фиг.1 - схема проведения экспериментальных измерений откликов дорожной конструкции на тарированное ударное воздействие полевым комплексом: 1 - пьезокерамические виброакселерометры; 2 - согласующие антенные устройства; 3 - аналогово-цифровой преобразователь; 4 - портативный компьютер типа "NOTEBOOK"; 5 - малогабаритная установка ударного нагружения;

фиг.2 - схема взаимного расположения пьезокерамических виброакселерометров и области ударного воздействия относительно геометрии автомобильной дороги: 6 - центр области ударного воздействия; 7 - точки установки пьезокерамических виброакселерометров;

фиг.3 - малогабаритная установка ударного нагружения дорожной конструкции: 8 - металлический штамп; 9 - направляющая штанга; 10 - металлический индентор;

фиг.4 - амплитудно-частотная характеристика динамического воздействия удара: ось абсцисс - частота, Гц; ось ординат - амплитуды контактных давлений, Па×с;

фиг.5 - амплитудно-временная характеристика вертикальной составляющей ускорений в контрольной точке при ударном воздействии: 11 - интеграл по амплитудам ускорений в интервале продолжительности сигнала отклика; 12 - продолжительность сигнала отклика; ось абсцисс - частота, Гц; ось ординат - амплитуды ускорений, м/с²;

фиг.6 - амплитудно-частотная характеристика вертикальной составляющей ускорений в контрольной точке при тарированном ударном воздействии: 13 - интегральная оценка спектральной характеристики; ось абсцисс - частота, Гц; ось ординат - амплитуды ускорений, с×м/с²;

фиг.7 - амплитудно-временная характеристика вертикальной составляющей перемещений в контрольной точке при тарированном ударном воздействии: ось абсцисс - время, с; ось ординат - вертикальная составляющая амплитуды перемещений, м;

фиг.8 - коэффициенты затухания волнового поля: ось абсцисс - расстояния от центра области контакта, м; ось ординат - относительное изменение максимальных значений амплитуд ускорений либо перемещений.

В ходе проведения экспериментальных исследований используется полевой комплекс фиг.1. Принцип его работы состоит в следующем. Пьезокерамические виброакселерометры 1, устанавливаемые на специальных антенных устройствах 2, преобразуют механические воздействия в электрический сигнал, уровень которого повышается посредством встроенных усилителей. В аналогово-цифровом преобразователе (АЦП) 3 осуществляется преобразование сигнала в цифровой формат при помощи модуля Е-440 "L-CARD". Данные измерений передаются на портативный компьютер типа "NOTEBOOK" 4 по шине USB. Обработка данных производится посредством разработанного программного обеспечения, позволяющего вычислять все характерные параметры откликов (амплитудно-временные и амплитудно-частотные характеристики ускорений и перемещений; интегральные оценки по частоте и амплитуде ускорений, а также сопоставительные зависимости для различных виброизмерительных каналов - коэффициенты затухания по амплитудам ускорений и перемещений).

Схемы установки пьезокерамических виброакселерометров в процессе проведения экспериментальных испытаний разработаны исходя из анализа результатов большого количества натурных и теоретических исследований напряженно-деформированного состояния дорожных конструкций при тарированном ударном воздействии и позволяют получать достаточный объем экспериментальных данных при минимально возможном количестве измерительных датчиков. Подобный подход в значительной степени сокращает продолжительность полевых испытаний и предлагаемого способа оценки состояния в целом.

Полевые испытания производят в следующей последовательности:

- установка согласующих антенных устройств 2;

- установка и закрепление пьезокерамических виброакселерометров 1 на согласующих устройствах 2, выполнение кабельных соединений составных частей полевого комплекса;

- включение аналогово-цифрового преобразователя 3, переносного компьютера 4; запуск программы записи сигналов в реальном масштабе времени и визуализации сигналов, установка параметров регистрации;

- установка оптимальных коэффициентов усиления, проведение тестового ударного нагружения, анализ работоспособности всех систем;

- запуск режима регистрации сигналов, визуальный качественный анализ полученных данных;

- детальная обработка записанной информации при помощи разработанного пакета программного обеспечения.

Выводы о состоянии отдельных элементов дорожной конструкции по результатам полевых испытаний производят исходя из доказанных представлений о зависимости между параметрами внутреннего волнового поля (распространяющегося вертикально вниз под центром области ударного воздействия) и откликами, регистрируемыми на различных удалениях от области контакта на поверхности покрытия.

Оценка состояния производится по следующим критериям:

- экстремумы спектральных характеристик откликов в контрольных точках тем выше, чем выше общая несущая способность дорожной конструкции (общий модуль упругости);

- продолжительность сигналов откликов тем меньше, чем выше несущая способность дорожной конструкции (общий модуль упругости);

- наиболее выраженный уровень затухания волнового поля (оценивается исходя из значений коэффициентов затухания по амплитудам ускорений и перемещений) в интервале расстояний от 0,25 до 0,75 м свидетельствует об ослаблении слоев покрытия дорожной одежды; в интервале расстояний от 0,75 до 1,25 м свидетельствует об ослаблении слоев основания дорожной одежды; ослабление грунта земляного полотна выражается в потерях на большем удалении (свыше 1,25 м);

- относительно высокий уровень потерь энергии волнового поля (оценивается по интегральным оценкам) свидетельствует об увеличении демпфирующих свойств отдельных элементов, что связано с эскалацией процессов разрушения (нарушение субмикро- и субмакроструктуры материалов).